基于單片機數(shù)字體溫計的控制與實現(xiàn)

基于單片機數(shù)字體溫計的控制與實現(xiàn)摘要隨著現(xiàn)代化醫(yī)療的不斷發(fā)展，結(jié)合當(dāng)前疫情的余波未盡，設(shè)計一款便攜式數(shù)字體溫計是非常有意義的，可以在不同場合對人體體溫做到快速測量，確保安全?；趩纹瑱C的數(shù)字體溫計設(shè)計主要使用51單片機作為系統(tǒng)微控制核心，LCD1602顯示屏作為系統(tǒng)的顯示交互單元，方便用戶實時查看體溫數(shù)值，按鍵單元用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)以及喚醒設(shè)備，測溫傳感器使用的是非接觸式MLX90614測溫傳感器，能夠更加安全快速測溫，當(dāng)測量實時體溫數(shù)值大于按鍵設(shè)置的報警閾值時，系統(tǒng)會控制報警指示燈閃爍進行報警，為了能夠更好的續(xù)航時間，系統(tǒng)具備自動休眠功能，空閑10秒鐘后系統(tǒng)自動進入休眠，當(dāng)檢測到按鍵按下時觸發(fā)喚醒繼續(xù)工作。關(guān)鍵詞：51單片機；LCD1602顯示屏；MLX90614測溫傳感器；休眠II設(shè)計說明本設(shè)計主要是為了實現(xiàn)非接觸式測量人體體溫并在顯示屏實時顯示和低功耗休眠的功能，其次依然保留有傳統(tǒng)的按鍵控制LED燈報警的功能。MLX90614非接觸式測溫傳感器用于紅外測量人體體溫，不需要接觸皮膚即可測量出人體體溫，模塊將人體紅外輻射的溫度經(jīng)內(nèi)部芯片處理后通過模塊的IIC接口連接到STC89C52RC單片機，將數(shù)據(jù)按照IIC通信協(xié)議格式有序的發(fā)送給單片機接收，單片機獲取到數(shù)據(jù)以后經(jīng)過處理解析后將溫度顯示在LCD1602液晶顯示屏上，直觀的展現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)主要包括STC89C52RC單片機機器最小運行系統(tǒng)核心電路、MLX90614紅外非接觸式測溫傳感器、LCD1602液晶顯示屏、按鍵電路，報警電路.STC89C52RC單片機核心電路主要用于系統(tǒng)的控制核心，運行程序進行采集控制等功能，這款單片機價格便宜，運行穩(wěn)定，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的51內(nèi)核單片機，內(nèi)置外部中斷以及定時器功能，比較適合本設(shè)計，不用再額外增加外部器件造成成本和設(shè)計難度的增加。MLX90614紅外測溫傳感器主要用于非接觸式測溫，這種測溫方式比較安全可靠，測量溫度時不需要接觸人體體溫，這樣極高的提高了疫情下使用的可靠性，防止疾病傳染，這款模塊供電采用5V，功耗較小，非常適合這種用電池供電的低功耗設(shè)備。LCD1602液晶顯示屏可以將數(shù)據(jù)直觀的用數(shù)值方式顯示出來，便于用戶使用，數(shù)據(jù)直接顯示后降低設(shè)備使用難度，可以幫助設(shè)備使用應(yīng)用范圍的推廣，不需要專業(yè)的技術(shù)也可以很容易的使用，這款顯示屏有單獨的背光電源控制引腳，可以很方便的控制背光電源的打開關(guān)閉，極大的降低功耗，在進入低功耗狀態(tài)時關(guān)閉顯示屏背光供電，可以顯著提高使用時間。按鍵電路主要用于設(shè)計報警溫度閾值，以及喚醒設(shè)備將設(shè)備從低功耗的休眠狀態(tài)喚醒為工作狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備應(yīng)用再不同的場合時，真不具體的使用環(huán)境，需要對報警閾值進行調(diào)整，如果固定死閾值的話就很難多方面應(yīng)用，所以設(shè)計采用按鍵可調(diào)式操作，極大的提高了設(shè)備的使用靈活度。報警電路可以指示報警狀態(tài)，當(dāng)測量的溫度高于設(shè)置的系統(tǒng)溫度閾值，就會驅(qū)動LED等閃爍報警，及時提醒用戶處理，引起重視。關(guān)鍵詞：STC89C52RC；MLX90614紅外測溫傳感器；LCD1602液晶顯示屏；低功耗 保定學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文2目錄TOC\o"1-3"\h\u189671引言 I引言自2020年初以來，隨著新型冠狀病毒的飛速蔓延和入侵，病毒的不斷變異與升級，使得中國乃至全球各國都掩埋在疫情的陰影下，雖然全世界各國對疫情的防控與蔓延逐步得到控制，但是新型冠狀肺炎的后續(xù)影響仍然十分大，影響范圍仍然擴散在世界的每個角落。發(fā)熱是新冠的明顯癥狀之一，因此，公共場所、居家自用，都需要用到體溫測量，疫情的防控的時期，體溫計是不可缺少的。研究背景隨著科學(xué)技術(shù)的不斷日新月異，不斷地發(fā)展，越來越多的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于替代傳統(tǒng)行業(yè)的測量工具，另一個原因便是生活水平的不斷提高，人們的購買力不斷上升，使得數(shù)字體溫計的發(fā)展更加具有市場號召力，不僅如此，隨著數(shù)字體溫計的優(yōu)勢不斷突顯，功能越來越多，使用數(shù)字體溫計的人也在不斷增加，現(xiàn)如今疫情仍然存在，體溫是一個很好的反應(yīng)身體健康狀態(tài)的指標(biāo)，人們可以測量自己的體溫以了解自己的身體狀態(tài)，傳統(tǒng)的體溫計測試時間長，不便于使用，數(shù)字體溫計很好的解決這一問題，越來越受到人們青睞。如今，無論是商場醫(yī)院還是超市菜市，仍然需要對人們的體溫進行實時溫度測量，確保人群密集場所不存在發(fā)熱人員，可以在一定程度上杜絕有體溫異常的人員進行通行，保障了其他人群的安全，今早對體溫異常人群進行管控，以達到疫情防控的目的。研究的目的與意義體溫計的重要性顯而易見，而傳統(tǒng)的溫度計想要應(yīng)用在流量大的場所顯然具備非常大的缺點，其一，檢測時間過長，不利于人群快速檢測并疏散的目的，反而增加了疫情擴散的幾率；其二，檢測設(shè)備采用接觸式檢測，且檢測時間長，這就造成了多人使用同一溫度計的問題，在疫情情況下，同樣增加了病毒的傳染率，均不符合疫情防控要求。因此，這對于此類情況就需要一種無接觸式、準(zhǔn)確性、快速檢測性體溫的體溫計，以減少人群聚集風(fēng)險，快速檢測通行，在達到檢測的目的的情況下，同時又保證人流的正常通行速度不受影響。設(shè)計基于單片機的數(shù)字體溫計就是十分符合當(dāng)下社會現(xiàn)狀的一款實用性、智能化體溫計。隨著時代的深度發(fā)展，疫情防控的持續(xù)進行，數(shù)字體溫計的應(yīng)用市場十分廣闊，只要是公共場合，不論大小，均需要用到數(shù)字體溫計，因此對數(shù)字體溫計的設(shè)計十分符合目前全球的大環(huán)境背景，是時代實時需要的產(chǎn)物之一。1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國對體溫計的發(fā)展源于20世紀的末期，國內(nèi)某研究所發(fā)明出一種比色溫溫度計，雖然能夠在一定程度上滿足性能指標(biāo)的要求，但是仍能存在很多缺點和不足，該款溫度計十分的笨重，且結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，靈敏度也非常地，比起國外的響應(yīng)速度也很慢，這就導(dǎo)致了這種溫度計很難普及使用。因此國內(nèi)的其他機構(gòu)又開始進一步的研究，出現(xiàn)了一款新的比色溫度計，使用調(diào)制盤分兩種光線的波長，采用插值得出溫度值。隨著近年國內(nèi)科技水平提升，微電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，在材料和加工領(lǐng)域都有了巨大的進步，溫度計的發(fā)展也得到了巨大進步。1.2.2國外研究現(xiàn)狀國外部分國家對體溫計的研究與發(fā)展方向在近年來，逐步轉(zhuǎn)向光點模塊，由原來的隱絲式逐步發(fā)展進步，隱絲式方式最早可追溯到19世界前中期，該原理的測溫儀至今仍然在使用，期原理與燈絲亮度原理較為相似，通過燈絲溫度即可知道目標(biāo)物的溫度。中后期光電溫度計開始問世，這種類型的溫度計具有兩個顯著的特點即：測量精準(zhǔn)度極高、無需直接參與。此后以硅光二極管為代表的測溫設(shè)備誕生，使得測溫精度和靈敏度有了巨大突破，且穩(wěn)定性強、響應(yīng)的速度也較快，促使著測溫領(lǐng)域的飛速進度，為現(xiàn)階段測溫設(shè)備提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。體溫計由STO使用熱空氣膨脹原理于16世紀問世，這是歷史上最早的一只口腔溫度計，直到本世紀出，誕生了水銀溫度計，直至今日，該款溫度計的使用仍然十分廣泛，該款體溫計體積小巧，且使用方便，使得近年來對體溫計的發(fā)展與革新較小，至此人們?nèi)祟愺w溫計的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，無需進行改善。但是該款體溫計仍然存在著較大的缺點，使用時的測量時間較長，且水銀污染等問題仍然存在，因此電子化的數(shù)碼體溫計更符合需求。系統(tǒng)總體設(shè)計方案總體方案設(shè)計基于單片機設(shè)計出一個數(shù)字體溫計，它能通過紅外非接觸傳感器實時測量人體溫度,并通過顯示屏顯示出來。可以對溫度閾值進行設(shè)置，當(dāng)溫度高于設(shè)置的閾值，則亮紅燈閃爍進行告警。從而實現(xiàn)對人體溫度進行檢測并告警提示。系統(tǒng)功能與任務(wù)本系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計有以下功能：按下按鍵能從休眠中醒來，觸發(fā)啟動測量；能在誤差范圍內(nèi)檢測到體溫；屏幕上顯示體溫；顯示10s鐘后進入休眠狀態(tài)；超過正常體溫進行紅色燈閃爍報警。本設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)：額定電源電壓：DC5V；靜態(tài)電流：<100mA；最大電流：<2A；報警方式：指示燈；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.3.1設(shè)計結(jié)構(gòu)硬件部分：系統(tǒng)硬件主要包括stc89c52單片機用于系統(tǒng)的核心控制運行程序，對各個模塊進行調(diào)配，紅外測溫傳感器mlx90614用于非接觸式紅外側(cè)彎，測量人體溫度，將溫度通過iic總線發(fā)送給單片機進行接收并處理，單片機獲取溫度以后，將溫度進行解析后顯示在lcd1602顯示屏上，顯示屏可以通過顯示數(shù)值方式直觀的將溫度顯示出來，方便用戶查看，設(shè)計還配有LED報警指示燈當(dāng)體溫超出設(shè)置的閾值，可以通過指示燈進行報警提示，按鍵部分主要用于對系統(tǒng)的預(yù)值進行調(diào)整，可以對預(yù)期進行加或減，也可以通過按鍵對系統(tǒng)進行喚醒，把系統(tǒng)從休眠狀態(tài)喚醒為運行狀態(tài)。軟件部分：單片機主程序，調(diào)用各個驅(qū)動函數(shù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯。顯示屏驅(qū)動函數(shù)，用于驅(qū)動顯示屏顯示信息測溫傳感器驅(qū)動函數(shù)，用于驅(qū)動測溫傳感器獲取采集的溫度按鍵驅(qū)動函數(shù)，用于檢測按鍵響應(yīng)2.3.2組成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括電源模塊、STC89C52單片機核心系統(tǒng)、按鍵電路、MLX90614體溫傳感器模塊、LCD1602顯示屏模塊、LED報警電路，電源電路給各個模塊進行供電，使其正常工作，單片機采集MLX90614測量的體溫數(shù)值，驅(qū)動LCD1602顯示屏顯示體溫，按鍵電路用于調(diào)整體溫報警閾值，并顯示在顯示屏上，當(dāng)體溫超過報警閾值，則驅(qū)動LED報警電路進行閃爍報警。圖2.1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖多功能語音識別系統(tǒng)需求主要硬件需求3.1.1STC89C52RC單片機單片機設(shè)計選擇51內(nèi)核單片機作為最小核心，該單片機的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，且操作指令豐富，功能完善，具備很多邏輯位操作功能，RAM區(qū)間擁有雙重功能地址區(qū)間，使用起來十分靈活。是單片機應(yīng)用與發(fā)展的奠基式產(chǎn)品，產(chǎn)品普及率與使用率也十分高，且性價比較高，對初學(xué)者也十分友好。選用單片機具體型號為STC89C52，其性價比很高和低功耗符合當(dāng)設(shè)計主流，最重要的是該單片機采用的是穩(wěn)定的51內(nèi)核具有豐富的內(nèi)部外設(shè)資源，在設(shè)計時可以大大簡化系統(tǒng)的外圍電路，不僅設(shè)計簡單，降低設(shè)計成本，更是提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，例如在本設(shè)計中我們用到了定時控制腐蝕時間功能，對于STC89C52RC單片機只需要配置相關(guān)的寄存器即可，不需要再另外設(shè)計外圍電路，若采用外部芯片設(shè)計起來較為繁瑣且達不到理想的效果，所以我采用了STC89C52RC單片機無論從價格還是性能上考慮都較為合理。單片機引腳按功能可分為：控制引腳、電源及時鐘引腳、I/O口引腳三類?？刂埔_提供控制信號，有些引腳通過高低電平的電信號實現(xiàn)不同的功能，即程序通過引腳聲明定義，使指定引腳執(zhí)行指定功能；電源引腳通過第40腳接5V電源正極和第20腳接地為系統(tǒng)提供電源；并行I/O口引腳有四組，P0口的P0.0~P0.7引腳為漏極開路的8位并行雙向口；P1口的P1.0~P1.7引腳和P2口的P2.0~P2.7引腳都是準(zhǔn)雙向口，二者內(nèi)部都接有上拉電阻并且均可驅(qū)動4個LS型TTL負載；P3口的P3.0~P3.7引腳第一功能與P1口和P2口功能相同，P3口的第二功能從P3.0口到P3.7口兩兩依次對應(yīng)的功能為串行數(shù)據(jù)輸入和輸出口、外部中斷0和1輸入、定時器0和1外部計數(shù)輸入、外部數(shù)據(jù)寄存器的寫和讀選通控制型號。圖3.1AT89C52單片機實物圖3.1.2顯示屏模塊在信息顯示器件選型上，采用LCD1602，這款顯示屏相較于數(shù)碼管來說具有豐富的點陣顯示單元,可顯示多樣化的內(nèi)容，并且模塊自身配備字庫，節(jié)約單片機的內(nèi)存方便單片機驅(qū)動，該顯示屏顯示亮度較高，整體功耗較小，適合長期工作。在日常生活中，我們接觸過各種各樣的顯示屏。液晶顯示模塊作為顯示設(shè)備信息的重要器件，已成為很多電子產(chǎn)品的通過器件，其具有體積小，省電以及抗干擾能力強的特點，有顯示類型分為字段型、字符型和點陣型。如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到。LCD1602液晶顯示模塊的原理是利用液晶屏幕的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，使電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面，并在背光的輔助下實現(xiàn)畫面顯示，如圖3.6所示為模塊實物圖。1602表示每行可顯示16個字符，一共可以顯示兩行，所以也叫1602字符型液晶，它是一種專門用ASCII碼字符來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊，其內(nèi)部具有字符庫ROM（CGROM），能顯示出192個字符（5*7點陣）。LCD1602液晶顯示模塊的工作電壓為4.5~5.5V，典型工作電壓為5V，工作電流為2mA，模塊設(shè)有16個引腳，包括8條數(shù)據(jù)線、3條控制線和3條電源線，如表3.3所示為LCD1602液晶顯示模塊的引腳參數(shù)及功能，所以只需要根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中的模塊工作要求分配單片機的引腳與傳感器連接即可實現(xiàn)單片機與監(jiān)測模塊的聯(lián)動。要使LCD1602液晶顯示模塊顯示字符，需要在程序中寫入要顯示的相關(guān)字符常量或字符串常量，在編譯生成標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼并送入顯示數(shù)據(jù)RAM，即可將對應(yīng)字符顯示在LCD1602液晶顯示模塊上顯示。圖3.2LCD1602液晶顯示模塊實物圖3.1.3測溫傳感器在傳感器選用方面，本設(shè)計主要用到的傳感器為MLX90614紅外測溫傳感器。MLX90614是一款紅外非接觸溫度計。TO-39金屬封裝里同時集成了紅外感應(yīng)熱電堆探測器芯片和信號處理專用集成芯片。由于集成了低噪聲放大器、17位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和強大的數(shù)字信號處理單元，使得高精度和高分辨度的溫度計得以實現(xiàn)。溫度計具備出廠校準(zhǔn)化，有數(shù)字PWM和SMBus（系統(tǒng)管理總線）輸出模式。作為標(biāo)準(zhǔn)，配置為10位的PWM輸出格式用于連續(xù)傳送溫度范圍為-20~120℃的物體溫度，其分辨率為0.14℃。POR默認模式是SMBus輸出格式。由于集成了低噪聲放大器、17位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和強大的數(shù)字信號處理芯片MLX90302，使得高精度和高分辨度的溫度計得以實現(xiàn)。計算所得物體溫度和環(huán)境溫度存儲在MLX90302的RAM單元，溫度分辨率為0.01℃，并可通過兩線SMBus兼容協(xié)議接口(0.02℃分辨率)或是10位PWM(脈寬調(diào)制)輸出模式輸出。MLX90614出廠校準(zhǔn)的溫度范圍為：環(huán)境溫度-40~125℃，物體溫度-70~382.2℃。傳感器測量的溫度為視場里所有物體溫度的平均值。MLX90614室溫下的標(biāo)準(zhǔn)精度為±0.5℃。醫(yī)療應(yīng)用版本的傳感器可在人體溫度范圍內(nèi)達到±0.1℃的精度。該模塊供電采用3.3V供電，并且信號和單片機之間采用IIC接口通信，也就是說，單片機若需要讀取人體溫度數(shù)據(jù)只需要通過單片機配置IIC即可輕松采集到。該模塊具有高靈敏度，低功耗的特點，只要有人經(jīng)過，就會非接觸測量到人體體溫，將信號通過電平信號發(fā)送給單片機處理，使用起來簡潔可靠。圖3.3MLX90614紅外測溫傳感器實物圖軟件環(huán)境需求3.2.1Keil開發(fā)平臺介紹該系統(tǒng)使用STM32最小內(nèi)核系統(tǒng)，其嵌入式開發(fā)平臺為Keil。KeilC51是德國KeilSoftware公司（已被ARM公司收購）出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，該軟件集編輯、編譯、仿真等功能于一體，還提供了豐富的函數(shù)庫和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，生成的程序代碼運行速度快，所需要的存儲空間小，完全可與匯編語言相媲美，是目前51單片機最優(yōu)秀的開發(fā)軟件之一。Keil軟件被廣泛應(yīng)用于單片機嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試中，相較于其他免費軟件他的穩(wěn)定性更高，不會出現(xiàn)異常閃退導(dǎo)致代碼丟失等問題，并且該軟件具有完善的調(diào)試界面，在代碼編寫后期的調(diào)試工作中可以很方便的調(diào)試排錯找出程序的問題進行優(yōu)化。3.2.2AltiumDesigner電路板設(shè)計平臺AD軟件可以自己繪制電路原理圖庫，然后將元件庫里的原件連接繪制電路原理圖。當(dāng)然，在原理圖階段，元件需要設(shè)置相應(yīng)的元件封裝。通過制定設(shè)計規(guī)則，該軟件具有自動檢錯功能，可以對錯誤的布局和布線進行標(biāo)記。繪制電路圖后，還可以通過三維視圖模式看到三維效果，接近物理圖形，并依次進行進一步的優(yōu)化和修改。多功能語音識別系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計硬件設(shè)計4.1.1單片機最小核心系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)是單片機程序能供運行的最簡硬件電路，最小系統(tǒng)一般包含復(fù)位電路用于物理上復(fù)位系統(tǒng)運行程序，使其指向程序剛開始的地方，并且把單片機內(nèi)部寄存器復(fù)位成默認狀態(tài)，12Mhz晶振配合30pF的起振電容用于產(chǎn)生時鐘基準(zhǔn)，單片機程序的運行就是依賴于時鐘進行同步，直流5V供電電路用于給單片機給電。采集發(fā)送和接受顯示部分的最小系統(tǒng)是相同的。單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖4.1所示。圖4.151單片機最小核心系統(tǒng)圖4.1.2電源供電電路電源電路是一個系統(tǒng)重要的組成部分，它負責(zé)每部分能夠通以正常的工作電壓，是將電壓值進行轉(zhuǎn)換的電路，是電路各部分能夠正常工作的的根本條件，在設(shè)計穩(wěn)壓電路是需要注意的地方還是有很多的。在本設(shè)計中系統(tǒng)總的外部電源以5V充電寶進行供電，如果不經(jīng)電壓匹配直接將這些電路接在高電壓電源上，會導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作甚至燒壞元件，由此可見電源電路對系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性的重要性。電源電路包含一個供電插頭和一個開關(guān)用于打開關(guān)閉系統(tǒng)電源，當(dāng)關(guān)閉開關(guān)時系統(tǒng)耗電為0，便于長期存放。電源供電電路圖如圖4.2所示。圖4.2電源供電電路圖4.1.3按鍵電路設(shè)計中采用的是獨立按鍵電路，由于系統(tǒng)所需的按鍵數(shù)不是很多，所以獨立按鍵由于其設(shè)計簡單更適合于本設(shè)計，本設(shè)計按鍵電路采用了六個功能鍵用于調(diào)整定時值加熱溫度值，按鍵串聯(lián)在單片機引腳和GND之間，按鍵松開和按下兩種狀態(tài)分別對應(yīng)引腳電平的5V和0V，通過引腳電平的判斷即可檢測是否按下。按鍵電路圖如圖4.3所示。圖4.3按鍵電路圖4.1.4MLX90614測溫電路測溫用的MLX90614傳感器模塊板載了紅外測溫傳感器采集頭和一個穩(wěn)壓電路，將供電電壓穩(wěn)壓后供給傳感器探頭供電。模塊對外有4個引腳，其中1腳、2腳位供電引腳，采用5V供電，模塊上的穩(wěn)壓電源再將電壓穩(wěn)壓到3V給核心元件供電。3腳、4腳是IIC接口連接單片機的IIC引腳，用于IIC總線通信采集數(shù)據(jù)，通過IIC接口單片機即可將溫度數(shù)據(jù)讀取出來。電路圖如圖4.4所示圖4.4MLX90614測溫電路圖4.1.5報警電路設(shè)計系統(tǒng)匹配了報警電路，在超過預(yù)先設(shè)定的閾值情況下，會通過LED閃爍報警提醒用戶，使得設(shè)備使用起來更加便捷。報警電路由LED燈、限流電阻構(gòu)成，LED選擇的時低壓發(fā)光二極管，其正常工作最大達到5mA的電流，在此情況下如果可以直接采用單片機引腳直接供電的，電阻連接到單片機引腳的控制端，以起限流作用，此方式的電路設(shè)計通過一個信號就能實現(xiàn)對單片機的控制，使得單片機工作更為穩(wěn)定安全。如圖4.5所示。圖4.5報警電路圖4.1.6LCD1602顯示屏接口電路LCD1602可以顯示自定義的32個字符并且?guī)П彻釲ED。顯示器自帶字符點陣庫，因為設(shè)計電路簡單而價格低廉，穩(wěn)定可靠，所以本設(shè)計采用它作為顯示電路的核心。LCD1602的引腳說明：1腳：VSS為接地電源；2腳：VCC接5V電源；3腳：V0通過電阻和VCC連接實現(xiàn)調(diào)整對比度；4腳：RS數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器控制切換；5腳：R/W為讀寫信號線；6腳：E端為使能端；7～14腳：8位雙向數(shù)據(jù)線；15腳：背光電源正極；16腳：背光電源負極。圖4.6液晶接口電路圖軟件設(shè)計4.2.1系統(tǒng)總體軟件框圖系統(tǒng)供電以后進入main函數(shù)，main函數(shù)開始運行功能實現(xiàn)程序，首先初始化各個LCD1602顯示屏模塊、初始化，LX90614測溫傳感器、初始化單片機內(nèi)部定時器、初始化單片機內(nèi)部引腳IO，然后檢測喚醒按鍵是否按下觸發(fā)喚醒，如果沒有就循環(huán)檢測，如果觸發(fā)就進入下一步，系統(tǒng)換型號開始采集MLX90614的數(shù)據(jù)，獲取體溫值并實時顯示在LCD1602顯示屏上，拿實時測量的體溫值和報警閾值做對比，如果超出閾值則進行報警，驅(qū)動LED報警指示燈閃爍，接下來判斷閾值設(shè)置按鍵是否按下調(diào)整系統(tǒng)報警閾值，如果是則對系統(tǒng)閾值進行加減設(shè)置并更新顯示在LCD1602顯示屏上，最后檢測空閑時間，如果達到休眠時間，系統(tǒng)自動進入休眠狀態(tài)，等待下一次按鍵喚醒后繼續(xù)工作。圖4.7程序主流程圖4.2.2按鍵檢測驅(qū)動程序設(shè)計中按鍵檢測驅(qū)動程序原理是檢測單片機引腳電平狀態(tài)，引腳檢測首先對連接到單片機上的引腳進行初始化設(shè)置，當(dāng)引腳設(shè)置為上拉輸入模式時，單片機在正常狀態(tài)下檢測到的釋放按鍵電平為高電平，程序判斷為1。觸發(fā)時，鍵腳的高電平轉(zhuǎn)換為低電平，程序判斷為0。鍵震蕩抖動可能會造成引腳的誤觸發(fā)的情況，因此在程序時間上需設(shè)定一定的延時來排除誤觸發(fā)的問題。特別需要注意的一點即在引腳檢測程序的編寫過程中必須要進行消抖操作，其原因在于引腳在一般情況下很極易造成誤觸發(fā)的問題，這就使得整體系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。而消抖操作可以在一定時間內(nèi)兩次對引腳觸發(fā)的狀態(tài)進行檢測，其過程為當(dāng)?shù)谝淮螜z測到引腳觸發(fā)，但是并不立即執(zhí)行功能代碼，在延時50ms后再一次對引腳電平狀態(tài)進行判斷，看是否觸發(fā)，如若引腳狀態(tài)仍為按下狀態(tài)，則說明確實有觸發(fā)操作，接下來就會繼續(xù)執(zhí)行觸發(fā)后的代碼程序。如若第二次判斷不是觸發(fā)狀態(tài)，那么則可能是由于抖動而導(dǎo)致的誤觸發(fā)，則不執(zhí)行接下來的對應(yīng)的相關(guān)功能。引腳檢測驅(qū)動程序流程圖如圖4.8所示。圖4.8T按鍵檢測驅(qū)動流程圖4.2.3MLX90614測溫驅(qū)動程序MLX90614的驅(qū)動程序主要是對IIC的讀寫操作，由于MLX90614傳感器采用的是IIC總線通信，一個引腳為時鐘腳一個是數(shù)據(jù)腳，所以很多操作都是通過引腳高低電平的時長來決定是什么操作。想要和GY-906完成通信就需要查看其數(shù)據(jù)手冊對IIC時序進行編程。驅(qū)動MLX90614讀取溫度首先要對其初始化，使其進入工作狀態(tài)準(zhǔn)備建立通信，然后等待MLX90614數(shù)據(jù)引腳發(fā)出應(yīng)答信號電平，檢測到其應(yīng)答以后，循環(huán)讀取溫度數(shù)據(jù)的各個位具體的高低電平，讀取完成組合成一個16位的數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)進行計算處理獲得最終的溫度值，驅(qū)動流程如圖4.9所示。圖4.9測溫驅(qū)動流程圖4.2.4報警驅(qū)動程序設(shè)計中LED報警報警驅(qū)動程序原理是通過單片機GPIO引腳輸出高電平進行控制，是編寫單片機程序的基礎(chǔ)內(nèi)容，在單片機上使用GPIO引腳，需要先配置驅(qū)動單片機引腳的相關(guān)寄存器，使引腳能夠?qū)?yīng)相應(yīng)功能，如需使用引腳對應(yīng)的時鐘總線，則需要先配置引腳模式和時鐘頻率方可使用。使得在配置模式的過程中需要設(shè)置為推挽輸出模式，使引腳具備足夠的驅(qū)動能力。引腳初始化電平設(shè)置為低電平，會關(guān)閉輸出的電壓，爾后單片機會檢測出引腳是否需要設(shè)置為高電平，然后打開開關(guān)。GPIO引腳輸出驅(qū)動流程圖如圖4.10所示。圖4.10報警驅(qū)動流程圖4.2.5LCD1602顯示驅(qū)動程序圖4.11LCD1602顯示屏驅(qū)動流程圖由于顯示屏模塊電路內(nèi)部已經(jīng)集成了點陣字庫芯片，所以省去了程序上對字體取模的操作。只需要通過顯示屏的通信協(xié)議將要顯示的字符編碼發(fā)送給顯示屏，并將需要顯示的位置發(fā)送給顯示屏，LCD1602模塊會自動查找該字符對應(yīng)的點陣庫并根據(jù)點陣信息將字符顯示在指定位置。LCD1602屏幕顯示驅(qū)動流程圖如圖4.11所示。系統(tǒng)整機調(diào)試及功能測試硬件調(diào)試5.1.1電源穩(wěn)定性調(diào)試本設(shè)計中電流比較大，同時使用的情況最高電流會達到2A，因此為設(shè)備供電時至少需要配置輸出穩(wěn)定的2A電流。測試電流是否達到要求可以使用萬用表10A電流檔進行檢測，以確保系統(tǒng)正常運行所需的電流，對于電壓的測量也是使用萬用表，選擇20V電壓檔即可，系統(tǒng)是5V供電，經(jīng)過單片機內(nèi)部穩(wěn)壓將為3.3V，其目的是部分模塊的供電需求是3.3V，在測試的過程中出現(xiàn)±0.1V的電壓波動是正常的，如果出現(xiàn)電壓與目標(biāo)電壓相差較大的情況，則需要檢查電路是否出現(xiàn)微短路等問題。。各模塊工作正常，各模塊工作會有工作指示燈正常亮起如圖5-1所示。圖5.1實物供電運行圖5.1.2單片機核心板調(diào)試接下來是對單片機的測試，51單片機最小核心系統(tǒng)運行需要12MHz無源晶體振蕩器電路、穩(wěn)壓電源供電、單片機本身以及點觸式按鍵上電復(fù)位電路。必須將這些電路正確的連接好，單片機最小核心系統(tǒng)才能夠正常工作，且這一過程最需要注意的是為單片機供電的電源電壓，且電源紋波不能較大，否則會造成單片機無法運行等問題。設(shè)計是通過5V供電，電源電壓過低會導(dǎo)致供電不足等問題，電壓過高會使得單片機內(nèi)部電路發(fā)熱。實物如圖5.2所示。圖5.2核心板運行正常圖5.1.3模塊調(diào)試首先對LCD1602電路進行測試，由于這部分需要結(jié)合程序才能具體查看效果，所以先根據(jù)引腳定義查看模塊供電是否正常，以及各引腳和單片機之間有沒有虛焊，排查這些問題以后再結(jié)合之后的軟件調(diào)試即能確定模塊是否正常。然后測試測溫傳感器，測溫傳感器主要檢查焊接是否正常，焊接無誤的情況下，可以結(jié)合顯示屏查看讀取溫度數(shù)據(jù)，以此來驗證MLX90614是否正常工作。最后對按鍵電路調(diào)試，這部分調(diào)試較為簡單，首先是在斷電的情況下用萬用表的通斷檔檢測按鍵的兩個引腳是不是分別連接到單片機的引腳和電源地上，且兩引腳不能有黏連短路，否則按鍵為常閉狀態(tài)，失去按鍵效果，以上檢測完畢后即可上電檢測設(shè)備上電后將萬用表調(diào)到電壓檔檢測和單片機連接的引腳電平，在按鍵未按下時該引腳為5V高電平，當(dāng)按鍵按下時，引腳電平由5V跳轉(zhuǎn)為0V，說明硬件電路正常。圖5.3通信模塊運行正常圖5.1.4模塊焊接調(diào)試最后是對各個模塊的檢測，需要檢測硬件部分是否焊接正確，用萬用表對該模塊的供電引腳進行檢測是否是額定電壓。此外該模塊對電源的紋波要求較高，較大電源紋波會導(dǎo)致模塊的不穩(wěn)定甚至?xí)绊懲ㄐ判盘柕闹袛?，因此需要在該模塊電源引腳接口處附近連接一個濾波電容，以達到濾波效果，穩(wěn)定模塊通信。模塊輸出的數(shù)據(jù)是通過單片機UART進行采集，用萬用表測量模塊供電引腳進行測量，如果與預(yù)期電壓一致則說明正常工作。各模塊焊接正常圖片如圖5.3所示。圖5.4硬件模塊焊接圖軟件調(diào)試5.2.1程序下載設(shè)計軟件調(diào)試的第一步就是要先安裝好對應(yīng)的開發(fā)調(diào)試平臺軟件Keil4。裝好軟件以后就可以通過專用的調(diào)試下載器USB-TTL連接單片機核心板的STC-ISP調(diào)試下載接口，通過此接口完成調(diào)試工作。下載調(diào)試工具欄如圖5.5所示。圖5.5下載程序軟件工具5.2.2程序調(diào)試第一步，先對LCD1602顯示屏的程序進行編寫調(diào)試，LCD1602顯示屏用到了8位并行口通信，通信協(xié)議時序可由軟件模擬，也可由硬件產(chǎn)生，在51單片機中受資源限制一般采用程序模擬并行時序，先根據(jù)并行的時序編寫底層驅(qū)動程序，底層驅(qū)動程序直接負責(zé)和LCD1602液晶屏的硬件通信相關(guān)，所以在延時配置部分要根據(jù)實際調(diào)試情況取最優(yōu)，底層驅(qū)動編寫完成即可編寫上層功能程序，該部分程序不需要考慮時序的實現(xiàn)更多的關(guān)注顯示界面的布局。第二步，對測溫傳感器MLX90614進行測試，測試該模塊主要結(jié)合LCD1602顯示屏將檢測的數(shù)據(jù)顯示出來，然后和溫度計進行對比查看結(jié)果是否正確，改變待測溫度，查看測量的溫度值是否發(fā)生變化，如果是則說明溫度傳感器程序驅(qū)動正常。最后對按鍵檢測相關(guān)程序進行編寫測試，這部分用的是單片機普通IO口，調(diào)試較簡單，只要配置好引腳的工作模式，然后在對應(yīng)時候驅(qū)動高低電平即可?？偨Y(jié)本設(shè)計在設(shè)計過程中首先搜集相關(guān)資料，確定了系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀背景和研究意義，確定了本設(shè)計的可行性和必要性，然后選擇合理的設(shè)計方案，擬定所需要的軟件平臺和硬件元器件，之后設(shè)計硬件電路圖，根據(jù)電路圖設(shè)計焊接實物，焊接完成實物以后開始針對每個模塊的數(shù)據(jù)手冊已經(jīng)網(wǎng)絡(luò)資源進行驅(qū)動程序編寫，成功驅(qū)動起來各個模塊以后，就可以編寫main函數(shù)，調(diào)用各個驅(qū)動函數(shù)，實現(xiàn)設(shè)計的功能，對功能邏輯進行合理的安排，之后使用下載調(diào)試器下載程序，同時對下載的程序進行調(diào)試，調(diào)試各個程序是否穩(wěn)定執(zhí)行，運行內(nèi)存堆棧是否處理得當(dāng)，檢查長期運行是否會出現(xiàn)內(nèi)存溢出，針對各個邏輯錯誤進行處理，按照這個調(diào)試步驟反復(fù)驗證，直到程序穩(wěn)定。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)意義上動物養(yǎng)殖類設(shè)備的局限性，設(shè)計系統(tǒng)安全可靠，有著較高的使用價值。本論文所設(shè)計的數(shù)字體溫計，利用單片機技術(shù)、測溫傳感器以及顯示報警技術(shù)搭建，包括個子模塊，包括體溫采集子系統(tǒng)、信息傳輸子系統(tǒng)和顯示驅(qū)動子系統(tǒng)等。其次，進行了本系統(tǒng)的