基于51单片机的红外检测的语音体温计的设计(编辑修改稿)

基于51单片机的红外检测的语音体温计的设计(编辑修改稿)内容摘要：

中基本上都没有黑体的基本条件。 当我们知道了材料的发射率时，才能去了解物体的红外辐射特性。 物体材料的类型、理化结构和厚度以及其表面的粗糙程度等几个因素是导致发射率不同的重要因素。 经查询得知人体皮肤的发射率为。 在实际的测量中，要根据被测物质的发射率来选择相应的红外测温体度计。 （ 2） 测温范围的确定 对测温体温计来说，测温范围是最重要的一个性能指标。 如一种红外测温产品覆盖范围为 60℃ ~+2020℃，实际上这不是由一种型号的红外测温体温计所能完成的。 型号不一样的测温温度计有着各自 不一样的测温范围，所以，在考虑被检测温度的范围的时候必须要准确、周全，过于宽或过于窄任何一样都不行。 根据黑体辐射定律，是温度而导致的辐射能量的改变会大于由发射率的不同而导致的情况只会发生在光谱的短波波段中，因此测温的时候应该尽可能的选择短波。 对于一般情况而言，测量温度的范围越窄，所测量的温度其输出信号的分辨率就越高。 （ 3） 目标尺寸 的 确定 红外测温体温计根据原理可分为单色测温体温计和双色测温体温计两种。 对于单色测温体温计在进行测温时，被测目标面积应充满测温体温计视场。 一般选择被测目标尺寸超过视场大小的一半。 在所检测物体的体积小于温度计视场的时候，在温度计视场内的背景的辐射能量便会干扰所检测的温度，进而形成误差。 在所检测物体的体积大于温度计视场的时候，温度计便不会被来自测量区域内的外部背景的辐射能量而影响。 又因为双色温度计测量温度是根据两个独立互不干扰的波长的带内辐射能量的比例值而确立的，所以当被检测的物体比较小，不足以充满温度计视场，测量空间 中有烟雾、尘埃的阻挡，对目标物辐射能量存在减小的情况时，全部都不会对所测量的温度造成比较大影响。 面对较小却又处于运动中的目标，毕业设计 (论文 )说明书 5 选择双色测温体温计为佳。 （ 4） 确定距离系数（光学分辨率） 距离系数是根据 D:S 的比值来定的，即温度计感光元件与所测量目标物体之间的距离（ D）和被检测的物理直径的比值。 如果测温体温计由于环境条件限制必须安装在远离目标之外，而又要测量小的目标，就应该选择高光学分辨率的测温体温计。 光学分辨率越高，即增大 D:S比值，测温体温计的成本也越高。 （ 5） 响应时间 响应时间是红外测温温度计对被测物体温度变化的 反应速度，定义为到达最后读数的95%能量所需要时间，响应时间和光电探测仪、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。 假如被检测物体的运动速率非常快或者检测加热非常快速的物体时，就应该选择能够快速相应的红外测温器件，不然就不能有足够的时间来响应信号，这样便会使得测量的精度降低。 然而，并不是所有应用都要求快速响应。 对于静止或目标热过程存在热惯性时，测量仪器的响应时间就可以放宽要求。 因此，在选择红外测温器件响应时间上要和被测目标的情况相适应。 主要是依据目标的运动速度以及目标温度变化速率来确定响应时间。 （ 6） 环境条件 测温 温度计检测物体的温度结果会被物体当前的环境因素而造成影响，所以应当考虑并加以恰当的方法来解决，从而使影响红外测温温度计的精度甚至导致红外温度计的永久性损坏。 毕业设计 (论文 )说明书 6 3 系统硬件设计 红外测温语音播报体温计采用的是一个单色红外测温传感器来采集所测量物体的温度信息，同时把所检测的数据传到控制中心 ——单片机进行数据处理，单片机处理完数据 (将所收到的数据转化成相应的温度值 )之后再控制液晶显示模块显示当前所检测到的温度数值，然后再控制语音芯片“报出”液晶显示模块上面显示的温度数值。 这是整个系统的主要数据流向流程，本红 外测温语音播报体温计系统的总硬件电路图详见附录 1。 电源 作为一个电子产品电源是必不可少的一项，并且非常关键。 没有了电源几乎所有电子产品都没法使用。 由于本系统中设计显示和语音这两个“耗电大”的模块存在，而且为了这两大模块在正常工作的同时不相互影响并且不对单片机产生影响，为此选择对三大模块单独供电。 由于传感器的供电电压为 ，为了保持一致性，使系统在整个工作过程中正常工作，同时为使传感器在与单片机以及各个部分的通信过程中减小误差，故整个系统都选用了 电压（当然也可以仅传感器用 ，其它部分用 5V电压）。 ，最常用的有线性稳压芯片（ LDO）、开关稳压芯片（ DCDC）甚至还可以用稳压二极管。 由于系统的工作电流较大，而且工作中系统的电流变化较大，而电流较大的变化会使稳压二极管稳压值不稳，故不选用；由于系统最大功耗不是太大，用开关稳压芯片（ DCDC）就显得有些浪费并且成本也高，所以也不选用；在无电流变化时 LDO的纹波可能比稳压二极管要大，但是此纹波相对较小不影响芯片的正常工作，而且对输入的电压范围较广，完全能够在日常中使用，当然价格也比 DCDC 较便宜，所以最终选用 LDO作为。 LDO 有很多，在对纹波的要求不高价格相对较便宜的情况下选用 1117 系列稳压芯片。 常用有 和。 这两款芯片是 Pin to Pin 的，输入电压也基本一致， 的纹波略比 的要小，最大输出电流 为 800mA， 为 1A，正常工作温度范围都为。 而 价格在 1 元左右， 价格在 元左右甚至更低，故最终选用。 AMS1117 的内部集成过热和限流保护， 1%的精度。 表 31 是 AMS1117输出的电气特性。 毕业设计 (论文 )说明书 7 表 31 电气特性（ ，正常工作温度范围 ） 输出 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位 ， 7 5 0 0 3 5 V 为使电压输出更精确，波动更小，故在芯片的输入输出端各加一个 10uF 滤波电容。 为了使该设计能单独使用，所以加了一个锂电池，接口选用现在流行的安卓手机接口 Micro USB使得充电方便。 锂电池选用内置过充过流保护的。 图 31 所示整个设计中的电源电路。 图 31 电源电路图 为使简单辨认出锂电池是否充电完成，设计一个简单的显示电路。 图中显示 LED 选用双色雾状 Ramp。 G LED，这样在电池充电时双色 LED 全亮，红色和绿色混在一起就成黄色了，电池充满电了就只有绿色 LED 亮。 图 32 所示是充电指示电路。 毕业设计 (论文 )说明书 8 图 32 充电指示 传感器 红外测温传感器种类繁多，有一些工业级的外置传感器，其精度相当高，但是价格过于昂贵，所以没有选用；另外一些传感器大概有 TN90 MLX9061 OT538 这三种， TN901为 SPI 接口，数字式输出，工作电压在 3V到 ，但其价格在过于昂贵在 150 元左右，MLX90614 有 PWM 和 SMBus 两种通信模式，可以测出目标温度同时测出环境温度，数字式输出，其工作电压按型号分三种，价格在 30 元左右， OTP538 为模拟输出，需要外加 AD 转换芯片，其温度的精度受 AD 转换芯片精度影响，测量距离一般不超过 3cm，价格在 20 元左右（不加 AD 转换芯片）。 考虑价格和测量距离以及测量精度等因素，最终选用MLX90614ESFBAA。 红外测温传感 MLX90614ESFBAA 的测温范围为 40℃ ~85℃。 该温度范围对于体温的测量完全够用，测量精度可达到 ℃，此版本传感器为单色测温传感器。 MLX90614 集成了由迈来芯开发和生产的两款芯片：  红外热电堆传感器 MLX81101  用于处理红外传感器输出信号的专用集成芯片 MLX90302。 因为此传感器已经将 A/D 转换器、低噪声放大器和数字信号处理芯片 MLX90302 集成在一起，便使较高精确度和较高分辨度的温度计得以实现。 数字信号处理芯片（ MLX90302）的 随机存取存储器 用来存储由测量物体和环境到计算后的温度，所测量的温度分辨率小至℃ ，并且支持双线的 SMBus 兼容协议（ ℃分辨率 ）以及 10 位 PWM（脉宽调制）模式输出。 图 33 所示是 MLX90614 内部模块情况的图表。 毕业设计 (论文 )说明书 9 图 33 MLX90614 模块图表 MLX90614 是由内部的状态机控制物体温度和环境温度的测量以及计算，从而开始温度测量后数据的处理，并且把测量并计算的温度结果通过 PWM 或者 SMBus 模式输出出来。 ASSP 支持两个 IR 传感器。 （ MLX90614xAx 只有一个 IR 传感器） IR 传感器的输出通过增益可编程的低噪声低失调电压放大器放大，经过 Sigma Delta 调制器转换为单一比特流并反馈给 DSP 做后续的处理。 信号通过可编程的 FIR 和 IIR 低通滤波器以进一步减低输入信号和带宽从而达到所需的噪声特征和刷新率。 IIR 滤波器的输出是整个传感器最终测量并计算数据的结果并存于内部 随机存取存储器 中，这之中有三个单元可以被用户利用：一个是片内温度传感器（片上 PTAT 或 PTC），其余两个为 IR 传感器。 更具以上检测和计算的结果，便可得到对应的环境温度 Ta 以及物体温度 To，这两个温度的分辨率均为 ℃。 环境温度和物体温度可以通过两种不同的方式来获取：通过 SMBu兼容协议接口读取对应温度储存的 随机存取存储器 单元，（ ℃的 分辨率，固定的温度测量范围）或者通过脉宽调制数字模式输出（ 10 位分辨率，范围可配置）温度数据。 图 34 为MLX90614ESFBAA 的 SMBus 通信接口电路图。 毕业设计 (论文 )说明书 10 图 34 MLX90614BAA SMBus 单片机 单片机作为整个设计的控制中心，选择适合的芯片是很重要的。 单 片机按字长分类： 4位、 8 位、 16 位、 32 位、 64 位单片机。 而且单片机的价格基本上按照字长位数上涨，考虑到本系统用 8 位单片机完全可以胜任，故最终在 8 位单片机中选型。 目前 8 位单片机大多是 8051的内核，而现在国内市场上的 8051 内核单片机主要是以 爱特梅尔 （ ATMEL）和宏晶科技（ STC）两家为主。 由于之前用过 STC89 系列单片机，有其烧录工具，并且 AT89C52 与 STC89C52基本完全一样只是厂家不同， AT 为美国 爱特梅尔 公司生产的 51 系列单片机， STC 是中国本土宏晶科技公司生产的 51 单片机，考虑其两大品牌单片机性能基本都不存在问题，故选用本国 STC 的但单片机。 STC8051 单片机种类繁多，正常工作在 ，由于新出的一款STC15W4K60S4 有几个新功能：支持 USB 直接烧录程序，运行速度快，不用外部晶和复位电路等，考虑到试下新产品上就选用了此款 STC15W4K60S4 单片机，其价格也不高。 STC15W4K32S4 单片机的内部结构框图如图 35 所示。 STC15W4K32S4 单片机中包含中央 处理器（ CPU）、程序存储器（ Flash）、数据存储器（ SRAM）、定时 器 /计数器、掉电唤醒专用定时器、 I/O 口、高速 A/D 转换、比较器、看门 狗、 UART 高速异步串行通信口 串行口 串行口 串行口 CCP/PWM/PCA、高速同步串行通行端 口 SPI，片内高 精度 R/C时钟及高可靠复位等模块。 毕业设计 (论文 )说明书 11 图 35 STC15W4K32S4 内部结构框图 STC15W4K32S4 单片机简介： 增强型 8051 CPU， 1T单片机 /机器周期，速度比普通 8051快 812倍； 工作电压： 之间；内部高可靠复位， ISP 编程时 16 级复位门槛电压可选，可彻底省掉外部复位电路；工作频率范围： 5MHz~28MHz， 内部高精度 R/C 时钟（177。 %），177。 1%温飘（ 40℃ ~+85℃），常温下温飘177。 %（ 20℃ ~+65℃），内部时钟从 5MHz~35MHz 可 ISP 编程时 设定；不需外部晶振和复位电路，还可对外输出时钟和低电平复位信号。 四组完全独立的高速异步串行通信串口，分时切换可当 9 组串口使用；低功耗设计：低速模式，空闲模式，掉电模 式 /停机模式 ；通用 I/O 口，复位后为：准双向口 /弱上拉。 I/O可 以 设置成四种 不同的 模式：准双向口 /弱上拉，强推挽 /强上拉，仅为输入 /高阻，开漏 ； 6 通道 15 位专门的高精度 PWM（带死区控制） +2 通道 CCP（利用它的高速脉冲输出功能可实现 11~16 位 PWM） ——可用来再实现 8路 D/A，或 2 个外部中断（支持上升沿 /下降沿中断） …... 图 36 为单片机 I/O分配图。 图中的晶振电路需要设计实际中可不焊，使用 USB 下载时防止内部时钟精度不够准。 毕业设计 (论文 )说明书 12 图 36单片机 I/O分配图 USB 下载和串口电路。 由于此款单片机支持直接 USB 下载以及串口故设计一个 Micro USB 烧录及供电 /充电接口，为防止程序烧录意外设计一个外接串口。 如下图： 图 37 USB下载和串口 液晶 1602 温度显示在系统中是至关重要的一个模块，它是作为人体交互的一个重要模块是必不可少的。 由于在这显示主要为数字字符等。