基于紅外傳感器的快速體溫檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

頁(yè)共32頁(yè)1引言1.1課題研究的背景和意義在我們的日常生活中，溫度計(jì)具有不可替代的地位，可以通過(guò)對(duì)一個(gè)人的體溫進(jìn)行檢測(cè)的辦法來(lái)判斷他的身體是否健康，因此在醫(yī)院、家庭等領(lǐng)域體溫計(jì)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。為了能夠更加精準(zhǔn)方便測(cè)量人體的體溫值，因此人們發(fā)明了溫度計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)常用的體溫計(jì)主要有：玻璃水銀體溫計(jì)、電子數(shù)字體溫計(jì)及紅外智能便攜體溫計(jì)等三種類型體溫計(jì)。其中，玻璃水銀溫度計(jì)是家庭生活中最為常見的體溫計(jì)，當(dāng)給人體測(cè)量體溫時(shí)，溫度計(jì)中的汞感受到人體的溫度后，它的體積就會(huì)因?yàn)槭軣岫鴿u漸膨脹從而使體溫計(jì)玻璃管內(nèi)的水銀柱高度發(fā)生變化[1]。玻璃水銀溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果較為穩(wěn)定、價(jià)格低廉，缺點(diǎn)是體溫計(jì)玻璃易碎并且容易引起交叉感染，而且汞易揮發(fā)并且有毒，若處理不當(dāng)，后果較為嚴(yán)重。2007年7月中旬，禁止出售含汞的水銀溫度計(jì)順利通過(guò)了歐盟法律法規(guī)，這一法律法規(guī)的制定，減少了水銀溫度計(jì)對(duì)自然環(huán)境與人體的會(huì)造成巨大的危害，為環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展和人類的下一代做出了巨大的貢獻(xiàn)，同時(shí)也保護(hù)了醫(yī)療研究人員免遭于水銀中毒的危險(xiǎn)。到2017年，WHO預(yù)計(jì)全世界減少一半多的含汞的產(chǎn)品。同時(shí)，禁止出售含水銀的體溫計(jì)這一法規(guī)也在美國(guó)順利通過(guò)。電子數(shù)字體溫計(jì)的原理是利用溫度傳感器測(cè)量溫度，并將外界的環(huán)境溫度和物質(zhì)本身的一些參數(shù)，如電阻（resistance）、電流（electricity）、電壓（voltage）等之間進(jìn)行一定的關(guān)系確定，把測(cè)量的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)顯示裝置（如：LCD1602）顯示出測(cè)量的人體體溫。這種體溫計(jì)和傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)相比具有測(cè)溫速度快，讀數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn)，尤其是它不含有水銀等有害裝置，在現(xiàn)代醫(yī)院和家庭中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。缺點(diǎn)是使用溫度傳感器測(cè)量人體體溫時(shí)，傳感器容易受外界環(huán)境溫度的影響，溫差較大時(shí)準(zhǔn)確度較低。智能紅外體溫計(jì)的出現(xiàn)，使得體溫測(cè)量的快速性、準(zhǔn)確性、安全性都有了顯著的提高。這種體溫計(jì)采用紅外傳感器進(jìn)行人體溫度測(cè)量，由于物體本身的溫度和它輻射的能量具有一定的關(guān)系，因此我們可將物體輻射的紅外線轉(zhuǎn)換為一定的電信號(hào)，根據(jù)轉(zhuǎn)變的電信號(hào)大小，確定物體的溫度的讀數(shù)，這種通過(guò)非接觸的方式測(cè)得的人體體溫，不會(huì)對(duì)人的身體產(chǎn)生有毒的傷害和交叉感染[2]。并且完成的非接觸式智能紅外體溫計(jì)比電子數(shù)字溫度計(jì)具有更高的快速性、準(zhǔn)確性、安全性，高分辨率、低誤差和使用方便、壽命長(zhǎng)適用場(chǎng)合多等顯著優(yōu)點(diǎn)。隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展以及人們對(duì)美好生活的需求，各色各樣的溫度計(jì)出現(xiàn)在了人們的視野中，每種體溫計(jì)都有它區(qū)別于其它類溫度計(jì)的顯著優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，許多人認(rèn)為老式的水銀溫度計(jì)等難以測(cè)出體溫的微小變化，準(zhǔn)確性較低而且測(cè)溫時(shí)間較長(zhǎng)，脫離時(shí)代發(fā)展。為了順應(yīng)時(shí)代的趨勢(shì)和發(fā)展，本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)常用的體溫計(jì)的不足之處，設(shè)計(jì)出一款高準(zhǔn)確性、高精度、高快速性、高安全性的智能紅外體溫計(jì)。該非接觸式智能紅外體溫計(jì)的研究出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)水銀溫度計(jì)測(cè)溫時(shí)間長(zhǎng)等問題，只需要短短幾秒中，就可以準(zhǔn)確測(cè)出人體體溫并顯示播報(bào)溫度情況，可實(shí)現(xiàn)體溫實(shí)時(shí)檢測(cè)和體溫的實(shí)時(shí)記錄，通過(guò)對(duì)以往數(shù)據(jù)的記錄，可觀看體溫曲線的變化情況。非接觸式智能紅外體溫計(jì)是利用紅外輻射測(cè)溫的原理實(shí)現(xiàn)人體溫度的測(cè)量的。非接觸式智能紅外體溫計(jì)較電子數(shù)字溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境的變化對(duì)溫度的變化影響較小，測(cè)量精度更高；測(cè)量速度快，容易快速測(cè)量和多次測(cè)量；測(cè)溫范圍寬，理論上可測(cè)量相當(dāng)高的溫度；不易產(chǎn)生交叉感染等缺點(diǎn)。1.2人體測(cè)溫的發(fā)展現(xiàn)狀以及趨勢(shì)1.2.1體溫計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，玻璃水銀溫度計(jì)逐漸退出歷史舞臺(tái)，取而代之的是電子數(shù)字溫度計(jì)和智能紅外溫度計(jì)，這兩種類型的溫度計(jì)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和家庭領(lǐng)域已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。由于傳統(tǒng)的玻璃水銀溫度計(jì)和電子體溫計(jì)和水銀溫度計(jì)測(cè)量溫度時(shí)需要與人體接觸，容易產(chǎn)生交叉感染且快速性較低，在2003年的非典（SARS）和2009年的H1Nl型病毒的爆發(fā)期間，高快速性、高準(zhǔn)確性、高安全性的非接觸式智能便攜式紅外溫度計(jì)得到了極大的促進(jìn)和發(fā)展。為了減緩流感病毒的傳播擴(kuò)散，許多國(guó)家都嘗試用非接觸紅外溫度計(jì)來(lái)檢測(cè)機(jī)場(chǎng)、學(xué)校、車站、酒店等人們出現(xiàn)的較多的公共場(chǎng)合。臨床醫(yī)學(xué)中，常通過(guò)紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)測(cè)量患者測(cè)溫，來(lái)判斷他們是否患有重大癌癥。即便如此，由于流感的傳播速度極快、傳播途徑極多，有很多地區(qū)引進(jìn)了紅外溫度篩檢設(shè)備，為的是能夠避免日益增長(zhǎng)的流感病毒的傳播威脅。只有如此，才能在第一時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)體溫異常者，在早期將發(fā)現(xiàn)的感染者隔離，延遲流感病毒的傳播，從而杜絕流感病毒的爆發(fā)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的非接觸式的紅外溫度計(jì)的觀察研究發(fā)現(xiàn)，有些紅外測(cè)溫裝置容易受到外界環(huán)境的影響，并不是特別適用在疫情爆發(fā)時(shí)期檢測(cè)體溫。然而，在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，許多醫(yī)生、研究學(xué)者嘗試把非接觸式紅外溫度計(jì)和傳統(tǒng)的溫度計(jì)對(duì)比，研究分析了非接觸測(cè)溫儀對(duì)溫度測(cè)溫的準(zhǔn)確性與安全性。研究發(fā)現(xiàn)，一些非接觸的紅外溫度計(jì)在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的測(cè)溫效果和傳統(tǒng)溫度計(jì)測(cè)量結(jié)果相差不是特別明顯，另外一些非接觸式紅外測(cè)溫儀效果卻非常明顯。非接觸紅外測(cè)溫儀的分辨度容易受傳感器本身精確度的影響，因此，隨著技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，非接觸式紅外體溫計(jì)將會(huì)有更高的精確性和可靠性，在未來(lái)的幾十年，一定會(huì)取代傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)和電子數(shù)字溫度計(jì)。1.2.2紅外輻射測(cè)溫儀的發(fā)展利用物體本身紅外能量輻射的這一原理進(jìn)行溫度檢測(cè)與測(cè)量所制成的紅外測(cè)溫儀經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展歷程。20世紀(jì)早期，最早的紅外測(cè)溫儀只能對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一定點(diǎn)溫度進(jìn)行溫度測(cè)量，經(jīng)過(guò)一段時(shí)期的發(fā)展，較新一代的紅外測(cè)溫儀可對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一條線的溫度進(jìn)行測(cè)量，但仍然有很大的不足之處，不能對(duì)具有三維的空間物體表面溫度進(jìn)行測(cè)量。隨著時(shí)間的發(fā)展，直到一九五幾年，隨著紅外探測(cè)裝置和光子探測(cè)裝置的出現(xiàn)，緊隨其后實(shí)驗(yàn)性、原理性熱成像系統(tǒng)問世。到目前為止，已經(jīng)走向成熟的熱成像系統(tǒng)，它己經(jīng)是系統(tǒng)工程學(xué)、新型紅外光學(xué)材料、特殊紅外工藝、微電子學(xué)、精密機(jī)械、精密光學(xué)和窄禁帶半導(dǎo)體技術(shù)等的結(jié)合體。根據(jù)對(duì)紅外輻射測(cè)溫儀的測(cè)溫方式進(jìn)行劃分，可以分為如下兩種類型：逐點(diǎn)分析溫度檢測(cè)系統(tǒng)和全場(chǎng)分析溫度檢測(cè)系統(tǒng)[3]。逐點(diǎn)分析溫度檢測(cè)系統(tǒng)又稱紅外測(cè)溫儀，是通過(guò)將物體的局部溫度能量進(jìn)行聚焦，再將聚焦的能量傳送到紅外探測(cè)器上，并通過(guò)了解被測(cè)量對(duì)象的能量發(fā)射率情況，將被測(cè)對(duì)象向外輻射的能量轉(zhuǎn)化為一定的溫度信號(hào)。逐點(diǎn)分析溫度檢測(cè)系統(tǒng)又包括點(diǎn)測(cè)、熱電測(cè)、行掃測(cè)等多種測(cè)量?jī)x器。全場(chǎng)分析溫度檢測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)紅外成像技術(shù)把物體表面的溫度分布規(guī)律以一定的排列順序分布在傳感器上，從而可以間接了解到物體在空間的溫度場(chǎng)的溫度分布情況，全場(chǎng)分布溫度檢測(cè)系統(tǒng)又稱為紅外熱像儀。20世紀(jì)六十年代左右，我國(guó)成功制造出首臺(tái)紅外光電測(cè)溫儀，它的測(cè)量速度慢、穩(wěn)定性低、分辨度低、成本高，相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)光學(xué)溫度檢測(cè)裝置，現(xiàn)在已經(jīng)退出歷史的舞臺(tái)。到20世紀(jì)九十年代，我國(guó)的紅外測(cè)溫儀有了顯著的發(fā)展與進(jìn)步，也開始使用紅外輻射測(cè)溫原理進(jìn)行溫度檢測(cè)，通過(guò)反射、折射、干涉等光學(xué)方法對(duì)被測(cè)對(duì)象紅外輻射的能量進(jìn)行測(cè)量，再選取適合的濾波片，將一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光線進(jìn)行輻射，輻射的能量再通過(guò)紅外溫度檢測(cè)裝置，轉(zhuǎn)換為一定的電信號(hào)，把輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行放大，再將信號(hào)中非線性的部分進(jìn)行線性化處理，然后把處理后的電信號(hào)送入數(shù)字電壓表，將被測(cè)對(duì)象的溫度顯示出來(lái)。上世紀(jì)末期，我國(guó)的紅外輻射技術(shù)得到了更進(jìn)一步的發(fā)展，研制出來(lái)了光纖束的光學(xué)測(cè)溫儀，然后將測(cè)得結(jié)果經(jīng)單片機(jī)處理后，通過(guò)顯示模塊顯示出來(lái)。1.2.3紅外輻射測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展上世紀(jì)初，利用紅外輻射測(cè)溫原理進(jìn)行測(cè)溫的理論已經(jīng)逐漸走向成熟。又經(jīng)過(guò)幾十年的長(zhǎng)期努力，我國(guó)的紅外輻射測(cè)溫技術(shù)有了更進(jìn)一步的發(fā)展，傳統(tǒng)意義上紅外測(cè)溫儀的又可以分為三種類型：全輻射測(cè)溫儀、單色測(cè)溫儀和比色測(cè)溫儀。全輻射測(cè)溫儀的原理是把光譜中的所有輻射的光線按照波長(zhǎng)由小到大的順序?qū)ζ涞妮椛涔β蔬M(jìn)行測(cè)量從而確定被測(cè)對(duì)象的溫度情況。單色測(cè)溫儀原理是將被測(cè)對(duì)象至于某一環(huán)境內(nèi)，通過(guò)測(cè)量一定范圍內(nèi)輻射的波長(zhǎng)的功率情況從而確定被測(cè)對(duì)象的溫度情況。比色測(cè)溫儀原理是選取光譜內(nèi)的兩段具有一定范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，通過(guò)測(cè)量他們的輻射功率比值，從而確定被測(cè)對(duì)象的溫度情況。上世紀(jì)五十年代中期，Pyatt提出了一個(gè)建議，打算將三種具有不同波長(zhǎng)段的比色測(cè)溫儀一起使用，來(lái)得到被測(cè)對(duì)象的發(fā)射速率和它波長(zhǎng)具有的函數(shù)關(guān)系。到1980年左右，多種光譜共同測(cè)量的測(cè)溫輻射技術(shù)達(dá)到了高潮。20世紀(jì)七十年代末期，Cashdolla將Pyatt的提議成功運(yùn)用于實(shí)踐當(dāng)中，研制出了將三種具有不同波長(zhǎng)段的比色測(cè)溫儀一起使用，來(lái)得到被測(cè)對(duì)象的發(fā)射速率和它波長(zhǎng)具有的函數(shù)關(guān)系的測(cè)溫計(jì)，測(cè)量爆炸粉塵的溫度情況在波長(zhǎng)為1.0、1.8、1.9時(shí)，發(fā)現(xiàn)最高測(cè)量界限可達(dá)2M，與此同時(shí)還可以通過(guò)使用濾波片形成更高波長(zhǎng)的測(cè)溫計(jì)。同一年Svet和他的團(tuán)隊(duì)研制成功了四種波長(zhǎng)的測(cè)溫計(jì)，可以更加準(zhǔn)確的測(cè)量物體面的溫度，被測(cè)溫度范圍是300--3M。Lyzenga和Ahrens成功研制出了6種波長(zhǎng)的高溫計(jì)，測(cè)量溫度更加準(zhǔn)確，精度更加高，被測(cè)物體的溫度范圍為：4K--8000K。20世紀(jì)八十年代初期，Jones和Gardner等人也成功研制出6種波長(zhǎng)的測(cè)溫計(jì)，被測(cè)物體的溫度范圍為1K--1600K，分辨度可達(dá)0.01。第二年，歐洲人Babelot和美國(guó)人Hoch帶領(lǐng)他們的團(tuán)隊(duì)也成功研制出了6種波長(zhǎng)的測(cè)溫計(jì)，和以往的6波長(zhǎng)的高溫計(jì)不同的是，他們采用的光電材料的分光性能更強(qiáng)，可以更加快速精準(zhǔn)的對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行溫度測(cè)量，分辨率可達(dá)0.01，并努力使分辨率達(dá)到0.005。同一時(shí)期，Cashdollar也研制出了6波測(cè)溫計(jì)，采用鉛銫測(cè)溫器，對(duì)粒子及非固態(tài)物質(zhì)進(jìn)行溫度測(cè)量，他們選擇的波長(zhǎng)分別是：2.3、1.57、4.42、3.84、5.0、4.57。20世紀(jì)八十年代中期Hiernaut帶領(lǐng)他們的精英團(tuán)隊(duì)成功研制的6波長(zhǎng)的測(cè)溫計(jì)，可對(duì)2K—5000K的溫度范圍內(nèi)光譜進(jìn)行溫度測(cè)量，被測(cè)對(duì)象的溫度精度可達(dá)0.005,發(fā)射率精度大約為0.01—0.05。20世紀(jì)九十年代早期，Levendis帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)成功研制出了3種顏色的輻射高溫計(jì)，這種類型的工作波長(zhǎng)為0.65、0.80、0.95，在處理數(shù)據(jù)方面，采用的是比色思想。第二年，Cezairliyan運(yùn)用光導(dǎo)纖維對(duì)光束進(jìn)行分離，分出的6種工作波長(zhǎng)分別為0.50、0.60、0.65、0.70、0.80和0.90。20世紀(jì)80年代中期，在我國(guó)北京的光學(xué)研究所內(nèi)成功研制出了3波長(zhǎng)HDW-1型紅外測(cè)溫儀。在80年代末期，北京聯(lián)合大學(xué)提出了用多種光束進(jìn)行溫度檢測(cè)。但是，多波長(zhǎng)測(cè)溫理論始終沒有付諸于實(shí)踐，我們?nèi)匀皇莻鹘y(tǒng)的單色、比色的思想，采用多通道的思想只是為了校驗(yàn)方便。20世紀(jì)九十年代初期，我國(guó)戴景民和歐洲G.Ruffino一起合作成功研制了35波長(zhǎng)的棱鏡分光儀器，并在高溫計(jì)上試驗(yàn)成功了。九十年代末期，他們又成功研制出8波長(zhǎng)的高溫計(jì)，并成功將其運(yùn)用到了火箭上。近年來(lái)，多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫理論也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。尤其進(jìn)入21世紀(jì)后，多波長(zhǎng)紅外測(cè)溫技術(shù)更進(jìn)一步的成熟，成功研制出可隱身測(cè)量發(fā)射導(dǎo)彈裝置的高溫計(jì)。1.3研究的任務(wù)和需要達(dá)到的性能指標(biāo)本設(shè)計(jì)要求從紅外輻射測(cè)溫原理出發(fā)，依據(jù)紅外輻射測(cè)溫的測(cè)溫原理，先從理論上分析了影響紅外輻射測(cè)溫精度的原因。接下來(lái)，用一個(gè)紅外溫度傳感器設(shè)計(jì)一個(gè)快速檢測(cè)人體體溫裝置，并對(duì)設(shè)計(jì)出的溫度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際分析，尋找影響測(cè)量溫度精度的原因。為了使設(shè)計(jì)的紅外快速檢測(cè)人體體溫系統(tǒng)更加智能化，豐富設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)容，設(shè)計(jì)中可增加對(duì)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和語(yǔ)音播報(bào)溫度并提建議的功能。按照如上要求，設(shè)計(jì)一個(gè)基于紅外傳感器的非接觸式溫度檢測(cè)系統(tǒng)，采用單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)要求具體如下：a）了解紅外傳感器測(cè)溫的基本方法及設(shè)計(jì)思路，分析紅外輻射測(cè)溫的原理及影響紅外測(cè)溫精確度的因素。b）設(shè)計(jì)紅外溫度檢測(cè)系統(tǒng)硬件功能模塊，選擇紅外傳感器模塊MLX90614，分析外界環(huán)境、測(cè)量距離等對(duì)紅外傳感器的影響情況，并進(jìn)行合適的誤差補(bǔ)償，使溫度測(cè)量精度最高。c）完成溫度檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，可適當(dāng)豐富智能紅外快速檢測(cè)體溫系統(tǒng)，增加歷史體溫?cái)?shù)據(jù)記錄功能，體溫播報(bào)功能，溫度測(cè)量異常時(shí)報(bào)警功能。d）依據(jù)控制流程給出軟件流程圖和程序代碼，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)及要求。1.4課題研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排根據(jù)課題的實(shí)際要求情況，首先對(duì)紅外傳感器快速檢測(cè)人體體溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)單的概要介紹，了解傳統(tǒng)體溫計(jì)在檢測(cè)人體體溫的優(yōu)缺點(diǎn)以及近年來(lái)人體體溫檢測(cè)發(fā)展的現(xiàn)狀，掌握如何運(yùn)用非接觸式紅外輻射測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行溫度檢測(cè)，分析影響紅外輻射測(cè)溫的主要因素，對(duì)影響較大的因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚a(bǔ)償，減小外部因素對(duì)測(cè)溫造成的不必要影響。根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的整體方案和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，接下來(lái)在進(jìn)行硬件原理圖的設(shè)計(jì)，元器件的焊接工作，軟件程序的設(shè)計(jì)以及對(duì)軟件程序的調(diào)試等工作，最終完成一個(gè)具有語(yǔ)音播報(bào)溫度、歷史數(shù)據(jù)記錄功能的便攜式智能紅外測(cè)溫儀。各章節(jié)的結(jié)構(gòu)安排如下：第一章為引言，主要介紹本設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀和研究意義，人體體溫檢測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，同時(shí)也介紹了非接觸式紅外檢測(cè)溫度的優(yōu)點(diǎn)及其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，最后提出本設(shè)計(jì)的總體要求和需要達(dá)到的性能指標(biāo)。第二章主要介紹了系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，了解了紅外輻射的概念以及黑體輻射的基本定律和其數(shù)學(xué)關(guān)系，分析了影響系統(tǒng)測(cè)溫的主要因素，并對(duì)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行修正補(bǔ)償，最后根據(jù)課題要求，完成系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)。第三章為系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分，主要介紹了控制模塊、顯示模塊、測(cè)溫模塊、報(bào)警模塊及語(yǔ)音模塊的特點(diǎn)和工作情況，讓我們對(duì)本系統(tǒng)的硬件電路部分有了初步的了解。第四章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分，根據(jù)題目的要求和需要完成的功能，對(duì)組成系統(tǒng)的各部分硬件電路進(jìn)行了軟件編程，并對(duì)程序的主要部分進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹說(shuō)明。1.5本章小結(jié)本章內(nèi)容來(lái)源于大量有關(guān)紅外測(cè)溫的書籍和文獻(xiàn)資料，主要介紹了本課題的研究背景和意義，了解掌握紅外檢測(cè)人體溫度的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，了解紅外輻射測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展，對(duì)本設(shè)計(jì)提出合理的方案要求，了解本課題需要完成的任務(wù)目標(biāo)。

2系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)2.1.1紅外輻射的概念常溫下，紅外線是物體輻射的主要光線，而肉眼卻無(wú)法識(shí)別。當(dāng)溫度達(dá)到一定溫度時(shí)，便會(huì)散發(fā)出部分肉眼可見的暗紅色光線，再繼續(xù)使溫度升高，物體就會(huì)散發(fā)白色的光。自然界中的每一種物質(zhì)都是由一些微量元素組成，物體內(nèi)部的原子和分子在持續(xù)的振動(dòng)當(dāng)中，物體受到外部環(huán)境加熱時(shí)，它內(nèi)部的原子和分子會(huì)受熱使溫度升高，從而會(huì)獲得更多的熱量，使其內(nèi)部的原子和分子運(yùn)動(dòng)的更加活躍，當(dāng)這些原子和分子處在一定的振蕩頻率時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)躍遷現(xiàn)象，能量高的原子和分子向低能量方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生紅外輻射現(xiàn)象。只要物體的溫度高于絕對(duì)零度，物體的表面就會(huì)不斷的向外界輻射能量，但外界環(huán)境會(huì)對(duì)物體向外輻射的能量產(chǎn)生一定的影響。物體表面溫度的不同，就會(huì)造成其內(nèi)部原子和分子振蕩頻率的不同，其輻射的能量也就不同，根據(jù)物體溫度和其輻射能量的函數(shù)關(guān)系，從而便可測(cè)量出物體本身的溫度，這就是紅外測(cè)溫的理論依據(jù)。物體的紅外輻射能力和其表面溫度的這種特殊聯(lián)系，就是我們常說(shuō)的紅外輻射理論，它的應(yīng)用促進(jìn)了社會(huì)的更進(jìn)一步的發(fā)[4]。2.1.2透射、反射、吸收定律吸收率是物體吸收光的總量與投射到物體上所有光總量的比值，用表示。反射率是指從物體反射出來(lái)的光的總量與投射到物體上的光的總量的比值，用表示。透射是入射光經(jīng)過(guò)折射穿過(guò)物體后的出射現(xiàn)象，一般情況下，能夠發(fā)生透射現(xiàn)象的物體為透明的或者半透明的，為了研究物體的透光能力，通常把透過(guò)光的總量與入射光總量之比的倒數(shù)稱為透射率，用表示。發(fā)射率是用來(lái)衡量光線向外的輻射能力，用表示。一般對(duì)于一個(gè)物體來(lái)說(shuō)，對(duì)于投射到其上的光束，只會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即：反射、透射、吸收[5]。那么根據(jù)物體的能量守恒定律，可以得到以下公式（式2.1）。（2.1）2.1.3基爾霍夫定律基爾霍夫定律是傳熱學(xué)問題的一個(gè)基本定律，這個(gè)定律主要談?wù)摰氖俏矬w向外的輻射能力和其吸收比之間的關(guān)系。定律內(nèi)容如下：在同一溫度下，不同物體的單色輻出度與單色的吸收比成正比，其比值是一個(gè)只取決于波長(zhǎng)和溫度T的普適函數(shù)，數(shù)學(xué)意義上的定義公式（式2.2）如下[6]。（2.2）其中，為黑體的單色輻出度和單色吸收比?；鶢柣舴蚨墒莻鳠釋W(xué)中最基本最普遍的規(guī)律，它有一個(gè)非常重要的推論，即：在同一溫度下，黑體的吸收能力和發(fā)射能力是成正比的。另一個(gè)重要推論就是：對(duì)于某一物體，若它不能發(fā)射某一波長(zhǎng)光線，那么它也就同樣不能吸收這一波長(zhǎng)的光線，反之也正確。人工黑體就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。2.1.4普朗克定律1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克在量子理論的基礎(chǔ)上建立了黑體輻射定律公式，這個(gè)定律是熱輻射的最基本定律普朗克定律，并在1901年發(fā)表。普朗克定律指出，在一定時(shí)間下，單位半球內(nèi)單位面積物體所輻射的能量與對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)之間的具有如下數(shù)學(xué)關(guān)系（式2.3），該定律的物理意義在于給出了黑體輻射的具體光譜分布[7]。（2.3）式中，是指定的輻射波長(zhǎng)，T是黑體熱力學(xué)的溫度，，，、分別是第一和第二輻射常數(shù)，指黑體光譜的輻射出射度，其中是普朗克常數(shù)，為真空中光的傳播的速度，是玻爾茲曼常數(shù)。2.1.5維恩位移定律這一定律主要描述的傳熱學(xué)溫度和黑體光譜輻射度的最大值之間的關(guān)系，當(dāng)黑體輻射度到最大值時(shí)，這時(shí)候它的波長(zhǎng)也達(dá)到最大值，這時(shí)黑體的溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為（式2.4）[8]。（2.4）其中，,為溫度。由公式可知，如果知道了黑體的最大輻射的波長(zhǎng)，便可以知道此時(shí)黑體的熱力學(xué)溫度，反過(guò)來(lái)亦可。2.2影響紅外測(cè)溫因素為了提高紅外檢測(cè)體溫的精度，接下來(lái)這一小節(jié)，我們來(lái)討論一下影響紅外輻射測(cè)溫的主要因素：第一,外界環(huán)境對(duì)紅外測(cè)溫精度的影響，不管我們選用何種紅外傳感器，空氣中的、、等氣體分子也會(huì)對(duì)一部分紅外輻射的能量進(jìn)行吸收，使紅外傳感器接收到的能量不是人體輻射的全部能量，這樣就會(huì)使得紅外傳感器檢測(cè)到的人體體溫并不是完全的精準(zhǔn)，存在一定的不可避免的誤差。第二，其它輻射物體對(duì)紅外傳感器的影響，在測(cè)量體溫時(shí)，總會(huì)和人體有一定的距離，這時(shí)外界的環(huán)境中其它物體向外輻射的能量，還有外界環(huán)境溫度的影響，或大或小的都會(huì)對(duì)紅外傳感器測(cè)溫產(chǎn)生一定的影響，使紅外傳感器接收到的能量不全是人體向外輻射的能量，降低了紅外測(cè)溫的精度。第三，人體和紅外傳感器之間的距離長(zhǎng)短也會(huì)對(duì)紅外測(cè)溫的精度產(chǎn)生一定的影響。人體溫度的不同，向外輻射的波長(zhǎng)也不相同，輻射波長(zhǎng)的衰減程度也不相同。通常情況下，人體距離紅外傳感器越遠(yuǎn)，測(cè)量誤差會(huì)越大，測(cè)量精度會(huì)越低，反之越高。因此，根據(jù)以上分析，我們需要在不同的外界環(huán)境溫度、不同的測(cè)量距離下，多次進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償修正，盡量減少外界環(huán)境和測(cè)量距離對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，從而提高紅外測(cè)溫精度。2.3系統(tǒng)整體方案根據(jù)課題研究任務(wù)及要求，設(shè)計(jì)一個(gè)基于紅外傳感器的快速體溫檢測(cè)系統(tǒng)，主要模塊包括：微控制器模塊單片機(jī)（STC89C52RC）、紅外傳感器模塊（MLX90614）、語(yǔ)音模塊（M3）、液晶顯示模塊（LCD1602）、鍵盤輸入模塊（獨(dú)立按鍵）、電源模塊（5V、3.3V）。通過(guò)紅外傳感器將被測(cè)物體進(jìn)行紅外測(cè)溫，將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)，把處理后的溫度顯示到液晶顯示屏上，完成溫度的檢測(cè)。為了使設(shè)計(jì)的體溫檢測(cè)系統(tǒng)更加智能化，本設(shè)計(jì)還增加了語(yǔ)音播報(bào)功能，將測(cè)得的溫度進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，并給出適當(dāng)?shù)慕ㄗh，還增加了報(bào)警功能，當(dāng)測(cè)量的數(shù)據(jù)低于33℃時(shí)，顯示溫度數(shù)據(jù)測(cè)量異常，提示重新測(cè)量。系統(tǒng)的整體框圖如圖2.1所示。單片機(jī)STC89單片機(jī)STC89C52RC電源模塊語(yǔ)音模塊顯示模塊報(bào)警模塊紅外傳感器按鍵模塊圖2.1系統(tǒng)的整體框圖2.4本章小結(jié)本章首先介紹了紅外輻射的概念，讓我們對(duì)紅外測(cè)溫有了一個(gè)初步的了解，接下來(lái)介紹了熱輻射的四個(gè)基本定律：透射、反射、吸收定律、基爾霍夫定律、普朗克定律和維恩位移定律，了解了幾個(gè)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。然后對(duì)影響紅外測(cè)溫精度的因素進(jìn)行了理論分析，提出了多次測(cè)量進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償修正的方法。最后根據(jù)課題要求和需要完成的目標(biāo)，介紹了本系統(tǒng)的方案總體設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)總體方案的步驟概括。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1控制模塊單片機(jī)是整個(gè)紅外測(cè)溫系統(tǒng)的控制核心，選擇一個(gè)好的單片機(jī)尤為重要，根據(jù)設(shè)計(jì)要求等多方面考慮，本系統(tǒng)選擇的單片機(jī)型號(hào)是STC89C52RC，現(xiàn)對(duì)它的特點(diǎn)進(jìn)行如下介紹：STC89C52RC單片機(jī)具有抗干擾、高速、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，屬于51單片機(jī)的增強(qiáng)型，可任意選擇6機(jī)器/時(shí)鐘周期和12機(jī)器/時(shí)鐘周期，完全兼容8051單片機(jī)的指令代碼[9]。內(nèi)置4KB的E2PROM,4個(gè)外部中斷，三個(gè)16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器（T0、T1、T2），全雙工串行口，MAX810復(fù)位電路，1個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)。具有512B的RAM,8K字節(jié)的ROM。正常工作模式，功耗約為4～7Ma?？臻e模式下(2mA左右)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串口、中斷繼續(xù)工作，CPU停止工作。可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持兩種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電模式下（＜0.1uA），凍結(jié)振蕩器，可保存RAM中的內(nèi)容，單片機(jī)所有工作停止，可由外部中斷或硬件復(fù)位觸發(fā)[10]。有通用32個(gè)I/O口（P0、P1、P2、P3），復(fù)位后：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口，P0口是漏極開路輸出，作為I/O口用時(shí)，需要外加上拉電阻，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻[11]。單片機(jī)STC89C52RC的引腳圖如下圖3.1所示，單片機(jī)STC89C52RC的封裝圖如下圖3.2所示。圖3.1單片機(jī)STC89C52RC的引腳圖圖3.2單片機(jī)STC89C52RC的封裝圖單片機(jī)STC89C52RC的引腳說(shuō)明如下：電源引腳：VCC（40引腳）為電源電壓（一般接+5V電壓）GND（20引腳）為電源地控制引腳：REST（9引腳）為復(fù)位引腳，需要至少持續(xù)兩個(gè)及以上機(jī)器周期的高電平可使其復(fù)位ALE（30引腳）為地址鎖存控制信號(hào)PSEN（29引腳）為外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)EA（31引腳）為程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通信號(hào)，接高電平時(shí)，選通內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，低電平時(shí)，選通外部程序存儲(chǔ)器。晶振引腳：XTAL2(18引腳)：振蕩器反相放大器輸入端XTAL1(19引腳)：振蕩器反相放大器輸出端可編程I/O引腳：四個(gè)I/O口分別為P0口（P0.0～P0.7）、P1口（P1.0～P1.7)、P2口（P2.0～P2.7）、P3口(P3.0～P3.7)，都是8位雙向I/O口，其中，只有P0口為漏極開路輸出，內(nèi)部不自帶上拉電阻，其它I/O口內(nèi)部都自帶上拉電阻。因此，對(duì)端口的每個(gè)引腳置高電平時(shí)，P0口只可作為高阻抗輸入，其它I/O口由于內(nèi)部上拉電阻的作用，可把端口電平拉到高電位，作為輸出口時(shí)，這32個(gè)引腳，每個(gè)引腳都可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。另外特別說(shuō)明一下P0口、P2口、P3口，在訪問外部程序存儲(chǔ)器ROM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM時(shí),P0口可提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用總線，P2口可提供高8位地址總線，P3口具有一些其它I/O口不具備的復(fù)用功能。3.2電源電路電源電路給系統(tǒng)中的各個(gè)元件提供電壓，是一個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作的基礎(chǔ)和保障。本系統(tǒng)中除了紅外傳感器MLX90614采用3.3V供電外，其它元件均采用5V供電，下圖所示的是一個(gè)5V和3.3V的供電電路。220V的交流電經(jīng)過(guò)一個(gè)變壓比為220:8變壓器轉(zhuǎn)換成8V的交流電，然后在通過(guò)一個(gè)整流橋?qū)⒔涣麟娬鞒芍绷麟姡詈笸ㄟ^(guò)幾個(gè)濾波電容和穩(wěn)壓模塊7805，便可輸出5V的穩(wěn)壓電源。將5V的電壓通過(guò)可調(diào)穩(wěn)壓模塊LM117-3.3，可得到供紅外傳感器工作的3.3V電壓。電源電路（圖3.3）如下所示。圖3.3電源電路3.3按鍵電路常用的按鍵電路有兩種類型：矩陣鍵盤和獨(dú)立按鍵?，F(xiàn)對(duì)這兩種類型按鍵進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，選出更適合本設(shè)計(jì)的按鍵電路。矩陣鍵盤：當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)需要的按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I/O口的使用數(shù)量，可以將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣鍵盤中，每條垂直線和水平線通過(guò)一個(gè)按鍵連接，這樣，一個(gè)I/O端口就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，相比獨(dú)立按鍵的數(shù)量多了一倍[12]。所以，通常情況下，按鍵數(shù)量較多時(shí)，采用矩陣式鍵盤。獨(dú)立按鍵：直接用I/O口線構(gòu)成按鍵電路，一個(gè)按鍵用一根I/O口線，按鍵之間的工作狀態(tài)不互相影響，這種按鍵電路較為靈活，程序編程較為簡(jiǎn)單[13]。當(dāng)系統(tǒng)中的按鍵數(shù)量較少時(shí)，常常采用獨(dú)立式按鍵。由于每個(gè)按鍵都需要使用一根I/O口線，所以常常采用查詢式方法判斷按鍵是否被按下。由于本設(shè)計(jì)只需要四個(gè)按鍵：測(cè)量溫度按鈕、查看歷史數(shù)據(jù)按鈕、數(shù)據(jù)上移按鈕和數(shù)據(jù)下移按鈕，不管采用獨(dú)立式按鍵還是矩陣式按鍵，都是占用4根I/O線，為了方便編程，本系統(tǒng)采用的是獨(dú)立式按鍵，按鍵電路如下圖4.4所示。由于理想的獨(dú)立鍵盤的波形是按下去就處于低電平，然而在實(shí)際應(yīng)用中，按鍵和離鍵時(shí)，會(huì)出現(xiàn)輕微抖動(dòng)現(xiàn)象，影響按鍵結(jié)果判斷。為了消除這種抖動(dòng)，常常采用以下兩種辦法：=1\*GB3①硬件消抖：在按鍵電路中連接一個(gè)電容=2\*GB3②軟件消抖：在第一次判斷按鍵是否被按下結(jié)束后，增加10ms的延時(shí)，再判斷一次。圖3.4按鍵電路3.4復(fù)位電路復(fù)位電路，顧名思義，就是將電路恢復(fù)到初始狀態(tài)。本設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)復(fù)位電路有兩種工作方式：上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。復(fù)位原理：使單片機(jī)引腳RST處于兩個(gè)及兩個(gè)以上機(jī)器周期高電平，便可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位。上電復(fù)位工作原理，VCC上電時(shí)，電解電容C8充電，電容導(dǎo)通，電阻R9出現(xiàn)電壓，REST端出現(xiàn)高電平，單片機(jī)復(fù)位；幾個(gè)毫秒后，電容C8充滿，R9兩端電壓降為零，復(fù)位完成，單片機(jī)進(jìn)入工作模式。手動(dòng)復(fù)位工作原理，單片機(jī)工作期間，按下按鍵S1，左側(cè)通路導(dǎo)通，REST端出現(xiàn)高電平，單片機(jī)復(fù)位；松開按鍵S1，電容C8充電，幾個(gè)毫秒后，電容C8充滿，單片機(jī)又會(huì)進(jìn)入工作模式。復(fù)位電路如圖3.5所示。圖3.5復(fù)位電路3.5時(shí)鐘電路單片機(jī)有兩種時(shí)鐘方式：=1\*GB3①內(nèi)部時(shí)鐘方式：就是通過(guò)一個(gè)自激振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的方式，自激振蕩器的構(gòu)成：XTAL1和XTAL2兩端連接兩個(gè)電容和一個(gè)晶振[14]。電容可對(duì)晶體振蕩器的振蕩頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，電容值過(guò)大有利于振蕩器的穩(wěn)定，但容易降低晶振精度，增加起振時(shí)間，過(guò)小又會(huì)降低抗干擾性，所以一般選擇的電容的容量為30pF左右。=2\*GB3②外部時(shí)鐘方式：引腳XTAL2置高電平或懸空，引腳XTAL1直接輸入時(shí)鐘信號(hào)方波。但若是采用外部時(shí)鐘方式產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)源，外圍電路和內(nèi)部時(shí)鐘方式相比較為復(fù)雜，所以本設(shè)計(jì)選用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式。時(shí)鐘電路如圖3.6所示。圖3.6時(shí)鐘電路3.6報(bào)警電路本設(shè)計(jì)采用的報(bào)警電路功能是當(dāng)紅外溫度傳感器發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)使蜂鳴器鳴叫來(lái)提示測(cè)量人員注意，以便工作人員采取有效的處理手段。電路中使用三極管進(jìn)行電流放大是因?yàn)閱纹瑱C(jī)正常工作模式下I/O口電流約為4mA～7mA，而對(duì)于5V蜂鳴器來(lái)說(shuō)，工作電流一般為20多mA，因此通常用三極管組成的放大電路放大單片機(jī)輸出的I/O電流，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器[15]。其中10K的電阻的作用是用來(lái)防止干擾的。報(bào)警電路如圖3.7所示。圖3.7報(bào)警電路3.7液晶顯示根據(jù)課題要求，本設(shè)計(jì)需要顯示的內(nèi)容有當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)和歷史溫度數(shù)據(jù)，至少需要6個(gè)數(shù)碼管，且編程復(fù)雜，而采用液晶（LCD1602）顯示，不僅編程簡(jiǎn)單，而且數(shù)據(jù)顯示直觀易懂，綜上考慮，本設(shè)計(jì)選用LCD1602進(jìn)行液晶顯示。下面對(duì)LCD1602的特點(diǎn)進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的介紹。LCD1602是一個(gè)16*2的字符型液晶，可顯示兩行，共32個(gè)字符,封裝圖正面如圖3.8所示，背面如圖3.9所示。圖3.8封裝圖正面圖3.9封裝圖背面引腳說(shuō)明如下：VSS接電源地。VDD接+5V。VO是液晶顯示的偏壓信號(hào)，接高電平時(shí)，對(duì)比度太弱，容易看不清；接低電平時(shí)，對(duì)比度太強(qiáng)，容易出現(xiàn)“重影”，故我們接一個(gè)10K的電阻來(lái)調(diào)節(jié)。E是執(zhí)行命令的使能引腳。RW是讀/寫選擇引腳。RS是數(shù)據(jù)/命令選擇引腳。D0—D7，并行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。LED-背光負(fù)極。LED+背光正極。液晶顯示電路接線圖（圖3.10）如下所示：圖3.10液晶顯示電路接線圖3.8紅外傳感器紅外溫度傳感器MLX90614（如圖3.11），紅外傳感器為系統(tǒng)的測(cè)溫元件，內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器、低噪聲放大器和數(shù)字信號(hào)處理芯片，可直接將測(cè)得的數(shù)字信號(hào)通過(guò)Smbus協(xié)議傳送給單片機(jī)[16]。供電電源為3.3V，測(cè)量人體時(shí)，精度可達(dá)±0.1℃。圖3.11紅外傳感器的管腳分布引腳及其功能如下表（表3.1）所示。表3.1MLX90614引腳及其功能引腳作用VSS電源地，金屬外殼和該管腳相連VDD電源PWM/SDAPWM或SMBus接口的數(shù)據(jù)信號(hào)SCL/VzSMBus接口的時(shí)鐘信號(hào)SCL、SDA管腳直接連接單片機(jī)的普通I/O口即可，通常情況下SDA管腳輸出物體溫度，由于MLX90614的輸入輸出接口是漏級(jí)開路（OD）結(jié)構(gòu)，和單片機(jī)相連時(shí)，需要加上拉電阻[17]。紅外傳感器和單片機(jī)的連接圖（3.12）如下：圖3.12紅外傳感器和單片機(jī)的連接圖3.9語(yǔ)音模塊為了使體溫計(jì)更加智能化，本設(shè)計(jì)選用了語(yǔ)音播放模塊M3，可以將測(cè)得的人體溫度進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)并且提供合理的建議。語(yǔ)音模塊的封裝圖（圖3.13）如下所示。語(yǔ)音模塊工作情況如下：采用5V1A供電電源來(lái)供電；接單片機(jī)時(shí)，可進(jìn)行二進(jìn)制編碼觸發(fā)，A1-A5為編碼接口，最多可以播放31首。圖3.13語(yǔ)音模塊封裝圖3.10本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，選用單片機(jī)STC89C52RC作為核控制單元，設(shè)計(jì)了一款基于紅外傳感器MLX90614的智能紅外體溫計(jì)。主要介紹了系統(tǒng)各部分電路的特點(diǎn)和工作情況，電源電路作為供電線路為系統(tǒng)提供3.3V和5V電壓，通過(guò)按鍵輸入模塊和系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互，對(duì)系統(tǒng)工作情況進(jìn)行控制。還對(duì)傳統(tǒng)紅外測(cè)溫計(jì)的功能進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，當(dāng)測(cè)溫結(jié)果出現(xiàn)異常時(shí)，可通過(guò)報(bào)警模塊和語(yǔ)音播報(bào)模塊提醒測(cè)量人員重新測(cè)量。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖4.1所示，首先進(jìn)行一系列的初始化（LCD1602的初始化，紅外溫度傳感器MLX90614的初始化），然后進(jìn)入while(1)死循環(huán)中。在循環(huán)中首先進(jìn)行按鍵掃描，查看是否有按鍵按下，同時(shí)顯示模塊和語(yǔ)音模塊分別作用提示使用人員設(shè)備已初始化完成，當(dāng)key1鍵按下的時(shí)候，設(shè)備進(jìn)行體溫測(cè)量并完成存儲(chǔ)、顯示和語(yǔ)音播報(bào)。當(dāng)key2按下的時(shí)候，模式切換到查看歷史數(shù)據(jù)，key3與key4可以上下查看歷史數(shù)據(jù)，當(dāng)key2再次被按下的時(shí)候，模式切換到初始狀態(tài)。/****************************主函數(shù)*******************************/voidmain(){uintkaishi=0;init1602(); //1602初始化SCL=1;SDA=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();SCL=0;delay1(1);SCL=1; //MLX90614初始化while(1){anjian();//按鍵程序if(kaishi==0)//開始時(shí)語(yǔ)音播報(bào)與1602頁(yè)面顯示{display(Tem);A5=1;A4=0;A3=1;A2=0;A1=0; //讀“歡迎使用”存在語(yǔ)音011delay1(600);A5=1;A4=1;A3=1;A2=1;A1=1;kaishi=1;}if(k1==1) //按鍵key1按下，進(jìn)行測(cè)量{ celiang(); A5=1;A4=0;A3=0;A2=1;A1=0; //讀“您的體溫是”存在語(yǔ)音013 delay1(500); A5=1;A4=1;A3=1;A2=1;A1=1; delay1(10); dushu(Tem); if(fashao==1) { A5=0;A4=1;A3=1;A2=0;A1=1; //讀“您的體溫過(guò)高，請(qǐng)立即從醫(yī)”存在語(yǔ)音018delay1(500);A5=1;A4=1;A3=1;A2=1;A1=1;delay1(10); }chucun();//存儲(chǔ)程序k1=0;}if(k2==1)//按鍵key2按下，進(jìn)行模式切換{chakan();}//查看程序if(k2==2){display(Tem);k2=0;baojing=1;}//退出查看模式程序}}

YY模式切換Key2=0?Key1=0?Key3=0?Key4=0?溫度采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)儲(chǔ)存語(yǔ)音播報(bào)與顯示查看上一數(shù)據(jù)結(jié)束查看下一數(shù)據(jù)顯示顯示開始1602初始化MLX90614初始化按鍵掃描NNYYNNY圖4.1主程序流程圖4.2按鍵程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)思路為：首先令按鍵對(duì)應(yīng)的單片機(jī)I/O口為高電平，根據(jù)電路圖可知當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，與按鍵相連的單片機(jī)I/O口會(huì)降成低電平，單片機(jī)的主程序一直進(jìn)行查詢按鍵這幾個(gè)I/O口的狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)低電平時(shí)，單片機(jī)進(jìn)行消抖處理，以確保是否按鍵按下。如果按下且知道了是哪個(gè)按鍵被按下，則接下來(lái)執(zhí)行該按鍵的程序。為了防止一次按下多次執(zhí)行相應(yīng)程序，所以本設(shè)計(jì)加上了自鎖功能，使之每按一次執(zhí)行一次相應(yīng)程序。按鍵流程圖如圖4.2所示，程序如下。YY開始Key1=0?Key2=0?Key4=0?Key3=0?改變相應(yīng)變量改變相應(yīng)變量改變相應(yīng)變量改變相應(yīng)變量NYNYNYN返回圖4.2按鍵流程圖/*****************************按鍵程序*****************************/voidanjian(void){ key1=1;key2=1;key4=1;key3=1;//首先令單片機(jī)的相應(yīng)I/O口為高電平 if((key1==0)&(zisuo1==0))//當(dāng)key1與zisuo1都為0時(shí)，進(jìn)入if程序 {//zisuo1的作用是使按鍵按一下，識(shí)別一下 delay1(5);//進(jìn)行消抖處理 if((key1==0)&(zisuo1==0))//消抖后，key1與zisuo1還都為0，則表明 {k1=1;zisuo1=1;}//第一個(gè)按鍵被按下，改變相應(yīng)變量 }……if(key1==1){zisuo1=0;}//完成按鍵按一下識(shí)別一下的功能if(key2==1){zisuo2=0;}if(key3==1){zisuo3=0;}if(key4==1){zisuo4=0;}}4.3語(yǔ)音模塊程序設(shè)計(jì)語(yǔ)音模塊接單片機(jī)時(shí)，可進(jìn)行二進(jìn)制編碼觸發(fā)，A1-A5為編碼接口，最多可以播放31首（00000B~11111B）。本設(shè)計(jì)首先在SD卡中存放0~9和攝氏度等一系列需要讀出的語(yǔ)音，每一條語(yǔ)音都有屬于它自己的文件名稱，單片機(jī)通過(guò)給A1~A5接口不同的電平，來(lái)確定出所選擇的語(yǔ)音并播讀出來(lái)。在此僅展示一下讀數(shù)字的程序，讀其他語(yǔ)音的方式與其類似，語(yǔ)音模塊的程序流程圖如圖4.3所示。/*****************************讀數(shù)字*****************************/voidRead_Number(uintnumber){switch(number){case0:A5=0;A4=1;A3=1;A2=1;A1=1;//單片機(jī)觸發(fā)語(yǔ)音模塊相應(yīng)語(yǔ)音的方式是delay1(500);//先輸入觸發(fā)語(yǔ)音的編號(hào)然后延時(shí)500毫秒以上A5=1;A4=1;A3=1;A2=1;A1=1;//再置高電平，完成觸發(fā)break;//0放在了語(yǔ)音016……case9:A5=1;A4=0;A3=1;A2=1;A1=0;delay1(500);A5=1;A4=1;A3=1;A2=1;A1=1;break; //9放在了語(yǔ)音009default:break; }delay1(10);}//延時(shí)可調(diào)開始開始數(shù)據(jù)處理讀數(shù)據(jù)返回圖4.3語(yǔ)音模塊的程序流程圖4.4儲(chǔ)存程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)具有查看歷史數(shù)據(jù)的功能，考慮到實(shí)際應(yīng)用情況，本設(shè)計(jì)沒有使用外部?jī)?chǔ)存設(shè)備（如SD卡）。本設(shè)計(jì)在程序在建立了一個(gè)數(shù)組用來(lái)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，設(shè)定可以儲(chǔ)存10個(gè)數(shù)據(jù)，這已足夠日常使用。將采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后存入數(shù)組，其中一個(gè)問題就是當(dāng)存滿10個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，第十一個(gè)數(shù)據(jù)該如何存放。本程序是這樣解決這個(gè)問題的：當(dāng)存第十一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，將第一個(gè)數(shù)據(jù)清空，其他數(shù)據(jù)依次向前存儲(chǔ)一位，留出第十位來(lái)存放第十一個(gè)數(shù)據(jù)。雖然這樣有些麻煩，但是這樣有用的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失且查看數(shù)據(jù)的程序會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單很多，存儲(chǔ)程序的流程圖（圖4.4）。YY開始存儲(chǔ)10個(gè)數(shù)據(jù)了嗎？清除第一個(gè)數(shù)據(jù)，依次向前，留出第十位依次存儲(chǔ)存儲(chǔ)第十個(gè)數(shù)據(jù)返回N圖4.4存儲(chǔ)程序的流程圖voidchucun(void){uintd;if(c>9)//如果存滿10個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)入{for(d=0;d<9;d++){tap7[d]=tap7[d+1];}//放棄第一個(gè)數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)依次向前c=9;}//留出存儲(chǔ)第十位的空間}if(c<10)//如果沒有存滿十位數(shù)據(jù)，進(jìn)入{tap7[c]=Tem;c++;}}4.5顯示模塊程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用LCD1602為顯示模塊，顯示容量為16X2個(gè)字符，控制器內(nèi)存在80X8位（80字節(jié)）的RAM。第一行的起始地址為00H，第二行的起始地址為40H。每一行有40個(gè)地址，我們只用前16個(gè)地址。使用1602首先就要進(jìn)行初始化，設(shè)置出它的顯示格式，光標(biāo)如何移動(dòng)等，然后就是往其中寫入命令語(yǔ)句和數(shù)據(jù)信息，以完成信息在屏幕上的顯示，顯示模塊的程序流程圖（圖4.5）。開始開始往1602中寫入命令語(yǔ)句，確定數(shù)據(jù)顯示位置往1602中寫入需顯示的數(shù)據(jù)返回圖4.5顯示模塊的程序流程圖voidinit1602(void)//初始化LCD{dis_cmd_wrt(0x01);//清屏dis_cmd_wrt(0x0c);//整體顯示，光標(biāo)不顯示，不閃爍dis_cmd_wrt(0x06);//寫入新數(shù)據(jù)光標(biāo)右移，顯示屏不移動(dòng)dis_cmd_wrt(0x38);}//數(shù)據(jù)總線8位，顯示兩行，5×7點(diǎn)陣/每個(gè)字符voidchk_busy_flg(void)//LCD忙標(biāo)志判斷{flag1=0x80;while(flag1&0x80)//當(dāng)最高位為0是從循環(huán)跳出{P0=0xff;RS=0;RW=1;LCDE=1;//讀狀態(tài)flag1=P0;LCDE=0;}}……4.6紅外傳感器程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用紅外溫度傳感器MLX90614，其采用SMBus協(xié)議進(jìn)行通訊。SMBus由兩根信號(hào)線組成：時(shí)鐘信號(hào)線和數(shù)據(jù)線，容許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進(jìn)行通信、交換信息，MLX90614的時(shí)序圖[18]（圖4.6）。圖4.6MLX90614的時(shí)序圖4.6.1MLX90614的起始程序設(shè)計(jì)由圖4.6可知當(dāng)SDA為低電平時(shí)，SCL由高電平跳躍到低電平，此為起始信號(hào)。程序如下：voidstart_bit(void) //MLX90614發(fā)起始位子程序{SDA=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();SCL=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();SDA=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();SCL=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}4.6.2MLX90614的結(jié)束程序設(shè)計(jì)由圖4.6可知當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平跳躍到高電平，此為結(jié)束信號(hào)。程序如下：voidstop_bit(void) //MLX90614發(fā)停止位子程序{SCL=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();SDA=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();SCL=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();SDA=1;}4.6.3MLX90614發(fā)送一位的程序設(shè)計(jì)時(shí)鐘線SCL持續(xù)300ns低電平后，數(shù)據(jù)線SDA上的數(shù)據(jù)便可更新，在時(shí)鐘線SCL變?yōu)楦唠娖剿查g捕獲數(shù)據(jù)。程序如下：/***********************發(fā)送一個(gè)位************************/voidsend_bit(void){if(bit_out==0)SDA=0;elseSDA=1;//判斷SDA上是高電平還是低電平_nop_();SCL=1;//上升沿捕獲SDA的數(shù)據(jù)_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();SCL=0;//置低電平，為下次發(fā)送做準(zhǔn)備_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}所謂的發(fā)送一個(gè)字節(jié)就是連續(xù)發(fā)送8位數(shù)據(jù)，此處省略程序。4.6.4MLX90614接收一位的程序設(shè)計(jì)SCL為高電平時(shí)，可以改變SDA的數(shù)值，SCL由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，捕獲SDA的數(shù)據(jù)。程序如下：/***********************接收一個(gè)位************************/voidreceive_bit(void){SDA=1;bit_in=1;SCL=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();bit_in=SDA;_nop_();SCL=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}所謂的接收一個(gè)字節(jié)就是連續(xù)接收8位數(shù)據(jù)，此處省略程序。4.6.5MLX90614讀取溫度數(shù)據(jù)的程序設(shè)計(jì)讀取溫度的方式是，先發(fā)送起始命令，然后發(fā)送從機(jī)地址與讀寫位，再發(fā)送要讀取的地址，然后再一次發(fā)送起始命令，這次要發(fā)送讀命令，確保此動(dòng)作為讀數(shù)據(jù)，每讀取8位數(shù)據(jù)，主機(jī)就要向從機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，以符合協(xié)議要求。程序如下，流程圖如圖4.7。讀數(shù)據(jù)的高字節(jié)讀數(shù)據(jù)的高字節(jié)讀數(shù)據(jù)的低字節(jié)發(fā)送結(jié)束位讀PEC數(shù)據(jù)返回重發(fā)起始位發(fā)送從機(jī)地址與讀命令發(fā)送起始位發(fā)送從機(jī)地址與讀寫位發(fā)送要ROM的地址開始圖4.7讀取溫度的流程圖/***********************讀溫度數(shù)據(jù)函數(shù)************************/uintmemread(void){start_bit();//起始tx_byte(0x00);//發(fā)送從機(jī)地址與讀寫位tx_byte(0x07);//讀ROM的地址：0x07Hstart_bit();//起始tx_byte(0x01);//讀命令bit_out=0;//主機(jī)返回應(yīng)答信號(hào)DataL=rx_byte();//溫度的低8位bit_out=0;//主機(jī)返回應(yīng)答信號(hào)DataH=rx_byte();//溫度的高8位bit_out=1;//主機(jī)返回應(yīng)答信號(hào)Pecreg=rx_byte();stop_bit();//結(jié)束return((DataH*256+DataL