基于单片机的非接触式红外体温计设计解读.docx
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基于单片机的非接触式红外体温计设计解读
本科毕业论文
非接触式红外体温计的设计
DesignofContactlessInfraredThermometerSystem
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毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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作者签名：
日 期：
结论18
非接触式红外体温计的设计
摘要：
本文针对传统的测温仪器自身存在的诸多缺点以及在现实生活中所暴露的使用不便，缺少安全性等缺陷，提出了一种非接触式红外测温系统设计方案。
该系统是以STC89C52作为红外测温传感器数据传输和控制核心。
此外，还设计了报警模块、显示电路、功能按键等外围模块。
本系统实现了对实时温度的显示，以及对后者过限时报警，同时还能对温度测量报警的上下限进行调节。
它的最大的创新不仅仅是因为可以测量基本的温度，更在于它可以控制继电器电路使温度在测量范围内。
它的安全性，方便性更有利于普通百姓的使用。
本次红外测温系统的设计简化了电路结构，提高了测温的稳定性及可靠性。
该系统具有反应速度快、传输效率高、测量精度高、可靠性高等优点。
关键字：
STC89C52；报警；红外测温
DesignofContactlessInfraredThermometerSystem
Abstract：
Inviewofthetraditionaltemperaturemeasuringinstrument,therearemanyshortcomings,Andinreallifeitexposesmuchinconvenience,lacksofsafety,soiputforwardthisdesignofcontactlessinfraredtemperaturemeasurementsystem.ThesystemisbasedonsinglechipmicrocomputerSTC89C52thatasbeingthecenterofinfraredmeasuringtemperaturesensordata’stransmissionandregulation.Inaddition,itisalsoequippedwithalarmcircuits,keyswitch,liquidcrystaldisplayoutputandkeycircuits.Thissystemrealizereal-timetemperaturedisplay,andgiveanalarmwhenthetemperaturebeyondlimitationconfigured,surelythelimitationcanbechangedelse.Thesystem'sbiggestinnovationnotonlyintherealizationofbasicfunctionstemperaturemeasurement,butalsocancontrolarelaycircuittogetthetemperatureinmeasuringrange.Itssafety,conveniencearemorehelpfuloftheuseofthecommonpeople.Thedesignofinfraredtemperaturemeasurementsystemsimplifythecircuitstructure,improvethestabilityandreliabilityofmeasuringtemperature.Thegreatreactionspeed,hightransmissionefficiency,highaccuracyandhighreliabilityisalsoitsadvantage.
Keywords：
STC89C52;alarm;infraredtemperaturemeasurement
引言
随着经济的发展，社会生活水平的提高，人们对自身身体情况愈来愈重视。
体温是人体生命活动最基本的特征，也是观察人体机能是否正常的重要指标之一。
现在各种流行病比较多，传染性比较强，传统的接触式测温系统有很大的局限性，特别是在高发病的场所诸如学校或者客运中心等等。
目前，传统的测温仪器存在的缺陷开始被人们所认识，测量准确度低，等待时间长，使用不当还会发生意想不到的事故等。
非接触式红外测温系统的开发，将能很好的代替传统测温仪器，弥补他们的不足与使用的不便。
它的响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点，更适合儿童在平时的生活中独立完成体温测量。
当今社会，红外测温技术已在工业、石化、农业、医学、安全监控与防范和科学研究等领域被广泛地应用，在传统的测温系统中注入现代科技的元素，它所具备的响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点，较传统温度仪器更加能满足人们生活生产的需求，必定会占领相当大的市场，受到人们的青睐[5]。
近20年来，我国的红外测温技术得到迅速的发展,并逐步应用于医疗、工业等领域。
红外检测技术，它是一种在线监测不停电式高科技检测技术，能对电气设备的故障缺陷及绝缘性能做出可靠的预测，满足了现代电力企业对电力系统的可靠运行的要求。
此无线测温系统包括硬件电路部分和软件部分。
硬件电路采用STC89C52单片机作为控制核心，主要包括以下几个部分：
红外测温电路、报警电路，显示电路，按键电路和继电输出控制电路等。
软件设计主要包括：
主程序、红外测温模块、报警模块、功能按键模块、显示模块、继电输出模块等子程序。
该系统在工作时，操作者先将红外测量仪对准被测量者，接通电源，等待2秒钟，随后红外传感器就会把温度信号传送到STC89C52中进行处理，然后送1602显示。
该系统可以调节报警的上下限，当实时温度低于设定温度，绿灯亮，蜂鸣器响；高于设定温度蜂鸣器响，红灯亮；正常温度蜂鸣器不响，黄灯亮。
另外，该系统还可以测量物体温度，当物体温度过限时，继电器会闭合，同时触发相应的自己设定的动作来使目标温度控制在要求范围内。
第一章系统主要芯片介绍
1.1STC89C52芯片简介
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52单片机引脚结构如图1-1所示[4]。
图1-1STC89C52引脚结构图
STC89C52单片机芯片的引脚介绍如下：
管脚1～8：
P1口，8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。
管脚9：
RESET复位键，单片机的复位信号输入端，对高电平有效。
当进行复位时，要保持RST管脚大于两个机器周期的高电平时间。
管脚10，11：
RXD串口输入TXD串口输出。
管脚12～19：
P3口，P3.2为INT0中断0，P3.3为INT1中断1，P3.4为计数脉冲T0，P3.5为计数脉冲T1，P3.6为WR写控制，P3.7为RD读控制输出端。
管脚21～28：
P2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。
管脚29：
PSEN片外Rom选通端，单片机对片外Rom操作时29脚（PSEN）输出低电平。
管脚30：
ALE/PROG地址锁存器。
管脚31：
EArom取指令控制器高电平片内取低电平片外取。
管脚32～39：
P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。
管脚40：
电源+5V。
1.2红外温度模块简介
1.2.1TN901红外测温模块
TN901红外传感器输出的是数字信号，TN901传感器芯片管脚如图1-2所示：
图1-2TN9红外测温模块接口
管脚5是V为电源引脚VCC，VCC一般为3V到5V之间的电压，一般取3.3V；管脚4为D是数据接收引脚，没有数据接收时D为高电平；管脚3为C为2KHzClock输出引脚；管脚2为G是接地引脚；管脚1是A为测温启动信号引脚，低电平有效[6]。
1.2.2红外测温原理
红外测温传感器是接收目标物体的热辐射并转换为电信号的器件。
所有物体都会发出红外线能量，物体越热，其分子就愈加活跃，目标辐射波长越短，它所发出的红外线能量也就越多。
红外温度模块中的光学装置，可以收集物体的辐射红外线能量，并把该能量聚焦在探测器上，能量经探测器转化为电信号，并被放大、显示出来[8]。
由普朗克黑体辐射原理：
—光学常数
－辐射出射度
－斯蒂芬-波尔兹曼常数
－被测对像的辐射率
－红外温度计的辐射率
－被测对像热力学温度
－红外温度计热力学温度
通过红外传感器接收到的能量峰值信号，经过单片机即可计算出目标温度。
探测器输出的信号与目标温度呈非线性的关系，所以需要对其进行线性化处理。
线性化处理后得到物体的表观温度，然后对其进行辐射率修正，转化成真实温度，由于调制片辐射信号的影响，还需作温度的补偿，即真实温度加上环境温度才能最终得到被测物体的实际温度[3]。
1.2.3红外测温模块的工作时序
TN9红外传感器向单片机发送一帧数据共有5个BYTE组成，如表1-1所示。
表1-1信息格式
Item：
“L”（4CH）：
Tobj（目标温度），“f”（66H）：
Tamb（环境温度）
MSB：
8bitData最高有效位
LSB：
8bitData最低有效位
Sum：
Item+MSB+LSB=Sum
CR：
0DH,结束信息
单片机在时钟的下降沿接收数据，一次温度测量需接收5个字节的数据，这五个字节中：
Item为0x4c表示测量目标温度，0x66表示测量环境温度；MSB为接收温度的高八位数据；LSB为接收温度的低八位数据；Sum为验证码，接收正确Sum=Item+MSB+LSB；CR为结束标志，当CR为0x0dH时表示完成一次温度数据接收。
1.2.4红外测温模块温度值计算
无论测量环境温度还是目标温度，只要检测到Item为0x4cH或者0x66H，同时检测到CR为0x0dH，它们的温度计算方法都相同。
计算公式为：
实际温度值=temp/16-273.15。
其中273.15为华氏转摄氏的单位转换差值[7]。
Temp为十进制，当把它转换成十六进制时高八位为MSB，低八位为LSB；比如MSB为0x10H，LSB为0x2bH，则Temp为十六进制时是0x142bH，十进制时是5163，则测得实际温度值为5163/16-273.15=49.537℃。
1.3LCD1602显示器简介
在本系统中，需要将实时时钟与测量出来的温度值显示出来，LCD显示器的微功耗，体积小，显示内容丰富，超薄轻巧的诸多优点非常符合系统需求。
本次使用的LCD1602显示器模块为5×7点阵图形来显示字符的液晶显示器，内带ASCII字符库。
LCD1602模块内部可以完成显示扫描，单片机只要向LCD1602发送命令和显示内容的ASCII码。
LCD1602显示器的工作电压为4.5～5.5V，在本系统中，采用的电压为5V，字符尺寸为2.95×4.35（WXH）mm。
LCD1602显示芯片引脚如图1-3所示[1]。
图1-3LCD1602芯片引脚图
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接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，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度或者直接接地。
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：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
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7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15～16脚：
空脚。
LCD1602液晶显示器寄存器选择控制如表1-2所示。
表1-2寄存器选择控制表
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器D0~D7
0
1
读取输出的D0~D7的状态字
1
0
写入数据寄存器D0~D7
1
1
从D0~D7读取数据
开始时初始化E为0，然后置E为1，再清0。
读取状态字时，注意D7位，D7为1，禁止读写操作；D7为0，允许读写操作。
所以对控制器每次进行读写操作前，必须进行读写检测。
第二章系统硬件设计
本系统的硬件原理图采用AltiumDesigner进行设计，AltiumDesigner主要运行在Windows操作系统。
这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高[11]。
2.1系统总体结构图
本系统的硬件电路设计以STC89C52单片机为核心，外围主要包括：
TN9红外传感器模块，报警电路，LCD1602显示模块，功能按键、晶振电路和继电器输出电路组成，如图2-1所示。
图2-1系统整体框图
2.2单片机的主控电路设计
在本系统的设计中，从价格，熟悉程度以及满足系统的需求等方面考虑采用了51系列STC89C52单片机。
单片机为整个系统的核心，控制整个系统的运行，其接口电路如图2-2所示。
图2-2STC89C52接口电路
STC89C52单片机连接系统的各个模块，P0口接上LCD1602显示器模块的数据线，P1.0，P1.1作为LCD1602的控制信号；P2.0，P2.1，P2.2接红外测温模块；P1.2，P1.3和P1.4分别接红、绿、黄三个LED指示灯；P1.5接继电器输出电路；P3.2，P3.3，P3.4，P3.5接4个功能按键。
由于P0口为开漏式，只有一个模式管，故在设计中加了一个上拉电阻J2，为的是增加P0口的驱动能力。
2.3红外温度传感器模块电路的设计
本系统采用的是TN9红外模块，该模块不需要增加另外的A/D转换电路，使得硬件可以尽可能的简单化，相比于其他红外模块，TN9产品只需要3伏电源供电。
它是一种集成的红外探测器，内部有温度补偿电路和线性处理电路，使本系统的设计得到了简化。
TN9红外模块接口如图图2-3所示[2]。
图2-3TN9红外模块接口电路图
TN9红外模块的工作过程:
系统正常上电，当进行温度测量时，将TN9的红外传感器探头对准被测量者的额头，随即按下功能按键0，即开始键，单片机通过向测试脚提供一个高电平的信号，即启动红外测温。
在时钟的下降沿开始读数据，共5个字节，当第一个字节为4CH（或66H），且第5个字节为0DH时，读取的数据为有效数据，否则读取的数据无效，数据读取后，单片机对读到的有效数据进行运算处理，然后送LCD1602显示。
2.4LCD1602设计原理图
本系统采用LCD1602作为显示器，相比于LED，LCD1602需要的管脚少，电路图和实物比较简单。
同时LCD1602还可以显示字母和数字，LED就只能显示数字。
LCD1602显示是从系统上电运行时就开始显示时间，该显示模块与单片机的连接如图2-4所示。
图2-4LCD1602显示电路图
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选指令寄存器；通过单片机的P0.2口控制，R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
由于本设计中只需要对液晶进行写操作，为了节省单片机引脚资源，它直接接为低电平；EN端为使能端，当EN端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令，通过单片机P0.4口控制。
图3-6中的R8是一个5K欧姆的滑动变阻器，通过改变它的数值，可调节显示器的对比度[10]。
2.5按键电路的设计
本次设计的系统开启红外测温功能只需按下电源电路中的开关，LCD1602上能对报警上下限进行调整，比如数字的加和减以及调整完之后的确认，经过设想，最终系统的功能按键设置为4个，均采用独立按键模块，电路原理图如下图2-5所示。
图2-5系统按键电路原理图
键盘模块采用动态扫描的方式，采用4个独立式键盘。
相较于矩阵键盘，独立式键盘是一种常开型按键开关，常态下键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合，最大的优点是使用方便，程序编写比较简单。
4个按键的功能具体如下：
按键S3:
调节报警上下限的功能按键，按下后进入调整状态；
按键S4：
在跳针的情况下，实现“加”功能；
按键S5：
在跳针的情况下，实现“减”功能；
按键S6：
对上述“加减”功能调节后的确认键。
2.6系统其它硬件电路
2.6.1系统的电源电路
电源电路原理图如图2-6所示。
图2-6电源电路接口
系统使用的电源为5V，由外部引入，二极管作为电源指示灯，C4、C5起滤波的作用。
2.6.2系统晶振电路
STC89C52单片机引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及C2、C3的连接如图2-7所示。
图2-7系统晶振电路原理图
晶振的作用是给单片机提供一个稳定的节拍,C2，C3这两个电容叫晶振的负载电容，接法如上图所示，大小为30pF，它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度，也是使振荡频率更稳定。
实际上等同于电容三点式电路的分压电容，接地点就是分压点，以接地点作为参考点，振荡引脚的输入和输出是反相的。
当两个电容量相等时，反馈系数是0.5，一般是可以满足振荡条件的，但如果不易起振或振荡不稳定可以减小输入端对地电容量,而增加输出端的值以提高反馈量。
2.6.3报警电路的设计
该系统的报警电路的原理图如图2-8所示。
图2-8报警电路原理图
报警电路实际就是蜂鸣器驱动电路，R6为限流电阻，防止电路电流过大损坏其他器件。
FM输出的是控制信号，Q1可以看做是个电子开关，用来控制蜂鸣器的控制中断。
当FM口输出高电平时，Q1饱和导通，蜂鸣器获得电工作发出鸣响，当FM口输出低电平时Q1截止蜂鸣器失电，停止工作。
第三章系统软件设计
3.1软件编译KeilC51开发环境
Kei1C51集成开发环境是美国KeilSoftwaer公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。
Kei1C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，编译后生成的汇编代码，到Kei1C51生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解，在开发大型项目时非常理想。
3.2系统软件设计要求及任务
软件是整个系统的核心，它具有充分的灵活性与可修改性，可以根据系统的要求而变化。
在硬件结构一定的情况下，通过改变软件就能实现不同的功能。
本设计的红外测温系统的软件方面全部采用C语言编写，以提高系统的可读性和可移植性。
其设计方法和硬件设计相对应，采用模块对应进行编写，将系统的硬件划分为相应的子程序模块，分别进行编写、调试，使整个程序看起来简洁，明了，在调试过程中也方便自己发现错误，提高了编程的效率。
整个系统软件主要包括主程序、红外测温模块、功能按键模块、显示模块等子程序。
3.3系统主程序流程图
主程序的运行过程：
系统正常上电，开始初始化，对功能按键进行扫描处理，看是否有按键按下，如果有，则进入设置状态，对上下限进行调节，如果没有，则显示测的温度，且对过限的温度进行报警，相应LED指示灯亮，继电器闭合，执行根据自己设定的动作，阻止过限的继续。
主程序流程图如图3-1所示。
图3-1系统主流程图
3.4红外测温流程图
红外传感器模块流程图如图3-2所示。
图3-2红外测温流程图
如流程图所示：
系统正常上电，开始初始化，判断是否有功能按键0按下，如果是，再次判断首字节是否为4CH或者66H，最后一个字节是否为0DH，因为单片机每一次读取5个BYTE，当第一个BYTE和最后一个BYTE分别同时为4CH（或66H）和0DH时，才认为这是一个有效的数据，否则单片机将不停地进行读取。
如果是，则进行温度的计算及温度的处理，然后送LCD1602显示，最后关闭TN901；如果不是，则继续按下按键0，直到符合有效数据的要求，才进行温度的读取。
第4章制作与调试
4.1软件调试
本设计由于需要外界环境作为媒介才能完成仿真，所以我没有进行最后的仿真，仅仅用Altiumdesigner进行了编译，程序部分用KeilC51进行了编译。
在进行该过程时分为两步：
目标程序纠错，整体程序调试。
目标程序纠错：
该阶段工作通常在目标程序编辑时就完成。
一般来说，软件能为用户输入的程序指令纠错，包括书写格式、标号未定义或多重定义、转移地址溢出等错误，这一步主要是一些细节上的问题，需要一部分一部分的去检查。
整体程序调试：
即把各子程序整体连起来联系整体电路进行调试，看根据现行的程序和硬件条件是否能实现预计的功能显示。
在这阶段若发生故障，可以考虑各子程序在运行时是否破坏现场，数据缓冲单元是否发生冲突，标志位的建立和清除在设计上是否失误，堆栈是否溢出，输入输出状态是否正常等再进一步对细节进行修改。
4.2硬件调试
单片机应用系统的硬件调试和软件调试是分不开的，许多硬件故障在软件调试时才能发现，但通常要先排除系统中明显的硬件故障。
调试工作可以分为四步：
线路检查：
根据硬件逻辑设计图，仔细检查样机线路是否连接正确，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，必要时可用万用表检测线路通断情况。
电源调试：
样机的第一次通电测试很重要，若样机中存在电源故障，则加电后将造成器件损坏。
调试的方法有两种：
一种是断开稳压电源的输出端，检查空载时电源工作情况；另一种是拔下样机上的主要集成芯片，检查电源的负载能力（用假负载）。
确保电源无故障并性能符合设计要求[12]。
通电检查：
在确保电源良好前提下，接通电源。
最好在电源与其余电路之间串接一个电流表。
若接通后电流很大，须立即切断电源。
电源大得超出正常范围，说明电路中有短路或故障。
通电检查的主要目的是看系统是否存在短路或由元器件损坏、装配错误引起的电流异常。
检查芯片的逻辑关系是否出错：
加电后检查各插座上相关
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