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学位论文
基于单片机的红外温度计系统
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提交日期：2017年月日
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摘要
随着社会的进步和发展，人们越来越重视身体健康，同时技术的进步，各种现代化电子设备在各个领域应用越来越广，电子计算机也越来越普及，在医疗领域，温度计应用非常广泛，但是传统的温度计读数不准，温度示数读取不方便，特别是一些老人，更是不能独自使用传统温度计，针对这种情况，本课题设计研究了一款基于单片机的红外温度计。该系统的主要功能是通过红外传感器非接触检测人体温度，根据软件中对报警温度的设置，检测的温度超过37度，蜂鸣器就会报警。系统的硬件组成部分主要包括单片机控制器，非接触式TN901红外测温传感器、lcd1602液晶显示、蜂鸣器电路等部分。软件部分是利用单片机C语言编程，C语言入门简单，编程效率较高，方便移植，复用性良好，系统软件编程均为函数化设计，方便了功能逻辑实现。当系统开始工作时，传感器采集的信号传送到单片机中，单片机经过处理后，将温度信息显示在液晶上。利用该系统能够方便的检测人体温度，具有方便快捷的优点，在电子设备迅速普及应用的今天，该系统具有广泛的实际应用价值，在后期逐渐完善功能后，通过进一步推广，能够带来可观的经济效益。
关键词：红外传感器，单片机，蜂鸣器电路，液晶显示
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ABSTRACT
With the social progress and development, people pay more and more attention to health at the same time, the progress of technology, modern electronic equipment used in various fields more and more widely, computer is more and more widely used in the medical field, the thermometer is widely used, but the traditional thermometer temperature allowed, shows the number of reads is not convenient, especially some the old man is not alone, the use of traditional thermometer, in view of this situation, the design of an infrared thermometer based on mcu. The main function of the system is to detect the human body temperature by non-contact infrared sensor, according to the setting of the alarm temperature in the software, the detection temperature of more than 37 degrees, the buzzer will alarm. The hardware of the system mainly includes MCU controller, non-contact TN901 infrared temperature sensor, LCD1602 LCD display, buzzer circuit and so on. Part of the software is the use of single-chip C language programming, C language entry is simple, high programming efficiency, easy to transplant, good reusability, system software programming are functional design, facilitate the realization of functional logic. When the system starts to work, the signal collected by the sensor is transmitted to the microcontroller, and the temperature information is displayed on the lcd. The system can detect the temperature of the human body has the advantages of convenient, fast and convenient, rapid popularization and application in electronic devices today, the system has a broad application value in the later gradually improve the function, through further promotion, can bring considerable economic benefits.
Keywords: infrared sensor, MCU, buzzer circuit, liquid crystal display .页脚
目录
摘要 ............................................................. I ABSTRACT .......................................................... II 目录 ........................................................... III 第一章引言 .. (1)
1.1研究背景和意义 (1)
1.2体温计发展现状 (1)
1.3本课题的研究容 (1)
1.4本文结构 (2)
第二章设计方案 (3)
2.1主控芯片设计方案 (3)
2.2显示电路设计方案 (3)
第三章硬件电路设计 (5)
3.1系统结构 (5)
3.2主控芯片电路 (5)
3.2.1 单片机概述 (5)
3.2.2 单片机的构成特性 (6)
3.2.3 晶振电路 (7)
3.2.4 复位电路 (8)
3.3液晶显示电路 (9)
3.4系统USB电源电路 (11)
3.5红外传感器电路 (12)
第四章软件设计 (13)
4.1主程序软件设计 (13)
4.2液晶显示设计 (14)
4.2红外测温软件设计 (16)
4.3液晶驱动流程图.................................. 错误!未定义书签。第五章调试结果分析 .. (18)
5.1硬件调试 (18)
5.1.1 排除元器件失效 (18)
5.1.2 排除电源故障 (18)
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5.2软件调试 (19)
第六章结论 (20)
致 (21)
参考文献 (22)
附录一系统电路图 (23)
附录二主要程序代码 (24)
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第一章引言
1.1 研究背景和意义
人体温度是身体健康的晴雨表，和日常生活联系非常紧密，随着社会的进步和发展，人们越来越重视身体健康，同时技术的进步，各种现代化电子设备在各个领域应用越来越广，电子计算机也越来越普及，在医疗领域，温度计应用非常广泛，但是传统的温度计读数不准，温度示数读取不方便，特别是一些老人，更是不能独自使用传统温度计。针对这种传统温度计的缺点，本文设计了一款红外非接触式测温系统系统，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。它的响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点，更适合儿童在平时的生活中独立完成体温测量，因此具有一定的实际意义。
1.2 体温计发展现状
1714年，德国物理学家华伦海特，初期研制的体温表是把盛着酒精的玻璃管放在冰雪和盐的混合物里，看玻璃管酒精降到哪里，刻上一条线，然后把表含入口中，看酒精升到哪里，又刻上一条线。把这两条线作为固定点，再把两条线之间分成0～96°。这就是初期的体温计。后来，华海伦特把冰点定为32°，沸点为212°，发明了华氏温标。1742年又发明了0～100°的摄氏温标，从此实现了体温计的刻度标准化。1865年，英国的阿尔伯特发明了一种很有特色的体温计，特点是储存水银的细管里有一狭道，当体温计接触人体后，水银很快升到人体实际体温处，取出后水银柱不下降，而是在狭道处断开，使狭道以上部分始终保持体温度数。这种温度计受到了临床的欢迎和普及应用。但是随着科技的进步，如今，又出现了多种类型的体温计，本课题研究的红外非接触温度计是目前应用较为广泛的一种新型体温，在未来将会得到越来越广泛应用。
1.3 本课题的研究容
本课题主要研究系统的硬件组成路，软件设计，同时了解系统的研究背景和.页脚
意义，学习电子设计的硬件调试，软件编程，电路焊接等知识。该系统的主要功能是通过红外传感器非接触检测人体温度，根据软件中对报警温度的设置，检测的温度超过37度，蜂鸣器就会报警。系统的硬件组成部分主要包括单片机控制器，非接触式TN901红外测温传感器、lcd1602液晶显示、蜂鸣器电路等部分，软件部分是利用单片机C语言编程总之，通过对该系统的设计研究，了解单片机研发流程，初步积累项目开发经验。
1.4 本文结构
本文主要分六章介绍该系统设计，第一章介绍背景相关知识，中间二三章节介绍系统的总体设计，电路方案选取以及详细的电路模块知识。第四章介绍系统的软件编程的容，第五章介绍系统的调试，六章介绍系统总结和未来展望。
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第二章设计方案
根据设计要求，在设计基于单片机的红外体温计系统时，主要考虑以下几个方面。首先是系统的显示问题，选择显示器件关系到整个系统的人机交互体验。其次是主要控制芯片的选择，控制芯片是整个系统的核心，一切电路都是围绕主控芯片设计的。最后还包括其他一些传感器电路，在本系统中使用到的是质量传感器。此外，各个元器件的价格，设计资料是否丰富，软件编程难易也是考虑的因素。下面就各个电路模块的选择进行详细介绍。
2.1 主控芯片设计方案
对于红外温度计系统的控制模块，主要两种设计方案。方案一：使用ARM作为主控制器，方案二：使用单片机作为主控制器。
以ARM为核的处理器最早是由英国技术人员设计的低功耗的RISC处理芯片，ARM的全称是Acorn RISC Machine，它一般来说都是32位的，但同时也兼容16位的指令集，这种16位的处理器功耗更低，价格也很便宜，并且保留了几乎32位的所有优势。本系统在设计之初主要考虑的就是这种16位的ARM芯片。单片机（Microcontrollers）是和ARM一样，也是采用超大规模集成电路技术的控制芯片，单片机最早的应用是在工业控制领域，极提高了工业的生产效率。单片机的由来也有一段历史，最初的设计方案是将各式各样的外围电路或者设备等跟CPU 集成到一起，集成化为一个最小芯片，从而可以让计算机系统从超大型进化为小型集成化的计算机系统，进而可以非常方便地嵌入进非常复杂的并且对体积要求很高的设备中，高效地控制协调各式设备。
显然，就功能来说，二者都满足设计要求。对比单片机和ARM芯片的价格以及入门难易程度，同时也考虑到本文设计的红外温度计系统设计要求。ARM入门较为难，一般需要单片机基础知识，编程也比单片机更为复杂，价格也较贵，因此系统采用方案二，利用单片机作为主控制器。
2.2 显示电路设计方案
显示电路是本文所设计的红外温度计人机交互方式的重要组成部分。本文设计需要显示的容是温度值。显示信息包含了由于数学符号，大小写英文字母和计.页脚
算后的心率值等输出信息；目前设计中用于显示的显示器件可以选择液晶屏和数码管来实现。下面对比两种显示方式，确定本设计显示方案。
方案1：选择数码管显示。数码管的特点是显示容清晰、电路控制简单，操作简单而且价格便宜，能够满足大多数简单场合的需要。
方案2：选择LCD1602液晶显示。能够显示32个中英文字符及0~9数字。从显示容看非常丰富，只要显示中不需要显示中文，LCD1602液晶都可以满足显示的需要。
方案选择：从显示容看本设计需要显示英文、数字和数学符号，数麻管不能满足本次设计显示要求，而且数码管显示的整体功耗高于液晶显示。因此选择方案2实现系统的显示。
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第三章硬件电路设计
3.1 系统结构
根据上述电路模块方案，红外温度计系统的主控电路选用单片机芯片，显示部分采用液晶电路，外围主要包括：TN9红外传感器模块，报警电路，晶振电路电路组成，系统总体框图如下所示。
图3-1 系统结构图
3.2 主控芯片电路
3.2.1 单片机概述
本文设计的红外温度计系统采用的STC89C52单片机不是像FPGA一样完成逻辑功能的CPU，而是把CPU以及其外围的一些电路系统集成到一块芯片上，换句话说，就是将计算机集成到单片机上。可以想象，一个非常微型的、重量非常轻的、价格非常便宜的计算机将有非常大的市场空间，其应用围非常广泛，既可以用在学习单片机上，又可以应用在开发上。总之，单片机的价值是无法估量的。
单片机的由来也有一段历史，最初的设计方案是将各式各样的外围电路或者设备等跟CPU集成到一起，集成化为一个最小芯片，从而可以让计算机系统从超
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大型进化为小型集成化的计算机系统，进而可以非常方便地嵌入进非常复杂的并且对体积要求很高的设备中，高效地控制协调各式设备。从这种设计思想中INTEl 诞生了Z80型号的微控制器，并且，从这个时间点开始，单片机跟专用处理器变开始朝完全不同的方向发展，成为两种完全不同的处理器模块。
在90年代早期，当时的单片机的位数基本都是4位或者8位的，并且在当时有一款芯片由于其简单并且可靠性非常好而广受好评，这款芯片就是INTEL的8031芯片。在这款芯片的基础上，出现了各种各样性能可靠、集成化非常好的单片机以及单片机系统。此后这个单片机系统便为各大厂商所青睐，并且迅速占领各大工业控制领域，一直到目前为止，该系统还在广泛地应用于各大工业控制领域。随着科技地不断进步，工业上对于工业控制领域的要求也不断提高，已有的4位或8位系统已经不能满足当前工业控制要求，所以16位单片机系统应运而生。但是16位单片机在性价比上完全没有4位或8位的单片机有优势，所以16位单片机未能占领各大工业控制领域。从90年代开始，全球的科技技术迸发式发展，单片机的技术也随之极提高。INTEL公司开发出了32位的单片机，并且其性价比非常高，自然而然地取代了16位单片机的高端地位。32位单片机系统从次开始成为高端控制器系统。并且由于这个技术快速发展的时代，之前的八位和四位单片机的性能和可靠性也极提高了，比起八十年代刚出来地时候性能提高了百倍有余，所以8位单片机的性价比优势再一次体现出来，在一些低端的工业控制领域其完全能胜任，并且价格也非常便宜，大降低了工业生产成本。直至目前来说，32位单片机是在所有单片机家族中性能最好的一款单片机，其处理性能比起九十年代中期的专用处理器的性能有过之而无不及，其主频已经可达313MHz了。并且价格非常之便宜，单片机的出厂价格现在只要1至10美元进可以，所以成本非常地低，性价比非常之高。
3.2.2 单片机的构成特性
STC89C52单片机的组成大致包括以下几大模块：CPU、IO口、存储器件、存。这些组成跟我们自己家庭使用的台式电脑也非常相似，但是各个部分的性能肯定无法跟台式电脑相媲美，毕竟价格上单片机便宜了好几十上百倍不止。这些低端的单片机用在比较简单的应用上已经非常足够了，像我们家里使用的自动洗衣机、抽油烟机、冰箱等等，都可以看到这些单片机。当然，单片机的作用主要是核心的控制上，是作为一个系统的核心控制部分，也就是一个系统的简单的大脑。单
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片机特性如下。
●具有8位数据总线，16位地址总线的CPU；
●具有布尔处理能力和位处理能力；
●采用哈佛结构，程序存储器与数据存储器地址空间各自独立；
●具有相同地址的64KB程序存储器和64KB数据存储器；
●128字节片数据存储器；
●32根双向并可以按位寻址的I/O线；
●两个16位定时/计数器(8052有3个。
STC89C52单片机的封装图如下图所示。
●
图3-2 单片机电路
3.2.3 晶振电路
晶振电路是单片机中非常重要的一部分，晶振电路可以给单片机提供时钟信号，时钟信号是实现单片机运行的必不可少的一部分。单片机芯片部有一个反相放大器，这个反相放大器是用来作为部振荡器作用的。它有两个引脚，分别为XTAL1和XTAL2，其中XTAL1为该反相放大器的输入端，XTAL2为输出端。自激振荡器是由这个反相放大器跟片外端石英晶体一起组成的。晶振电路的组成除了这个自激振荡器外还需要外接两个电容，将这两个电容与放大器相连接就构成了晶振电路。外接的这两个电容的容量大小对晶振电路会有一定的影响，所以如果选取石英晶
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体作为振荡电路的部分，电容的大小最好在这个围；如果选取瓷，那么电容的大小应该在这个围。电容容量大小对晶振电路的影响：温度的稳定程度、震荡频率、震荡电路的起振的难易以及稳定性。晶振电路图如图所示。
图3-3 晶振电路
3.2.4 复位电路
复位电路也是单片机中非常重要的一部分，其基本原理很简单，就是当系统上电的时候，会提供一个复位信号给单片机系统，一直等到系统的电源稳定下来的时候就撤销复位信号。但是为了保险起见，电源稳定后也不能直接撤销掉复位信号，而是要经过延时后才能撤销这个复位信号。这个延时动作主要是为了防止开启电源的时候会抖动，导致信号不稳定。每一种类型的单片机在刚启动的时候都会需要经过复位操作，这个复位操作主要是为了保证CPU 跟其外围电路处于确定的初始状态。51系列的单片机的复位信号是通过芯片的REST 引脚接入的，输入到芯片部的触发器中。当系统正常运行的时候，这时给REST 引脚传送一个连续两个周期的高电平信号，那么CPU 则会响应这个信号并将系统复位，这就是复位电路的具体使用方法。单片机系统使用复位可以通过两种方式来复位，一种是手动按钮复位系统，另一种是上电复位系统。手动复位需要人工加入操作才能实现手动按钮复位。具体的操作方法也很简单，只需在REST 复位引脚中接入高电平就可以复位，所以给复位引脚接上正电源，并在引脚和电源之间接一个按钮。当按下这个按钮的时候，相当于正电源直接接入到复位引脚，系统接收到这个高电平信4010F pF p ±3010pF pF
±
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号后就会复位。复位系统要求有持续的两个时钟信号才能复位，而人工操作按下按钮的时间最起码有几十个毫秒，所以复位引脚跟正电源的连接时间是完全超过两个时钟信号，人工复位是完全符合复位系统要求的。复位电路如下图所示，S1为手动复位按钮，电容C1可以抗干扰。
图3-4 复位电路原理图
3.3 液晶显示电路
LCD1602液晶屏能够支持两行显示，每行可以显示的最大容量是32个英文和汉字符十六个字符的显示，由于但它的分辨率不能很好的满足汉字的显示要求，所以适合在英文和数字显示的系统中使用。它可以用来显示一些数字、字符、字母等简单的文字，但是它无法显示中文字符。因为中文字符比较复杂，而液晶显示器的构造主要是一些点阵，且大多是5*7或5*11的规格。液晶里的每个点阵都能够显示一个字符，但是每个字符之间又不是连续的，而是中间有一个点阵在间隔的。并且每个点阵的上下左右都会有点阵间隔，这样子就不会每个字符都连在一起分辨不出显示的是什么东西，这种功能也就类似于word
文档文字编辑的时候
的字间距和行间距一样，可以很明朗地阅读显示的字符。但是这种功能也有一些
缺点，比如显示图像的时候效果就不太好，有点像马赛克一样。1602只能显示两行的字符，并且每行只能显示16个字符。
目前所生产出来的液晶绝大多数都是用HD44780芯片来制作的，并且它们的显示原理也是一模一样的。所以写一个显示控制程序可以基本适用于各种液晶，不需要每换一种液晶显示器就要重新写一次程序，兼容性非常地好。这款液晶模块部的存储模块存储了大量的字符图形，用来直接给程序调用显示使用，这些字符的数量大约有160个。这160个字符中包含了基本的符号（52个大小写的英文字母，10个阿拉伯数字，还有标点符号以及日文假名等等。并且每个字符的标志符都是固定的，所以当我们需要显示一个字符的时候，只需要调用对应字符的标志符就可以显示出我们需要的字符。当我们在编写程序的时候我们还可以通过赋值的形式来操作。比如定义一个字符型常量Y，然后就可以将液晶存储里的一个字符直接赋值给Y，比如将‘A’赋值给Y，可以直接这样写：Y＝‘A’，程序编译的时候可以直接识别出这个是字符‘A’，这样可以使用自定义的常量来操作，非常
方便各能对应的引脚如表所示：
表3-1 LCD1602液晶引脚功能介绍
序号符号引脚说明序号符号引脚说明
1 VSS 液晶电源负极 5 R/W 读写选择控制
2 VDD 液晶电源正极 6 E 使能端控制
3 VL 液晶偏压控制7~1
4 D0~D7 数据位
4 RS 寄存器选择控制15~16 BLA，BLK 背光控制
LCD1062液晶对应外功能引脚有16个，其中8个为数据线，3个为控制线，2个控制背景电源，2个控制液晶工作电源，1个用于控制液晶的偏压。LCD1602液晶显示是51单片机系统最常用的一种显示器，是点阵型的液晶模块。液晶电路图如下所示。
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图3-5 液晶电路图
3.4 系统USB 电源电路
系统的USB 电源电路是给整个系统供电的，包括单片机，传感器，显示电路等，都需要电源。随着电子设备的普及，各类USB 接口设备越来越多，如，电脑USB 接口，手机充电器，移动电源，这些USB 接口都可以用来作为稳定的电源。因此为了简化红外温度计系统的硬件电路设计，本系统采用USB 供电方式。系统使用的USB 供电方式为常见的手机，电脑接口，其并不是理想的稳定5V ，常常是一个有微小波动的差值，因此在系统电源开关电路上，使用电容C1，C2对电压杂波进行过滤，使系统的供电更加稳定。如图所示的电源模块电路。
图3-6 电源模块电路
3.5 红外传感器电路
面对目前众多的红外检测器件产品，在设计中选择合适的红外检测器已成为一个重要问题。在设计过程中选择红外线检测器件时，首先考虑的是器件的以下性能因素:光谱响应围、响应速度、有效检测面积、元件数量、制冷方式和检测目标的温度。本红外测温仪选用了凌阳公司生产的型号为TN9的红外探测器作为测温模块，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，因此简化了本系统的设计。它的测量距离大约为30米，测量回应时间大约为0.5秒。而且它具备SPI接口，可以很方便地与单片机（MCU）传输数据本系统采用的是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红外模块接口如图所示.
图3-7 电源模块电路
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第四章软件设计
4.1 主程序软件设计
本系统的开发环境是KEIL，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。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。系统开始执行后首先对系统进行初始化，初始化主要包括对传感器初始化。系统总体软件流程如图4-1流程图所示。
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图4-1 软件设计流程图
4.2 液晶显示设计
在体温时，利用液晶显示体温示数。液晶显示流程图如下图所示。利用STC89C52单片机对液晶驱动需要遵循液晶的读写通信协议，一般可分为以下几大步骤，首先是需要初始化液晶，初始化之后，由于液晶的处理速度比STC单片机慢，延时程序是必须的，不然液晶无常显示。1602液晶一共上下两行，一般都是首先设置第一行的显示位置，结合上文介绍的液晶部地址进行操作，然后将要显示的数据在对应位置显示，同理接着设置第二行显示位置，最终完成整个显示流程。在本文设计的指纹识别系统软件设计中，将液晶显示整体封装在一个显示函数中，方便了main函数调用，同时也使得程序逻辑更加清晰。液晶软件操作流程图如下所示。.页脚
图4-2 液晶驱动流程图.页脚