基于单片机的数字显示体温计设计说明.docx
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基于单片机的数字显示体温计设计说明
基于单片机的数字显示体温计设计
摘要
本文针对传统的测温仪器自身存在的诸多缺点以与在现实生活中所暴露的使用不便，缺少安全性等缺陷，提出了一种非接触式红外测温系统设计方案。
该系统是以STC89C52作为红外测温传感器数据传输和控制核心。
此外，还设计了液晶显示器、功能按键等外围模块。
该系统最大的创新之处在于实现基本的非接触式温度测量功能，它的安全性，方便性更有利于普通百姓的使用。
本次红外测温系统的设计简化了电路结构，提高了测温的稳定性与可靠性。
该系统的反应速度快、传输效率高、测量精度高、可靠性高等优点，将会在和传统测温仪器的竞争中脱颖而出，在不久的将来一定会具有广阔的市场前景。
关键词：
STC89C52；红外测温；数字显示
DigitalDisplayThermometerDesignDasedonsinglechipmicrocomputer
Aimingatdisadvantagesofthetraditionaltemperaturemeasurementinstrumentownexistenceandexposureofdifficulttouseinreallife,thelackofsecurity,thispaperproposesanon-contactinfraredtemperaturemeasurementsystemdesign.ThesystemisbasedonSTC89C52asinfraredmeasuringtemperaturesensordatatransmissionandcontrolcore.Inaddition,designthefunctionofliquidcrystaldisplays,buttonsandotherperipheralmodules.Thebiggestinnovationinthesystemrealizesthebasiccontactlesstemperaturemeasurementfunction,itssafety,convenienceismoreadvantageoustotheuseofthecommonpeople.Theinfraredtemperaturemeasurementsystemisdesignedtosimplifythecircuitstructure,improvesthestabilityandreliabilityofmeasuringtemperature.Thesystemresponsespeed,hightransmissionefficiency,highmeasurementprecision,highreliability,etc.Willbeincompetitionandthetraditionaltemperaturemeasurementinstruments,inthenearfuturewillhavebroadmarketprospects.
Keywords：
STC89C52；InfraredTemperatureMeasurement；DigitalDisplay
1总设计方案论述6
1.1选题的背景与意义6
1总设计方案论述
1.1选题的背景与意义
随着经济的发展，社会生活水平的提高，人们对自身身体情况愈来愈重视。
体温是人体生命活动最基本的特征，也是观察人体机能是否正常的重要指标之一[1]。
但是在现实生活中，伴随着生活节奏的变快，父母在忙碌的工作状态下抽出时间帮助孩子测体温是一件非常麻烦的事，而且由于儿童不像成年人一样配合，比较好动，测温过程既耗费时间又费精力；老年人活动不便，使用传统的体温计也很不方便，由于人老眼花，不能特别方便地看清体温计汞柱的位置；现在各种流行病比较多，传染性比较强，传统的接触式测温系统有很大的局限性，特别是在高发病的场所诸如学校或者客运中心等等[2]。
目前市面上存有的家用测量体温仪主要有水银温度计，电子体温计两种，虽然都能满足人们对体温测量的要求，但是随着人们对测温结果精确值的提高，对仪器各方面要求的提高[3]，传统的测温仪器存在的缺陷开始被人们所认识，测量准确度低，等待时间长，使用不当还会发生意想不到的事故等[4]。
非接触式红外测温系统的开发，将能很好的代替传统测温仪器，弥补他们的不足与使用的不便[5]。
它的响应时间快、非接触、使用安全与使用寿命长等优点，更适合儿童在平时的生活中独立完成体温测量[6]。
1.2课题的研究现状与发展趋势
1.2.1研究现状
在日常生活中，测量体温的仪器主要有水银温度计，电子体温仪两种。
水银体温计应该是人们接触最早的一款体温测量仪器，它是根据水银的热胀冷缩性质，通过读取刻度值来判断温度值，然而它有着诸多缺点，比如在使用过程中，仪器必须要和被测量者接触，而且最终测量结果的产生需要较长的时间[7]；仪器是很薄的玻璃管，所以其极易破碎，同时水银蒸汽（汞）是一种具有强烈毒性的物质，对人体有着巨大的危害，如果不小心飞溅出来，造成人身危害，发生非常严重的事故。
由此可见，水银体温计对于特殊群体，尤其是儿童有着非常大的局限性[8]。
另一种温度计是之后出现的电子温度计，它是利用了半导体电阻随温度变化而变化的特征，通过液晶显示器来显示人体的温度，其最大的不足之处在于最终的显示值的准确度会受电子元件与电池供电状况等因素的影响，从而不利于体温的准确测量。
总的来说，传统的测温计还是存在着一些难以克服的缺陷[9]。
当今社会，红外测温技术已在工业、石化、农业、医学、安全监控与防和科学研究等领域被广泛地应用，衍变成自动控制、在线监测、非接触测量、设备故障诊断、资源勘查、遥感测量、环境污染监测分析、人体医学影像检查等重要方法[10]。
在传统的测温系统中注入现代科技的元素，它所具备的响应时间快、非接触、使用安全与使用寿命长等优点，较传统温度仪器更加能满足人们生活生产的需求，必定会占领相当大的市场，受到人们的青睐[11]。
1.2.2发展趋势
根据世界预测公司Frost&Sullivan的预测，世界温度传感器市场将由1998年的17.4亿美元增长到2012年的3386亿美元，这一增长速度还将持续[14]。
将温度传感器作成一个测温仪器，其价值至少增长10倍，而作成一个测量控制系统，其价值至少增大20倍。
按这个情况下去，如果能占领市场的1%，就是30亿美元！
由此可见，红外测温仪的未来发展前景一片光明[14]！
近20年来，我国的红外测温技术得到迅速的发展,并逐步应用于医疗、工业等领域，比如红外检测技术，它是一种在线监测不停电式高科技检测技术，能对电气设备的故障缺陷与绝缘性能做出可靠的预测，满足了现代电力企业对电力系统的可靠运行的要求[15]。
红外检测技术的应用，对提高电气设备的可靠性与有效性，提高运行经济效益，降低维修成本都有很重要的意义。
另外,红外测温技术还可用于炉温检测、压延钢板的温度分布的测定等。
2红外数字显示测温系统硬件电路设计
2.1红外数字显示测温系统基本原理与构成
2.1.1红外数字显示测温系统基本原理
本系统通过红外测温传感器TN9收集红外辐射能量，单片机对传感器读取数据，数据经过单片机进行处理，再传送到液晶显示器上，显示温度值。
当温度值大于初始设置的上限值时，红色的LED灯亮并且蜂鸣器发出报警声，提示人们温度过高；当温度值小于初始设置的下限值时，绿色的LED灯亮并且蜂鸣器发出报警声，提示人们温度过低；当温度处于下限值与上限值之间时，正常显示温度，黄色灯亮。
按键按钮能够设置温度上限值和下限值。
本设计只需要将红外探测头对准人的头部，就能测量出人体的温度，显示在屏幕中。
2.1.2红外数字显示测温系统构成
本系统的硬件电路设计以STC89C52单片机为核心，外围主要包括：
TN9红外传感器模块，LCD1602显示模块，功能按键、晶振电路和复位电路组成。
如图2-1所示。
STC89C52
单片机
红外测温模块
功能按键
LCD1602
液晶显示器
复位电路
晶振电路
图2-1系统整体框图
2.2单片机的主控电路设计
2.2.1STC89C52芯片简介
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52单片机引脚结构如图2-2所示。
图2-2STC89C52结构图
STC89C52单片机芯片的引脚介绍如下：
管脚1～8：
P1口，8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。
管脚9：
RESET复位键，单片机的复位信号输入端，对高电平有效。
当进行复位时，要保持RST管脚大于两个机器周期的高电平时间。
管脚10，11：
RXD串口输入TXD串口输出。
管脚12～19：
P3口，P3.2为INT0中断0 ，P3.3为INT1中断1，P3.4为计数脉冲T0，P3.5为计数脉冲T1，P3.6为WR写控制，P3.7为RD读控制输出端。
管脚21～28：
p2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。
管脚29：
psen片外rom选通端，单片机对片外rom操作时29脚（psen）输出低电平。
管脚30：
ALE/PROG地址锁存器。
管脚31：
EArom取指令控制器高电平片取低电平片外取。
管脚32～39：
P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）与数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。
管脚40：
电源+5V。
2.2.2系统主控电路
在本系统的设计中，从价格，熟悉程度以与满足系统的需求等方面考虑采用了51系列STC89C52单片机。
单片机为整个系统的核心，控制整个系统的运行，其接口电路如图2-3所示。
图2-3STC89C52接口电路
STC89C52单片机连接系统的各个模块，P0口接上LCD1602显示器模块的数据线，P2.0和P2.1作为LCD1602的控制信号；P1.0，P1.1接两个LED指示灯；P1.5，P1.6，P1.7接红外测温模块；P3.4，P3.5，P3.6，P3.7接4个功能按键。
由于P0口为开漏式，只有一个模式管，故在设计中加了一个上拉电阻J2，为的是增加P0口的驱动能力。
2.3红外温度传感器模块电路的设计
2.3.1TN901红外测温模块
TN901红外传感器输出的是数字信号，TN901传感器芯片管脚如图2-4所示：
图2-4TN9红外测温模块接口
管脚5是V为电源引脚VCC，VCC一般为3V到5V之间的电压，一般取3.3V；管脚4为D是数据接收引脚，没有数据接收时D为高电平；管脚3为C为2KHzClock输出引脚；管脚2为G是接地引脚；管脚1是A为测温启动信号引脚，低电平有效。
2.3.2红外测温原理
红外能量是由00K以上的物质发射的。
红外辐射是电磁频谱的一部分，其频率介于可见光和无线电波之间。
频谱的红外部分的波长从0.7微米到1000微米（微米）。
如图1。
在此波段，仅仅0.7微米到20微米的频段被用于实际的、日常的温度测量。
这是因为当前工业可用的红外探测器还没有灵敏到可以检测到当波长超过20微米时可得到的极少量的能量。
虽然红外辐射对人眼来说是不可见的，但是在处理测量原理和考虑应用时把其当作是可见的这一点是很有用的，因为在很多方面其表现与可见光相似。
红外能量从源头直线传播，且在其传播过程中能被物质表面反射和吸收。
在对人眼来说不透明的最坚固的物体这一情况下，撞击物体表面的红外能量一部分将被吸收，一部分被反射。
被物体吸收的能量，其中的一定比例将重新发射出来，一部分在部被反射。
这种情况也适用于对眼睛来说透明的物质，如玻璃，气体和薄的，透明塑料，但是，此外，红外能量的一部分也将穿过该物体。
上述情况如图2所示。
这些想象统统归结于被称作物体或物质的发射率。
不能反射或传播任何红外能量的物质被称作是黑体或认为在自然界是不存在。
然而，为了理论计算，真正的黑体被赋予了1.0值。
在现实生活中可以实现黑体发射率最接近的值1.0的是红外不透明的、带有管状入口的球形空腔，如图3所示。
这样一个球体的表面将有0.998的发射率。
各种不同的物质和气体有着不同的发射率，因此，对于一个给定的温度将会发出不同强度的红外线。
物质或气体的发射率是其分子结构和表面特性的功能表现。
这通常不是颜色的功能，除非颜色来源对于物质材料主体来说是一种完全不同的物质。
该情况的一个实际例子是加入了大量铝的金属漆。
大多数漆不论其颜色如何都有着一样的发射率，但是铝有着不同的发射率，因此，这会改变金属漆的发射率。
就如可见光的情况一样，表面磨得越光滑，表面就能反射越多的红外能量。
因此物质的表面特性也将影响其发射率。
对于其本身发射率低的红外不透明物质的温度测量中，这一点是最重要的。
因此，高度抛光的不锈钢片将拥有比同一块粗糙的，加工表面低得多的发射率。
这是因为加工创造的凹槽尽可能多的阻止了红外能量的反映。
除了分子结构和表面状况，明显影响物质或气体发射率的第三个因素是传感器的波长敏感度，被称作是传感器的光谱反应。
如前所述，仅有介于0.7微米和20微米之间的红外波长被用于实际的温度测量。
在这整个波段，各个传感器只能工作于其中的一小波段，如0.78微米到1.06微米，或4.8微米到5.2微米。
红外测温传感器是接收目标物体的热辐射并转换为电信号的器件。
所有物体都会发出红外线能量。
物体越热，其分子就愈加活跃，目标辐射波长越短，它所发出的红外线能量也就越多。
红外温度模块中的光学装置，可以收集物体的辐射红外线能量，并把该能量聚焦在探测器上。
能量经探测器转化为电信号，并被放大、显示出来。
由普朗克黑体辐射原理：
E=Aσε1ε2（T14—T24）
A—光学常数
E－辐射出射度
σ－斯蒂芬-波尔兹曼常数
ε1－被测对像的辐射率
ε2－红外温度计的辐射率
T1－被测对像热力学温度K
T2－红外温度计热力学温度K
通过红外传感器接收到的能量峰值信号，经过单片机即可计算出目标温度。
探测器输出的信号与目标温度呈非线性的关系，所以需要对其进行线性化处理。
线性化处理后得到物体的表观温度，然后对其进行辐射率修正，转化成真实温度，由于调制片辐射信号的影响，还需作环温的补偿，即真实温度加上环温才能最终得到被测物体的实际温度。
2.3.3红外测温模块的工作时序
TN9红外传感器向单片机发送一帧数据共有5个BYTE组成，如表2-1所示：
表2-1信息格式
Item
MSB
LSB
Sum
CR
单片机在时钟的下降沿接收数据，一次温度测量需接收5个字节的数据，这五个字节中：
Item为0x4c表示测量目标温度，为0x66表示测量环境温度；MSB为接收温度的高八位数据；LSB为接收温度的低八位数据；Sum为验证码，接收正确Sum=Item+MSB+LSB；CR为结束标志，当CR为0x0dH时表示完成一次温度数据接收。
2.3.4红外测温模块温度值计算
无论测量环境温度还是目标温度，只要检测到Item为0x4cH或者0x66H，同时检测到CR为0x0dH，它们的温度计算方法都一样。
计算公式为：
实际温度值=temp/16-273.15。
其中273.15为华氏转摄氏的单位转换差值。
Temp（MSB*256+LSB得出来的值）为十进制，当把它转换成十六进制时高八位为MSB，低八位为LSB；比如MSB为0x10H，LSB为0x2bH，则Temp为十六进制时是0x142bH，十进制时是5163，则测得实际温度值为5163/16-273.15=49.537℃。
2.3.5红外测温模块电路
本系统采用的是TN9红外模块，该模块不需要增加另外的A/D转换电路，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，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2-5所示：
图2-5TN9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，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。
2.4LCD1602显示电路设计
2.4.1LCD1602显示器简介
在本系统中，需要将实时时钟与测量出来的温度值显示出来，LCD显示器的微功耗，体积小，显示容丰富，超薄轻巧的诸多优点非常符合系统需求。
本次使用的LCD1602显示器模块为5×7点阵图形来显示字符的液晶显示器，带ASCII字符库。
LCD1602模块部可以完成显示扫描，单片机只要向LCD1602发送命令和显示容的ASCII码。
LCD1602显示器的工作电压为4.5～5.5V，在本系统中，采用的电压为5V，字符尺寸为2.95×4.35（WXH）mm。
LCD1602显示芯片引脚如图2-6所示：
图2-6LCD1602芯片引脚图
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度或者直接接地。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
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。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15～16脚：
空脚。
LCD1602液晶显示器寄存器选择控制如表2-2所示。
表2-2寄存器选择控制表
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器D0~D7
0
1
读取输出的D0~D7的状态字
1
0
写入数据寄存器D0~D7
1
1
从D0~D7读取数据
开始时初始化E为0，然后置E为1，再清0。
读取状态字时，注意D7位，D7为1，禁止读写操作；D7为0，允许读写操作。
所以对控制器每次进行读写操作前，必须进行读写检测。
2.4.2LCD1602显示电路
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2-7所示：
图2-7LCD1602显示电路图
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；通过单片机的P0.2口控制，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P0.4口控制。
图3-6中的R25是一个10K欧姆的滑动变阻器，通过改变它的数值，可以调节显示器的对比度。
2.5按键电路的设计
本次设计的系统需要通过按键开启红外测温功能，LCD1602上能对实时时钟进行调整，比如数字的加和减以与调整完之后的确认，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2-8所示：
图2-8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0:
对温度上限值和下限值进行设置
按键1：
在跳针的情况下，实现“加”功能；
按键2：
在跳针的情况下，实现“减”功能；
按键3：
确定键，对温度设置之后，退出设置界面。
2.6系统其它硬件电路
2.6.1系统的电源电路
电源电路原理图如图2-9所示：
图2-9电源电路接口
系统使用的电源有两种:
3.3V和5V，由外部引入。
2.6.2系统晶振电路
STC89C52单片机引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器与电容1、C2的连接如图2-10所示：
图2-10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。
C1，C2这两个电容叫晶振的负载电容，接法如上图所示，大小为20pF，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0.5,一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。
2.6.3复位电路的设计
本设计所采用的复位电路是通过按键实现复位功能。
如图3-11所示，在电源接通瞬间，电容C7上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C7足够大，可以保证RST高电平有效时间大于2个机器周期，达到复位效果。
手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。
当复位按键按下后，RST端的电位由R19与R15分压比决定。
由于R19<R19的作用在于限制按键按下瞬间电容C7的放电电流，避免产生火花，以保护按键触电。
图2-11复位电路原理图
3系统软件设计
3.1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。
3.2系统软件设计要求与任务
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、功能按键模块、显示模块等子程序。
3.3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，进行红外测温，显示测量温度，对4个功能按键进行扫描处理，看是否有按键0按下，如果有设置上限下限值；如果没有，则正常的显示温度。
结束。
主程序流程图如图3-1所示。
显示温度
按键扫描处理
显示温度
设置？
结束
上限下限值设置
开始
图3-1系统主流程图
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