单片机基于红外检测的语音体温计的设计文档格式.docx

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SMBus；

C语言

Abstract

Voicebroadcastthermometercombinesdigitaltechnology,simulationtechnology,sensortechnology,communicationstechnology.ThissystemisainfraredtemperaturemeasurementandvoicebroadcastsystemwhichusedaMLX90614infraredtemperaturesensorfortemperaturemeasurement,a1602liquidcrystaldisplay.andatrumpetvoicebroadcast.Themainfunctionofthesystemisthatwhenthetemperaturebuttonispressed,theliquidcrystaldisplayscreencanreal-timedisplaythedetected.Afterthetemperatureisstable,releasethebutton,thedisplaywillshowthestabledata.Atthesametime,theloudspeakercanbringouttheweatherbroadcast.

ThesystemthroughtheinfraredtemperaturesensorMLX90614ofSMBuscommunicationtodetectthetemperature.Independentbuttons,touchkeys,NY3P03voicechip,1602liquidcrystaldisplaysubmodules,usingSTC15W4K32S4microcontrollerasthecoreofthecontrolsystem,isresponsibleforthedetectionofinput/outputcontrol,drive1602LCDtodisplaythetemperature,readnumbersdetectedbyatemperaturesensor,drivingthevoicechipbroadcast,Thewholesystemissimpleandfullofhumanity.ThesystemisdevelopedbyClanguage,andtheuseofAltiumDesigner、KeilC51developmentplatforminthedesignofhardwareandsoftware.

Keywords:

singlechip;

liquid-crystaldisplay;

infraredtemperaturemeasurement;

SMBus;

Clanguage

1绪论

红外测温语音播报体度计是一种将电子信息技术和红外技术两者相结合的一种新型体温计。

它通过将被测物表面发射的红外线辐射通过光学系统聚集在红外探测元件上面，促使其产生一个微小电压信号，此电压信号再通过放大、滤波、A/D转换之后把数据传给单片机，单片机将数据进行温度补偿和数据处理，最后将被测物的温度值以数字形式显示在液晶屏上，同时再以语音的形式播报出来。

1.1红外测温技术的研究背景

当前防治密集人群中的疾病工作是难度较大的，尤其是在火车站，飞机场，地铁等人口密度大而且人口流动性较大的场所，实施这项工作就变得更加困难。

之前遭遇的“SARS”，“H1N1”因为其发病前期很难被发现（除体温偏高），且具有较高的传染性。

使得这类疾病的防治工作变得非常困难。

是由于这一类的疾病主要也是非常明显的发病现象就是体温上升，比正常情况下的要高，那么预防这种疾病的很重要方法之一就是快速而且准确无误的把体温偏高人员和体温正常的人员在人群中区分出来。

当前，人们普遍使用的传统的水银体温或热敏器件测量，然而这些都不能快速、准确无误的在人群中发现体温偏高者，并且还因为这类疾病传染性较高，致使传统的体温测量仪需要测量者和被测量者相接触，这样就使得疾病的相互传染可能性增加。

在温度测量方面，作为一种非接触式的温度测量技术的红外测温技术多年前就开始发展，它和传统温度测量技术相比较具有以下几种优点：

①由于它的测量不会对测温场产生干扰，所以不会影响测温场原有的分布，因为相比传统测温方式它具在测量精度上更具优势，在理论上，分辨率可达到0.01℃。

②与普通接触式测温相比较红外测温技术另外的不同之处在于它不需要与测温目标达到热的平衡就可以测出目标当前的温度，红外测温技术可以实现实时测量，迅速的测量甚至可以进行动态测量，对于在不方便人们靠近的设施或者一些传播较容易的疾病（SARS，H1N1）的温度测量上，红外测温技术就体现出了明显的优势。

③可以测量微小目标的温度。

④红外测温可以实现对于实时的观测和自动控制，测量距离远近皆可，时间上也不受限制，适应性相对较强。

⑤测量温度范围宽，红外测温的方法在理论上无测量上限。

正是由于存在上述各种优点，目前红外测温技术已广泛应用在工业生产，航空航天，质量检测，冶金及医学等领域。

1.2红外测温技术的研究意义和目的

近年来，我们先后遭遇“SARS”，“H1N1”等流行性疾病的侵扰，这些疾病最大的特点是传染性强，有潜伏性。

因此，能够在非常迅速发现病患并进行隔离是预防这类疾病的一项重要手段和方法。

尤其是在火车站，机场，商场，学校等人口密集的场所，不可能对人群进行一对一式的传统检查，必须使用一种快速有效地检测方法来迅速发现患病者。

由于对人体而言体温是一项重要的健康指数，当人体健康时，其体温会维持在一个基本确定的数值。

但是当人体体内的某一个发生了变化或者多个部位发生变化的时候，原来恒定的体温就会改变，如“SARS”，“H1N1”病发的明显现象就是体温上升。

由于“SARS”，“H1N1”这一类疾病有着较高传染性，致使这类疾病在人群密集场所实施体温检测时就要考虑以下几个很基本的要求：

不直接接触、快速、准确。

运用不直接接触的红外测温方法进行体温测量能达到以上的基本要求。

由此，对不直接接触人体表面的温度测量方法进行研究有比较现实的意义，是在非常时候应对突然病发的疫情的必不可少工作。

红外测温语音播报温度计的设计，其内容囊括了测量技术，传感器技术，MCU技术等多个方面的内容，另外就目前而言红外测温技术是一项比较实用和相对较前沿的技术，做这个课题和设计，有助于把理论知识与实际情况联系起来，更好的了解以及掌握这方面的知识，这是对所学知识的进一步升华，尤其加深了MCU控制方面技术知识的理解，同时加深了自身的综合素质和实践的能力。

2红外测温技术综述

2.1基本方法

红外测温技术是非接触测温方法的其中一种，测温仪器没有必要和被检测的物体有着介质直接接触，而是根据热辐射的原理测量物体温度。

物体处于绝对零度（-273.15℃）以上时（自然界现在还没有发现有达到绝对零度的物体），因为其内部带电粒子的运动，以不同波长的电磁波形式向外辐射能量，波长涉及紫外、可见、红外光区，但主要处于0.8~15um的红外区范围中。

物体红外线辐射的能量大小按其波长的分布，与其表面的温度关系十分密切。

物体表面的温度越高，所发出的红外辐射越强。

黑体处于温度T时，在波长为λ处的单色辐射处射度由普朗克公式确定，即：

（2-1）

黑体辐射出射度由斯蒂芬-玻尔兹曼定律确定，即：

（2-2）

其中

称为第一辐射常数；

称为第二辐射常数；

为斯忒藩-玻尔兹曼常数；

λ和T分别表示波长和热力学温度。

但是实际物体并不是黑体，所以实际物体的辐射度还需要在上面公式的基础上，在乘以物体的辐射度常数，即：

（2-3）

表示物体的发射率。

因此，可以根据对物体自身辐射的红外能量的测量得到它的表面温度，这就是红外测温客观依据。

表2-1红外波波长的分类。

表2-1红外波波长分类

波段

波长范围µ

m

常用简称

近红外

0.76~3

短波红外

中红外

3~6

中波红外

远红外

6~15

长波红外

极远红外

15~1000

超长波红外

2.2红外测温应注意的问题

因为红外体温计有着快速、非接触、安全等特点，由此致使红外测温技术在很多领域上广泛使用。

但不正确的测温方法，在测量物体的实际温度上会存在很大的误差。

在实际使用红外测温体温计进行测温时需要注意以下一些问题：

（1）发射率

黑体即能吸收所用的波长辐射的能量，同时不存在能量的流失的物体，黑体表面的发射率定为1。

然而在自然界中现存的实际的物体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0.98。

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℃~+2000℃，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，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。

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。

3.1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3.3V，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3.3V电压（当然也可以仅传感器用3.3V电压，其它部分用5V电压）。

3.3V的稳压有很多方法，最常用的有线性稳压芯片（LDO）、开关稳压芯片（DC-DC）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（DC-DC）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DC-DC较便宜，所以最终选用LDO作为3.3V稳压电源。

3.3V的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LM1117-3.3和AMS1117-3.3。

这两款芯片是PintoPin的，输入电压也基本一致，LM1117-3.3的纹波略比AMS1117-3.3的要小，最大输出电流LM1117-3.3为800mA，AMS1117-3.3为1A，正常工作温度范围都为

。

而LM1117-3.3价格在1元左右，AMS1117-3.3价格在0.5元左右甚至更低，故最终选用AMS1117-3.3。

AMS1117的内部集成过热和限流保护，3.3V输出时具有1%的精度。

表3-1是AMS1117输出的电气特性。

表3-1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

AMS1117-3.3

，

3.267

3.235

3.300

3.333

3.365

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MicroUSB使得充电方便。

锂电池选用内置过充过流保护的3.7V锂电池。

图3-1所示整个设计中的电源电路。

图3-1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R&

GLED，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3-2所示是充电指示电路。

图3-2充电指示

3.2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TN901、MLX90614、OT-538这三种，TN901为SPI接口，数字式输出，工作电压在3V到4.5V之间，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，OTP-538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MLX90614ESF-BAA。

红外测温传感MLX90614ESF-BAA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0.02℃，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0.02℃，并且支持双线的SMBus兼容协议（0.02℃分辨率）以及10位PWM（脉宽调制）模式输出。

图3-3所示是MLX90614内部模块情况的图表。

图3-3MLX90614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SigmaDelta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0.02℃。

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，（0.02℃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3-4为MLX90614-ESF-BAA的SMBus通信接口电路图。

图3-4MLX90614BAASMBus

3.3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3.3V电压的各个系列也都有，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3-5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1、串行口2、串行口3、串行口4、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。

图3-5STC15W4K32S4内部结构框图

STC15W4K32S4单片机简介：

增强型8051CPU，1T单片机/机器周期，速度比普通8051快8-12倍；

工作电压：

2.5V-5.5V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（±

0.3%），±

1%温飘（-40℃~+85℃），常温下温飘±

0.6%（-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3-6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。

图3-6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MicroUSB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3-7USB下载和串口

3.4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，不用显示汉字，所以完全没必要用液晶显示屏。

通常显示数字字符可以选用数码管、LCD、OLED三大块。

在显示多为数字及字符时需要的数码管较多，在硬件PCB制作时占用的面积较大而且为使多个数码管正常显示需要外加锁存芯片，这样不仅增加PCB面积同时增加了成本，并且用数码管显示字符数有限，所以不选用。

OLED一般为4脚