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基于单片机的无线电子体温计设计
题目：
基于单片机地无线电子体温计设计
摘要
体温生理参数是人体最重要、最基本地生命指标,对危重病人进行生命指标参数地监测是医务工作者及时了解病情状况地重要手段之一，对于日常护理和病情检测都是非常重要地.现有体温计大概分为两种类型：
一种是常见地玻璃水银体温计，另一种是红外体温计.水银体温计价格便宜，但是易破裂，测温时间较长，大约5分钟，使用不便.红外体温计是通过对物体自身辐射地红外能量地测量，准确地测定它地表面温度.它用地红外传感器只是吸收人体辐射地红外线而不向人体发射任何涉嫌，采用地是被动式且非接触式地测量方式，因此红外体温计不会对人体产生辐射伤害.比起前种测温方法，红外体温计有着响应时间快、使用安全及使用寿命长等优点.
基于单片机地无线电子体温计设计主要运用红外线原理，采用热释电红外传感器来采集人体发射出地红外线，将其转换后地电信号通过A/D转换送入单片机，由MCS-51单片机来实现温度值地转换及送入LED显示，同时还加入了时钟功能和超温报警功能，在软件地控制下，实现智能化地体温测量，精确测温，使设计具有实用性.
关键词：
电子体温计；红外线；MCS-51单片机
Abstract
Temperatureisthemostimportantphysiologicalparameters,themostbasiclifeindex,forthecriticallyillpatientlifeparametersmonitoringismedicalworkerstounderstandtheconditionconditionisoneoftheimportantmeans,forthedailycareanddiseasedetectionisveryimportant.Theexistingthermometerisroughlydividedintotwotypes:
oneiscommonglassmercurythermometer,theotherisainfraredthermometer.Themercurythermometerischeap,buteasytorupture,measuringlong,about5minutes,inconvenientuse.Infraredthermometerisobjectsbytheirinfraredradiationenergymeasurement,accuratedeterminationofitssurfacetemperature.Itusesinfraredsensorjustabsorbinfraredradiationofhumanbodyandnottothehumanbodytolaunchanysuspected,usesispassiveandnon-contactmeasurement,thustheinfraredthermometerwillnotproduceradiationtohumanbodyinjury.Comparedwiththeformermethodoftemperaturemeasurement,infraredthermometerhasafastresponsetime,safeuseandlongservicelifeetc.
Basedonsingle-chipwirelesselectronicthermometerdesignmainlyusestheinfraredprinciple,usingthepyroelectricinfraredsensorstocollectthebodyemitinfrared,convertstheelectricalsignalafterconversionintothemicrocontrollerthroughA/D,bytheMCS-51chiptorealizethetemperaturevalueoftheconversionandintotheLEDdisplay,andalsojoinedandover-temperaturealarmclockfunctionfunction,underthecontrolofsoftware,therealizationofintelligenttemperaturemeasurement,accuratetemperaturemeasurement,thatthedesignhaspractical.
Keywords:
electronicthermometer。
infrared。
MCS-51MCU
第1章绪论
1.1、课题背景意义
体温生理参数是人体最重要、最基本地生命指标,对危重病人进行生命指标参数地监测是医务工作者及时了解病情状况地重要手段之一，对于日常护理和病情检测都是非常重要地.传统地水银体温计测量时间长，读数也不方便,而且水银本身具有危险性，这都对新地测量方法提出了更高地要求.近20年来，非接触体温计在技术上得到迅速发展，而红外线体温计以其快速、安全地特点，自“非典”之后得到广泛使用.
一切温度高于绝对零度地物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量.物体地红外辐射能量地大小及其按波长地分布——与它地表面温度有着十分密切地关系.因此，通过对物体自身辐射地红外能量地测量，便能准确地测定它地表面温度，这就是红外辐射测温所依据地客观基础.红外温度检测集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，通过接收物体发出地红外线（红外辐射），将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面地温度分布情况.比起传统地测温方法，红外体温计有着响应时间快、使用安全及使用寿命长等优点.
一种基于单片机地智能体温计地设计方法，采用热释电红外传感器采集人体发射出地红外线，再将转换之后地电信号通过A/D转换送入单片机，由MCS-51单片机来实现温度值地转换及送入LED显示.同时还加入了时钟功能和超温报警功能，本次红外测温仪地设计运用理论基础和软件平台对本次设计进行了仿真设计和硬件制作.不仅增加了设计难度，而且使设计更具实用性.
1.2、国内外发展现状
红外测温原理:
一切温度高于绝对零度地物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量.物体地红外辐射能量地大小及其按波长地分布——与它地表面温度有着十分密切地关系.因此，通过对物体自身辐射地红外能量地测量，便能准确地测定它地表面温度，这就是红外辐射测温所依据地客观基础.
在2003年全国防“非典”斗争中，我国对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究，在短时间内开发成功了“非接触式红外测温仪”，打开了国内“非接触式测温”新篇章.
在国外，非接触式红外测温仪已经非常先进了，自1999年就有许多国家致力于这方面地开发研究，到现在为止很多国家地铲平已经达到国际先进水平，并已广泛应用于各个领域.比如：
美国早在2001年就颁布了有关红外测温仪地计量标准，美国雷泰公司生产地ST系列红外测温仪已达到世界领先水平.由于红外测温仪测量温度范围宽，除了用于人体温度检测外，还可用于电器地红外测温、供暖地红外测温、运输/汽车维修时地红外测温等各个领域.因此，它具有广泛地开发前景！
目前国内开发地红外体温计主要有华中科技大学研制地“慧眼：
HW一05”人体温度红外热图像仪．其分辨率高达0．06℃；中科院上海物理研究所研制地红外测温仪和兰州大学合华技术应用开发中心开发地LHW—I型红外线测温仪.国外产品有德国博郎集团开发地只需1秒即可测出体温地红外体温计；日本欧姆龙研制地几款非接触式红外体温计和BJ40型非接触式医用红外线体温计（精度为±O．2℃），其主要器件是红外温度传感器.
1.3、研究内容
一个基于单片机地无线电子体温计，通过按键控制数码管显示.当测温键按下时，系统利用红外温度传感器检测被测物体温度，并将其转换为微弱地电信号，通过A/D转换电路将电信号转换为数字信号，并将之送入单片机控制电路，这样单片机便可以对信号进行比较系统地处理，这些处理是通过对单片机编程实现地，然后，单片机将处理信号输入显示电路中，显示模块便能准确地显示人体温度.当被测人体温超过38℃时，LED灯亮报警；体温超过39度时，LED灯亮地同时蜂鸣器蜂鸣报警.当测温键没有按下时，系统在时钟电路作用下显示当前时间.软件用C语言来编写，基于keiluvision2C51来开发调试软件程序.
第2章软硬件开发平台
2.1系统开发工具
2.1.1硬件开发工具介绍
Protel是由始建于1985年地ProtelTechnonology公司开发地、功能强大地电子电路设计软件.本设计主要用Protel电子设计软件进行电子线路地设计，电路原理图见附录二.
Protel电子线路设计软件是在TANGO基础上改进地电路CAD软件，它在原理图文件格式、印制板文件格式、原理图器件库文件格式、印制板封装库文件格式、原理图编译和网络表转换与检查等方面保持了与TANGO版本一致或兼容地前提下，对原TANGO版本做了一些改动.
Protel电子线路设计软件由原理图编辑、印制板设计、原理图输出、印制板输出、原理图器件库编辑和其他应用程序组成.
电路原理图地设计是印制电路板设计中地第一步，也是非常重要地一步.电路原理图设计得好坏将直接影响到后面地工作.首先，原理图地正确性是最基本地要求，因为在一个错误地基础上所进行地工作是没有意义地；其次，原理图应该布局合理，这样不仅可以尽量避免出错，也便于读图、便于查找和纠正错误；最后，在满足正确性和布局合理地前提下应力求原理图地美观.
电路原理图地设计过程可分为以下几个步骤：
1、设置电路图纸参数及相关信息
根据电路图地复杂程度设置图纸地格式、尺寸、方向等参数以及与设计有关地信息，为以后地设计工作建立一个合适地工作平面.
2、装入所需要地元件库
将所需地元件库装入设计系统中，以便从中查找和选定所需地元器件.
3、设置元件
将选定地元件放置到已建立好地工作平面上，并对元件在工作平面上地位置进行调整，对元件地序号、封装形式、显示状态等进行定义和设置，以便为下一步地布线工作打好基础.
4、电路图布线
利用Protel所提供地各种工具、命令进行画图工作，将事先放置好地元器件用具有电气意义地导线、网络标号等连接起来，布线结束后，一张完整地电路原理图基本完成.
5、调整、检查和修改
利用Protel所提供地各种工具对前面所绘制地原理图做进一步地调整和修改.
6、补充完善
对原理图做一些相应地说明、标注和修饰，增加可读性和可观性.
7、保存和打印输出
这部分工作主要是对设计完成地原理图进行保存，包括存盘、打印输出等，以供以后地工作中使用.
2.1.2软件开发工具介绍
单片机开发中除必要地硬件外，同样离不开软件.随着单片机开发技术地不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行地单片机开发地软件.
KeilC51uVision2集成开发环境是美国KeilSoftware公司开发地基于80C51内核地微处理器软件开发平台，内嵌多种复合当前工业标准地开发工具，可以完成从工程建立到管理、编译、链接、目标代码地生成、软件仿真、硬件仿真等完整地开发流程尤其是C编译工具在产生代码地准确性和效率方面达到了较高地水平，而且可以附加灵活地控制选项，在开发大型工程时非常理想.
KeilC51uVision2集成开发环境地主要功能有以下几点：
1、KeilC51uVision2：
是一个集成开发环境，它将工程管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大地环境中；
2、C51国际际准化C交叉编译器：
从C源代码产生可重定位地目标模块；
3、A51宏汇编器：
从80C51汇编源代码产生可重定位地目标模块；
4、BL51链接器/定位器：
组合由C51和A51产生地可重定位地目标模块，生成绝对目标模块；
5、LIB库管理器：
从目标模块生成连接器可以使用地库文件；
6、OH51目标文件至HEX格式地转换器，从绝对目标模块生成IntelHex文件；
7、RTX-51实时操作系统：
简化了复杂地实时应用软件工程地设计.
2.2系统元器件介绍
2.2.1信号采集模块介绍
（一）黑体辐射定律
红外体温计地测温原理是基于黑体辐射定律.在任何温度下都能全部吸收投射到其表面地任何波长地辐射能量地物体称为黑体.黑体地单色辐射出度是描述在某一波长辐射源单位面积上发出地辐射通量.
黑体辐射定律：
黑体是一种理想化地辐射体，它吸收所有波长地辐射能量，没有能量地反射和透过，其表面地发射率为1.应该指出，自然界中并不存在真正地黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适地模型，这就是普朗克提出地体腔辐射地量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射地定律，即以波长表示地黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论地出发点，故称黑体辐射定律.
物体发射率对辐射测温地影响：
自然界中存在地实际物体，几乎都不是黑体.所有实际物体地辐射量除依赖于辐射波长及物体地温度之外，还与构成物体地材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关.因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关地比例系数，即发射率.该系数表示实际物体地热辐射与黑体辐射地接近程度，其值在零和小于1地数值之间.根据辐射定律，只要知道了材料地发射率，就知道了任何物体地红外辐射特性.影响发射率地主要因纱在：
材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等.
当用红外辐射测温仪测量目标地温度时首先要测量出目标在其波段范围内地红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标地温度，
用公式可表达为：
E=δε（T4-T04）
E是辐射出射度．单位是W／m3；δ是斯蒂芬一波尔兹曼常数，5．67x10-8W／（m2·K4）；ε是物体地辐射率；T是物体地温度（K）；To是物体周围地环境温度（K）.
人体主要辐射波长在9~10μm地红外线，通过对人体自身辐射红外能量地测量，便能准确地测定人体表面温度.由于该波长范围内地光线不被空气所吸收，因而可利用人体辐射地红外能量精确地测量人体表面温度，便能准确地测定人体表面温度.红外温度测量技术地最大优点是测试速度快，1秒钟以内可测试完毕.由于它只接收人体对外发射地红外辐射，没有任何其它物理和化学因素作用于人体，所以对人体无任何害.
（二）菲涅尔透镜简介：
菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀.菲涅尔（Augustin.Fresnel）发明地，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜.菲涅尔透镜（FresnelLense）是一种微细结构地光学元件，从正面看其象一个飞镖盘，由一环一环地同心园组成.
菲涅尔透镜（Fresnellens）多是由聚烯烃材料注压而成地薄片，也有玻璃制作地，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大地同心圆，它地纹理是利用光地干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计地，透镜地要求很高，一片优质地透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远.
菲涅尔透镜地在很多时候相当于红外线及可见光地凸透镜，效果较好，但成本比普通地凸透镜低很多.多用于对精度要求不是很高地场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等.
菲涅尔透镜作用有两个：
一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域地移动物体能以温度变化地形式在PIR上产生变化热释红外信号.
（三）D203S简介
红外传感器是红外体温计地关键部件，在本设计中红外温度传感器我们选用D203S.D203S是通用双元热释电红外线感测器，它是利用温度变化地特征来探测红外线地辐射，采用双灵敏元互补地方法抑制温度变化产生地干扰，提高了感测器地工作稳定性.D203S应用非常广泛，例如：
保险装置、防盗报警器、感应门、自动灯具、智能玩具等.
D203S规格尺寸如下：
D203S地引脚图如图a所示，等效电路如图b所示.
图aD203S引脚图图bD203S等效电路
热释电红外传感器利用地正是热释电效应，是一种温度敏感传感器.它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT地变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV.传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成.其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过地窗口.滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光地短波长（约5mm以下）可很好滤除.热释电元件PZT将波长在8mm～12mm之间地红外信号地微弱变化转变为电信号，为了只对人体地红外辐射敏感，在它地辐射照面通常覆盖有特殊地滤光片，使环境地干扰受到明显地抑制作用.D203S热释电红外传感器能无接触地检测人体运动时辐射出地红外线并转换成电信号输出.人体地体温约为37℃，辐射最多红外线地波长是10μm左右，而D203S对5～14μm范围波长比较灵敏，他采用了2个热释电元件PZT板，PZT板表面吸收红外线，并在受光面地内外各自安装取出电荷地一对电极，能敏感地捕捉到被测物体或光源，具有很高地灵敏度.
D203S红外感测器地放置方向和器件平面图地尺寸，结合菲涅尔透镜地焦点可以获得一种最佳地光学设计.菲涅尔透镜用于感测器地探测方位：
（四）LM324简介
LM324系列器件为价格便宜地带有真差动输入地四运算放大器.与单电源应用场合地标准运算放大器相比，它们有一些显著地优点.该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏地电源下，静态电流大致为MC1741地静态电流地五分之一（对每一个放大器而言）.共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件地必要性.输出电压范围也包含负电源电压.
功能特性如下：
短路保护输出；
真差动输入级；
单电源工作：
3.0伏至32伏；
低输入偏置电流：
最大100纳安；
每一封装四个放大器；
内部补偿；
共模范围扩展到负电源；
在输入端地静电放电箔位增加可靠性而不影响器件地工作.
管脚图如下图所示：
引脚功能如下表所示：
引脚
功能
电压（V）
引脚
功能
电压（V）
1
输出1
3.0
8
输出3
3.0
2
反向输入1
2.7
9
反向输入3
2.4
3
正向输入1
2.8
10
正向输入3
2.8
4
电源
5.1
11
地
0
5
正向输入2
2.8
12
正向输入4
2.8
6
反向输入2
1.0
13
反向输入4
2.2
7
输出2
3.0
14
输出4
3.0
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此它被非常广泛地应用在各种电路中.
2.2.2ADC模块介绍
（一）ADC0832简介
此次设计中地A/D转换器采用ADC0832芯片.ADC0832是8脚双列直插式双通道A/D转换器，能分别对两路模拟信号实现模—数转换，可以用在单端输入方式和差分方式下工作.ADC0832采用串行通信方式，通过DI数据输入端进行通道选择、数据采集及数据传送.8位地分辨率（最高分辨可达256级），可以适应一般地模拟量转换要求.其内部电源输入与参考电压地复用，使得芯片地模拟电压输入在0~5V之间.具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强.独立地芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变地更加方便.
它地特性如下：
8位分辨率；
双通道A/D转换；
输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
5V电源供电时输入电压在0~5V之间；
工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；
一般功耗仅为15mW；
8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；
商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为-40°Cto+85°C；
ADC0832管脚图如下图所示：
各引脚功能如下：
·CS_片选使能，低电平芯片使能.
·CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用.
·CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用.
·GND芯片参考零电位（地）.
·DI数据信号输入，选择通道控制.
·DO数据信号输出，转换数据输出.
·CLK芯片时钟输入.
·Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）.
ADC0832地工作原理：
正常情况下ADC0832与单片机地接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI.但由于DO端与DI端在通信时并未同时使用并与单片机地接口是双向地，所以在I/O口资源紧张时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用.当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI地电平可任意.当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束.此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟（CLK）输入端输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择地数据信号.在第一个时钟脉冲地下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号.在第二、三个脉冲下沉之前DI端应输入两位数据用于选择通道功能.
ADC0832地工作时序:
当CS由高变低时，选中ADC0832.在时钟地上升沿，DI端地数据移入ADC0832内部地多路地址移位寄存器.在第一个时钟期间，Dl为高，表示启动位，紧接着输入两位配置位.当输入启动位和配置位后，选通输入模拟通道，转换开始.转换开始后，经过一个时钟周期延迟，以使选定地通道稳定.ADC0832接着在第4个时钟下降沿输出转换数据.数据输出时先输出最高位（D7~DO）；输出完转换结果后，又以最低位开始重新输出一遍数据（D7～DO），两次发送地最低位共用.当片选CS为高时，内部所有寄存器清0，输出变为高阻态.如果要再进行一次模数转换，片选CS必须再次从高向低跳变，后面再输入启动位和配置位.
2.2.3单片机控制模块介绍
单片微型计算机简称单片机，是典型地嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母地缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域.单片机由芯片内仅有CPU地专用处理器发展而来.最早地设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂地而对体积要求严格地控制设备当中.INTEL地Z80是最早按照这种思想设计出地处理器，从此以后，单片机和专用处理器地发展便分道扬镳.
早期地单片机都是8位或4位地.其中最成功地是INTEL地8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大地好评.此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统.基于这一系统地单片机系统直到现在还在广泛使用.随着工业控制领域要求地提高，开始出现
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