基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计.docx
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基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计
本科毕业设计（论文）
基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计
燕山大学
2011年6月
本科毕业设计（论文）
基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计
学院：
专业：
电子信息工程
学生姓名：
学号：
指导教师：
答辩日期：
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
系级教学单位：
电子与通信工程系
学
号
学生
姓名
专业
班级
电信三班
题
目
题目名称
基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计
题目性质
1.理工类：
工程设计（）；工程技术实验研究型（√）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.文管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（√）
主
要
内
容
红外体温测试基于其非接触式的测量方式，使其在温度测量的同时不破坏被测温度场的均衡性，因此得到了广泛应用。
本课题要求利用MSP430单片机和红外温度传感器来测量温度信号，并实现温度数据的的直观显示。
基
本
要
求
[1]了解并分析当前红外测温设备所能完成的基本功能
[2]设计系统电路图
[3]完成系统的软件编程
[4]验证所设计系统的可行性
参
考
资
料
[1]实用电子电路设计，李哲英，电子工业出版社
[2]MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用，清华大学出版社
[3]电子世界
[4]网络论坛
周次
第1～3周
第4～7周
第8～11周
第12～14周
第15～18周
应
完
成
的
内
容
收集资料
熟悉课题内容
查找参考书
确定设计思路
电路方案设计，电路设计方案优化
系统软件编程
实验结果整理和总结
论文书写
课题总结
答辩
指导教师：
职称：
讲师2011年03月01日
系级教学单位审批：
年月日
摘要
伴随着人们生活水平的不断提高以及对生活质量要求的提高，人们对自身的健康状况越来越关注，而人体的体温、血压、脉搏和呼吸是鉴别人体健康状况的重要参数，对这些生理指标的监控与测量则可以更好的体现人体自身的健康状况，所以他们在医疗领域中占有十分重要的地位，也为人民的生活带来极大的方便。
本次设计主要围绕体温这一生理指标展开，以MSP430单片机为控制核心对温度进行实时采集，开发设计红外测温仪的全过程，根据红外线测温仪的原理，通过关键器件的选择以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的精确度，设计了一种非接触式人体体温测试仪，用于人体体温的快速测量。
对非接触式测温仪的设计是以功能性为基础，以创新性为指导，以实践性为依托，具有大好的发展前景和广泛的应用场合。
通过本次设计，希望可以为今后拓展体温监测应用领域提供新的思路和方法，在医学、体育、消防、军事训练、等领域得到更广泛的应用。
关键词 红外测温系统；非接触式；MSP430单片机
Abstract
Withthecontinuousimprovementoflivingstandardsandincreaseddemandsonthequalityoflife,peoplebecomeincreasinglyconcernedabouttheirhealthstatus,whilebodytemperature,bloodpressure,pulseandrespirationistheimportantparameterstoidentifyhealthstatus,physiologicalindicatorsofthesemonitoringandmeasurementcanbetterreflectthebody'sownhealthstatus,sotheynotonlyplayanimportantroleinthemedicalfield,butalsocanbringgreatconveniencetothelivesofpeople.
ThisdesigncentersaroundthephysiologicaltemperaturestartedtoMSP430microcontrollertocontrolthetemperature,anddevelopsthewholeprocessoftheinfraredthermometer,weaccordtotheprincipleofselectionofthekeydeviceandtemperaturecompensationofautomaticadjustmenttoimprovetheaccuracyoftheinfraredthermometer,itdesignsabodytemperatureofnon-contacttesterfortherapidmeasurementofhumanbodytemperature.Non-contacttemperaturemeasuringinstrumentsarefunctional-based,innovative,andithasexcellentprospectsfordevelopmentandextensiveapplications.Throughthisdesign,Ihopetoprovidenewideasandmethodsinmedicine,sports,fire,militarytraining,andotherfields.
Keywords Infraredtemperaturemeasurementsystem;non-contact;MSP430microcontroller
第1章绪论
1.1课题背景
随着2003年非典的袭击，在我国迅速诞生了一支专门抗击非典的医疗仪器队伍，特别是在红外体温检测仪的研发方面取得了突出的成就。
国家相关部门也在重点强调非接触式体温计的研发[1]。
随着现代科技的发展，新材料、新工艺的运用，各式各样的体温计陆续出现，探测方式不断改进[2]。
国内外体温计的发展大致分为三个阶段。
第一阶段是常见的玻璃水银体温计，第二阶段是电子体温计，如今应用最为广泛的是非接触式红外体温计。
水银体温计虽然价格便宜但是有诸多弊端：
首先，水银体温计遇热或安置不当，体温计容易破裂。
其次，人体接触水银后会中毒，中毒症状是恶心、头痛、腹泻、脱发等，严重者会造成血液凝固。
因为水银有剧毒，一旦它污染了水源或食物，可以对人的肾脏、肺等造成极大的伤害，水银也能加速人神经系统退变。
最后，采用水银体温计测温需要相当长的时间（5min～10min），使用不便。
电子体温计是采用热敏电阻测量温度的，电子体温计能快速准确地测量人体温度，与传统的水银玻璃体温计相比，具有读数方便、测量精度高、能记忆并有蜂鸣提示的优点，尤其是电子体温计不含水银，对人体及周围环境无害，特别适合于家庭、医院等场合使用。
但采用电子体温计测温也需要较长的时间，同样使用不便。
非接触式红外体温计是根据黑体辐射原理通过测量人体辐射的红外线而测量温度的。
它用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线而不向人体发射任何射线，它采用的是被动式且非接触式的测量方式，因此红外体温计不会对人体产生辐射伤害且价格低，体积小，实现了体温的快速准确测量，具有稳定性好，精度高，测量安全，使用方便等特点。
非接触式人体体温测试仪的设计技术目前已经达到成熟，本文详细的介绍在国内外已有技术的基础上，此设计开发的全过程。
此设计涉及单片机，传感器等诸多方面的知识[3]，主攻方向在于温度的采集和处理，达到体温能够准确显示的预期效果。
1.2课题的目的及意义
体温计是人们日常生活中的必备品。
传统的水银体温计存在测量温度时间长、读数不便等特点。
红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。
近20年来，非接触红外体温计在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。
比起传统的测温方法，红外体温计有着响应时间快、使用安全及使用寿命长等优点。
红外体温计包括便携式红外体温计、在线式红外体温计和扫描式红外体温计三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。
在不同规格的各种型号红外体温计中，正确选择红外体温计型号[4]对用户来说是十分重要的。
红外温度检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目，红外温度检测是一种在线监测（不停电）式高科技检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，具有准确、实时、快速等优点。
任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。
红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况[5]。
目前应用红外诊技术的测试设备比较多，如红外体温计、红外热电视、红外热像仪等等。
像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效[6~8]。
1.3国内外研究现状
国外红外线技术在19世纪并发展至今，已经有很多专利项目和大量科研成果。
美国和日本几乎垄断了红外线技术产品的专利。
由于红外线技术我国起步比较晚，而且相关部件比较昂贵，对我们在生产生活中普及还有很长的一段路要走。
所以我们要把红外检测技术利用到我们实际生活当中去，利用我们能利用的知识去改进我们的生活[9]。
红外线是近年来兴起的高端技术，对红外线设备的设计和研究，对今后生产生活有积极的影响。
体温计是人们日常生活中的必备用品，尤其在SARS和H1N1流行期间，体温计几乎成成为了衡量感染者与未感染者的测量仪器。
所以在本文以下内容中我要结合单片机，运用红外线原理去设计一个基于单片机的红外体温仪器的方案[10~12]。
通过方案论证，选择出最佳的方案并进行设计和制作[13~15]。
随着现代科学技术的发展，传统的接触式测温方式以不能满足现代一些领域的测温需求，对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。
本红外测温系统设计的出发点也正是基于此[16~18]。
1.4本文主要内容及结构安排
全文主要阐述了非接触式人体体温测试仪的硬件设计和软件设计。
硬件方面首先谈到了系统的总体设计，然后分别从红外线传感器，运算放大器，A/D转换，数据处理，显示部分等功能模块进行了论述并详细介绍了各个芯片的结构和功能，使系统具有稳定性好，精度高，测量安全，使用方便等特点。
在软件方面，此设计使用汇编语言来编写程序代码，具有编译速度快，运行效率高等特点，设计的软件部分采用模块化结构，每个模块作为一个子程序，根据系统功能划分，程序由模块组成，所以整个程序的编制、调试和维护都比较方便，结构清晰，提高了可靠性和修改性，并给出了针对各个应用模块的设计思路和设计框架，对各部分程序进行解释说明，从而实现非接触式人体体温的显示。
对非接触式测温仪的设计是以功能性为基础，以创新性为指导，以实践性为依托，具有大好的发展前景和广泛的应用场合。
通过本次设计，希望可以为今后拓展体温监测应用领域提供新的思路和方法，在医学、体育、消防、军事训练、等领域得到更广泛的应用。
最后，文章对本次设计做出了详细的总结。
本论文的具体结构安排如下：
第1章为绪论，涵盖了课题背景、课题目的及意义、国内外研究现状以及论文的主要内容及结构安排。
第2章为系统硬件设计的介绍，主要介绍了各个主要模块的作用和工作性能。
第3章为系统软件设计的介绍，主要介绍了软件所使用环境，主程序以及各个子程序设计流程。
第4章为系统调试和性能分析，主要介绍了此设计软硬件调试过程的方法以及在调试过程中出现的各种问题。
第2章系统硬件设计
2.1主从单片机处理模块
超低功耗是本设计选用MSP430单片机最主要的原因。
MSP430单片机有多种工作模式，各种工作模式都相当省电，RAM数据保持只有0.1μA，这时也能响应中断。
我们一般使用低功耗模式3和活动模式，低功耗模式3只有0.8μA，这时还能进行时钟计时[19]。
MSP430F24X单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗设计理念，其设计结构完全以系统低功耗运行为核心。
2.1.1主控MSP430单片机功能简介
该红外测温系统是以MSP430单片机为核心器件，此单片机模块的工作原理是：
加载相应程序的MSP430单片机把红外测温模块传来的模拟数据通过内部AD转换成数字数据并通过计算得出具体的温度数值，然后送液晶显示。
德州仪器1996年到2000年初，先后推出了31x、32x、33x等几个系列，这些系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。
每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）、和EPROM型（E）等芯片。
EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。
这也表明了这几个系列的开发模式，即：
用户可以用EPROM型开发样机；用OTP型进行小批量生产；而ROM型适应大批量生产的产品。
2000年推出了11x/11x1系列。
这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。
这个时期的MPS430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。
它的许多重要特性如：
片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等，只有33x系列才具备。
33x系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。
当用户设计需要更多考虑成本时，33x并不一定是最适合的。
而片内高精度A/D转换器又只有32x系列才有。
2000年7月推出了F13x/F14x系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41x、F43x、F44x。
这些全部是Flash型单片机。
F41x系列单片机有48个I/O口，96段LCD驱动。
F43x、F44x系列是在13x、14x的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动LCD的段数由3xx系列的最多120段增加到160段。
并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间。
MSP430系列的部分产品具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。
TI公司推出具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。
这种以Flash技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。
2001年TI公司又公布了BOOTSTRAPLOADER技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序。
这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。
BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可达到32个字节的长度。
TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15x和F16x系列的产品。
在这一新的系列中，有了两个方面的发展。
一是从存储器方面来说，将RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。
二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块。
2.1.2MSP430单片机的特点
2.1.2.1处理能力强MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。
这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
2.1.2.2运算速度快MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。
16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。
2.1.2.3超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。
因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。
其次，MSP430系列单片机独特的时钟系统设计。
在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：
基本时钟系统、锁频环（FLL和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。
可以只使用一个晶体振荡器（32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。
由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。
并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。
由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。
在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。
在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。
2.1.2.4片内资源丰富MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。
它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位ADC、DMA、I/O端口、基本定时器（BasicTimer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。
其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。
MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
主控单片机引脚及部分外围电路如图2-1所示：
图2-1主控芯
2.1.3内部AD模块简介
2.1.3.1MSP430模数转换模块ADC12MSP430单片机的ADC12模块是一个12位精度的A/D转换模块，他具有高速度，通用性等特点。
大部分都内置了ADC模块.而有些不带ADC模块的片子，也可通过利用内置的模拟比较器来实现AD的转换。
在系列产品中，我们可以通过以列表2-1来简单地认识他们的ADC功能实现。
表2-1各型号ADC比较
系列型号
ADC功能实现
精度转换
MSP430X1XX2
比较器实现
10位
MSP430F13X
ADC模块
12位
MSP430F14X
ADC模块
12位
MSP430F43X
ADC模块
12位
MSP430F44X
ADC模块
12位
MSP430X32X
ADC模块
14位
ADC12模块中是由以下部分组成：
输入的16路模拟开关，ADC内部电压参考源，ADC12内核，ADC时钟源部分，采集与保持/触发源部分，ADC数据输出部分，ADC控制寄存器等组成。
2.1.3.2输入的16路模拟开关16路模拟开关分别是由IC外部的8路模拟信号输入和内部4路参考电源输入及1路内部温度传感器源及AVCC-AVSS/2电压源输入。
外部8路从A0-A7输入，主要是外部测量时的模拟变量信号。
内部4路分别是Veref+ADC内部参考电源的输出正端，Vref-/Veref-ADC内部参考电源负端（内部/外部）。
1路AVCC-AVSS/2电压源和1路内部温度传感器源。
片内温度传感器可以用于测量芯片上的温度，可以在设计时做一些有用的控制，在实际应用时用得较多。
而其他电源参考源输入可以用作ADC12的校验之用，在设计时可作自身校准。
2.1.3.3ADC内部电压参考源ADC电压参考源是用于给ADC12内核作为一个基准信号之用的，这是ADC必不可少的一部分。
在ADC12模块中基准电压源可以通过软件来设置6种不同的组合。
2.1.3.4ADC12内核ADC12的模块内核是共用的，通过前端的模拟开关来分别来完成采集输入。
ADC12是一个精度为12位的ADC内核，1位非线性微分误差，1位非线性积分误差。
内核在转换时会参用到两个参考基准电压，一个是参考相对的最大输入最大值，当模拟开关输出的模拟变量大于或等于最大值时ADC内核的输出数字量为满量程，也就是0xfff；另一个则是最小值，当模拟开关输出的模拟变量大小或等于最大值时ADC内核的输出数字量为最低量程，也就是0x00。
而这两个参考电压是可以通过软件来编程设置的。
2.1.3.5ADC时钟源部分ADC12的时钟源分有ADC12OSC，ACLK，MCLK，SMCLK。
通过编程可以选择其中之一时钟源，同时还可以适当的分频。
2.1.3.6采集与保持触发源部分ADC12模块中有着较好的采集与保持电路，采用不的设置有着灵活的应用。
2.1.3.7ADC数据输出部分ADC内核在每次完成转换时都会将相应通道上的输出结果存贮到相应用通道缓冲区单元中，共有16个通道缓冲单元。
同时16个通道的缓冲单元有着相对应的控制寄存器，以实现更灵活的控制。
如表2-2所示：
表2-2控制寄存器
ADC12CTL0
转换控制寄存器0
ADC12CTL1
转换控制寄存器1
ADC12IE
中断使能寄存器
ADC12IFG
中断标志寄存器
ADC12IV
中断向量寄存器
ADC12MEM0-15
存储控制寄存器0-15
ADC12MCTL0-15
存储控制寄存器0-15
2.2信号放大部分
由于信号传感器传出来的信号为微弱是毫安级别的，所以应该应用放大器将采集到的信号放大到单片机AD转换能准确分辨的电压范围，故选用了INA126U信号放大器，简单只需简单加一电阻就能将增益计算出来
2.2.1信号放大器INA126U芯片简介
INA126U是精密低噪声差分信号采集仪表放大器，内部采用两个运放设计，使之具有非常低的静态电流（175μA）和有很宽电源供电范围（±1.35～±18V），可用于便携式仪表和数据采集系统。
此元件采用8引脚封装方式，增益可以设置从5V/V到10000V/V的外部电阻。
微调输入电路提供低失调电压（250μV最大值），低失调电压漂移（3μV/℃max）和出色的共模抑制。
电源电压范围-36V~+36V，输入信号电压范围-0.7V~+0.7V
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