多通道数显温度计的设计

　　0　引言

　　当身体不适时,常去医院就诊,第一道程序就是领序号,并且要量好体温,以便给医生诊断时提供依据.使用的是传统的水银温度计,天冷时衣服穿得多,有时很担心放在腋下的温度计会不会折断,护士们也要费力地读取上面的分度值.为此设计了这样的一种仪器:测温安全、快捷、读数直观的测温仪,结构框图如图1.

　　图中:温度传感器采用LM35精密温度传感器,其输出的电压与摄氏温度成正比,共4路.

　　放大器:采用CA3140构成放大电路,将LM35输出的mV信号放大为0~5V的直流电压信号,作为单片机的模拟输入信号.

　　单片机:为PIC16C71单片机构成的微电脑控制系统.

　　显示单元:为4位高亮度LED显示,其中第一位红色显示通道号,后3位绿色显示保留1位小数的温度值.

　　键盘:为4键,分别控制4个显示通道,初始状态默认为第一通道的值.

　　1　PIC16C71单片机

　　PIC单片机是由美国Microchip公司推出的,代表了当今世界微控制器的新趋势,采用了RISC精简指令集以及指令总线与数据总线分开的哈佛总线结构.PIC16C71为18脚双列直插集成器件,片内除CPU外,有36个8位的RAM、1k的EPROM、1个定时/计数器、13个双向可独立编程的I/O引脚,内置自振式看门狗,功耗低(除工作电流很小外,还具有SLEEP方式),输出驱动能力强(可以直接驱动LED).工作电压宽(2~6V),特别是其内部具有一个4路高速8位A/D转换,其参考电压是软件可编程的,可以是芯片的电源电压,也可以选择RA3/AN3/VERF引脚上的电压.B口还具有电平变化中断功能(可直接外挂键盘).与其它普通类型8位微处理器相比,CPU的体积小(18脚)、又无需外接RAM、E-PROM、A/D转换器、以及显示、键盘的外接接口和输出驱动芯片,大大简化了外围电路,缩小了体积,同时还可达2∶1的代码压缩和4∶1的运行速度的提高.其紫外线可擦除的陶瓷封装型用于开发十分理想,而低成本的一次性用户可编程型器件(OTP)则适用于批量产品.它在国外早已被广泛运用,在国内也有正在兴起之势.

　　2　LM35的应用

　　LM35精密集成温度传感器是NS公司的产品,其输出的mV级电压与摄氏温度成正比,不需外部调整或校准就有很高的精度,可以单电源供电,电源电流只有60μA,外型很小,只有3个引脚(如图2所示),VOUT是输出电压端,VS是电源端,GND为地.对于测温范围在12~150℃之间的,它无需负电源及外接下拉电阻.VS为4~20V直流.

　　本仪器设置的测温范围为12~63.8℃,包含了人体体温的变化范围.设置12℃的原因是LM35在≥12℃时无需外接负电源;设置63.8℃是为了避免PIC单片机在运算方面的弱势(无乘除指令),但可以左移两次达到乘4的目的,即为255,是8位A/D转换的最大值.其输出为+10.0mV/℃,即37℃时输出为370mV.63.8℃对应LM35的输出为638mV,若将638mV放大到5V,PIC16C71可获得更高的精度.CA3140是美国无线电公司生产的高精度线性集成运算放大器,为CMOS输入,功耗低,双极型晶体管输出(可输出较大电流),特别适合于与MCU连接的应用场合.具有低失调、低温漂和低噪声的性能,失调电压小于100μV,失调电流为10nA以下,温漂在1μV/℃以下,采用了如图3所示放大电路.由于放大器的输入电阻很高,该运放的增益为:AV=(R2+RW1)/R1而5V对应于638mV的放大倍数应为7.8,取R1为20kΩ;R2为150kΩ的标准电阻;RW1为10kΩ的多圈电位器进行放大倍数的精确调整.R为100Ω,RW2为10kΩ的多圈电位器进行零点校准.放大后的电压信号进入PIC16C71的RA1~RA3口作为模拟输入信号,5V经内部8位A/D转换的结果为255(0FFH),为得到对应的温度值,需将A/D的结果除以4(255/4=63.8),对于PIC单片机来说,除以4是很容易实现的,然后由二进制转换成BCD码显示出来,取两位整数和第一位小数.由于LM35和CA3140都是高精度的线性器件,加上CA3140的零点和增益的可调特点,因此在37℃左右的范围内,且保留一位小数的情况下,完全可以达到很高的精度.