热敏电阻呼吸频率传感器

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1、0引言0.1研究背景及意义社会的发展、技术的进步、产品的更新、生活节奏的加快，等等一系列的社会与物质的因素，使人们在享受物质生活的同时，更加注重产品在”方便”、”舒适”、可靠、价值、安全和效率等方面的评价，也就是在产品设计中常提到的人性化设计问题1。所谓人性化产品，就是包含人机工程的产品，只要是”人”所使用的产品，都应在人机工程上加以考虑，产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。我们可以将它们描述为：以心理为圆心，生理为半径，用以建立人与物（产品）之间和谐关系的方式，最大限度地挖掘人的潜能，综合平衡地使用人的肌能，保护人体健康，从而提高生产率。若将产品类别区分为专业用品和一般用品的话，专业用品

2、在人机工程上则会有更多的考虑，它比较偏重丁生理学的层面；而一般性产品则必须兼顾心理层面的问题，需要更多的符合美学及潮流的设计，也就是应以产品人性化的需求为主。现代产品人机的关系需要综合评价。即遵循安全性、可靠性、宜人性的原则。安全性为人和产品的客观因素、行为因素、生理因素、心理因素。可靠性为产品的使用功能、使用寿命、环境条件。宜人性为产品的使用方便、人是否容易疲劳、产品设计是否符合人的生理特征、产品的形态、色彩、质感、装饰是否满足人的心理要求、微气候（温度、湿度、照明、噪声、振动等等）是否适合丁人。近些年，关丁人的状态研究23456以及对人体特征的研究789是多种多样的。随着社会的发展，人们的

3、素质不断的提高，人性化产品设计越来越受到的重视。呼吸是人类进行正常生活的必须的一种行为，并且，呼吸的频率一定程度上反映了许多的生理信息。维持人体生命正常的各项生理指标在一定范围内是能够保持动态平衡的，集体通过各种反馈途径，能够自身稳定各项重要功能处丁正常状态。呼吸频率，作为生理参数的一种，是急性呼吸功能障碍的敏感指标。不论是医生还是护理人员都把它作为生命指征之一。因此呼吸频率传感器就尤为重要，呼吸频率传感器能够实时地反映呼吸状况，记录下呼吸单位时间内的吸次数并且能够显示当前的呼吸频率，这能够帮助医生和研究人员实时掌握病人的情况，并及时地做出有效的治疗以挽救病人的生命。并且，现在随着生产技术的需

4、要，在生产的过程中对人的呼吸频率及其他参数进行检测显的越来越重要了，比如，通过对呼吸频率的研究，就可以对人的技能水平等进行估测。由丁大规模集成电路等电子技术及信息处理功能的飞速发展，以微型计算机为中心的微电子也以其磅礴之势不断向人类社会各个领域扩散、渗透。极大程度地改变着人们的科技、生产方式和生活、社会结构。尤其是微型计算机的出现，科技界、产业界、防务与民用领域中、各种各样的电子设备都广泛地用它作“电脑”，用以运算、处理、裁决不同类型的问题。使其有关设备日渐实现自动化、系统化和智能化。与此同时，要求能够迅速、准确、灵敏地将有关信息获取并传输到电子设备或系统的器件一一电子传感器、便显得特别重要并

5、得到了很大发展。早期出现的传感器，多是利用构件的移动、伸缩等几何尺寸与位置的变化来测量物理量，再转变成电磁量。如利用毛发、肠衣的伸缩来感知湿度的变化，再进一步用以移动衔铁来必变电感器，从而获得电磁信号；金届膜伸缩来感知温度的变化并转变为电阻变化待这类传感器常称之为结构型传感器。目前结构型传感器在工业自动化、过程检测与其它等方面仍占有相当大的比重。随着半导体陶瓷及有机高分子功能材料的不断开发，使传感器技术别开面，这些功能材料，在一定场合下可以直接感知某些等测的非电或电物理量或生物量，并将之转变为电信号。这些待测对象的被感知，并不是通过结构的改变来实的，而只是敏感材料的改变故常称之为物性型传感器。

6、尽管物性型传感材料发展较晚，但它具有结构简单，体积小，重量轻，反应灵敏，易丁集成化、微型化等一系列优点，故引起传感技术界与科技界的高度重视。虽然目前还不够完善，存在不少问题有待解决，但确有较大的发展势头，方兴未艾,前途不可限量。电子传感器作为一种独立器件，当它和微电子技术与微处理技术结合后，出现了新的突破。现阶段正朝着集成化，智能化的方向快发展。这不仅给敏感材料与敏感机理提出了高的要求，同时也对半导体工艺与大规模集成技术提出了更高的要求。传感器技术变成了一门学科交义型和知识密集型的应用技术。它要求既要探索和了解传感技术，乂要研究和制作敏感材料；既要熟悉待测对象各种变化习性，乂要把所获取信号放大

7、、传输、储存、反馈、处理、显示等。在本文中，我们将温度传感器来测量呼吸的频率。热量及与之相关的温度是与人类生活关系最为密切的物理量，也是人类研究最早、检测方法最多的物理量之一。自古以来，许多测量应变法已为人们所熟知。随着社会的发展与进步，温检测的重要性日益提高，温度传感器的应用范围也日益扩大。在工业、农业、交通运输、防灾、医疗、空间及海洋开发、家用电器等各个领域中都离不开温度传感器。0.2目前国内外的研究情况近年来，随着电子计算机技术的显著进步，对温度传感器的要求越来越高。高精度、高稳定性的产品需求量不断扩大，因此，高性能的温度传感器的开发及应用，更加引起人们的重视。温度传感器按使用的方式可分

8、成二大类：测温时使传感器与被测物体直接接触的称为接触型温度传感器；传感器与被测物体不接，而是利用被测物发出的热辐射来测量的称为非接触型温度传感器并且，传感器技术、微电子技术以及微机技术的发展加速了监护仪器的更新换代的步伐。主要特征是：生理信号采集的扩展，多功能测量插件；应用微机改善了信号的分析与处理的速度；仪器体积减小，重量减轻，耗电少，实现集成化。在国外医用监护仪器用丁对病人的加强护理已经有20余年的历史。监护的内容可分为危重病监护、手术监护、胎儿监护、呼吸监护和脉搏血氧监护等。这类仪器有丹麦的DANICA公司出产的DALDGUE200C列中心，床边监护仪。德国的西门子公司出产的SIRECS

9、T730K列监护仪等等。在国内应用的呼吸频率监护仪器起步较晚，因此技术不够成熟，产品不多，比较典型的有：(1)辽宁省医疗器械研究所研制的HJ-200型实用婴儿呼吸监护仪，该仪器由先进的数字电路技术和报警系统组成，并利用高灵敏度的电压传感器和婴儿腹式呼吸的特点，精确监视婴儿的呼吸频率异常或呼吸暂停信息，并可长期使用不必更换传感器。(2)上海福勒仪器有限公司研制的FL-508B多参数监护仪，该仪器使用模块化设计生产，性能稳定，自动声光报警，使用灵活方便，易学易用，并且除能够测量呼吸频率外还可测量血压、体温、血氧饱和度等。0.3总体方案论证热敏电阻是一种阻值随温度变化而变化的电子器件。通过包流源供电

10、，由丁U=IR,因此在一定时间内电阻阻值的变化次数和电压大小的变化次数相同，而电阻R阻值的变化是由外界温度的变化所引起的，而电阻外界小范围的温度变化是由人体所呼出气体和外界空气的温度差异所引起的，所以一次电压变化就是一次电阻阻值变化同时也是一次温度变化，也就是人呼吸一次，因此只需记录电压的变化次数就可得到呼吸次数，然后除以时间就得到呼吸频率。然后对信号进行滤波放大得到我们所要的电压波形，再通过AD转换将模拟信号转换成为数字信号,有数据采集系统对信号进行采集,最后在LCD显示器上显示。0.4可行性分析一个人在平静的时候每分钟的呼吸次数大约为1545次，也就是呼吸频率为0.250.75Hz,而外界

11、干扰信号的频率的数量级一般都在1KHz以上，而人体的呼吸频率最大不会超我们所测频率的信号，然后过10H乙所以我们只需要通过有源滤波器把频率在10Hz以上的信号滤掉就能得到在通过放大器放大、AD转换、数据采集、最后在LED显示器上显示。该方法的优点在丁：测试简单易行，便丁重复使用，而且不受病人身体运动产生干扰的影响，特别适用丁监护处丁转移和运输途中的病员和呼吸频率，而阻抗法特别易受躯体运动等干扰影响。并且，除了在医学上的应用外，对实际工作中的人，我们也可以用同样的方法来对他们进行监测，以实现各种目的1温度的一些基本知识测量(或称度量)是人们认识自然界的一种科学方法。通过各种测量，人们能够从数量上

12、来描述周围的世界，揭示自然界的规律，推动科学技术的不断前进。温度是一个重要的基本物理量，温度单位是国际单位制中七大基本单位之一。在国民经济的个部门，如电力、化工、机械、冶金、现代化农业和医学等部门中及人们的日常生活中，温度检测是十分必要的，尤其在国防和现代化的工业生产中，温度的精确测量更是不可缺少的。温度量测量的精度和方法将直接影响生产的产品的质量和人们日常生活的质量。就热电阻而言，它测量精度高，线性好，测量温度范围大，是一种理想的温度传感器可是，温度传感器的标定是一件既复杂乂繁琐的事情。1.1温度和温标早在1592年，意大利物理学家伽利略(GalileoGalilei)就利用一根玻璃管和一个

13、玻璃球制成一个简单的温度计来粗略地观察温度的变化。之后，物理学家胡克(RobertHooke)、惠更斯(ChristianHungens)和牛顿(1saacNewton)先后建立了自己的温标。1714年华伦海脱(DanielFahrenheit)第一次制造出性能可靠的水银温度计，并建立了华氏温标。随后相继建立了摄氏、列氏、兰金和绝对温标。一般地说，表示某个物体冷热程度的物理量称为温度。从宏观上看，温度的概念是建立在热平衡基础之上的，它表征一个物体或系统是否处丁热平衡状态的宏观性质。从微观上看，温度反映了物体或系统分子热运动的激烈程度或平均动能的大小。温标是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的

14、一套规则和方法，并明确了温度的测量单位。目前流行的温标有热力学温标，其单位为开文，符号为K、摄氏温标，其单位为0C、华氏温标，其单位为0F以及列氏温标，其单位为0R其后三者的关系为：0c,00,1C=一（F-32）=.R94目前我们使用的温标是IPTS68。其定义为：l、热力学温度是基本温度，其符号是T,单位是开尔文，符号是K。开尔文定义为三相点热力学温度的1/273.16。水三相点是指化学纯的水在固态、液态及气态三相平衡时的温度，热力学温标规定其为273.16K。由丁历史原因，IPTS68中也使用摄氏温度，符号为t,其定义为：t=T-To,式中T0=273.15K,故摄氏温度是以比三相点低0

15、.01K的冰融点T0作为参考起点的。温度的差值可用开尔文也可用摄氏度表小。一般冰点以上用摄氏度表小，冰点以下用开尔文表小。IPTS68同时使用国际实用开尔文温度(T68)和国际实用摄氏温度(t68)，它们的差别仅在丁计算温度的起点不同，它们的关系是：t68=T68273.15K,式中t68和T68的单位是0C和K,为方便起见，t68和丁68常简写为t和T.1.2温度的测量方法温度检测的目的是要准确地获取反映物体或系统热平衡状态的特征参量一温度的定量信息。根据热平衡观点，为了检测某个系统或物体的温度，必须使温度检测仪表的传感器作为一个系统与被侧的某个系统或物体的温度直接或间接地达到热平衡，使得传

16、感器的温度与被测物温度一致，然后根据温度检测仪表的输出信号确定被测物的温度的大小。目前用来测量温度的传感器有很多，如热膨胀式温度传感器（水银温度计、洒精温度计等）和热电偶、热电阻、半导体传感器等热电式温度传感器。热电式温度传感器是一种将温度变化转换成电量变化的装置，它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量的目的。该装置对丁被标定的传感器也只限丁热电阻传感器（包括钳电阻传感器、铜电阻传感器等）和半导体热敏电阻，因为热电阻传感器是比较常用的热传感器。对丁其它类型的热传感器（如热电偶、集成传感器等）则不适用。该装置可以方便地标定一个未标定的热电阻式温度传感器，如果增加一些附加装置也可以标定

17、其它类型传感器，对丁热电阻式传感器标定精度能达到0.5%以上。由丁热源的问题对丁本装置标定温度范围在-20C+1200C之间，这也是热电阻的线形度较好的一段。由丁热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度的。这就要求电阻温度系数要尽可能的大和稳定，电阻率高，电阻与温度之间关系最好成线性，并且在较宽的范围内具有稳定的物理和化学性质。钳电阻的物理、化学性质在高温和氧化性介质中很稳定，因此它能用作工业测温元件和温度标准。所以本装置的标准传感器采用钳电阻传感器PTI00，理论上的测温范围可达到-200C,精度达0.1%C时的电阻值为100C,=1.3910也就是说，该电阻在摄式1000C时的

18、电阻值为139.10Q。R0除此以外还有铜材料的热电阻，但铜材料的热电阻由丁测量精度不太高，测量范围不大，一般不用作基准。所以铜材料热电阻作为标准不是我们的首选。在此范围内可以方便地改变和设定温度值。传感器按国际温标IPTS68规定选用钳电阻温度传感器作为基准器.传感器按照不同的方法有不同的分类，如表1.1所示表1.1温度传感器的分类测温方法测温原理温度传感器名称接触式体积变化固体膨胀式双金属温度订液体膨胀式水银、酒精、压力温度计等气体膨胀式压力式（充气）温度1、气体温度计等电阻变化金属热电阻钳、铜、镣、铐、铁热电阻等半导体热敏电阻错、碳金属氧化物等半导体热敏电阻电压变化PN结电压PN结数字温

19、度计热电势变化贱金属热电偶铜-康铜，镣铭-镣硅热电阻等贵金属热电偶伯佬10-伯，伯佬3卜伯佬6热电偶:难熔金属热电偶鸨一铢，鸨一钥热电偶等非金属热电偶碳化物一硼化物热电偶等频率变化石英晶体石英晶体温度计光学性质变化光纤及液晶光纤温度传感器，液晶测温膜等其它其它测温锥，声学温度计等非接触式热辐射能化亮度法目视亮度温度计，光电亮度温度计等全辐射法辐射感温器或温度计比色法比色高温计部分辐射法部分辐射温度计，光谱温度计等其它红外温度计2热敏电阻呼吸频率传感器的设计2.1热敏电阻的选取1011热敏电阻是开发早、种类多、发展成熟的敏感元器件。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化。若电

20、子和空穴的浓度分别为n,p，迁移率分别为Vn,p,则半导体的电导为：0-=q(npn+ppp)溢度）图2.1几种热敏电阻阻温曲线因为n、p、in、ip都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可以有测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线。这就是半导体热敏电阻的工作原理。热敏电阻包括正温度系数（PT。和负温度系数（NT。热敏电阻，以及临界温度热敏电阻（CTR,他们的电阻-温度特性如图2.1所示。热敏电阻的主要特点是：灵敏度高，其电阻温度系数要比金届大10100被以上，能检测出10-6C的温度变化；工作温度范围宽，常温期间使用丁-55C315C,高温期间适用温度膏腴315C（

21、目前最高可以达到2000C）,低温器件适用丁-273C55C；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1100KQ问任意选择;易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过滤能力强由丁半导体热敏电阻有独特的性能，所以在应用方面，它不仅可以作为测量元件（如测量温度、流量、液位等），还可以作为控制元件（如热敏开关、限流器）和电路补偿元件。热敏电阻广泛用丁家用电器、电力工业、通讯、军事科学、宇航等各个领域，发展前景极其广阔。2.1.1 PTCS敏电阻PTC（PositiveTemperatureCoefficient）是指在某一温度下电阻急剧增加、

22、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作包定温度窗肝气。该材料是以BaTiQ或SrTi或PbTiQ为主要成分的烧结体，其中掺入微量的NbTa、Bi、丫、La等氧化物进行原子价控制而使之半导化，常将这种半导化的BaTiQ等材料简称为半导（体）瓷；同时还添加增大其正电阻温度系数的MbFe、C&Cr的氧化物和起其他作用的添加无采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸钳等及其固溶体半导化，从而得到正特性的热敏电阻材料。其温度系数及居里点温度随组成成分及烧结条件（尤其是冷却温度）不同而变化。钛酸晶体届丁钙钛矿型结构，是一种铁电材料，纯钛酸是一种绝缘材料。在钛酸彻材料中加入微量稀土元素，进行适当热处理

23、后，在居里温度附近，电阻率陡增几个数量级，产生PTC效应，此效应与BaTiQ晶体的铁电性及其在居里温度附近材料的相变有关。钛酸彻半导瓷是一种多晶材料，晶粒之间存在着晶粒问界面。该半导瓷当达到某一热顶温度或电压，晶体粒界就发生变化，从而电阻急剧变化。钛酸彻半导瓷的PTC应起因丁粒界（晶粒问界）。对丁导电电子来说，晶粒问界相当丁一个。当温度低时，由丁钛酸彻内电场的作用，导致电子极容越过势垒，则电阻枝较小。当温度升高到居里点温度（即临界温度）附近时，内电场受到破坏，它不能帮助导电电子越过势垒。这相当丁势垒升高，电阻值突然增大，产生PTC应。钛酸彻半导瓷的PTC效应的物理模型有海望表面势垒型、丹尼尔等

24、人的彻缺位模型和叠加垒型模型，它们分别从不同方面对PTC作出了合理解释。实验表明，在工作温度范围内，PTCS敏电阻的电阻-温度特性可近似用公式表示：Rt=Rt0expBp（T-T0）式中，Rt绝对温度为T时的热敏电阻的阻值；Rt0绝对温度为To时的热敏电阻的阻值；B负温度系数热敏电阻器的热敏指数。PTC效应起源丁陶瓷的粒界和粒界问析出相的性质，并随杂质种类、浓度、烧结条件等而产生显著变化。最近，进入实用化的热敏电阻中有利用硅片的硅温度，敏感元件，这是体型且精度高的PTC热敏电阻，由n型硅构成，因其中的杂志昌产生的电子散射温度上升而增加，从而电阻增加。PTC热敏电阻丁1950年出现，随后1954

25、年出现了以钛算彻为主要材料的PTC热敏电阻。PTC热敏电阻在工业上可用作温度的测量与控制，也用丁汽车某部位的温度检测与调节，还大量用丁民用设备，如控制瞬间开水器的水温、空调器与冷库的温度，利用本身加热作气体分析和风速机等方面。NTCB敏电阻NTC（NegativeTemperatureCoefficient）是指温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。该材料是利用铤、铜、硅、钻、铁、锐、锌等两种以上的金届氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC的热敏电阻。其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气余、烧结温度和结喉状态不同而变化。

26、现在还出现了以碳化硅、硒化锡等作为代表的非氧化物系NTCS敏电阻材料。NTC热敏电阻半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数，电阻值近似表示为:rL-,11、Rt=Rt0expBn()TTo式中Rt、Rto分别为温度T、To时的电阻值，区为材料常数。陶瓷晶粒本身由丁温度变化而使电阻率发生变化，这是由丁半导体的特性决定的。NTC热敏电阻器的发展经历了漫长的阶段。1834年，科学家首次发现了硫化银有负温度系数的特性。1930年，科学家发现氧化业铜-氧化铜也具有负温度系数的性能，并将之成功地运用在航空一起的温度补偿电路中，随后，由丁晶体管技术的不断发展，热敏电阻器的研究取得重大

27、进展。1960年研制出了NTCS敏电阻器。NTCS敏电阻器广泛用丁测温、图2.2热敏电阻温度计电路控温、温度补偿等方面。下面介绍一个温度测量的应用实例，NTCB敏电阻测温用原理如图2.2所示它的测量范围一般为-10C+300C,也可做到-200C+10C，甚至可用丁+300C+1200C环境中做测温用。Rt为NTC热敏电阻器；R和R是点桥平衡电阻;R为起始电阻;R为满度电阻，校验表头，也称校验电阻；R、R和W分别为分压电阻，为电桥提供稳定的只流电源。F6与表头(微安表)申联，起修正表头刻度和限制流经表头的电流的作用。R与表头并联，起保护作用。在不平衡电桥臂的接入一只热敏元件R做温度传感器探头，

28、因而使电桥对角线间的表头指示也相应变化。这就是热敏电阻器温度计的工作原理热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1C，感温时间可以至10秒以下。它不仅适用丁粮仓测温仪，同时也可以应用丁食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。2.1.2 CTFB敏电阻临界温度热敏电阻CTR(CritcalTemperatureResistor)具有负电阻应变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激烈减小，具有很大的负温度系数。构成材料是钮、彻、钥、磷等氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，也称CT叫玻璃态热敏电阻。聚变温度随添加鸨等氧化物而变。这是由丁不同杂质的掺入，是氧化机的晶格间隔

29、不同造成的。若在适当的还原气余中无氧化二机变成二氧化钮，则电阻急变温度变大；若进一步还原为三氧化二钮，则急变消失。产生电阻急变的温度对应丁半玻璃半导体物急变的位置，因此产生半导体-金届相移。CTR够作为控温报警等应用。热敏电阻的理论研究和应用开发已经取得了引人注目的成果。随着高、精、尖科技的应用，对热敏电阻的导电机理和应用的更深层次的探索，以及对性能优良的新材料的深入研究，将会取得迅速发展。2.1.4热敏电阻的主要技术参数12标称电阻值R5是热敏电阻在环境温度为(250.2C)时的电阻值。通常是指热敏电阻上标注的值，也称为额定功率电阻值。如果环境温度t不是(250.2C),而在(2527C)之

30、间，贝U可以按下式换算成基准温度(25C)的阻值R&Rt1a25（t-25）式中，R25标称电阻值；R温度为tc时的电阻值；325被测热敏电阻在25C时的电阻温度系数。(1) 零功率电阻值FT在规定的温度下，由丁电阻体内部发热引起的电阻值变化相对丁总的测量误差而言，可以忽略不计时测得的热敏电阻的阻值称为零功率电阻值。零功率电阻温度系数3t在规定温度(T通常为20C)下，热敏电阻的零功率电阻值的相对变化率与引起该变化的相应温度之比，称为零功率电阻温度系数，单位为/C,用公式表示如下3t1cIRtRdTT2热敏指数B它是描述热敏材料物理特性的一个常数。B值越大，阻值也越大，灵敏度也越高。在工作温度

31、范围内，B值并非是严格的常数，它随温度的升高略有增加。B值可用公式表示为B=2.303T1丁2lg-R1T2-T2r2式中，B热敏指数；R,R在温度T1T1时的电阻值，单位欧姆。(2) 耗散系数H指热敏电阻在静止空气中，热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1C时所能耗散的功率被称为耗散系数，也称为耗散常数，单位为W。他是衡量一个热敏电阻工作时，电阻体与外界环境进行热量交换的物理量。当热敏电阻处丁热平衡状态时，耗散系数H有如下关系：H-入st式中，入一一热传导系数，他取决丁介质的温度、性质、状态和密度等；s传导面积；t传导时间；耗散系数的大小与热敏电阻的结构、形状以及所处的介质的种类、状态等因数有

32、关。(3) 热容量C热敏电阻的温度变化1C所需吸收或释放的热量，单位为J/C；能量灵敏度G使热敏电阻的阻值变化1嘶需要的耗散的功率，单位为W能量灵敏度G与耗散系数H,电阻温度系数a之间的关系为G=(H/a)x100热时间常数T它是指在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化为其初始的和最终的温度差的63.2%所需要的时间，即为热容量C与耗散系数H之比r=C/H(4) 最高工作温度Tma,它是指数热敏电阻在规定的技术条件下，长期连续工作所允许的最高温度。Tma=T0+PE/H式中，To环境温度，单位为K;PE环境温度为To时的额定功率，单位为WH耗散系数。(5) 额定功率PE它是指热敏电阻

33、在规定的技术条件下，长期连续工作所允许的耗散功率，在此条件下热敏电阻自身温度不应超过Tmax。(6) 测量功率Pc它是指数电阻在规定的环境温度下，电阻体因测量电流加热而引起的电阻变化不超过0.1%寸所耗散的功率：1000aT2.1.5热敏电阻的选定在本设计中我们选用深圳讯敏电子科技有限公司0402系列CN0402R221B2900HT亥电阻的尺寸外形如图2.3所示单位Uiiit-Cinch)型号CodeLWID04021.00.15(o.o4Do.oa&)050.15(0.020+0.DOS)0.501500.320+0.006)a25+0.10(D.aioo.ao4)06031.6士0.2f

34、i.0630.008)0.3+0.2(0.0310.003)0.550.2C0.0250.008)0.30.2(0.01+0.003)oeos2.0+0.2(JO.0790.006)1.20.2(0.047+0.1003)0.65+0.2QD.0350.008)050.3(J200.012)120S3.202(0.1260.0081.S+02(00630.008)1.l0.0430.008)a50.3.0200.ai2)图2.3热敏电阻的规格该电阻25C时的阻值R5=220欧姆，B值在25C-50C时的值为2900,其阻值误差为3%B值误差为3%使用温度范围为-40+125C，额定功率为100

35、mw该电阻有以下特点：高可靠的叠层片式陶瓷结构体积小，无引线，适合高密度表面贴装。端电极采用三层电镀具有优良的可焊性及耐热冲击性，适合波峰焊及再流焊。分布容量低，可应用丁高频领域。响应速度快。优良的耗散系数，0402系列约2mwC优良的温度系数，工作温度范围：40C+125C。2.1.6热敏电阻接接线方法及理论分析在本设计中我们用的是直流单臂电桥接法，如图2.4所示，其中一个电阻为传感器，我们将此电桥叫单臂电桥，现假定R不感受应变时，可调整某一个固定电阻使其输出为零（必然满足RR=RR）。在此基础上，如果R在应变作用下变为Ri+AR,则电桥的输出为*R3虻。；岩（/%产=（2炽R4W亟+艮f叵

36、R1R1)CUWNTCLWENTCL(IIR3LCmjTSrRJMv*n:ct,icut图2.8MAX774的内部结构图MAX774勺管脚排列图及基本电路如图2.9和图2.10INPUT3VTO16VEXT工ourpur剧AMXMMMAX774图2.10MAX774基本转换电路NMAX774MAX775MA柠76DIP/SO图2.9MAX774管脚排列图2.4信号放大电路的设计14信号放大电路是为了将微弱的传感器信号，放大到足以进行各种转换处理，或推动指示器、记录器以及各种控制机构。由丁传感器输出的信号形式和信号的大小各不相同，传感器所处的环境条件、噪声对传感器的影响也不一样，因此所采用的信号

37、放大电路的形式和指标也不同。在有个情况下还要求对增益能够程控，对窗传感器的非线形通过放大电路线形化。此外，对丁生物电信号的放大以及核电站等强噪声的背景下的信号放大，考虑到安全等原因，还需将传感器有放大电路实现电气隔离，才用隔离放大电路。随着集成技术的发展，集成运算放大器的性能不断完善，价格不断降低，完全采用分立元件的信号放大电路已基本被淘汰，主要是用集成运算放大器组成的各种形式的放大电路，或专门设计制成具有某些性能的单片集成放大器。但是在功率放大电路中，晶体管仍有相当的应用。在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。测量放大电路

38、的结构形式是由传感器的类型决定的。例如，电阻应变式传感器听国电桥转换电路输出电压信号，并用差动放大器做进一步的放大，因此电桥放大电路就是其测量放大电路。乂如，用光电池、光敏电阻作为检测元件时，由丁他们的输出电阻很高，可视为电流源，此时测量放大电路即为微电流放大电路。测量放大电路的频带宽度是由被测参数的频率范围及其载波信号频率决定的。测控系统中，被测参数的频率，低的动电流开始，高的可至Hz。被测信号的频率越宽，测量放大电路的频带也就应越宽，才能使不同的频率信号具有听样的灵敏度，使输出不失真。2.4.1基本要求与类型通常，传感器输出的电信号是微弱的，且与电路之间的连接具有一定的距离。例如，在典型的

39、工业环境中，距离可达3m以上，这时就需要用电缆传输信号。传感器有内阻，电缆也有电阻，这些电阻和放大电路产生的噪声，以及环境噪声都会对放大电路造成干扰，影响它正常工作。因此对测量放大电路的基本要求是：测量放大电路的输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；稳定的放大倍数；低噪声；德的输入失调电压和输入失调电流，以及低的漂移；足够的带宽和转换速率（无畸变地放大瞬态信号）；高的共模输入范围和高的共模抑制比；可调的闭环增益；线形好、精度高；成本低。应该指出的是，不同的传感器，不同的使用环境、不同的使用条件和目的，对测量放大电路的要求是不同的。但是可以这样说，测量放大电路是一中综合指标很好的高性能放大电路。按测

40、量放大电路的结构原理可分为差动直接耦合式、调制式和自动稳定式三大类。其中差动直接耦合式包括了单端输入（同向或反向）运算放大电路、电桥放大电路、电荷放大电路等测量放大电路。按元件的制造方式可分为分立元件结构和形式、通用集成运算放大器组成形式和单片集成测量放大器三种。前两种形式相比，通用集成运算放大器组成形式具有体积小、精度高、调节方便、性能价格比佳等优点。单片集成测量放大电路的体积更小、精度更高、使用更方便。但是价格较贵。随着集成工艺的发展，单片集成测量放大电路的应用也日益增广。图2.11同相放大器本设计中所用放大电路的设计在本设计中用到两个放大电路，第一个为前置放大，如图2.10所示：为一个典

41、型的同相放大电路，其输出电压U表达式为：（R2、Uo=1+LUiLR1）由丁37C电阻经过与人体呼吸出来的气流对流散热后的温度大约为34C，经计算得热敏电阻在34C时的电阻值R4=165Q,所以可以算出151501R41=0.029572150要对信号进行滤波处理就必须先对信号进行放大，现取电阻R=51KR=200K则：增益Af=1爽0：551第二个为仪应放大电路15，电路图如图2.12所示其对称性结构使整个放大器具有很高的共模抑制能力，是智能仪器中最常用的测量放大器，通常为保证放大器的共模抑制能力，电路参数对称，即R=R;R=R;R=R,此时，放大器的闭环增益为：R3仪用放大电路图2.12R

42、1AfdVi1-Vi2足R3显然，为了保证电路的对称性，改变增益最合理、最简单的办法是改变Ra的阻值。在这里我们取R=R=200KR=R=51KR=R=200KR=34K。2.5滤波电路的设计2.5.1滤波器的基本知识16测量系统从传感器拾取的信号中，往往包含噪声和许多与被测量无关的信号，从而影响测量精度。这些噪声一般随机性很强，彳艮难从时域中直接分离，但是限丁其产生的机理，其噪声功率是有限的，并按一定规律分布丁频率域中某一特定的频带中。信号分离电路一股利用滤波器从频率域中实现对噪声的抑制，提取所需的测量信号，是各种测控系统中必不可少的组成部分。滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，当

43、信号与噪声分布在不同的频带中时，可以从频率域实现信号分离。在实际测量系统中，噪声与信号的频带往往有一定的重叠，如果重叠不很严重，仍可利用滤波器有效地抑制噪声功率，提高测量精度。一般来说，测量精度在很大程度上由测量信号频带内游泳信号功率与噪声功率之比，即信噪比决定。除滤除噪声外，滤波器还可以用丁分离各种不同的信号，例如将表面粗糙度信号与滤度信号分开，将调制信号与载波信号分开等。按照所处理信号的形式不同，滤波器可以余围模拟与数字两大类，。二者在功能特性方面偶许多相似之处，在结构组成方面乂有很大差别。前者处理对象为连续的模拟信号，后者为离散的数字信号。滤波器对不同频率的信号有三种不同的选择作用：在通

44、带内使信号受到很小的衰减而通过。在阻带内使信号受到很大的衰减而抑制。在通带与阻带之间的一段过度带使信号受到不同程度衰减。滤波器的三种频中分布位置不同，可实现对不同频率信号的选择作用。根据所选择的频率滤波器可分为四种不同的基本类型：低通滤波器，通带从零延伸带某一规定的上限频率。高通滤波器，通带从某一规定的下限频率延伸到无穷大。带通滤波器，通带为丁两个有限非零的上下限频率之间。带阻滤波器，阻带位丁两个有限非零的上下限频率之间。此外还有一种全通滤波器，各种频率的信号都能通过，但不同频率信号的相位有不同变化，实际上是一种移相器。根据电路组成滤波器乂可以分为：LC无源滤波器由电感L、电容C组成的无源电抗

45、网络具有良好的频率选择特性，并且信号能量损耗小、噪声低、灵敏度低，曾广泛应用丁通信及电子测量仪器领域。其主要特点是电感元件体积大，在低频及超低频频带范围品质因数低（即频率选择性差），不便丁集成化，现在在一般测控系统中应用不多。R方源滤波器由丁电感元件有和多不足，人们自然希望实现无感滤波器。由电阻R电容C构成的无源网络，其频率选择性较差，一般只用作低性能滤波器。由特殊元件构成的无源滤波器这类滤波器主要有机械滤波器、压电陶瓷；滤波器、晶体滤波器、声表面波滤波器等。其工作原理一般是通过电能与机械能、分子振动能的相互转换，并与器件固有频率谐振实现频率选择，多用作频率选择性能很高的带通或带阻滤波器，其品

46、质因数可达数千至数万，并且稳定性很高，具有许多其他种类滤波器无法实现的特性。由丁其品种系列有限，调整不便，一般仅应用丁某些特殊场合。R5源滤波器RC无源滤波器特性不够理想的根本原因是电阻元件对信号功率的消耗，如在电路中引入具有能量放大作用的有源器件，如电子管、晶体管、运算放大器等，补偿损失的能量，可使RC网络像LC网络一样。获得良好的频率选择特性，称为RC有源滤波器。此外各种形式的集成滤波器也届丁有源滤波器。滤波器还可以按照许多其他的特征分类。滤波器的输出与输入信号电压（或电流）之间的关系通常用传递函数来描述。根据表示传递函数的微分方程阶数滤波器可分为一阶、二阶和高阶滤波器。2.5.2本设计所

47、用滤波器的设计本设计采用RC源滤波器，其结构简单，调整方便，也易丁集成化，是用电路多采用运算放大器作有源器件，几乎没有负载效应，利用这些简单的一阶与二阶电路级联，也容易实现复杂的高阶传递函数，在信号处理领域得到广泛的应用。我们采用的是无限增益多路反馈型滤波电路，如图2.13所示为本设计所用的低通滤波电路，图2.13无限增益多路反馈型滤波电路其参数为:R3Kp=pR1a30=.=.R2R3C1C21,111、a=（）C1R1R2R3式中,Kp滤波器的放大倍数;30滤波器的固有频率;a滤波器的阻尼系数。由丁本设计要求的是将频率在10HZ以上的信号滤除，因此取fc=10HZ参考表2.2取电容G=1口

48、F表2.2二阶有源滤波器设计电容选择用表?c/Hz100X10G/卬F100.10.10.010.010.001(1000100)X10-6,一、一-6(10010)X10然后根据所选的电容G=1vF,按照下式计算电阻换标系数K100fCC1其中？C以Hz为单位；G以pF为单位，求出K=1Q然后按表确定电容G与归一化电阻值r1f最后将归一化电阻值乘以换标系数K,R=Kri(i=1,2,3),即可得到各电阻的实际值。表2.3二阶无限增益多路反馈巴特沃斯低同滤波器设计用表Kp12610r1/Kq3.1112.5651.6971.625r2/KQ4.0723.2924.9774.723r3/KQ3.

49、1115.13010.18016.252C2/C10.20.150.050.033对丁本设计可算出K=10,并取K=2，则可以查表得1=2.565,r2=3.292,r3=5.130,继而可以算出并取整R=25KQ,R=33成，R=51成，C2=0.15Mf。2.6电压波形转换电路1718信号经放大滤波以后得到的模拟信号可反映呼吸气流温度变化，该信号可直接送到单片机的A/D端，由软件系统来识别信号的波形变化，但软件识别要占用较长的时间。在此采用硬件电路来识别波形变化。当贺喜的速度和深度不同时，每次气流温度变化信号的波形及幅度都不同，但在每次呼吸过程中，信号波形必然在基线上下波动，因此设计了滞回

50、比较器来进行波形转换。由丁滞回比较器输入输出的滞回特性，可以避免由丁呼吸气流的小波动而导致信号的误检，提高电路的抗干扰能力。电路如图2.14在这里我们取R=13KR=100KR=270KR=2.7K,R=1RR=1K,R=5K滞回比较器的输出，通过电平转换，得到可与单片机接口的数字信号。比如，将信号送到8089单片机的EXTINT端，才用外部中断来检测呼吸频率信号，可以很容易地计算出呼吸频率，与软件直接分析模拟波形相比，占单片机时间更少。3数据显示部分设计为了满足电路低功耗的要求，本文在设计时选用液晶显示模块EDM1602A液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍

51、式仪表和低功耗应用系统中有着广泛的应用。EDM1602蔽晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，显示的容量为2行16个字。3.1 EDM1602独晶模块简介1920EDM1602A的内部结构图3.1EDM1602A内部结构EDM1602曲内部结构如图3.1:EDM1602A的外型尺寸EDM1602曲外型尺寸如图3.2所示:C1图3.2EDM1602A的外型尺寸共7：；A.tesc(va卜-7E0-eo.c-LI.C.JY4X.1602采用标准的14脚接口，其中：第2脚：VD昵5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产

52、生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RV的读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW句高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW的低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D卜D7为8位双向数据线。3.1.1 EDM1602A的RAM4址映射图EDM1602期部带80字节的RA戚冲区，对应关系如图3.3所示：5.1.4 EDM1602A的字符发生存储器EDM-1602