【文章內(nèi)容簡介】 快速溫度測量和公眾的非接觸式醫(yī)用紅外測溫系統(tǒng)的研究不僅具有利益豐厚的商業(yè)價值，而且它也具有重大的社會意義。 本論文的研究內(nèi)容 本課題便攜式紅外測溫系統(tǒng)屬于工程設(shè)計，其研究的主要目的在于設(shè)計一種操作簡便、快速測溫的紅外測溫系統(tǒng)。查找了許多關(guān)于紅外測溫 的材料后，決定把熱釋電紅外測溫技能作為整個系統(tǒng)的重點，開發(fā)以 AT89S52 單片機(jī)為基礎(chǔ)的便攜式非接觸的紅外溫系統(tǒng)，并且通過無線藍(lán)牙的傳送，同時實現(xiàn)手機(jī)客戶端的溫度數(shù)據(jù)的顯示和指令的發(fā)送。 AT89S52 是此次設(shè)計所用的主處理芯片，這款芯片是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的。整桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 3 頁 共 47 頁 個測溫系統(tǒng)必須具有結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便、操作簡單、可靠性高等優(yōu)點，主要研究工作如下： (1)基于對紅外知識的分析、對紅外傳感器的選擇比較和測溫方案的紅外測溫原理認(rèn)識的基礎(chǔ)上，然后再設(shè)計紅外測溫系統(tǒng)的總體方案； (2)對硬件部分進(jìn)行設(shè)計，完成測量目標(biāo) 溫度、藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)和指令、液晶顯示屏顯示實時溫度、聲光報警等部分的電路設(shè)計； (3)對軟件部分進(jìn)行設(shè)計，完成模塊的初始化、目標(biāo)溫度處理單元、藍(lán)牙傳送、按鍵與液晶屏顯示部分的流程圖設(shè)計和相關(guān)部分軟件的編寫； (4)對系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)調(diào)試； (5)對系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析。 2 設(shè)計任務(wù)和要求 設(shè)計任務(wù) 適當(dāng)?shù)睦脤I(yè)基本知識，例如模擬電子技術(shù)、非電量檢測技術(shù)、 C 語言、數(shù)字邏輯電路、單片機(jī)原理及應(yīng)用等， 設(shè)計一個完整的便攜式紅外測溫系統(tǒng)，實現(xiàn)目標(biāo)物體的溫度測量，并能夠顯示實時溫度。 設(shè)計要求 要求所設(shè)計 的便攜式紅外測溫系統(tǒng)具有以下功能： (1)完成對便攜式紅外測溫系統(tǒng)方案的確定及器件選擇； (2)通過控制按鈕開始測溫，并能顯示被測對象的實時溫度； (3)紅外測溫系統(tǒng)的測量溫度范圍： 0℃ ~85℃ ，測量精度≤177。 ℃ ，分辨率≤℃ ； (4)通過 LCD 液晶顯示相應(yīng)的體溫值。 3 紅外測溫系統(tǒng)的總體方案選擇 本課題的設(shè)計是綜合應(yīng)用了硬軟件知識的結(jié)合，每一個模塊如何設(shè)計，選擇什么芯片處理，代碼如何編寫，這些都會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，尤其是硬件模塊的選擇決定了整個系統(tǒng)運行所能達(dá)到的高度，所以對每 個模塊的設(shè)計都必須要慎重，多考慮幾種方案，通過相互對比后才能選擇，這樣才能確定設(shè)計的高度，才能揚長避短。 重要模塊的方案對比和選擇 顯示模塊的選擇 方案一：用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。由以往的實訓(xùn)經(jīng)歷可知，數(shù)碼管具有低功耗、價格便宜、低電壓、使用壽命長、堅固耐用等優(yōu)點。如果用數(shù)碼管顯示需要自己搭建數(shù)碼管之間的電路，而且電路復(fù)雜，因為一個數(shù)碼管只能顯示一個符號，不能一次性顯示大量信息。如果顯示的信息量大，就需要許多數(shù)碼管，會造成占用許多資源。 方案二：用液晶 LCD1602 顯示。 液晶 LCD1602 的優(yōu) 點：字符型液晶屏，表示字母和數(shù)字比較方便，功耗低，控制方便，體積小、薄、輕，顯示內(nèi)容豐富，字跡美觀，成桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 4 頁 共 47 頁 本低、視覺舒適。 由于考慮到本次設(shè)計需要顯示的信息比較直觀，方便查看，所以應(yīng)選用顯示信息量大，人機(jī)界面友好，顯示信息的可讀性比較高，讀取數(shù)據(jù)更方便的顯示屏。經(jīng)過對兩個方案的對比，所以選擇方案二，選用 LCD1602 作為本次設(shè)計的顯示屏。 溫度傳感器模塊的選擇 方案一：采用 D203S。這種熱釋電紅外線傳感器屬于開關(guān)型的傳感器，只能輸出高低兩種狀態(tài)。早在上個世紀(jì)，熱釋電紅外線傳感器已經(jīng)被普遍的使用，而且 成為了一種新式的靈敏度高的探測元件。這種傳感器的特點就是不用去接觸人體，就可以測得人體的溫度。它是通過監(jiān)控人體輻射的能量的變化，并將輻射能量的改變量轉(zhuǎn)變成電壓信號輸出，由于電壓信號不穩(wěn)定，就需要電壓信號被放大和加驅(qū)動控制電路。如果采用傳感器 D203S，會導(dǎo)致硬件會很復(fù)雜，電路容易出現(xiàn)故障，穩(wěn)定性不好。 方案二：使用紅外線測溫探頭 (IRTP)。這一系列的紅外測溫系統(tǒng)的測溫范圍是20℃ ~300℃ ， IRTP 的特點就是：它本身集成了信號處理電路和環(huán)境溫度補(bǔ)償電路；屬于多用途緊湊型的紅外線測溫探頭；不容易受環(huán)境干擾 。它經(jīng)常應(yīng)用于工業(yè)測溫儀，例如軸承溫度測量、微波爐、燃?xì)庠罹叩?,不能用來測人體溫度。 方案三：采用 TN_9 紅外溫度傳感器， TN_9 是凌陽公司生產(chǎn)的一款溫度傳感器，傳感器本身內(nèi)部已經(jīng)集成了線性處理電路、光學(xué)系統(tǒng)電路和溫度補(bǔ)償電路，它是一種集成的紅外探測器，可以在采集完數(shù)據(jù)后，直接向單片機(jī)輸出數(shù)字信號，只需要 1 秒時間去響應(yīng)、精度達(dá)到了 +/℃ 、穩(wěn)定性好。 由于本次設(shè)計的系統(tǒng)主要是用于測量體溫，并且要求測量精度比較高，電路盡可能簡單，盡可能的達(dá)到醫(yī)用要求，因此此次的設(shè)計選擇 TN_9 紅外溫度傳感器。 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計方案 在對各種不同的方案進(jìn)行了比較，了解了各種設(shè)計方法的優(yōu)缺點后，最后選擇AT89S52 單片機(jī)為主處理器， TN_9 作為紅外測溫模塊， LM7805 作為穩(wěn)壓芯片，BLKMDHC05 作為無線藍(lán)牙模塊， LCD1602 用作本系統(tǒng)的顯示部分。 本課題便攜式紅外測溫系統(tǒng)的系統(tǒng)組成如圖 所示，主要是有單片機(jī)主控模塊、TN_9 紅外模塊、液晶屏顯示輸出、聲光報警模塊、按鍵模塊、電源模塊組成的。硬件的流程是單片機(jī)主控制器通過不斷的掃描按鍵，當(dāng)掃描到按鍵值要求開始測溫時，然后調(diào)用相應(yīng)的指令給 TN_9，在完 成相應(yīng)的指令后， TN_9 就把測量結(jié)果送往單片機(jī)，單片機(jī)主控制器處理信號后，將會把測量數(shù)值顯示到 LCD1602 模塊上，并且同時也將測得的實時溫度值傳送到手機(jī)客戶端，以方便進(jìn)行觀測，手機(jī)客戶端可以通過藍(lán)牙向單片機(jī)發(fā)送指令，控制測溫系統(tǒng)的啟動。單片機(jī)將把實時溫度值與之前已經(jīng)設(shè)定好的溫度值比較，若滿足報警條件，則開啟聲光報警。 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 5 頁 共 47 頁 圖 便攜式紅外測溫系統(tǒng)功能模塊框圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案 根據(jù)系統(tǒng)功能的設(shè)計要求，本測溫系統(tǒng)的設(shè)計可以通過單片機(jī)實現(xiàn)，利用單片機(jī)編寫相應(yīng)的軟件部分，例如實現(xiàn)掃描按鍵，溫度的檢測、顯示、聲光報警、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽攒浖糠值脑O(shè)計仍舊選用模塊化的設(shè)計思想。主要包括單片機(jī)模塊、顯示模塊、測溫模塊、按鍵掃描模塊、聲光報警模塊、無線藍(lán)牙傳輸模塊，把各個模塊分別予以解決，就可以達(dá)到整體的效果 ,模 塊劃分如圖 所示。 圖 紅外測溫系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計框圖 在圖 紅外測溫系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計框圖中，主程序模塊主要完成系統(tǒng)初始化；TN_9 模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和測量；按鍵模塊主要負(fù)責(zé)輸入按鍵信號，處理按鍵請求等；液晶屏顯示模塊主要負(fù)責(zé)獲取被測 目標(biāo)相應(yīng)溫度數(shù)據(jù)；無線藍(lán)牙傳輸模塊主要負(fù)責(zé)將 TN_9 采集到的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過藍(lán)牙將其傳送到手機(jī)客戶端，進(jìn)行實時觀察。 芯片介紹 由于本系統(tǒng)的設(shè)計用到了一些比較重要的芯片，本節(jié)將會對它們進(jìn)行詳細(xì)地介紹。 主從控制器 AT89S52 主從控制器單片機(jī)作為紅外測溫系統(tǒng)的主要處理器件和傳輸紐帶，整個測溫系統(tǒng)的性能指標(biāo)由單片機(jī)決定。本溫度測溫系統(tǒng)的選擇是 AT89S52 單片機(jī)，此類單片機(jī)是一 AT89S51 液晶屏顯示 單元 報警電路 按鍵電 路 電源電 路 TN_9 主程序模塊 紅外測 溫 按鍵模 塊 聲光報警 液晶屏顯示 無線藍(lán)牙傳輸 無線藍(lán)牙傳輸 手機(jī)客戶端 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 6 頁 共 47 頁 個 CMOS8 位 微控制器。 由于用戶可以通過 AVR_fighter 軟件就可以下載 /燒錄用戶程序到單片機(jī)中，根本不需要 將單片機(jī)從產(chǎn)品上拆下，因此對于一邊設(shè)計一邊探索的設(shè)計，可以隨時加以完善，這樣同時保證了設(shè)計速度，而且也降低了軟件缺陷風(fēng)險。由于用戶可以直接將程序下載到單片機(jī)，觀察的運行效果，所以可以不用仿真器，圖 為此單片機(jī)的引腳圖。 圖 AT89S52 單片機(jī)引腳圖 AT89S52 單片機(jī)的特點： (1)與 MCS51單片機(jī) 產(chǎn)品兼容； (2)8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器 ； (3)1000次擦寫周期； (4)全靜態(tài)操作： 0Hz33MHz； (5)三級加密 程序存儲器 ； (6)32個可編程 I/O 口線； (7)三個 16位 定時器 /計數(shù)器 ； (8)8個 中斷源 ； (9)全雙工 UART 串行通道； (10)低功耗空閑和掉電模式； (11)掉電后中斷可喚醒； (12)看門狗定時器 ； (13)雙數(shù)據(jù)指針。 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 7 頁 共 47 頁 AT89S52 各引腳的功能描述如下： (1)電源 和晶振： VCC：芯片正常運行的電壓， +5V； GND：地線； XTAL1 和 XTAL2：外部鐘頻信號引入引腳； (2)RST/VPD:復(fù)位引腳或者備用電源接入引腳。當(dāng) VCC 電源正常時，此引腳作為復(fù)位引腳，當(dāng) VCC 電源斷電時，此時引腳作為備用電源接入，在低功耗的情況下，使片內(nèi) RAM 中的數(shù)據(jù)得到保護(hù)。單片機(jī)的復(fù)位操作是由 RST/VPD 腳上出現(xiàn)的高電平引起的，并且高電平至少要持續(xù) 2 個機(jī)器周期； (3)ALE/ __________PROG :地址鎖存 / ____________EPROM 編程。作為控制信號 （ ALE） 時為輸出信號，頻率為始終振蕩頻率的 1/6；作 __________PROG 用時為輸入引腳，在 EPROM 編程輸入編程脈沖； (4) ________PSEN :允許程序存儲在存儲器中，是用于輸出的。頻率為時鐘振蕩頻率的 1/6，用 來選擇通片外程序存儲器。若產(chǎn)生了尋訪片外數(shù)據(jù)存儲器的指令，那么在則在 12 個振蕩周期內(nèi)不會產(chǎn)生 ________PSEN ； (5)VDD/ ____EA :片外程序 ROM 有效 /編程電源。作 ____EA 用時為輸出信號， ____EA 為低電平時，片外 程序 ROM 有效， ____EA 為高電平時，片內(nèi)程序 ROM 有效。作 VDD 用時為電源輸入，輸入 21V編程電源 VPP。 紅外模塊組 TN_9 在本模塊的設(shè)計電路中，選擇一個性能合適的紅外測溫模塊器件十分重要。在設(shè)計過程中的紅外測溫模塊裝置的選取問題上，首先必須考慮的是元器件的下列性能因素：元器件的尺寸、測溫響應(yīng)速度和時間、視場有效檢測面積、信號處理功能、元件數(shù)量、確定波長范圍、制冷方式、確定光學(xué)分辨率、光譜響應(yīng)的范圍和被檢測目標(biāo)物體的溫 度。 凌陽公司生產(chǎn)的 TN_9是本次紅外測溫模塊的不二選擇，它屬于集成的紅外探測器，其自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)有溫度補(bǔ)償電路、光學(xué)系統(tǒng)處理電路和線性處理電路，這樣我們就不需要自己去搭建溫度補(bǔ)償?shù)入娐?，從而簡化了本系統(tǒng)的設(shè)計。 TN_9 能夠測量的最遠(yuǎn)距離大約為 30 米，測試范圍為 33℃ ~220℃ ， 測量回應(yīng)時間大約為 秒，分辨率為 1/16℃ ，刷新頻率為 ，而且它具備 SPI 接口，可以進(jìn)行串行傳輸數(shù)據(jù)，其引腳如圖 所示 。 V D C G A 圖 紅 外測溫傳感器引腳圖 TN_9 紅外測溫模塊 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 8 頁 共 47 頁 在圖 中， V為電源引腳，電源一般引入 3V或者 5V電壓，一般取 5V； D 為數(shù)據(jù)接收引腳； C 為時鐘輸出引腳，一般為 2KHz； G 為接地引腳； A 為測試引腳，低電平有效。 圖 是 TN_9 的 SPI 時序圖。當(dāng) CLOCK 為下降沿時，就表示 data pin 要接收數(shù)據(jù)