數(shù)字溫度計(jì)的重要設(shè)計(jì)考慮因素

本應(yīng)用筆記介紹了數(shù)字溫度計(jì)的類型以及熱敏電阻和熱電堆如何計(jì)算溫度的基本概念。使用自然測(cè)數(shù)與查找表，設(shè)計(jì)人員為更快的計(jì)算和準(zhǔn)確性所做的權(quán)衡，以及數(shù)字溫度計(jì)所需的各種組件。

概述

醫(yī)用溫度計(jì)在以37°C為中心的小溫度范圍內(nèi)測(cè)量人體溫度。 在過(guò)去的10到15年中，數(shù)字溫度計(jì)一直在取代汞棒溫度計(jì)，因?yàn)樾录夹g(shù)提供了更快，更方便的測(cè)量，以及傳統(tǒng)溫度計(jì)中汞對(duì)環(huán)境的危害。探頭和耳型是市場(chǎng)上兩種主要的數(shù)字溫度計(jì)，鏡腿和額頭類型成為其他替代品。探頭類型的使用方式與傳統(tǒng)的水銀棒溫度計(jì)相同，可測(cè)量口腔、直腸或有時(shí)腋窩溫度。耳型是非接觸式溫度計(jì)，測(cè)量從耳道輻射的紅外能量。太陽(yáng)穴和前額類型通常是接觸式溫度計(jì)，測(cè)量太陽(yáng)穴或前額輻射的紅外能量以確定體溫。

測(cè)量

探頭式溫度計(jì)通常使用探頭尖端的熱敏電阻來(lái)測(cè)量溫度。熱敏電阻是一種電阻隨溫度變化的電阻器。分壓器由一個(gè)熱敏電阻和一個(gè)精密電阻串聯(lián)組成，由一個(gè)基準(zhǔn)電壓驅(qū)動(dòng)，在中點(diǎn)處進(jìn)行單端測(cè)量，或在熱敏電阻兩端進(jìn)行差分測(cè)量。有時(shí)在單獨(dú)的電路中使用相同的精密電阻與相同的基準(zhǔn)電壓一起使用，以消除基準(zhǔn)電壓隨時(shí)間漂移引起的誤差。如果熱敏電阻分壓器電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）使用相同的基準(zhǔn)電壓，則不需要精密校準(zhǔn)電阻。在這種情況下，基準(zhǔn)電壓從溫度計(jì)算中消除，從而放寬了基準(zhǔn)電壓要求。

熱敏電阻需要涉及自然對(duì)數(shù)的計(jì)算，這會(huì)消耗微控制器中的大量計(jì)算周期和代碼空間。或者，可以使用查找表來(lái)計(jì)算溫度，這種方法通常會(huì)導(dǎo)致更快的計(jì)算和更緊湊的代碼。但是，在表的大小和表?xiàng)l目之間的插值誤差之間進(jìn)行權(quán)衡，其中增加表中的點(diǎn)數(shù)將減少插值誤差。具有12位或更高位的ADC足以進(jìn)行此測(cè)量，增益級(jí)是可選的，具體取決于測(cè)量范圍和所需的精度。

圖4.數(shù)字溫度計(jì)的功能框圖。

耳式溫度計(jì)使用熱電堆和熱敏電阻來(lái)測(cè)量溫度。熱電堆由許多串聯(lián)的熱電偶組成，以增加輸出電壓。熱電堆產(chǎn)生的輸出電壓與吸收的能量成比例。他們利用黑體輻射原理，即任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)輻射能量;在這種情況下，正在測(cè)量紅外光譜。來(lái)自耳道的紅外輻射被聚焦并引導(dǎo)到熱電堆上，熱電堆的低電平電壓輸出被放大并由具有12位或更高分辨率的ADC轉(zhuǎn)換。熱敏電阻測(cè)量熱電堆的冷端溫度，熱電堆和熱敏電阻測(cè)量都用于計(jì)算體溫。

鏡腿和額頭型溫度計(jì)使用與耳式溫度計(jì)相同的技術(shù)來(lái)測(cè)量紅外輻射——它們只是從身體的不同位置測(cè)量紅外輻射。一種專門的額頭溫度計(jì)，稱為顳溫度計(jì)，測(cè)量額頭顳動(dòng)脈的溫度和環(huán)境溫度，然后使用這些溫度來(lái)計(jì)算體溫。

數(shù)字溫度計(jì)比水銀溫度計(jì)快得多。有時(shí)，熱敏電阻會(huì)預(yù)熱，使其更快地達(dá)到最終溫度。通常，預(yù)測(cè)算法用于確定溫度。該算法不是等待溫度傳感器完全穩(wěn)定，而是根據(jù)測(cè)量周期開始時(shí)的響應(yīng)和熱敏電阻的特性預(yù)測(cè)最終溫度。

電源管理

探頭式溫度計(jì)通常使用紐扣電池或兩個(gè)紐扣電池，耳式溫度計(jì)通常使用紐扣電池或兩個(gè)AAA堿性電池。兩種類型的溫度計(jì)都可以直接從電池或升壓開關(guān)穩(wěn)壓器運(yùn)行，具體取決于所選的電路。

一些額頭型溫度計(jì)使用9V晶體管電池，因此需要降壓開關(guān)穩(wěn)壓器或線性穩(wěn)壓器。低關(guān)斷電流和在不使用時(shí)關(guān)閉開關(guān)穩(wěn)壓器的能力對(duì)于此應(yīng)用中的長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要。電壓監(jiān)控器可以監(jiān)控電池，并在電池低于微控制器的安全工作電壓時(shí)向微控制器提供復(fù)位。此外，ADC的額外輸入可以測(cè)量電池，以便向用戶發(fā)出警告，告知電池很快需要更換。

聲音指示器

聲音指示器用于指示溫度計(jì)何時(shí)可以使用和/或測(cè)量何時(shí)完成。這通常是由單端或從微控制器的定時(shí)器輸出差分驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器或蜂鳴器。

顯示和背光

所有數(shù)字溫度計(jì)都使用簡(jiǎn)單的LCD顯示屏，可由帶有集成驅(qū)動(dòng)器的微控制器驅(qū)動(dòng)。背光可以通過(guò)使用由分立 LED 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的單個(gè)白光 LED （WLED） 或電致發(fā)光 （EL） 片和驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

審核編輯：郭婷