基于ATmega8AVR单片机的体温计设计

冯义志 史洪惠

（德州科技职业学院，山东 禹城 251200）

0 前言

临床医学中 ,体温是一个重要的生理参数 ,病人的体温为医生提供了生理状态的重要信息。传统的体温计主要有两种,水银式体温计和电子式体温计,是经口腔、腋窝、直肠等来测量人体的平均温度 ,这其中水银体温计的缺点是测量时间较长 ,大约10至15分钟，而且不便于读数，这样耽误病人的大量时间，降低了医生的办事效率；除此之外水银温度计还很容易受到测量位置和环境温度的影响,给使用者带来诸多不便。

近年来，电子式体温计的到很大的改进和性能改善，在缩短测量时间和消除环境对体温的影响方面都有了很大的改进。

由于数字体温计的价格比同类型的酒精或水银温度计要高很多，所以国内多数家用体温计仍然为酒精或水银温度计，而少数的数字体温计存在着测量精不高、体积大、耗电多等缺点。虽然国外进口的数字体温计精度较高，可以达到测温的精度要求，但是其价格更是不菲。因此设计一款性价比较高的家用数字体温计就显得十分必要了。

1 设计方案的选取

1.1 温度传感器的选取

温度传感器的主要功能是把温度信号转换为微弱的电信号。因此传感器的好坏直接影响到测到温度的准确程度。常用的温度传感器有很多如P-N结温度传感器、热电偶温度传感器等。P-N结温度传感器易受到电磁场尤其是微波场的影响，尽管在使用过程中对P-N结进行工艺上的加工，在PN结温度传感器探针部分采用了全屏蔽封装，但是仍很难避免外磁场对温度采集的影响，给温度采集的精确度带来很大的误差。所以不适合作为体温计的温度采集部分。热电偶温度传感器具有较高的稳定性，但是热-电灵敏度低，约几十uV/℃,对放大电路要求很高；热敏电阻在较大测温范围内非线性比较严重，精度不高。而且人体温度范围在+32℃～+42℃之间，在小范围内热电偶温度传感器很不适合，所以热电偶温度传感器不适合采集人体温度。本设计选取半导体热敏电阻温度传感器，采集温度信号。

半导体热敏电阻具有以下优点：（1）电阻温度系数绝对值大，因而灵敏度高，测量线路简单，甚至不用放大器便可输出几伏的电压。（2）体积小、质量轻、热惯性小。（3）本身电阻值大，不需要考虑引线长度带来的误差。（4）热敏电阻产品已系列化，便于设计选用。（5）工作寿命长，而且价格便宜。因此温度传感器选取NTC热敏电阻温度传感器。

1.2 电压放大模块选取

放大部分采用AD627精密仪表运算放大器。AD627精密仪表放大器运算放大器具有3V单电源供电，低温度漂移和高增益等优点，比较适合对微弱的精密放大。通过四片AD627组成放大模块。第一级带调零电路并对信号放大五倍，之后跟一级两倍放大，和一级三倍放大，最后跟一电压跟随器，达到提高输入阻抗的作用。

1.3 单片机控制模块选取

由于温度传感器采集到的温度—电压变换，经过放大模块后变为较大的电压信号，为连续的模拟信号，所以模数转换模块必须紧跟放大模块的后面，将连续的电压模拟信号变化为离散的能够被单片机处理的二进制数。如果选择AT89S51系列单片机，模数转换模块就必须单独的加在单片机的前端，这样一方面提高了整个电路的功率损耗，而且模数转换的参考电压要求很严格，实现起来很不方便。

经过分析后，最终决定选取ATMEL公司的产品ATmega8 AVR单片机，其具有内置8位/10位模数转换器，而且可以利用内部参考电压2.56V作为模数转换的参考电压，而且还具有内部RC振荡电路，不需要外加晶振，可以简化电路。

总上所述分析过程，选择内置A/D转换器的ATmega8 AVR单片机作为控制模块。

2 程序设计流程

程序的设计流程如下：首先开始对ATmega8的器件初始化，包括对端口进行初始化，和对A/D初始化；循环检测是否按下测温键，如果按下，则进入A/D转换程序，结果处理程序，如果前一次的A/D转换结果小于后一次的转换结果则将转换结果储存到前一次，直到温度不再升高为止；然后进入温度判断程序，如果转换的温度值比36.0℃低或者比38℃高，将进行报警，如果在正常体温范围内，则显示其体温值。

端口初始化部分：PORTB作为8位输出口，PORTD高4位和第0位作为输入口，其中高四位作为动态显示的片选信号，第0位作为控制程序顺序端。

A/D转换程序部分：ADC寄存器控制字的选择设置，ADMWX寄存器设置为内部参考电压AVcc，外参考引脚AREF外部接电容，选择通道0，即其控制字ADMWX=0x40;ADC控制和状态寄存器ADCSRA，ADEN=“1”，使能 ADC，ADSC 置位为“1”，ADC 开始转换，设置为连续转换模式，ADFR=“1”。所以控制和状态寄存器ADCSRA=0xe6。

结果处理程序：由于通过调零和调满以后，温度的升高导致电压的线性化的升高，即电压—温度系数为10mV/℃。经过二级、三级反相放大后，电压—温度系数变为为60mV/℃。由电压与ADC转换结果之间的关系可以推导出V=（ADC*Vref）/0x3ff。可以得到温度与电压的关系即：T=（V/60）℃。

3 显示电路

显示电路采用即将ATmega8的PORTB端口与共阳极LED的8个引脚对应连接并行动态显示，将片选信号加在PORTD端口的高四位，通过程序控制其循环选通共阳极端，使LED循环显示所送的数据，如果所设的片选信号的选通频率为10ms左右，人的眼睛无法分辨出选通点亮的过程所以，人眼看到的显示就是无闪烁的，也就是看似静态的LED在显示。

动态显示可以把LED的8位数码管的位显端连接到一起，然后片选端由单线选通，这样的连接方式可以节省大量的端口资源，由于ATmega8的端口资源有限，所以动态显示的选择是十分必要的。

4 硬件调试过程与结果分析

硬件组装和调试参数及结果分析如下：

1）第一级放大电路电路调零输出电压U=0.9uV，调满输出电压U=1.003V。结果与理论值基本符合。

2）第二级、第三级反相放大部分调零输出电压为U=5.3uV，在室温为25℃时的输出电压为U=1.43V。放大的电压值与理论误差很小，基本达到要求。

3）电压跟随器的对应输出电压调零输出电压为U=5.44uV，在室温为25℃时的输出电压为U=1.47V。显示结果基本与原理值相吻合。

4）对ATmega8单片机的烧写，通过双龙公司的烧写软件，将编译生成的tiwenji.hex文件通过编程器烧写到ATmega8芯片中。测试外围电路，将温度传感器贴在身体表面，按下测温键，经过30s左右，在LED显示屏上显示出人体表温度36.8℃与水银体温计36.7℃基本吻合。说明数字体温计的硬件基本成功了。

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