《基于單片機的無線紅外測溫槍設計》6900字【論文】

基于單片機的無線紅外測溫槍設計摘要近年因為受到疫情的影響，體溫計的作用越來越大，而水銀體溫計有著與人體接觸，測量方法麻煩，測量時間長等缺點，所以一個非接觸的，測量方法簡便的體溫計就顯得非常有必要。本次設計的是一個以STC89C52單片機為核心，TN901傳感器進行測量，通過蜂鳴器報警，并將溫度顯示在液晶顯示屏上的無線測溫槍。通過模塊化的設計方法簡化系統(tǒng)設計難度，最后進行調試分析，滿足設計要求，本設計操作簡單，容易上手，能夠滿足大部分需要體溫測量的場合的需求。關鍵詞:無線測溫，單片機，非接觸，紅外線目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 I1概述 11.1研究背景 11.2研究意義及內容 11.3系統(tǒng)設計要求 22.系統(tǒng)設計方案和元件選擇 22.1紅外測溫原理 22.2系統(tǒng)設計方案 32.3系統(tǒng)主要元器件 33.無線測溫槍系統(tǒng)硬件設計 63.1單片機處理模塊 63.2紅外測溫模塊 73.3電源模塊 83.4報警模塊 83.5LCD1602顯示模塊 93.6按鍵模塊 104.無線測溫槍系統(tǒng)軟件設計 114.1主程序模塊的設計 114.2紅外測程序模塊 114.3顯示程序模塊 124.4按鍵模塊 135.系統(tǒng)調試和結果分析 145.1硬件調試 145.2軟件調試 145.3功能調試 155.4結果分析 165.5誤差分析 176.總結 18參考文獻 191概述1.1研究背景近幾年來，因為疫情的出現(xiàn)，國家對于各種公共場所的人員身體健康的排查越來越看重，這使普通群眾對自身身體狀態(tài)越來越重視，對經(jīng)常出入的公共場所的人員流動情況也格外關注。人體體溫是體現(xiàn)人們身體狀態(tài)的一個非常關鍵的數(shù)據(jù)，因此測量體溫成為了一個排除疫情隱患，判斷患者身體狀態(tài)的有效辦法。所以能夠精確、便捷的體溫計能夠有效避免疫情擴散。平時常見的測量人體體溫的方法有兩種，一種是接觸式的測量方法，一種是非接觸式的測量方法。[1]平時用的最多的普通的水銀體溫計就是接觸式的測量方法。它的準確度高達0.1℃，但是它通常需要和人們的腋下以及口腔接觸，這樣就非常容易傳染病毒，每次測量之前都要消毒，較為麻煩，且測量時間也相對較長，不適合人流量大，范圍廣的地方進行檢測。所以在商場等人員流動頻繁的公共場所，需要一種能快速準確的非接觸式的無線測溫設備。自從兩百多年前科學家赫謝爾發(fā)現(xiàn)了紅外線之后到現(xiàn)在，紅外技術也度過了漫長的發(fā)展過程。雖然人們在紅外技術領域的探究已經(jīng)有兩百多年的歷史了，但是這期間紅外技術的發(fā)展特別緩慢。一直持續(xù)到60年前左右，正統(tǒng)的現(xiàn)代化紅外技術才得以出現(xiàn)。最近20年，非接觸紅外測溫在技術上取得了飛速發(fā)展，性能也在不斷地更新完善，功能也得到了極大的增強，適合使用的場景也是越來越多，市場也在占有率逐年增大。較一般的接觸式的測溫方法而言，紅外測溫有著測量時間短、無需與身體接觸、測量范圍廣以及可使用時間長等優(yōu)點。我們國家的紅外技術的發(fā)展時間比較短，一直到03年非典的大規(guī)模爆發(fā)，才誕生了一支抗擊非典的專業(yè)醫(yī)療團隊，特別是對使用紅外技術檢測體溫的研究獲得了突出性的成績。國家也在強調非接觸式測溫技術以及設備研發(fā)的重要性。而在近年的新冠疫情中，非接觸式測溫器防疫檢測工作中也起到了非常關鍵的作用。1.2研究意義及內容人體溫度作為最基本的身體狀態(tài)的數(shù)據(jù)，在日常疫情防控以及醫(yī)學觀察方面都有著非常重要的地位，部分病情都需要通過體溫的改變進行觀察和防護，因此能夠測量體溫的儀器在醫(yī)學上有著關鍵作用。測溫器不僅在醫(yī)學方面應用廣泛，消防工作人員在工作時也需要掌握自身溫度變化，當他們在實施搶救過程中體溫過分升高，就要快速撤離，以免發(fā)生事故。體溫測量還可以用于軍事，部隊訓練時必須實時監(jiān)測展示的體溫，這能使訓練在更好的狀態(tài)下進行，從而提高訓練效果。因此，在大部分領域都會使用到體溫測量設備，做到對體溫的實時準確的測量。無線測溫槍系統(tǒng)主要分為兩個模塊：硬件部分和軟件部分。硬件部分包括單片機主控部分、測溫部分、按鍵部分、電源部分、報警部分和顯示部分。軟件部分包括主程序部分、紅外測溫部分、報警部分和顯示程序部分。1.3系統(tǒng)設計要求無線測溫槍是以單片機為中心，通過傳感器收集溫度且做出相關的處理之后，再傳輸?shù)絾纹瑱C進行相應的處理，最后由液晶顯示屏顯示出得到的測量結果。當測得的溫度不在正常的體溫范圍里時，蜂鳴器會發(fā)出報警。根據(jù)設計的相關要求了解無線測溫槍的工作原理，同時也要了解無線測溫槍的兩個主要模塊：由測溫器TN901組成的測溫部分和通過單片機進行數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)出命令的控制模塊。系統(tǒng)設計方案和元件選擇2.1紅外測溫原理無線測溫槍的所使用的測溫設備是TN901傳感器,該測溫器使用的是紅外測溫，紅外測溫主要依靠的是物體的熱輻射，任何物體每時每刻都會向外界散發(fā)熱輻射，物體本身表面的溫度越高，向外界發(fā)散的輻射也就越強。不同的溫度對應著不同的輻射波長，通過測溫器測得的波長的不同就可以計算出測量物的溫度值。這種紅外測溫快捷方便，但是容易受到外界環(huán)境的影響，如空氣濕度，環(huán)境溫度，所以在使用時要多加注意，盡量減少外界環(huán)境的影響，測量溫度時也不能距離測量目標太遠，避免測量誤差過大。2.2系統(tǒng)設計方案本設計中無線測溫槍設計總體設計思想是將整個系統(tǒng)簡化成幾大模塊，先對各個模塊分別設計，最后再把這些模塊整理集合。單片機作為整體系統(tǒng)的主控中心，搭配測溫器，電源，按鍵，液晶顯示以及蜂鳴器組成。單片機作為測溫槍系統(tǒng)的主控中心，負責處理其他模塊信息和數(shù)據(jù)的輸入和輸出，并對它們發(fā)出必要的指令。測溫器將測量得到的數(shù)據(jù)通過接口傳輸給單片機，單片機將這些數(shù)據(jù)進行處理計算得到溫度值，然后再把得到的溫度值傳輸給顯示模塊，通過液晶屏直接顯示給觀測者。當溫度值超過設定好的預警值時，就會通過報警部分讓蜂鳴器開始工作。當按鍵部分的按鍵被按下時，單片機就會獲得對應的鍵值，通過鍵值進行判斷并做出相應操作。2.3系統(tǒng)主要元器件2.3.1STC89C52單片機單片機是無線測溫槍的核心元器件，它是整個系統(tǒng)中最重要的部件，對儀器整體的性能指標都有重要的影響，所以它的選擇需要特別慎重。該測溫槍選擇的是STC89C52RC單片機，該單片機的有關資料如下：STC89C52RC單片機是宏晶公司旗下的一個在功能上可以完全取代普通的51單片機，同時他還具有一般51單片機所沒有的功能和優(yōu)點。他能完全兼容普通51單片機的所有指令代碼，運行速度也遠遠大于51單片機，同時他還具有EEPROM功能。該單片機擁有著ISP特性，這種特性可以幫助用戶在不使用通用編輯器的情況下也能下載并燒錄程序，用戶可以通過STC提供的專門下載ISP的軟件STC-ISP.exe來下載燒錄程序，這種方法方便快捷，加快了設計速度。該單片機不能使用通用編輯器防止單片機內部的ISP引導程序被消除，導致單片機不能通過STC-ISP.exe進行下載燒錄程序。這個特性有助于提高設計的速度，減少一部分軟件故障危險。STC89C52單片機還有增強型6以及12兩種時鐘/機器周期可以選擇。圖2-1該單片機的引腳圖：圖2-1SCT89C52單片機引腳圖2.3.2TN901測溫器在現(xiàn)在那么多的紅外測溫設備產品中，在眾多產品中選擇一款適合的紅外測溫器也是一個非常重要的事情。選擇紅外測溫設備時，優(yōu)先考察的是元器件的以下幾個性能方面的因素:能夠測量到的光譜的范圍、測量響應的速度、實際能達到測量范圍以及測量對象的溫度范圍。本設計選擇的使TN901傳感器作為系統(tǒng)中測溫器的選擇，該測溫器使用的是紅外測溫，測量精度高，且測量速度較之其他測溫器也有一定的優(yōu)勢，同時該測溫器內部擁有溫度補償并且可以對測量數(shù)據(jù)做線性處理。[4]這些都大大降低了本系統(tǒng)的設計難度。該測溫器的測量范圍大概為1m，測量所需的反應時間大概為0.5s。因為該測溫擁有SPI口，向單片機傳輸溫度數(shù)據(jù)時也是非常方便的。有關資料如下：圖2-2紅外測溫傳感器引腳圖TN901測溫器的引腳圖如上圖2-2，上面的電源連接引腳為V，一般情況下電源是3-5V的電壓范圍，通常取3.3V；D是數(shù)據(jù)接收引腳，在沒有數(shù)據(jù)通過單片機傳輸過來時D是高電平；C是輸出引腳；G是接地引腳；A是接收測溫開始的命令的引腳，在低電平時有效。2.3.3顯示器、按鍵、報警器本系統(tǒng)選擇的是1602液晶顯示器，它具有功耗低，顯示量大，顯示速度快等優(yōu)點。它能夠同時顯示兩行字符數(shù)據(jù)，每行可以顯示16個字符。按鍵選擇的是機械按鍵中的非編碼鍵盤，因為無線測溫槍中需要的按鍵數(shù)量不是太多，所以選擇的是獨立鍵盤，單片機能夠通過不同按鍵獲取不同鍵值，從而進行各種操作。報警器選擇的是蜂鳴器聲光報警，當蜂鳴器在發(fā)出警報的同時也會有燈光亮起。無線測溫槍系統(tǒng)硬件設計在設計無線測溫槍時采用的設計方法是模塊化的設計方法，把系統(tǒng)劃分為六大模塊，這樣能讓一整個復雜的系統(tǒng)分割為一個個簡單易懂的部分，先對它們分別進行處理，最后再連接這些模塊。通過這種簡單化的方法，使得系統(tǒng)設計的難度獲得了大幅度降低，加快了我們設計的速度。3.1單片機處理模塊STC89C52單片機作為系統(tǒng)的主控中心，需要對測溫器下達測溫命令并對它傳輸過來的測量得到的數(shù)據(jù)做出回應，計算出溫度值后再傳輸帶顯示模塊。同時單片機模塊還要通過按鍵模塊判斷操作并執(zhí)行。圖3-1為單片機處理模塊的電路原理圖圖3-1單片機處理模塊電路圖3.1.1復位電路圖3-2單片機復位電路圖圖3-2是復位電路圖，單片機能夠通過復位電路把系統(tǒng)調整到最開始的起始狀態(tài)，它的用處就和清零一樣，可以幫助系統(tǒng)回到最開始沒有進行操作的清零狀態(tài)。系統(tǒng)進行復位一般有兩種方法，一種是上電，另一種是按鈕，無線測溫槍采用的是按鈕復位方式。只有當10ms以上的高電平出現(xiàn)在RST引腳時才會進行復位，這么做是因為能夠方便在不同情況下選擇是否進行復位。3.1.2晶振電路圖3-3單片機晶振電路圖晶振電路如圖3-3所示。晶振電路通常都是將兩個晶振接在一個反相放大器的兩側，這樣可以防止晶振被過度驅動。然后再用兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容都需要接地。晶振電路通過配合單片機里面的自己的電路可以產生它工作時所需要的時鐘頻率，單片機所有的指令的精確的完成都需要它的存在，單片機運行的速度和時鐘頻率的大小也是成正比的，頻率越高，速度也就越快。一般情況下為了確保系統(tǒng)各部分在工作時保持同步，都是一個系統(tǒng)共用一個晶振。3.2紅外測溫模塊測溫模塊采用的是TN901測溫器，該測溫器使用的是非接觸式紅外測溫，沒有傳統(tǒng)測溫器需要接觸的問題。圖3-4是紅外測溫模塊電路圖：圖3-4紅外測溫電路圖其中VCC是電源電壓引腳，電壓范圍是3-5V；DATA是數(shù)據(jù)接收引腳，接單片機P2.0口，沒有數(shù)據(jù)輸入時DATA是高電平；CLK是2KHz的脈沖輸出引腳，接單片機的P2.1口；GND為接地引腳；ACK是測溫啟動引腳，接單片機的P2.2口,低電平時有效。3.3電源模塊電源模塊電路如圖3-5單片機內部電壓時5V，并且無線測溫槍其他模塊的電壓均為5V，可將外部電壓轉換5V，確保測溫槍個模塊可以正常工作。圖3-5電源模塊電路圖3.4報警模塊當測量溫度高于最高溫度預警值或低于最低溫度預警值時，單片機向蜂鳴器輸出信號，蜂鳴器報警。圖3-6報警模塊電路圖3.5LCD1602顯示模塊LCD1602是一種生產中常用的字符液晶屏，可以在同一時間兩行信息，兩行都可以顯示16個字符的內容。它是一種只能顯示字母數(shù)字以及符號的點陣型液晶屏，可以同時顯示兩行，每個位置都可以顯示一個字符，每個字符之間有一個點距的距離，每行和每行的中間也都是有一定的間隔。LCD1602有14腳無背光或者16腳有背光接口兩種，本設計使用的是16有背光。1引腳GND是接地引腳；2引腳VCC是電源引腳；3引腳VO是液晶顯示偏壓信號，接正電源是對比度較弱，接地是對比度最高，通常接一個10K的電位器調整對比度；4引腳RS是寄存器選擇端，接單片機P1.0，高電平時為數(shù)據(jù)寄存器，低電平時為命令寄存器；5引腳RW時讀寫選擇端，接單片機P1.1，高電平時進行讀，低電平時進行寫；6引腳E是使能端，接單片機P1.2，高電平時讀取數(shù)據(jù)，下降沿時執(zhí)行命令；7-14引腳是8位雙向傳輸數(shù)據(jù)端，分別接單片機P0.0-P0.7。15引腳VCC是背光電源引腳；16引腳GND是接地引腳。圖3-7顯示模塊電路圖3.6按鍵模塊圖3-8按鍵模塊電路圖該模塊共有三個按鍵，其中S2接單片機P3.5口，功能是增大預警值；S3接單片機P3.6口，功能是減小預警值；S4接單片機P3.7口，功能是選擇最大預警值或最小預警值。無線測溫槍系統(tǒng)軟件設計4.1主程序模塊的設計電源開關打開，1602液晶顯示先進行初始化，然后定時器也會在此時進行。緊接著先是判斷有沒有按鍵輸入，如果有，那能夠通過按鍵選擇最大預警值或最小預警值，并調節(jié)他們的大?。蝗绻麤]有按鍵輸入則進入下一步，進行溫度的采集和讀取，然后通過1602顯示測量得到的溫度值，單片機再通過中斷程序讓測溫模塊不再接收紅外信號。接著對溫度值進行判定，如果溫度在預警值范圍內，則進入下一個循環(huán)，如果溫度不在預警范圍，蜂鳴器發(fā)出報警，然后進入下一個循環(huán)。圖4-1主程序流程圖4.2紅外測程序模塊該模塊程序開始時，會先定義一個字符型數(shù)組，用來存放測溫數(shù)據(jù)。單片機通過P2.2口控制測溫器ACK引腳置低電平，開始測量，并通過P2.1口控制CLK引腳產生脈沖，當脈沖為下降沿時讀取數(shù)據(jù)并一位一位從DATA引腳輸出到單片機，最后判斷四個字節(jié)，當?shù)谝粋€字節(jié)為0x4c且第四個字節(jié)為0x0d時計算溫度值；若不是，則重新讀取數(shù)據(jù)。圖4-2紅外測溫流程圖4.3液晶屏程序模塊使用1602時，為了保證該部分的正常工作，開始時必須進行初始化。這個部分一般情況下有兩種方法一個是通過顯示屏自己里面的電路進行這個工作，二是軟件復位，本設計選擇的是第二種方法。初始化結束后進入功能設置，設置8位操作2行顯示5x7點陣；然后顯示關閉，進行清屏；接著設置AC光標等輸入方式，光標AC移動方向并判斷整體顯示有沒有移動；接著寫入數(shù)據(jù)到自編字庫，然后再進行地址設置，改變顯示位置，重復該步驟直到數(shù)據(jù)完畢。圖4-3液晶顯示程序流程圖4.4按鍵模塊因為本設計中所需的按鍵較少，所以選擇非編碼鍵盤中的獨立鍵盤。但是獨立鍵盤有一定的抖動問題，為了保證單片機對一次按鍵只做一次回應，需要通過延遲來抵消抖動的影響，執(zhí)行過延遲之后，再讀取鍵狀態(tài)。圖4-4按鍵程序流程圖5.系統(tǒng)調試和結果分析按照電路圖焊接之后，要先檢查線路連接是否正確，調試時應該按照模塊的劃分進行調試，之后再進行硬件總體調試，確保沒有問題后再進行這個設計系統(tǒng)聯(lián)調。軟硬件調試之后還需要進行功能調試，確保測溫槍能正常工作，最后再進行結果分析。5.1硬件調試本設計采用的是外接電源，設備通電之前應該先確保設計的各個元器件沒有損傷以及是否存在虛焊，再使用萬用表檢查總電源和地之間有沒有短路，之后檢查各模塊電源連接和接地有沒有問題。同時也要檢查單片機各接口功能是否正常。通電后快速檢顯示屏是否工作，其他元器件有沒有發(fā)熱現(xiàn)象。若電路連接和元器件都沒有問題，打開開關，顯示屏亮起，蜂鳴器有反應。圖5-1通電調試圖5.2軟件調試調試程序時應該先把每一部分的程序分別進行運行調試，然后再進行整體程序的調試。本設計在程序的編輯階段使用的是keil，在調試時同樣可以使用該軟件進行軟件仿真調試，keil的軟件仿真能查看寄存器，從這些寄存器值能夠了解代碼是否正常運行。圖5-2keil軟件仿真調試具體操作步驟要先在工程設置里選好單片機芯片以及晶振頻率。然后在“Debug”選項中選擇“USESIMULATOR”選項，這樣可以直接跳轉到main函數(shù)進行仿真。圖5-3單片機芯片選擇圖5-4晶振頻率選擇5.3功能調試5.3.1按鍵功能調試板子左下方三個按鍵從右到左分別為選擇鍵，減小鍵，增大鍵。選擇鍵可以選擇最大預警值和最小預警值或取消選擇，增大鍵和減小鍵用來調節(jié)預警值大小，顯示屏第二行H表示最大預警值，L表示最小預警值當按下選擇鍵后，預警值開始閃爍，此時就可以調節(jié)預警值。如圖5-5。5.3.2測溫功能調試將測量物放在板子右上方的測溫器前方就可以開始測量，未開始測量時，顯示屏第一行temp顯示的是環(huán)境溫度，開始測量后顯示的則是目標溫度，此時測量完成。如圖5-6顯示。圖5-5按鍵功能調試圖5-6測溫功能調試5.3.3報警功能測試當測得的目標溫度大于最高預警值或者小于最低預警值時，蜂鳴器開始報警，紅燈亮起，直到不再測量或者目標溫度回到正常范圍內。如圖5-7.圖5-7報警功能調試5.4結果分析用測溫槍與普通水銀溫度計分別進行測量，測得數(shù)據(jù)如下表測量目標普通水銀體溫計無線測溫槍溫水30.530.3甲36.536.4乙36.336.3丙36.736.5表5-1測量的數(shù)據(jù)通過與普通體溫計的比