多通道數(shù)顯溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

　　0引言
　　
　　當(dāng)身體不適時(shí)，常去醫(yī)院就診，*道程序就是領(lǐng)序號(hào)，并且要量好體溫，以便給醫(yī)生診斷時(shí)提供依據(jù)。使用的是傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)，天冷時(shí)衣服穿得多，有時(shí)很擔(dān)心放在腋下的溫度計(jì)會(huì)不會(huì)折斷，護(hù)士們也要費(fèi)力地讀取上面的分度值.為此設(shè)計(jì)了這樣的一種儀器：測溫安全、快捷、讀數(shù)直觀的測溫儀，結(jié)構(gòu)框圖如圖1。　　
　　圖中:溫度傳感器采用LM35精密溫度傳感器，其輸出的電壓與攝氏溫度成正比,共4路.
　　
　　放大器：采用CA3140構(gòu)成放大電路，將LM35輸出的m號(hào)放大為0~5V的直流電壓信號(hào),作為單片機(jī)的模擬輸入信號(hào)。
　　
　　單片機(jī)：為PIC16C71單片機(jī)構(gòu)成的微電腦控制系統(tǒng).
　　
　　顯示單元：為4位高亮度LED顯示,其中*位紅色顯示通道號(hào),后3位綠色顯示保留1位小數(shù)的溫度值。
　　
　　鍵盤:為4鍵,分別控制4個(gè)顯示通道,初始狀態(tài)默認(rèn)為*通道的值.
　　
　　1PIC16C71單片機(jī)
　　
　　PIC單片機(jī)是由美國Microchip公司推出的,代表了當(dāng)今世界微控制器的新趨勢,采用了RISC精簡指令集以及指令總線與數(shù)據(jù)總線分開的哈佛總線結(jié)構(gòu).PIC16C71為18腳雙列直插集成器件,片內(nèi)除CPU外,有36個(gè)8位的RAM、1k的EPROM、1個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器、13個(gè)雙向可獨(dú)立編程的I/O引腳,內(nèi)置自振式看門狗,功耗低（除工作電流很小外,還具有SLEEP方式）,輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（可以直接驅(qū)動(dòng)LED）.工作電壓寬（2~6V）,特別是其內(nèi)部具有一個(gè)4路高速8位A/D轉(zhuǎn)換,其參考電壓是軟件可編程的,可以是芯片的電源電壓,也可以選擇RA3/AN3/VERF引腳上的電壓.B口還具有電平變化中斷功能（可直接外掛鍵盤）.與其它普通類型8位微處理器相比,CPU的體積小（18腳）、又無需外接RAM、E-PROM、A/D轉(zhuǎn)換器、以及顯示、鍵盤的外接接口和輸出驅(qū)動(dòng)芯片,大大簡化了外圍電路,縮小了體積,同時(shí)還可達(dá)2∶1的代碼壓縮和4∶1的運(yùn)行速度的提高.其紫外線可擦除的陶瓷封裝型用于開發(fā)十分理想,而低成本的一次性用戶可編程型器件（OTP）則適用于批量產(chǎn)品.它在國外早已被廣泛運(yùn)用,在國內(nèi)也有正在興起之勢.　　2LM35的應(yīng)用
　　
　　LM35精密集成溫度傳感器是NS公司的產(chǎn)品,其輸出的mV級(jí)電壓與攝氏溫度成正比,不需外部調(diào)整或校準(zhǔn)就有很高的精度,可以單電源供電,電源電流只有60μA,外型很小,只有3個(gè)引腳（如圖2所示）,VOUT是輸出電壓端,VS是電源端,GND為地.對于測溫范圍在12~150℃之間的,它無需負(fù)電源及外接下拉電阻.VS為4~20V直流.
　　
　　本儀器設(shè)置的測溫范圍為12~63.8℃,包含了人體體溫的變化范圍.設(shè)置12℃的原因是LM35在≥12℃時(shí)無需外接負(fù)電源;設(shè)置63.8℃是為了避免PIC單片機(jī)在運(yùn)算方面的弱勢（無乘除指令）,但可以左移兩次達(dá)到乘4的目的,即為255,是8位A/D轉(zhuǎn)換的zui大值.其輸出為+10.0mV/℃,即37℃時(shí)輸出為370mV.63.8℃對應(yīng)LM35的輸出為638mV,若將638mV放大到5V,PIC16C71可獲得更高的精度.CA3140是美國無線電公司生產(chǎn)的高精度線性集成運(yùn)算放大器,為CMOS輸入,功耗低,雙極型晶體管輸出（可輸出較大電流）,特別適合于與MCU連接的應(yīng)用場合.具有低失調(diào)、低溫漂和低噪聲的性能,失調(diào)電壓小于100μV,失調(diào)電流為10nA以下,溫漂在1μV/℃以下,采用了如圖3所示放大電路.由于放大器的輸入電阻很高,該運(yùn)放的增益為:AV=（R2+RW1）/R1而5V對應(yīng)于638mV的放大倍數(shù)應(yīng)為7.8,取R1為20kΩ;R2為150kΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻;RW1為10kΩ的多圈電位器進(jìn)行放大倍數(shù)的調(diào)整.R為100Ω,RW2為10kΩ的多圈電位器進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn).放大后的電壓信號(hào)進(jìn)入PIC16C71的RA1~RA3口作為模擬輸入信號(hào),5V經(jīng)內(nèi)部8位A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果為255（0FFH）,為得到對應(yīng)的溫度值,需將A/D的結(jié)果除以4（255/4=63.8）,對于PIC單片機(jī)來說,除以4是很容易實(shí)現(xiàn)的,然后由二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成BCD碼顯示出來,取兩位整數(shù)和*位小數(shù).由于LM35和CA3140都是高精度的線性器件,加上CA3140的零點(diǎn)和增益的可調(diào)特點(diǎn),因此在37℃左右的范圍內(nèi),且保留一位小數(shù)的情況下,*可以達(dá)到很高的精度.　　3顯示及鍵盤
　　
　　3.1顯示
　　
　　由于PIC16C71的A口和B口都具有很高的吸入和供出電流的能力,每個(gè)I/O口都能吸入25mA和供出20mA的電流,B口總吸收/驅(qū)動(dòng)電流為150/100mA,A口為80/50mA,此能力對于驅(qū)動(dòng)7段LED顯示顯然是非常合適的.RB7~RB0與LED的每段及小數(shù)點(diǎn)連接,此時(shí)RA3~RA0定義為輸出,每個(gè)腳通過1只三極管與LED相接,4個(gè)中的一個(gè)導(dǎo)通來決定當(dāng)前是哪一位顯示.LED為共陰高亮7段數(shù)碼管,每位顯示5ms,即掃描4位的顯示周期是20ms,頻率為50Hz,能夠滿足人眼觀察的需要.5ms的時(shí)基是由4.096MHz的振蕩經(jīng)1∶32分頻得到,然后加到TRM0上,TRM0的初值置為96,（256-96）×（32×4/4096000）=5ms,因此TRM0每5ms產(chǎn)生一次中斷.當(dāng)OPTION寄存器的低4位置為0100時(shí),則可得到TRM0的預(yù)分頻倍率為1∶32.
　　
　　3.2鍵盤
　　
　　由于RB7~RB4具有電平變化中斷功能,所以利用B口就可接4×4=16個(gè)鍵盤.本設(shè)計(jì)只需4個(gè)鍵,分別定義為#1、#2、#3、#4.RB4設(shè)置為輸入,RB3~RB0設(shè)置為輸出.通過OPTION的zui高位使B口弱上拉允許,因此當(dāng)沒有鍵按下時(shí),RB4呈高電平.設(shè)RB2輸出為“0”,這時(shí)若按下“#2”,則RB4成為低電平,該電平的變化可引起B(yǎng)口電平變化,產(chǎn)生中斷.從RB3-RB0輪流輸出“0”,則可測出是否有鍵按下,當(dāng)測試到某個(gè)鍵按下時(shí),通過按鍵去抖處理,讀取鍵值.只有當(dāng)按下的鍵釋放之后,才開始新一輪掃描,這樣的掃描方法可防止鍵盤的誤操作.
　　
　　4程序設(shè)計(jì)
　　
　　因?yàn)镻IC單片機(jī)采用RISC精簡指令集,PIC16C71屬中檔PIC單片機(jī),只有35條指令,除跳轉(zhuǎn)指令外,其余均為單周期指令.對于編程來說,它沒有統(tǒng)一的格式,且易學(xué)易用.如圖4、圖5給出了主程序和鍵盤服務(wù)子程序的流程圖.PIC單片機(jī)的程序容易編寫,但其程序調(diào)試又是必須的.調(diào)試的方法有兩種:一種是用實(shí)時(shí)在線的仿真器,一種是模擬的仿真軟件包.為了達(dá)到的全實(shí)時(shí)在線仿真,使用了福建高奇公司生產(chǎn)的PICMATE基本系統(tǒng),配以PROBE71仿真模板進(jìn)行仿真調(diào)試的,完夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求.
　　
　　5結(jié)束語
　　
　　本系統(tǒng)結(jié)合了PIC系列單片機(jī)和LM35傳感元件的特點(diǎn),設(shè)計(jì)的一個(gè)外圍電路簡單、成本低、實(shí)用性強(qiáng)的多通道體溫測量儀.盡管如此,它還可以增強(qiáng)一些其它輔助功能,還可以通過少許的軟、硬件改動(dòng),作為其它方面的測量儀器使用.
　　
　　[參考文獻(xiàn)]
　　
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　　[4]上海電器科學(xué)研究所.實(shí)用電子元器件手冊[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社.1998.
　　
　　作者簡介:沈世斌,1967-,南京師范大學(xué)控制科學(xué)與工程系工程師、實(shí)驗(yàn)師,主要從事檢測技術(shù)和自動(dòng)控制方面的教學(xué)與研究.