智能非接触式体温计的毕业设计说明

.毕业课程设计.目录设计总说明IIntroductionIII1 绪论11.1 课题研究背景11.1.1 体温计发展11.1.2 红外测温技术发展21.2 课题研究目的和意义31.3 论文主要内容及章节安排32 系统工作原理与方案设计52.1 系统工作原理52.2 系统方案选择62.3 主要器件选择82.3.1 红外测温传感器82.3.2 单片机控制单元92.4 整体方案确定103 硬件电路设计113.1 单片机最小系统电路设计113.1.1 最小系统电路113.1.2 晶振和复位电路113.2 传感器电路设计123.2.1 MLX90614红外测温传感器介绍123.2.2 MLX90614传感器电路133.3 液晶显示电路设计143.3.1 LCD液晶显示介绍143.3.2 LCD液晶显示电路153.4 ISD4004语音电路设计163.4.1 ISD4004语音芯片介绍163.4.2 音频功率放大器介绍173.4.2 ISD4004语音电路183.5 万年历电路设计193.5.1 DS1302时钟芯片介绍193.5.2 基于DS1302万年历电路203.6 人数统计电路设计203.7 声光报警电路设计213.8 基于MAX232的RS-232串口电路设计223.8.1 MAX232电平转换芯片介绍223.8.2 MAX232串口电路223.9 电源电路设计234 系统软件设计254.1 红外测温模块设计254.2 显示模块设计274.3 语音模块设计304.4 时钟模块设计314.5 人数统计模块设计334.6 声光报警模块设计344.7 串口电路模块设计345 系统仿真与误差处理365.1 基于Proteus软件仿真365.2 系统误差处理386 总结与展望396.1 总结396.2 展望39参考文献40致谢41附录42.智能非接触式电子体温计设计设计总说明随着人们生活水平的不断提高,对自身健康状况越来越关注,而体温是鉴别人体健康状况的重要参数之一,对这一生理指标的测量可以更好的监测自身健康状况,因此体温计在医疗领域中占有十分重要的地位,也为人们的生活带来极大的方便。但若使用时消毒不彻底会导致交叉感染。新型的体温计,如电子体温计,通过热敏电阻测定体温,存在测温误差大等问题,因此,非接触式快速测温的体温计就有了研发使用的意义。比起传统的测温方法,利用红外传感器制定的体温计有着响应时间快、使用安全及使用寿命长等优点,非常适合在机场、火车站、学校等公共场所使用。由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号,这就使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制。传感器主要用于测量和控制系统,其性能好坏直接影响系统性能,因此,不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标,还必须懂得传感器经过适当接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制要求,且只有通过对传感器应用实例原理和智能传感器实例分析及了解,才能将传感器和信息通信、处理结合起来,适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面,传感器的被测信号来自于各个应用领域,每个领域都是为了改革生产力、提高工效和时效,且都在开发研制适合应用的传感器,于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。利用红外测温是最近几年来兴起相对高端的技术,对红外线设备的设计和研究,对今后的社会应用有非常积极的影响。从另一方面而言,体温计是民众日常生活中的必备卫生用品,尤其在非典和甲型流感流行期间,各式体温计成为了判断感染者与未感染者较为初步的仪器。所以在本次毕业设计中,以单片机为核心,运用红外传感原理来设计基于单片机的智能非接触式电子体温计。单片机是整个智能控制器的核心,其外围设备是检测和控制电路,单片机通过接口发出各种控制信息给检测电路,以启动测量、改变工作方式等。当检测电路完成一次测量后,单片机读取测量数据,进行必要的加工、计算、变换等处理,最后以各种方式输出,例如经液晶显示模块显示,经语音模块播报等。在本次智能非接触式电子体温计设计中,以AT89S51单片机为控制核心,根据红外测温原理,由红外热电堆传感器MLX90614对人体体温进行实时采集转变为电信号,经MLX90614内部的模数转换,转换成数字信号后送入单片机进行数字滤波、线性化处理、数据存储、逻辑判断,并将最后的测量结果送入液晶显示模块进行显示,且语音芯片在程序的控制下进行语音播报,同时,还具有万年历、当前时间、统计人数和声光报警等功能。从而使测温前后的各种操作更趋于智能化和人性化。全文主要阐述其硬件电路设计和软件程序设计。硬件方面首先从单片机最小系统,红外热电堆传感器进行主要功能的设计,其次从万年历时钟模块、统计人数和报警电路、液晶显示模块、语音播报等功能模块分别进行论述并详细介绍了各个芯片的结构和功能。软件部分使用KEIL C语言程序设计,此语言具有语言简洁、紧凑,使用方便、灵活,生成目标代码质量高,程序执行效率高的特点。其程序设计采用模块化结构,每个模块作为一个子程序,所以整个程序的编制和调试都比较方便,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及流程图。系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、计算温度子程序、LCD显示程序、语音播报程序、万年历程序、统计人数及声光报警等程序。在对硬件部分和软件部分的设计之后,通过Proteus软件和KEIL C软件结合使用,对本次设计进行了主要功能的仿真,并达到理想的效果。对智能非接触式体温计设计是功能性为基础,以创新性为指导,以实践性为依托,具有较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,使之能在各应用领域得到更广泛的应用。关键词：单片机,传感器,LCD显示,语音播报,仿真IntroductionThe technique of temperature measurement is widely used in iatrology, aviation,and stell manufacture because of its convenience, fast speed and high accuracy. This paper introduce a method to design an un-touched electronic thermometer which based on MS51 single chip and infared sensor MLX90614. Also, Infrared thermomter, it uses the blackbody radiation laws as the theories foundation, it is the outcome that the optical theories and micro-electronics learn a comprehensive development. Compared to the way of traditional temperature measurement, it has a series of merits, such as short in response time, non-contact, noninterference to temperature field, long useful time and convenient operation, etc.The paper introduces the basic principle of infrared thermometer and the method of realization, puts forward infrared trermometer system with the AT89S51 MCU as the CPU. The paper introduces the composing and the method of that system in detail, and gives the hardware principle diagram and the design flow chart of the software. The system formed by the optical system, photoelectron detector,display and output partially. The optical system collects the infrared radiation energy of the object in its field of view, the infrared energy focusing on the instrument and transforms to the corresponding electrical signal. The AT89S51 MCU is used to start the temperature survey, data receive, count the value of the object temperature based on the arithmetic with in MCU and the result is displayed on LCD.In the intelligent non-contact electronic clinical thermometer design, with the AT89S51 as the core, according to the principle of infrared measuring temperature, the infrared thermopile sensor MLX90614 to body temperature real-time gathering into electrical signals, after MLX90614 internal analog-to-digital conversion, converted into digital signal after into single-chip digital filtering, linearization processing, data storage, logical judgment, and the final measurement results into the LCD module for display, and the voice chip speech under the control of the program, at the same time, also has a calendar, the current time, the number of statistics and sound and light alarm, and other functions. So that the temperature measurement before and after the various operations tend to be more intelligent and humane.Key word: microcontroller,sensor,display,voice,simulate.1 绪论随着科学技术的迅速发展,传统接触式测量体温的方式已不能满足现代一些领域测量体温的需求,对非接触、远距离测量体温技术需求越来越大。本次智能非接触式体温计设计的出发点也正是基于此。1.1 课题研究背景1.1.1 体温计发展人体体温是鉴别人体健康状况的重要参数,所以体温计在医疗领域中占有十分重要的地位。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,探测方式在不断改进。现有体温计大致分为三种类型：一种是常见的玻璃水银体温计；一种是电子体温计；还有一种是红外智能非接触式电子体温计。人们熟悉的传统体温计是水银体温计,它是根据汞受热膨胀原理制成。由于受到体温影响,水银体积膨胀使玻璃管内水银柱的长度发生明显的变化,可使随体温升高的水银柱保持原有位置,便于使用者随时观测。由于玻璃的结构比较致密,水银的性能非常稳定,所以玻璃体温计具有示值准确、稳定性高的特点,拥有价格低廉、不用外接电源的优点,深受人们特别是医务工作者的信赖。但此种体温计也有诸多弊端,例如,遇热或安置不当容易破裂,人体接触水银后会中毒,轻者恶心、头痛重者会造成血液凝固等。医用电子体温计是利用某些物质的物理参数如电阻、电压、电流等与环境温度之间存在的确定关系,将体温以数字的形式显示出来,读数清晰,携带方便。许多医院也采用了电子体温计,因拥有快速、无需接触被测者等的优点而被广泛采用。其不足之处在于示值准确度受电子元件及电池供电状况等因素影响,即性能暂不能与传统的体温计相比不如玻璃体温计。红外测量体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重要作用。根据红外测温原理,任何物体由于其自身分子运动,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。红外体温计正是通过对物体自身辐射的红外能量的测量,准确地测定它的表面温度。所用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线,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。比起前两种测温方法,红外体温计有着响应时间快、使用安全、使用寿命长及可靠性高等优点。近20年来,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。1.1.2 红外测温技术发展自从1800年英国天文学家FW赫歇尔发现红外辐射至今,红外技术的发展经历了将近两个世纪。从那时开始,红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展,但发展比较缓慢,直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。当时,德国研制成硫化铅和几种红外透射材料,利用这些元、部件制成一些军用红外系统,如高射炮用导向仪、海岸用船舶探测和跟踪系统,机载轰炸机探测仪和火控系统等等。其中有些达到实验室试验阶段,有些已小批量生产,但都未来得及实际使用。此后,美国、英国、前苏联等国竞相发展。特别是美国,大力研究红外技术在军事方面的应用。目前,美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。红外技术发展的先导是红外探测器的发展。1800年,FW赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计,这是最原始的热敏型红外探测哭器。1830年以后,相继研制出温差电偶的热敏型探测器。19世纪,科学家们使用热敏型红外探测器,认识了红外辐射的特性及其规律,证明了红外线与可见光具有相同的物理性质,遵守相同的规律。它们都是电磁波之一,具有波动性。20世纪初开始,测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱,证明了红外技术在物质分析中的价值。30年代,首次出现红外光谱代,以后,它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。40年代初,光电型红外探测器问世,以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器,其性能优良、结构牢靠。50年代,半导体物理学的迅速发展,使光电型红外探测器等到新的推动。到60年代初期,对于1-3、3-5和8-13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。在同一时期内,固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展,使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。在红外技术的发展中,需要特别指出的是：60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展,很多重要的激光器件都在红外波段内,其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术,使雷达和通信都可以在红外波段实现,并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前,红外技术仅仅能探测非相干红外辐射,外差接收技术用于红外探测,使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外,由于,这类应用的需要,促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式,推动红外技术向更先进的方向发展。1.2 课题研究目的和意义体温是机体功能活动正常进行的重要条件,人能够在环境温度不同的情况下,通过对体内产热和散热过程的调节来保持体内环境温度相对稳定,并提高对环境温度变化的适应能力。在健康状态时,人体的体温一般是比较恒定的,即保持在37上下,而不因外界环境温度的改变而变化。但是当人体内的某些机能发生改变或某些部位发生病变时,恒定的体温将产生变化。在临床医学中,体温是一个重要的生理参数,病人的体温为医生提供了生理状态的重要信息,因此,对人体温度进行测量不仅可以确诊疾病的发生,还可以对某些重大疾病或隐藏于身体内部的健康隐患起着积极的预防与警示作用。例如,在非典时期,我们可以通过对人体温度的监测来隔离那些可能患病的人群,从而达到预防非典传播的作用。在公共场所进行体温监测时主要考虑以下三个基本要求：非接触、测量的快速性和准确性。采用红外非接触测量体温的方法进行体温测量可以满足这样的要求,因此,对非接触人体体表温度的测量方法进行研究有着非常现实的意义,是在非常时期应付突发疫情的必要工作。在体温计的应用领域中,红外智能非接触体温计比起传统体温计也具有很多应用意义。例如使用更便捷,在家庭使用中,在不打扰孩子睡眠或玩耍的情况下观察孩子每天的体温变化,了解孩子健康状况,孕妇、老人在测量体温时也极大的提高了方便性；测量数据更精确,智能非接触式体温计的另一个先进之处是精确,通常精度都是1度以内。而且响应时间短,反应速度快,易于快速动态测量；使用更安全,安全是使用红外体温计最重要的益处,不同于接触式体温计,红外体温计在不与人体接触的情况下能够安全地测量和读取人体温度,有效减少病菌的交叉感染；更加节能环保,它快速精准的测温不仅提高了医学领域的效率,而且更加环保节能。智能非接触式体温计给医学领域带来了极大的方便,正因为如此,它将促进高效节能成套新技术、新设备、新材料产业大力发展,实现传统体温计测温的更新改造,同时也产生了强大的能源环境效益,伴随着巨大的经济效益和社会效益,因此,研究红外智能非接触式电子体温计具有非常重要的意义。1.3 论文主要内容及章节安排本论文主要利用红外测温原理,围绕智能非接触式电子测量体温这一主题进行一系列设计,并在深入理解了红外测温理论基础之上,对方案进行了整体设计,经查阅资料,设计出两种方案,进行比较最终确定比较合理的方案。此外,对现有红外测温传感器这一主要功能模块和单片机主控芯片分别进行比较和选择,以提高整体方案的可行性。整体方案确定之后,在硬件电路的设计中,通过所要实现的功能完成电路的搭建；在软件程序设计中,通过分模块程序设计实现此次设计的功能,最后对整个系统进行软件仿真并对系统的误差处理进行了分析。其中,第2章是对系统的设计与论证,先对设计方案总体论证再对主要控制器件进行论证,第3章重点介绍各模块的硬件电路,并对每个芯片的引脚功能进行了详细描述,第4章为系统的软件设计,主要是各模块实现其功能的流程图的设计和程序的编写,第5章为系统仿真和误差处理,在对系统硬件设计和软件设计之后,对系统进行软件仿真以实现其相应的功能。2 系统工作原理与方案设计2.1 系统工作原理系统主要利用红外测温原理,一切温度高于绝对零度-273.35的物体,由于分子热运动都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体红外辐射能量的大小及其按波长分布与它表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身辐射的红外能量测量,便能准确地测定其表面温度,这就是红外辐射测温所依据的客观基础。因此,本文中的红外测温就是利用人体自身的红外辐射来测定其表面温度的一种测量温度的方法。红外测温的原理是基于黑体辐射定律的,黑体是一种理想化的辐射体,它在任何温度下都能全部地吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量,其表面吸引率为1。为了弄清和获得红外辐射分布的规律,普朗克提出了体腔辐射的量子化振子模型,从而导出了普朗克黑体辐射定律,其表达式为： 1式1中,c为真空中的光速2.9979；k为波尔兹曼常数；h为Plank常数；为波长；T为绝对黑体的温度K；由式1可得出在温度T时黑体在全部波长范围内的辐射出度为： 2式2中,=由式2可知：黑体总的辐射出度与黑体的绝对温度T的四次方成正比。因此,当用红外测温测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段内的红外辐射量,红外能量被红外温度传感器接收,并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路,并按时系统内部的算法校正后转变为被测目标的温度值,然后由测温系统计算出被测目标的温度。基于红外测温原理,以单片机为核心,通过按键控制单片机以判断是否对采集测温。当测温键按下时,系统利用红外温度传感器检测到人体温度,并将其转换为微弱电信号,通过红外测温模块内部A/D转换电路将电信号转换为数字信号,并将之送入单片机控制电路,这样单片机便可以对信号进行比较系统的处理,处理结果通过LCD显示电路和语音电路进行信息输出,显示模块和语音模块便能准确显示和读出人体温度。当被测人体温超过38时,LED灯亮的同时蜂鸣器蜂鸣报警。当测温键没有按下时,系统在时钟电路作用下显示当前时间及所设置温度的上下值,统计人数初始化为0。系统设计的总体框架如图2.1所示：图2.1 系统总体框架图2.2 系统方案选择基于本次系统的工作原理,利用红外测温传感器、单片机以及其它器件设计实现非接触式电子体温计的测温,使之达到响应时间最长不超过1s、精度达到0.2。现对此次设计的总体方案进行设计与选择。方案一在该方案中,系统分为模拟红外温度传感器内含环境温度测量模块、放大电路模块、A/D转换电路模块、MCU主控模块、声光报警模块、LED显示模块和电源模块如图2.2所示。通过模拟传感器输出模拟信号,并通过信号放大电路和A/D转换电路处理传输给单片机,单片机对其进行LED显示,当超出设定的温度范围时,进行声光报警。如图2.2方案一总体设计框图所示： 图2.2 方案一总体设计框图首先模拟红外温度传感器接收人体发出的红外线,然后经过转换后输出对应的电压值,传感器同时通过片上温度传感器测量环境温度/传感器温度。这两个红外温度传感器的输出量通过放大电路和A/D转换电路处理后传输到MCU模块进行相关的处理软件滤波、黑体校定等,然后通过LED模块显示相应的人体温度。如果超出所测的范围声光报警器进行报警以示提醒。方案二该方案与第一个方案的最大区别是：在本方案中采用数字红外温度传感器代替模拟红外温度传感器。由于数字红外温度传感器内部集成了运放电路、A/D转换电路、滤波电路和数字信号处理器,所以只需通过传感器的数据接口就可以把传感器所测量的人体温度数据直接传输给MCU主控模块进行处理。在处理完被测物体表面的温度后,有两种方式向使用者提供温度信息：第一种方式是显示在图形点阵式LCD上；第二种方式是以语音的形式播放以告知使用者温度信息。如图2.3方案二总体设计框图所示：图2.3 方案二总体设计框图对于方案一,模拟传感器的成本相对要低,而且整个系统设计的自由度相对要高一些,但是也使得系统电路变的更为复杂。例如集成运放电路要用到双电源供电,这就使得电源模块的设计变得复杂、功耗变大和效率变得更低,这对于使用电池供电的便携式系统是不利的；同时在软件设计方面,要涉及到滤波处理、温度线性校准处理和黑体校定等,这使得设计工作量大大增加,而且对于开发者的开发环境要求较高,例如要具备黑体校定的设备等。而在方案二里采用数字传感器的成本虽然相对模拟传感器的较高,但整个系统的设计相对简单,数字红外温度传感器可以与MCU直接相连接需要接上拉电阻,由于不需要额外的集成运放电路,所以也不需要用到双电源供电,因而使得电源模块的设计简化,电池的利用效率更高。由于该方案的电路简单且集成度高,所以功耗更低。而且相比第一个方案,无需黑体校正。所以开发时间要比方案一少。这也意味着方案的总体成本硬件成本、开发时间成本等其实要比方案一要低。2.3 主要器件选择2.3.1 红外测温传感器通过查阅相关资料最终选出两个符合此项目的热电堆红外传感器,其一是凌阳TN9系列的红外测温传感器,其二是MLX90614ACA型号的红外测温传感器。TN9红外测温模块解决了传统测温中需接触的问题,并且具备回应速度快、测量精度高、测量范围广等特点,但是,其所需的外围电路复杂,容易出现问题,产品可靠性不高。其主要功能为测温理想距离可达100英尺,回应时间比较短,大约0.5秒。其基本特性与参数指标为测量范围在-33至200；测量误差在0.6,或温度值的1%；工作范围在-10至50。MLX90614系列模块是一组通用的红外测温模块,在出厂前该模块已进行校验及线性化,具有非接触、体积小、精度高,成本低等优点。集成了由迈来芯公司开发和生产的两款芯片：一是红外热电堆传感器 MLX81101 ,二是信号处理专用集成芯片 MLX90302,专门用于处理红外传感器输出信号。该模块可以测量的温度范围为-70380,对于测体温完全可以满足要求。热量由芯片热电偶测得。该模块在其信号调节芯片中采用了先进的低噪音放大器,一个17位的数模转换器和数字信号处理单元,放大微小热电偶电压并将其数字化,使用芯片EEPROM存储器中储存的生产厂设定的校准参数,计算出物体的温度。它能保持0.01温度精确度,在050的物体温度范围内,标准的MLX90614具有0.5的绝对精确度；在该范围以外,精确度为1,调试后可以达到0.2。此外,MLX90614ACA型号的红外测温传感器的外围电路简单,调试不难,性能稳定,电路可靠性比较高。综上所述,选择MLX90614ACA型号的红外测温传感器可以做到成本更低,精确度更高,测试范围更广,还可以获得较高的可靠性,符合我们设计的智能非接触式红外体温计。2.3.2 单片机控制单元对主控芯片选择时,考虑到两款最常用的单片机,一是ATMEL公司的AT89C51单片机,一是其公司的AT89S51单片机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁储存器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89S51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程擦除只读存储器 8位CMOS微控制器,使用高密度、非易失存储技术制造,并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。具有多种功能的8位 CPU与FPEROM结合在一个芯片上,为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案,其性能价格比较高。两者之间主要区别在于以下几点：引脚功能:管脚几乎相同,只是在AT89S51中P1.5,P1.6,P1.7具有第二功能,即这3个引脚的第二功能组成了串行ISP编程的接口。编程功能：AT89C51仅支持并行编程,而AT89S51不但支持并行编程还支持ISP再线编程。在编程电压方面,AT89C51的编程电压除正常工作的5V外,另Vpp需要12V,而AT89S51仅仅需要4-5V即可。烧写次数更高：AT89S51标称烧写次数是1000次,实为1000-10000次,这样更有利初学者反复烧写,降低学习成本。工作频率更高：AT89C51极限工作频率是24MHZ,而AT89S51最高工作频率是33MHZ,从而具有更快的计算速度。 电源范围更宽：AT89S51工作电压范围达45.5V,而AT89C51在低于4.8V和高于5.3V时无法正常工作。 抗干扰性更强:AT89S51内部集成看门狗计时器,而AT89C51需外接看门狗计时器电路,或者用单片机内部定时器构成软件看门狗来实现软件抗干扰。加密功能更强：AT89S51系列提供了三层的加密算法,这使得AT89S51的解密变为几乎不可能,程序的保密性大大加强。所以,考虑到引脚功能、使用寿命、抗干扰性等最终采用了AT89S51单片机。2.4 最终方案确定综上所述,本次设计采用方案二更合理。直流稳压电源输出的5V电压分别给传感器和单片机供电,并为之提供一个稳定的工作电压。用MLX90614红外测温传感器来收集红外辐射信号,用AT89S51单片机作为中心控制器件进行数据处理分析,用DS1302模块进行万年历的设计,采用LCD12864液晶显示模块显示当前时间、人体温度和人数统计并用ISD4004语音模块对检测的人体温度进行语音播报。单片机实时分析传感器采集的温度,判断其是否超出预设温度范围,并采用蜂鸣器和LED作为报警电路进行报警,以准确的控制报警设备。此外,计算机与外部设备智能非接触式电子体温计之间进行数据的串行传送,即对人体体温的当前测量值进行串行传送。具体介绍见第3章硬件电路的设计。3 硬件电路设计基于AT89S51单片机的红外体温计的硬件设计采用目前使用比较广泛的模块化、自顶向下设计思想,将整个系统分成八大模块：单片机处理模块；红外测温模块；显示模块；语音模块；万年历模块；报警模块；串口模块；电源模块。通过自顶向下的顺序、划分模块的方法,可以把一个复杂的问题分割成几个相对容易解决的问题,分别予以解决。此外,此种设计方法思路清晰,亦便于设计过程中的各模块的调试和整机的联调,大大简化了设计的难度。本章主要介绍了系统硬件电路的设计,并针对各模块硬件电路进行了具体的分析。3.1 单片机最小系统电路设计3.1.1 最小系统电路该系统是以AT89S51单片机为核心器件,其模块的工作原理是：加载相应程序的AT89S51单片机把红外测温模块传来的数据加以处理分析进行语音播报、LCD液晶显示等。单片机需要一定的外接电路才能正常工作即单片机最小系统,电路如图3.1所示,其主要包括AT89S51单片机、复位电路和时钟电路。图3.1 单片机最小系统3.1.2 晶振和复位电路晶振是给单片机提供工作信号脉冲的,这个脉冲就是单片机的工作速度。晶振电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号,单片机本身就如一个复杂的同步时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器,如图3.3中Y2、C11、C12。可以根据情况选择6MHz、12MHz或24MHz等频率的石英晶体。而单片机工作速度是每秒 11.0592M,即此次晶振选择11.0592M,补偿电容通常选择30pF左右的瓷片电容。晶振电路如图3.2 所示。图3.2 晶振电路复位的条件：RST引脚的高电平只要能保持足够的时间2个机器周期,单片机就可以进行复位操作。上电复位要求接通电源后,单片机自动实现复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平,随着电容的充电电流的减小,RST引脚的电位逐渐下降。当需要复位是,按下按键,利用电容放电使RST引脚为高电平,单片机复位。上电与按键均有效的复位电路不仅在上电时可以自动复位,而且在单片机运行期间,利用按键也可以完成复位操作。复位电路如图3.3 所示。图3.3 复位电路3.2 传感器电路设计3.2.1 MLX90614红外测温传感器介绍由红外温度传感器、低噪声放大器、AD转换器、DSP单元、脉宽调制电路及逻辑控制电路构成,热电堆输出的温度信号经过内部高性能、低噪声的运算放大器放大后,送给模数转换器ADC,ADC输出的17位数字经过可编程FIR和IIR低通滤波器即框图3.4中的DSP处理后输出,该输出作为测量结果保存在MLX90614内部RAM存储单元中,可以通过SMBus读取；同时测量结果送到后级数子式脉冲宽度调制电路,将测量结果以PWM的方式输出。图3.4 MLX90614内部的结构框图MLX90614采用4脚罐形封装TO239,顶端引脚分布视图如图3.5所示,具体的引脚功能如下：图3.5 MLX90614的顶端引脚分布视图VDD：外部电源输入；VSS：地,和外壳相连；SCL/Vz：当MLX90614为SMBUS模式时SCL为串行输入,为PWM模式时Vz为由外部电路置高电平；SDA/PWM：当MLX90614为SMBUS模式时串行数据输入输出接口,为PWM模式时做为PWM波输出接口。3.2.2 MLX90614传感器电路MLX90614硬件电路连接如图3.6所示,传感器的SCL/VZ 、PWM/SDA管脚直接连接单片机的普通I/O口,即单片机上的P1.0和P1.1并通过这两个I/O口实现单片机与传感器相互之间的数据的传输。VDD为电源引脚接+5V,VSS为地端。由于MLX90614的输入输出接口是漏级开路OD结构,需要加上拉电阻即图3.6中的R4和R510K。图3.6 MLX90914红外传感器电路设计3.3 液晶显示电路设计3.3.1 LCD液晶显示介绍在显示电路单元的模块中,带中文字库的LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864,内置8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII码字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字并完成图形显示,低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。图3.7为LCD12864芯片引脚图,其具体引脚功能如下：图3.7 LCD12864芯片引脚Vss：电源地GND；Vdd：电源电压+5V；VO：LCD驱动电压可调对比度,VCC和VOUT接可调电阻,中间抽头接至VO；RS：并行模式：RS=0,指令寄存器；RS=1,数据寄存器。串行模式：片选；R/W：并行模式：R/W=0为写。R/W=1为读。串行模式：数据；E：并行模式：允许信号。串行模式：脉冲；DB0-DB7：并行模式：数据0。串行模式：不连接；PSB：并行模式：PSB=1。串行模式：PSB=0；NC：不需要连接；RESET：复位端,低电平有效；BLA、 BLK：背光的正极、负极,接+5V、0V。3.3.2 LCD液晶显示电路如图3.8所示是LCD12864液晶显示电路的硬件连接图,接10K的上拉电阻。单片机的P0口可以作为通用的输入输出端口使用,此时,若要驱动NMOS或其他位电流负载时,需外接上拉电阻,才能使该位高电平有效,所以中间接10K的排阻,来决定高低电位。LCD12864共有20个引脚,其中DB0DB7是8位双向数据总线,它的方向由读写控制脚RW决定。它可以直接和单片机接口直接连接,液晶显示的RB0RB7八个双向端口接AT89S51单片机的P0口的P0.0P0.7。图3.8 LCD12864液晶显示电路由于VO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,对比度过低会使屏幕模糊不清,所以使用时可以通过一个20K的电位器来调节提供给驱动器的供压,从而整LCD显示的对比度。LCD12864的RS寄存器选择端口接单片机的P2.7口,通过软件程序中对此端口的设置来决定选择的寄存器。液晶显示的RW端口直接接单片机的P2.6口,高电平时进行对输入的数字信号进行读数。使能E端接单片机的P2.5口,使能端由高电平到低电平时开始执行命令,把读数显示出来。A 和K端口为背光引脚,BLA接正电极、BLK 接地时点亮背光。3.4 ISD4004语音电路设计3.4.1 ISD4004语音芯片介绍ISD4004语音芯片工作电压为3V,单片录放时间8分钟至16分钟且音质好,适用于移动及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存储在片内闪烁存储器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声。采样频率可为4.0,5.3,6.4,8.0KHz,频率越低录放时间越长而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存储器中,可在断电情况下保存100年,反复录音10万次。如图3.9为 ISD4004芯片引脚图,其各引脚功能描述如下：图3.9 ISD4004芯片引脚图电源：为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,且最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。地线： 芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。同相模拟输入：录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。反相模拟输入：差分驱动时,是录音信号的反相输入端。音频输出：提供音频输出,可驱动5K的负载。片选： 此端为低,即向该ISD4004芯片发送指令,两条指令之间为高电平。串行输入：此端为串行输入端,主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD输入。串行输出：ISD的串行输出端。ISD未选中时,本端呈高阻态。串行时钟： ISD的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI和MISO的数据传输。数据在SCLK上升沿锁存到ISD,在下降沿移出ISD。 中断：本端为漏极开路输出。ISD在任何操作中检测到EOM或OVF时,本端变低并保持。中断状态在下一个SPI周期开始时清除。行地址时钟： 漏极开路输出。每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行一行。外部时钟：本端内部有下拉元件。因内部首先进行了分频,在不外接地时钟时,此端必须接地。自动静噪：通常本端对地接1mF的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分；本端接VCCA则禁止自动静噪。3.4.2 音频功率放大器介绍LM386是一种音频集成功放,具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。其是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,主要用于低电压消费类产品。为使外围元件最少,电压增益内置为20。但是在1脚和8脚之间增加一只外接的电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直到200,输入端以地为参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半。如在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用干电池供电场合。其外部引脚如图3.10所示。引脚2为反相输入端,引脚3为同相输入端,5引脚为输出端应外接输出电容后再接负载,引脚6和4分别为电源和地,引脚1和8为电压增益设定端,使用时在引脚7和地之间接旁路电容,通常取10uF。 图3.10 LM386低功率放大器在使用LM386时应注意,电源电压4-12V或5-18V,静态消耗电流为4mA,电压增益20-200dB。尽管LM386的应用非常简单,但稍不注意特别是器件上电、断电瞬间,甚至工作稳定后,一些操作如挺拔音频插头、旋音量调节钮都会带来瞬态冲击,在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声。3.4.2 ISD4004语音电路语音电路设计中采用ISD4004录放音芯片作为主控芯片,采用话筒输入音频信号进行录音,通过开关和单片机控制录音、放音和录音、放音时的相应模式,由于语音芯片推动的音频功放较小,为了加大音量采用LM386功率放大器增加一级音频功放,声音通过扬声器输出。如图3.11和3.12所示的音频输入、输出的电路图。ISD4004的片选信号SS引脚与AT89S51单片机的I/O口P2.2连接,由程序指令产生有效的低电平信号。串行数据输入MOSI引脚和串行数据输出MISO引脚分别与P2.1和P2.0连接,串行收发的数据信息在程序指令的控制下,由片内移位寄存器锁存,其同步时钟信号SCLK由单片机P2.3控制。中断请求信号INT和单片机的P3.3连接。为使输出语音噪声达到最小,系统的模拟地和数字地分开走线,尽可能在靠近供电端处相连,并且分别引到ISD4004芯片的VSSA和VSSD管脚上,去耦电容也应尽量靠近芯片。在实际设计中,可以根据不同的情况,事先录制好不同的语音,其具体录音电路图如图3.11所示为ISD4004音频输入电路图。录音录制电路主要由语音芯片ISD4004、麦克MK1、及相关外围电路等构成。声音信号由MK1转换成电信号,经电容C16、C21耦合后由同相模拟输入端IN+和反相模拟输入端IN-引脚进入ISD4004,由ISD4004采样和保存。模拟电源Vcca和数字电源Vccd接+3.3V电源,分别接C13和C14滤波电容,使电源供电更加稳定。图3.11 ISD4004音频输入电路图如图3.12为ISD4004的音频输出电路图所示。音频输入电路主要由ISD4004、LM386等构成。声音信号由如图3.12所示的ISD4004的AUDOUT引脚输出,经C19电容耦合和音量控制电位器R19送入LM386芯片,放大后由VOUT输出并驱动扬声器发声。连接音频放大模块时应在1脚和8脚之间接电容C241脚接电容+极来改变增益。在选择调节音量的电位器时阻值不能太大,R20为10K最合适,太大会影响音质。第7脚BYPASS必须外接一个电解电容C26到地,起滤除噪声的作用。此外,录放音控制开关,经单片机判断所需要的状态,即录音、放音、运行和停止四个状态。具体电路图详见附录A。图3.12 ISD4004的音频输出电路3.5 万年历电路设计3.5.1 DS1302时钟芯片介绍DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带静电RAM、能进行慢速充电的时钟芯片,可以提供秒、分、时、日、星期、月和年等信息,具有月末日期自动调节和闰年校正功能。该芯片可通过简单的串行接口与单片机进行通信,提供主电源和备用电源引脚,可以对后备电源进行涓细电流充电。DS1302的工作特性有：实时时钟,能够对年、月、日、时、分、秒进行计时,并具有闰年补偿功能；可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式；内部有31*8bit调整RAM；采用三线串行总线；工作电压范围为2.55.5V；用于时钟或RAM数据读/写的单字节或多字节数据传送；工作电压为5V时,I/O引脚与TTL兼容；保持数据和时钟信息时功率小于1mw。图3.13为DS1302 引脚图,其各引脚功能为：VCC1：主电源；VCC2：备份电源当VCC2VCC1+0.2V时,由VCC2向DS1302供电,当VCC2VCC1时,由VCC1向DS1302供电；X1、X2：32.768KHz晶振引脚；SCLK：串行时钟,输入,控制数据的输入与输出,有40K的下拉电阻连接到地；I/O：数据输入/输出,有10K的下拉电阻连接到地；CERST：输入信号,在读、写数据期间,必须为高。该引脚有两个功能：第一,CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次,CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法；图3.13 DS1302时钟芯片3.5.2 基于DS1302万年历电路万年历的设计主要采用DS1302时钟芯片,它由VCC2提供主电源+5V,8号引脚VCC1接备用电池,如图3.14所示的BT1为3.6V充电电池,用于时钟/日历数据和静态RAM掉电保护,保证DS1302内数据不丢失。X1和X2引脚之间连接一个32.768KHz的晶振,为芯片提供计时脉冲,由于DS1302内部已经集成6pF的电容,这样就不需要外部连接电容了。/RST是复位/片选线,接单片机P1.4引脚,通过把/RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。当RST为高电平时,所有的数据传送被初始化,I/0引脚变为高阻态。当SCLK为低电平时,才能将RST置为高电平,I/0为串行数据输入端双向,SCLK始终是输入端。SCLK与单片机的P1.2引脚相接,I/O与单片机的P1.3引脚相接。具体电路图如3.14所示。图3.14 DS1302时钟电路3.6 人数统计电路设计如图3.15所示为人数统计硬件电路图,主要由6N137光电耦合器、LM324电压比较器和一些外围器件组成。光电耦合器的输入端为同相逻辑传输,其中,R7为限流电阻,由于发光二极管正向电流0-250uA,光敏管不导通；发光二极管正向压降1.21.7V,正向电流6.515mA,光敏管导通。由于Vcc为5V,若使二极管压降在1.2V,正向电流在10mA,R7可选电阻值为380欧姆。如果不加限流电阻或阻值很小,6N137仍能工作,但发光二极管导通电流很大对电源有较大冲击,尤其是数字波形较陡时,上升、下降沿的频谱很宽,会造成相当大的尖峰脉冲噪声,其峰-峰值可达100mV以上,足以使模拟电路产生自激,A/D不能正常工作。在这种情况下,R7越大越好,这里取R7值为5K欧姆。6N137的发射极接R6电阻,由于R6起直流负反馈的作用,心稳定电路的静态工作点。集电极接+5V偏置电压。采用LM324运算放大器作为电压比较器以判断输出电平高低状态,当扫描到人时,6N137的发射极为低电平, LM324电压比较器的3引脚为低电平且2引脚为高电平,经比较在1引脚输出为低电平。LM324的1引脚和单片机的P3.2引脚中断INT0相连。当扫描到有人测温时,经单片机处理,在LCD液晶显示自动加一。具体硬件电路如图3.15所示：图3.15 人数统计电路图3.7 声光报警电路设计如图3.16为声光报警电路的硬件连接图。声音报警发声命令由单片机的P3.7口输出,当红外传感器所探测的人体温度低于所设置的下限温度或高于所设置的上限温度值时,单片机控制P3.7口使其输出低电平,蜂鸣器U7发出报警声,相应的发光二极管LED0也会被点亮。P3.7 口输出为高电平时,开关三极管Q1截止。图中R15为三极管基极限流电阻,R16为限流电阻,当阻值为330时,保证二极管LED0的