基于单片机的非接触式红外体温计设计毕业论文

基于单片机的非接触式红外体温计设计毕业论文内容摘要：

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 23所示 [2]。 图 23 TN9 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。 LCD1602 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 24 所示。 8 图 24 LCD1602 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 ， 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。 图 36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]。 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 25 所示。 图 25 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； 9 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。 系统其它硬件电路 系统的电源电路 电源电路原理图如图 26 所示。 图 26 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， C C5 起滤波的作用。 系统晶振电路 STC89C52单片机 引脚 XTAL1和 XTAL2与晶体振荡器及 C C3的连接如图 27所示。 图 27 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 ，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。 10 报警电路的设计 该系统的报警电路的原理图如图 28 所示。 图 28 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 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。 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 11 能按键模块、显示模块等子程序。 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 31 所示。 12 图 31 系统主流程图 红外测温流程图 红外传感器模块流程图如图 32 所示。 初 始 化开 始按 键 扫 描温 度 显 示显 示 温 度设 置 模 式N oY e s设 置 完 毕是 否 过 限报 警Y e sN o 继 电 器 闭 合做 出 相 应 动 作来 阻 止 过 限 温度结 束 13 图 32 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，开 始初 始 化是 否 有 按 键 0 按下。 首 字 节 是 否 为 4 C H（ 6 6 H ）。 第 5 个 字 节 是 否为 0 D H ?送 L C D 1 6 0 2 显示计 算 处 理返 回读 取 数 据关 闭 T N 9 0 1N oN oN oY e sY e sY e s 14 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。 15 第四章 制作与调试 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 Altium designer 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。 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引脚的电位，仔细测量相应的输入输出电平是否正常。 单片机系统大都是数字逻辑电路，使用电平检查法可首先查出逻辑设计是否正确，选用器件和连接关系是否符合要求等。 16 系统误差分析及处理 由于该系统是非接 触式测温，这就给获得正确的温度值带来一定困难，影响红外测温系统的温度误差的因素很多，通过查阅资料和自己的了解，主要体现在以下几方面： （ 1） 距离系数是该系统性能的一个重要指标。 通常距离越远的物体，红外测温仪测温时所经过的光路上受到的干扰以及大气衰减越大，精度也越低。 （ 2） 物体的辐射率的影响。 辐射率是指相同几何条件和光谱的条件下，实际被测物体和同温度黑体的辐射的能量之比，不同的物体的辐射率不同，且和黑体辐射的能量也有差别，所以输入值必然存在一定误差。 （ 3） 环境因素对测温的影响。 环境温度，被测物到测温仪的现场清晰度都和输出温度有关。 通常，环境温度越低，从外界进入红外测温仪窗口的辐射能量就少，而且环境的清晰度越高，传感器接收到的能量越多，就越接近真实值。 （ 4） 干扰光的影响。 因为该系统是通过物体辐射出来的红外线测得温度的，外界的一切光线都会对系统产生一定干扰。 由于该系统存在上述影响，故在使用时必须采取一定的措施来尽量减轻误差。 比如，在选取传感器时尽量选取吸收系数高的器件；测量时尽量多测量几次数据，取其平均值，降低误差；软件设计时，采用循环系统测量，想办法得到更精确的算法；测量时尽量注意周围环境的影响，在比较适合测量的环境测 量温度。 系统的制作与调试 在系统的制作与调试中除了要关注上述问题之外，系统本身的情况也需要注意，本系统进行模块化处理，分别分为不同的几个电路：电源电路， LCD1602 显示电路，复位电路，功能按键电路，过限状态指示电路，继电器输出电路，晶振电路以及最重要的红外测温模块电路。 在制作前首先要了解各个电路的原理和作用，这样才能知道电路可以使用哪些元器件，比如，电源电路的电容起到了滤波的作用，我们就可以根据电路电压的大小来选择合适的电容， LED 指示电路的电阻起到的是限流的作用，可以选择的范围为 100Ω—1KΩ，这样可以对元器件的选择有一个很好的把握。 在制作本系统时，同样的遇到了很多问题，比如 PCB 板的排版问题，由于封装不合适，最后显示屏和按键以及单片机没办法和谐的安装，只能重新制作，浪费了不少功夫，还有在腐蚀铜板的时候，没有把握时间，有些电路不得不在焊接的时候用焊锡连接起来。 这些问题都是可以通过自己的注意加以避免的。 17 制作好实物后，首先我用万用表测量了那些腐蚀过度并用焊锡连接的地方，保证其连通，检查电解电容，二极管，三极管，蜂鸣器等有正负极的期间的焊接情况，其是否接反。 确认无误后，想测试下电路是否能正常运 行，因为传感器的价格较高，我没有连接，实验结果证明电路正常运行，显示屏亮。 我按照各管脚的顺序用杜邦线接上传感器，开机，系统初始化，因为我设置的初始的上下限是 4 度和 25 度，显示屏显示的 26 度，标志正常温度的黄色 LED 灯亮，之后我又设置最高限是 20 度，此时，红灯亮起，蜂鸣器报警，继电器闭合，表示温度超过最大限度。 最后设置最低限为 30 度，超过室温，绿灯亮起，蜂鸣器报警，继电器闭合，表示低于最低温度。 按下复位按钮，系统变为初始状态。 实践证明，本系统可以运行。 18 结论 本系统利用 STC89。