毕业设计（论文）-基于SPCE061A单片机的非接触式红外人体测温设计.doc

长春工程学院毕业设计（论文） 摘 要 本文主要介绍了利用凌阳科技公司 spce061a 单片机作为主控板进行非接触 式红外人体测温设计的方案。spce061a 单片机作为整个系统的控制中心，负责 控制启动温度测量，接收测量数据，计算温度值，并根据取得键值控制温度语音 播放显示过程，同时通过音频输出通道播报温度值；红外测温模块负责温度的测 量、采集，并将采集数据通过数据端口传送 spce061a 单片机；由 led 键盘模 组中的键盘控制温度显示和播放，数码管显示温度值。本方案能实现非接触式的 温度测量，并且感应时间在 3 秒以内，分辨力达到 0.01c,精度在 0.5c 以内。 关键词：spce061a 红外测温 非接触式 语音播放 abstract： this paper mainly introduced the use of sunplus spce061a as the master technology company plate contactless infrared temperature design scheme people it has been revealed. as the whole system spce061a the control center, be responsible for controlling the temperature measurement, start receiving temperature measurement data, calculation, and according to obtain the keys control temperature speech broadcast show process, and at the same time through audio output channel broadcasts temperature; infrared measuring temperature is responsible for temperature measurement, acquisition, and will collect data transmitted through the data port spce061a; the keyboard module by led keyboard control temperature display and playback, digital temperature pipe display. this scheme can achieve contactless temperature measurement, and the induction time in 3 seconds , resolution to 0.01 c, precision in 0.5 c less than. keywords： spce061a infrared measuring temperature contactless speech broadcast 长春工程学院毕业设计（论文） i 目 录 1 引言.1 1.1 设计的目的 .1 1.2 设计的意义 .1 1.3 工程实际问题 .1 2 红外测温技术原理与方法.2 2.1 红外测温技术概述 .2 2.2 红外测温的原理 .3 2.3 红外测温的方法 .4 3 方案比较及总体方案的介绍.6 3.1 任务要求 .6 3.2 系统方案论证 .6 3.3 方案比较与选择.8 4 人体红外测温系统的硬件设计.9 4.1 重要器件的选择 .9 4.2 单片机处理模块 .9 4.3 红外测温模块 .14 4.4 按键和显示电路 .16 4.5 音频输出模块 .18 4.6 电源模块 .18 5 红外测温系统的软件设计.20 5.1 软件结构 .20 5.2 主程序模块 .21 5.3 测量温度模块 .23 5.4 播放显示程序 .24 长春工程学院毕业设计（论文） ii 5.5 中断服务程序 .25 6 总结.27 谢 辞.28 参考文献：.29 附录一：非接触式红外人体测温仪的电路原理图.30 附录二：系统源程序.31 长春工程学院毕业设计（论文） 1 1 引言 1.1 设计的目的 目前，公知的测量人体温度的有传统水银、电子体温计等。随着社会节奏的加快父母在 忙碌中抽出时间帮助孩子测体温是一件非常麻烦的事，而且由于儿童好动，既耗费时间又费 精力；老年人活动不便，使用传统的体温计很不方便，而且由于人老眼花，也不能看清体温 计汞柱的位置；在人流量大，人群密集的地方，针对体温升高为特征的疾病检查时，利用这 些传统的水银、电子体温计测量温度也极为不方便、且低效；在针对因体温升高为特征的传 染疾病时，因需要接触身体才能测温时，极不卫生、安全；而且水银、电子体温计的功能也 极为单一，这在人流量大，人群密集的地方，给医护人员检测病情带来极大的不便。红外测 温仪人流量大，人群密集的地方能在流动人群中大面积、快速、准确地甄别发热患者，能广 泛地应用于国境口岸和公共场所的体温筛查。 1.2 设计的意义 红外测温仪具有许多传统检验检疫手段不可比拟的优点，由于大多数传染病的发生和发 展常常伴随着体温升高，因此，快速筛选和排查出发热患者，对于发现和控制传染源，防止 疫情传人传出、避免疫情扩散都具有非常重要的意义。红外测温仪能人流量大，人群密集的 地方快速、准确的甄别出发热患者，为医护人员检测病情带来了极大的方便，能更有效的预 防和控制因体温升高为特征的传染疾病的传播。 1.3 工程实际问题 采用单片机作为控制板，控制温度的测量、显示和语音播报，具备spi接口，方便与 mcu连接，设计制作了单片机控制系统、a/d、d/a转换电路、语音电路和键盘显示电路，并 设计相关软件。 采用红外测温传感器测温，设计温度检测电路，实现远距离和非接触测温，根据天气情 况，理论距离可达30米。 实现目标量程：-30-200,工作温度：-10-50，精度：0.5，反应时间：1sec。 2 红外测温技术原理与方法 普通温度测量技术经过相当长时间的发展已近于成熟。目前，随着经济的发展日益需要 的是在特殊条件(如高温、强腐蚀、强电磁场条件下或较远距离)下的温度测量技术。因此， 当前研究的重点也在于此。 长春工程学院毕业设计（论文） 2 2.1 红外测温技术概述 体温计又称“医用温度计” 。体温计的工作物质是水银。它的液泡容积比上面细管的容 积大的多。泡里的水银由于受到体温的影响，产生微小的变化，水银体积的膨胀，使管内水 银柱的长度发生明显的变化。人体温度的变化一般在 35到 42之间，所以体温计的刻度 通常是 35到 42，而且每度的范围又分成为 10 份，因此体温计可精确到 1/10 度。体温 计是一种最高温度计，它可以记录这温度计所曾测定的最高温度。用后的体温计应“回表” ， 即拿着体温计的上部用力往下猛甩，可使已升入管内的水银，重新回到液泡里。其它温度计 绝对不能甩动，这是体温计与其他液体温度计的一个主要区别。 第一个体温计是伽利略在 16 世纪时发明的。但直到 300 年后才设计出使用方便、性能 可靠的体温计。 水银储存在末端的水银球内。当水银被加热时，它会发生膨胀，沿着非常狭窄的玻璃管 上升。所以，体温的小小变化就会导致玻璃管内水银的大幅度上升。量完体温后，得用力甩 动体温计，使水银回到水银球内。 体温计是在温度计的基础上研制成功的。1714 年，德国物理学家华伦海特研制了在水的 冰点和人的体温范围内设定刻度的水银体温计。1742 年又发明了 0100的摄氏温标，从 此实现了体温计的刻度标准化。 1980 年前后，发明了会说话的体温计。膜状液晶体温计在体温正常时呈现绿色，低烧呈 现黄色，高烧呈现红色。 1988 年，出现了电子呼吸脉搏体温计，可以进行遥测。 到了现代，开始流行使用电子体温计。电子体温计分为实测式电子温度计和预测式电子 体温计两种，可通过数字观看，比较方便。 在 2003 年全国防“非典”斗争中，中科院上海技术物理研究所在 863 计划高技术成果 的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究，在短时间内开发成功了“非接触 式红外测温仪” ，打开了国内“非接触式测量”的新篇章，但由于这种装置受一定因素影响， 测量结果还有待进一步进行校正。红外线体温计分为耳式红外线体温计和红外线前额测温仪， 测定时间为 1-3 秒，快速、安全。 在国外，非接触式红外测温仪已经非常先进了，自 1999 年就有许多国家致力于这方面 的开发研究，到现在为止很多国家的产品已经达到国际先进水平，并已广泛应用于各个领域。 比如：美国早在 2001 年就颁布了有关红外测温仪的计量标准，美国雷泰公司生产的 st 系列 红外测温仪已达到世界领先水平。由于红外测温仪测量温度范围宽，除了用于人体温度检测 外，还可用于电器的红外测温、供暖的红外测温、运输/汽车维修时的红外测温等各个领域。 长春工程学院毕业设计（论文） 3 非接触式红外测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件。此温度 测量系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是被测物体上某一点的温度测量；可以 是便携式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工艺简单，成木较低，测温时不接触 被测物体，具有响应时间短、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点，但利 用红外辐射测量温度，也必然受到物体发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响， 其测量误差较大。 在这种温度测量技术中红外温度传感器的选择是非常重要的，而且不仅在点温度测量中 要使用红外温度传感器，大面积温度测量也可使用红外温度传感器。 2.2 红外测温的原理 红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，在给定的温度和波长下,物体发射的辐射能有一 个最大值,这种物质称为黑体,并设定它的反射系数为1 ,其它的物质反射系数小于1 ,称为灰体, 由于黑体的光谱辐功率pb (t) 与绝对温度t 之间满足普朗克定理： （2-1） 1 / 5 1 2 e c tp c b 其中 pb (t) 为黑体的辐射出射度； 为波长； t 为绝对温度； c1， c2 为辐射常数， 它说明在绝对温度 t 下，长 处单位面积上黑体的辐射功率为 pb (t)。 红外测温必须根据波长划分测温范围， 高温在短波处,低温在长波处， 且它的灵敏度高 (曲线陡峭) ， 抗干扰性强.根据斯特藩玻耳兹曼定理：黑体的辐出度(黑体表面单位面积上所 发射的各种波长的总辐射功率) pb ( t) 与温度t 的4 次方成正比,即： pb（t）=t4 （2-2） 式中为斯特藩常数, t 为热力学温度. 黑体辐射机理正是红外测温技术的理论基础. 如果在 条件相同情况下,物体辐射的功率总是小于黑体的功率,即物体的单色辐 出度 p( t) 小于黑体的单色辐出度 pb ( t) , 将它们之比称为物体的单色黑度 () , 即实际 物体接近黑体的程度。 () = p( t) / pb ( t) (2-3) 考虑到物体的单色黑度 () 是不随波长变化的常数,即 () = ,它是随不同物质而值不 同,即使是同一种物质因其结构不同值也不同, 只有黑体 =1 ,而一般灰体 0 1. 由(2-2) 可得 长春工程学院毕业设计（论文） 4 p（t）=pb（t） ；p（t）=t4 所测物体的温度 (2-4) 4 )( tp t 式(4) 正是物体的热辐射测温的数学描述。 2.3 红外测温的方法 通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射温度的称为全辐射测温法；通过 测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度测温法；通过被测物 体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化来定温的称为比色测温法。 亮度测温法无需环境温度补偿，发射率误差较小，测温精度高，但工作于短波区，只适 于高温测量。比色测温法的光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘影响小，测温误差小，但必须 选择适当波段，使波段的发射率相差不大。本文选用全辐射测温法来计算被测量物体的温度， 全辐射测温法是根据所有波长范围内的总辐射而定温，得到的是物体的辐射温度。选用这种 方法是因为中低温物体的波长较大，辐射信号很弱，而且结构简单，成本较低。 由普朗克公式可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系式： v=rat4=kt4 （2-5） 式中 k=ra，由实验确定，定标时 取 1 t被测物体的绝对温度 r探测器的灵敏度 a与大气衰减距离有关的常数 辐射率 斯蒂芬玻耳兹曼常数 因此，可以通过检测电压而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号与目标温度 呈非线性关系，v 与 t 的四次方成正比，所以要进行线性化处理。线性化处理后得到物体的 表观温度，需进行辐射率修正为真实温度，其校正式为： （2-6） 4 ( ) tr t t 式中 tr辐射温度(表观温度) (t)辐射率，取 0.10.9 长春工程学院毕业设计（论文） 5 由于调制片辐射信号的影响，辐射率修正后的真实温度为高于环境的温度，还必须作环 温补偿，即真实温度加上环温才能最终得到被测物体的实际温度。 3 方案比较及总体方案的介绍 3.1 任务要求 采用已学过的微处理器（如单片机或 dsp 等）和电子技术知识，设计制作一个可以测量 目标温度和环境温度的非接触式红外测温装置，主要内容如下： （1）led+键盘模块进行温度测量和显示，采用单片机作为控制板，控制温度的测量、 显示和语音播报，具备 spi 接口，方便与 mcu 连接，主要设计制作单片机控制系统、 a/d、d/a 转换电路、语音电路和键盘显示电路，设计相关软件。 （2）采用红外测温传感器测温，设计温度检测电路，装置可以测量目标温度和环境温 度，实现远距离和非接触测温，根据大气状况，理论距离可达30米。 （3）实现目标量程：-30200，工作温度：-1050精度：0.5，反应时间： 1sec。 3.2 系统方案论证 方案一：基于fpga的高精度红外测温系统的研究与实现。方案中针对红外测温系统测 温精度受到环境影响大，拟合曲线和查找表法测量精度低和数据量大，难以在嵌入式系统中 实现的缺点，提出了一种双多分段温度标定法，利用温度和灰度的对应关系，对温度和灰度 首先进行分段标定，再分别进行多分段标定，并在fpga上实现了该方法。该方案能效地克 服测量精度低和数据量大的问题，再利用温度传感器对环境温度的监测进行相应的温度补偿， 可减少环境温度引起的测量误差。方案一的硬件系统框图如图3-1所示。 长春工程学院毕业设计（论文） 6 红外摄像头采集 tftlcd 显示 触摸屏 fpga 系统 flash配置芯片 ep2c35 vga 控制器sdram 电路电源 复位电路 温度采集 图 3-1 基于 fpga 的高精度测温系统框图 从图3-1可看出，系统首先经过红外摄像头进行图像的采集，得到相应的灰度图像， fpga作为系统的核心部件，主要是实现相应的图像处理(如数字滤波，伪彩色变换，图像锐 化等)以及温度的计算，然后在tft lcd上显示，通过触摸屏选择相应的待测点进行温度的测 定，由于外界环境对于实际温度的测量有很大的影响，可以通过温度传感器测定外界的温度， 然后进行过相应的补偿。 方案二：基于凌阳spce061a单片机为核心部件的红外测温系统的实现。方案二以凌阳 61单片机作为整个系统的控制中心，负责控制启动温度测量，接收测量数据，计算温度值， 并根据取得键值控制播放显示过程，同时通过音频输出通道播报温度值；红外测温模块负责 温度的测量、采集，并将采集数据通过数据端口传送spce061a单片机；由led键盘模组中 的键盘控制温度显示和播放，数码管显示温度值。本方案能实现非接触式的温度测量，并且 感应时间在3秒以内，分辨力达到0.01c,精度在0.5c以内。方案二的系统总体结构框图如 图3-2所示。 长春工程学院毕业设计（论文） 7 spce061a 红外模块 电源模 块 led 显示模块 键盘模 块 电源模块 音频模块 图3-2 基于61单片机的红外测温系统原理框图 方案二采用模块化的设计思想，把整个系统分成若模块分别予以解决，它包括主程序模 块，红外测温模块、键盘扫描模块、电源模块、音频输出模块和显示模块。主程序模块主要 完成系统的初始化，温度的检测，串行口通信，键盘和显示等功能。其中初始化包括时间中 断的初始化、外部中断源的初始化、串口通信中断的初始化，led显示的初始化。红外测温 模块包括获取温度数据，计算温度值。键盘扫描模块包括获取按键信息，处理按键请求等。 显示模块包括获取并处理相应的温度数据。电源模块能提供3.3v或者5v的电压。 3.3 方案比较与选择 方案一利用红外热成像技术实现温度监控和检测有着精度高(可分辨001的温度差)、 非接触、实时快速、测温范围宽、形象直观等优点。方案二中的tn9红外传感器模块能实现 非接触式的温度测量，并且感应时间在3秒以内，分辨力达到0.01c,精度在0.5c以内。 由于本设计为非接触式红外人体测温仪的设计，利用方案二能够更好更快捷的实现设计预达 到的要求，单片机处理系统能直接与pc机进行信息传递，从而对系统的改进和完善起到更好 的作用，因此，本次设计采用方案二基于凌阳61单片机为核心部件的红外测温系统，采用模 块化的设计。 长春工程学院毕业设计（论文） 8 4 人体红外测温系统的硬件设计 4.1 重要器件的选择 本设计是软硬件的综合体，每一个模块的选择都会对整个系统产生影响，选择的硬件模 块好坏决定了本设计所能达到的高度，所以对比较重要的模块必须要通过对比选择，扬长避 短。 红外测温设计各模块：温度传感器有两个方案可供选择：一是采用红外温度传感器选用 tps334。tps334红外温度传感器镜头带有滤波器，敏感系数高。二是采用凌阳公司生产的型 号为tn9红外温度传感器，它是一种集成的红外探测器，内部有温度补偿电路和线性处理电 路，输出数字信号，它的响应速度快、精度高、稳定性好，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传输数据。因此选用tn9红 外传感器。 显示模块：显示部分选用共阴数码管，由三极管来驱动。数码管具有耗能低、电压低、 寿命长、对外界环境要求低，易于维护等优点，其电路复杂，占用资源较多，显示信息少， 不宜显示大量信息。因为选用串行 ad 处理模块，节省了多数串口，因此选用数码管显示。 音频输出模块：spce061a 内置 2 路 10 位精度的 dac，只需要外接功放电路即可完成语 音的播放。 电源模块：spce061a 单片机的内核供电为 3.3v，而 i/o 端口可接 3.3v 也可以接 5v，所 以在电源模块中有一个端口供电平选择。 4.2 单片机处理模块 spce061a 最小系统中，包括 spce061a 芯片及其外围的基本模块，其中外围的基本模 块有：晶振输入模块（osc）、锁相环外围电路（pll）、复位电路（reset）、指示灯 （led）等，如图 4-1 所示。 长春工程学院毕业设计（论文） 9 图 4-1 spce061a 单片机最小系统图 单片机作为红外测温系统的核心处理部件，它关系到整个系统的性能指标。因此它的选 择是非常重要的。本测温系统选择的 spce061a 单片机，下面是 spce061a 单片机相关资料信 息： spce061a 是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机，具有易学易用且效 率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准 c 语言，可以实现 c 语言 与凌阳单片机汇编语言的互相调用，并且，提供了语音录放和语音识别的库函数，只要了解 库函数的使用方法，就会很容易完成语音录放，为软件开发提供了方便的条件： spce061a 片内还集成了一个 ice（在线仿真电路）接口，使得对该芯片的编程、仿真变得非常方便， 而 ice 接口不占用芯片上的硬件资源，结合凌阳科技提供的集成开发环境（unsp ide）， 用户可以进行贴近真实的在线调试、仿真；而程序的下载（烧写）也是通过该接口进行下载。 图 4-2 为 spce061a 单片机的内部结构框图： 长春工程学院毕业设计（论文） 10 图 4-2 spce061a 系统内部结构图 4.2.1 spce061a 单片机的特性 （1）16 位 nsp微处理器； （2）工作电压(cpu) vdd 为 2.43.6v (i/o) vddh 为 2.45.5v （3）cpu 时钟：0.32mhz49.152mhz ； （4）内置 2k 字 sram； （5）内置 32k flash； （6）可编程音频处理； （7）晶体振荡器; （8）系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为 2a3.6v； （9）2 个 16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)； （10）2 个 10 位 dac(数-模转换)输出通道； （11）32 位通用可编程输入/输出端口； （12）14 个中断源可来自定时器 a / b，时基，2 个外部时钟源输入，键唤醒； （13）具备触键唤醒的功能； （14）使用凌阳音频编码 sacm_s240 方式(2.4k 位/秒)，能容纳 210 秒的语音数据； 长春工程学院毕业设计（论文） 11 （15）锁相环 pll 振荡器提供系统时钟信号； （16）32768hz 实时时钟； （17）7 通道 10 位电压模-数转换器(adc)和单通道声音模-数转换器； （18）声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(agc)功能； （19）具备串行设备接口； （20）具有低电压复位(lvr)功能和低电压监测(lvd)功能； （21）内置在线仿真电路 ice（in- circuit emulator）接口； （22）具有保密能力； （23）具有 watchdog 功能。 4.2.2 spce061a 引脚的排列和说明 spce061a 有 84 个引脚，为 plcc84 封装形式；它的引脚排列如图 4-3 所示；引脚的 描述如表 4-1 所示。 图 4-3 spce061a 单片机的引脚图 表 4-1 spce061a 单片机的引脚描述表 管脚名称管脚编号描述 ioa15-86053双向 io 端口 长春工程学院毕业设计（论文） 12 ioa7-04841ioa7-0：通过编程，可设置成唤醒管脚 ioa6-0：与 adc line_in 输入共用 iob15-116864双向 io 端口 iob10-58176iob10：通用异步串行数据发送管脚 tx iob9：timerb 脉宽调制输出管脚 bpwmo iob8：timera 脉宽调制输出管脚 apwmo iob7：通用异步串行数据接收管脚 rx iob6：双向 io 端口 iob5：外部中断源 ext2 的反馈管脚 iob4-015iob5：外部中断源 ext2 的反馈管脚 iob4：外部中断源 ext1 的反馈管脚 iob3：外部中断源 ext2 iob2：外部中断源 ext1 iob1：串行接口的数据传送管脚 iob0：串行接口的时钟信号 dac121dac1 数据输出管脚 dac222dac2 数据输出管脚 osci13振荡器输入，在石英晶振模式下，是石英元件的一个输入脚 osco12振荡器输出，在石英晶振模式下，是石英元件的一个输出脚 res-b6复位输入。若这个脚输入低电平，会使得控制器被重新复位 micout27麦克风 1 阶放大器输出管脚，管脚外接电阻决定 agc 增益倍数 opi26麦克风 2 阶放大器输入管脚 vdd15，36逻辑电源的正向电压 vadref22ad 参考电压(由内部 adc 产生) vss19，24逻辑电源和 io 口的参考地 avss9模拟电路（a/d、d/a 和 2v 稳压源）参考地 avdd7模拟电路（a/d、d/a 和 2v 稳压源）正向电压 reset68低电平有效的复位管脚 长春工程学院毕业设计（论文） 13 vref2232v 参考电压输出脚 vddh51,52,75io 端口的正向电压管脚 sleep63睡眠模式(高电平激活) ice16激活 ice(高电平激活) icesck17ice 串行接口时钟管脚 icesda18ice 串行接口数据管脚 xtest14测试模式时接高电平，正常模式时接地 gnd 或悬浮 xromt61测试闪烁存储器，正常模式时悬浮 n/c4，6，55正常使用时接地 pfuse,pvin20，29程序保密设定脚。用户慎重使用。 vcp8琐相环压控振荡器的阻容输入 vcm34adc 参考电压输出脚 vrt35a/d 转换外部参考电压输入脚，它决定 a/d 转换输入电压上限值。例如： 该点输入一个 2.5v 的参考电压，则 a/d 转换电压输入范围为 02.5v。 （外部 a/d 最高参考电压3.3v） 4.3 红外测温模块 红外测温模块采用非接触测温手段，解决了传统测温中需要接触的问题，具有回应速度 快、测量精度高、测量范围广以及可同时测量目标温度和环境温度的特点。红外测温模块根 据大气状况最远测温距离约 30m，测量回应时间大约为 0.5s，而且，它具备 spi 接口，可 以很方便地与 mcu 传输数据。 4.3.1 红外测温模块引脚介绍 红外测温模块的引脚图如图 4-4 所示，其中 v 为电源电压引脚 vcc，vcc 一般为 3v 到 5v 之间的电压，一般取 vcc 为 3.3v；d 为数据接收引脚，没有数据接收时 d 为高电 平；c 为 2khz clock 输出引脚；g 为接地引脚；a 为测温启动信号引脚，低电平有效。 红外测温模块引出 5 个引脚，其中 v 和 g 分别接电源和地即可；d 接 61 板 ioa15，传输给 61 板测量数据；c 接 61 板的 ioa14，则通过 ioa14 就可以检测到红外 测温模块时钟；a 接 61 板的 ioa13，这样只要从 ioa13 输出低电平，就可以启动测温。 长春工程学院毕业设计（论文） 14 图 4-4 红外测温模块引脚图 4.3.2 红外测温模块时序图 红外测温模块的时序图如图 4-5，在 clock 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 收正确时 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。 图 4-5 红外测温模块的时序图 4.3.3 红外测温模块温度值的计算 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，它们的温度的计算方法都相同。计算公式为 目标温度/环境温度 = temp/16 273.15 长春工程学院毕业设计（论文） 15 其中 temp 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 ms 为 0x14h，lsb 为 0x2ah， 则 temp 十六进制时为 0x142ah， 十进制时为 5162， 测温度值为 5162/16-273.15=49.475。 4.4 按键和显示电路 按键和显示功能采用配套的 led 键盘模组实现，其中按键选择 18 独立按键，显示采 用 6 位 8 段数码管动态显示。电路原理如图 4-6 和图 4-7 所示。iob 口高八位连接 8 个 按键的 col8col1，ioa 口低八位控制数码管的段信号，iob 的低八位分别控制数码管 的位信号、发光二极管的公共端和第 4 位数码管后时钟冒号 d_dp 的位信号，其中 iob 的低八位接 uln2003a 的 in1-in7，iob6 控制发光二极管的公共端（本方案中没有用到发光 二极管模块），iob7 控制第 4 位数码管后时钟冒号 d_dp 的位信号，该信号低电平有效， 配合时钟冒号 d_dp 的段信号就可以点亮或者熄灭时钟冒号。 图 4-6 18 独立按键原理图 图 4-7 8 段 6 位动态显示电路原理图 （1）unl2003a 芯片 其内部为三极管阵列，其 in 脚相当于三极管的 b 极，out 较相当于三极管的 c 极。 若 in 脚输入高电平，对应的 out 脚接地；in 脚输入低电平，对应的 out 脚截止输出。 in1in7 为输入信号，out1out7 为输出信号。输入信号高有效。 长春工程学院毕业设计（论文） 16 uln2003a 元件图如图 4-8： 图 4-8 uln2003a 元件图 （2）共阴极 2 位数码管 wd5621cx wd5621cx 元件图如图 4-9： 图 4-9 wd5621cx 元件图 图中：adp 为数码管的段信号，g1、g2 为 2 位数码管的位信号。段信号高有效，位 信号低有效。 （3）共阴极 4 位数码管 wd5641ex wd5641ex 元件图如图 4-10： 图 4-10 wd5641ex 元件图 图中：adp 为数码管的段信号，d1、d2 为时钟冒号的段信号；g1g4 为 4 位数码管 的位信号，g5 为时钟冒号的位信号。段信号高有效，位信号低有效。 长春工程学院毕业设计（论文） 17 4.5 音频输出模块 spce061a 内置 2 路 10 位精度的 dac，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。 图 4-11 是音频输出电路图。可以直接听喇叭输出的声音。图中的 spy0030 也是凌阳公司的 产品。和 lm386 相比，spy0030 还具有下述优势的，比如 lm386 工作电压需在 4v 以上, spy0030 仅需 2.4v 即可工作(两颗电池即可工作)； lm386 输出功率 100mw 以下, spy0030 约 700mw。spy0030 是凌阳公司开发的专门用于语音信号放大的芯片，它的增益如下所示： gain=25000/(5000+r1) 图 4-11 音频输出电路图 4.6 电源模块 采用 3 节 5 号电池进行供电，由 j10 接入。其中的前后两组电容用来去耦滤波，使其 供给芯片的电源更加干净平滑。为了获得标准的 3.3v 电压，在板子上加入 spy0029 三端 稳压器。两个二极管，是为防止误将电源接反造成不必要损失而设置的，在操作过程中千万 不要将电源接反，因为反向电压超过一定的值，二极管将会被损坏，达不到保护的目的。后 面的零电阻及其电源、地分成不同的几路是为减少电磁干扰设置的 spce061a 的内核供电为 3.3v，而 i/o 端口可接 3.3v 也可以接 5v，所以在电源模块中有一个端口电平选择跳线，如 图中的 j5，图 4-12 为电源模块图。 长春工程学院毕业设计（论文） 18 图 4-12 电源模块图 图 4-12 中 j10 是电源接口，spce061a 电压要求为 3.3v，而 i/o 端口的电压可以选择 3.3v 也可以选择 5v。所以，在电路上具有两种工作电压：5v 和 3.3v。对应的引脚中 15、36 和 7 必须为 3.3v, 对于 i/o 端口的电压 51、52、75 可以是 3.3v 也可以是 5v，这两种电平的选择通过跳线 j5 来控制。61 板的供电电源系统采用用户多种选择方式： （1）dc5v 电池供电。用户可以用 3 节电池来供电。 5v 直流电压直接通过 spy0029 （相当于一般 3.3v 稳压器） 稳压到 3.3v，为整个电路提供了 4.5v 和 3.3v 两种电平的电 压。 （2）dc5v 稳压源供电。 用户可以直接外接 5v 的直流稳压源供电。5v 电压再通过 spy0029 稳压到 3.3v。 （3）dc3v 供电。可以提供直流 3.3v 电压为实验进行供电。此时整个电路只有 3.3v 电压，i/o 端口电压此时只有一种选择。 5 红外测温系统的软件设计 5.1 软件结构 软件结构图如图 5-1，图中可以看出各文件之间的调用关系。 长春工程学院毕业设计（论文） 19 main.c tndriveruser.cplaydata.ckey.c tnrfdriver.asm dig.asm isr.asm 图 5-1 红外测温软件结构图 下面介绍上图中各个文件里定义的函数及其功能。 tndriveruser.c 文件里包含了 tn_ir_getdata 函数和一个延时函数，tn_ir_getdata 函数的功能是读取测量结果并计算温度值。这是一个用户端函数，直接调用 tn_ir_getdata 函数就可以得到测量数据。 tnrfdriver.asm 文件是底层驱动文件，包含了红外模块初始化函数 tn_initalio、红外 模块启动函数 tn_irack_en 和读测量数据函数 tn_readdata；其中 tn_initalio 函数主 要进行控制端口初始化，tn_irack_en 函数用来启动测量，tn_readdata 函数用来读取测 量数据。 playdata.c 文件里包含 playsnd_auto 自动播放语音函数和 f_tempplayandshow 温度值 显示播报函数，在主函数里直接调用 f_tempplayandshow 就可以播放并且显示已经计算好 的温度值。 key.c 是一个键盘底层驱动文件，包含键盘控制端口初始化函数 key_init 和键 盘扫描函数 keyscan 函数。 dig.asm 是数码管底层驱动文件，包含数码管控制端口初始化函数 dig_init，设置数码 管某一位的显示内容函数 dig_set，设置所有数码管的显示内容函数 dig_setall，获取某一 位数码管的显示内容函数 dig_get，获取所有数码管的显示内容函数 dig_getall，数码管显 示函数 dig_drive，停止数码管显示函数 dig_off 和恢复数码管显示函数 dig_on。 isr.asm 文件里定义了各个中断函数，其中在_fiq 中断服务函数里调用 长春工程学院毕业设计（论文） 20 f_fiq_service_sacm_s480 函数播放语音，在_irq4 的 4khz 中断里调用数码管显示函数 dig_drive 实现数码管的动态刷新显示。 main.c 文件里包含了 mian（）一个函数，函数调用键盘扫描程序扫描键盘，根据返回 的键值，调用 tn_ir_getdata 得到测量数据，计算成温度值后进行播放并显示。 5.2 主程序模块 主程序流程图如图 5-2，初始化红外测温模块，初始化键盘；进入主程序循环，调用键 盘扫描程序扫描键盘，根据键值散转： 如果第一个键（k1）按下，调用测量温度程序测量，判断是否正确测到目标温度，否则 继续测量，直到测到正确数据；是则播放并显示目标温度值。然后再调用测量温度程序测量， 判断是否正确测到环境温度，否则继续测量，直到测到正确数据；是则播放并显示环境温度 值； 如果第二个键（k2）按下，调用测量温度程序测量，判断是否正确测到目标温度，否则 继续测量，直到测到正确数据；是则播放并显示温度值； 如果第三个键（k3）按下，调用测量温度程序测量，判断是否正确测到环境温度，否则 继续测量，直到测到正确数据；是则播放并显示温度值；如果没有键盘按下，则返回重新扫 描键盘。 长春工程学院毕业设计（论文） 21 开始 初始化红外测温模块 初始化键盘 扫描键盘取键值 判断哪个按键按下 测量目标温度 测量目标温度 测量环境温度 判断是否测到 正确目标温度 判断是否测到 正确目标温度 判断是否测到 正确环境温度 播报并显示目标温度播报并显示目标温度播报并显示环境温度 测量环境温度 判断是否测到 正确环境温度 播报并显示环境温度 k1k2k3 nnn yy n y n y 长春工程学院毕业设计（论文） 22 图 5-2 主程序流程图 5.3 测量温度模块 在主程序中，调用了测量温度程序测量数据。程序流程图如图 5-3，定义一个返回变量， 根据这个返回变量在主程序可以判断是否测量到正确数据；调用启动测量程序启动测温；调 用读测量数据程序读取测量数据；判断第一个字节数据是否为 0x4c 或者 0x66，也就是判断 是否测到目标温度或者环境温度，是则依次取第二个字节数据和第三个字节数据，如果第五 个字节数据为 0x0d，则证明读到正确数据，根据温度计算公式计算温度值，并且给返回变 量赋 0，表明已经读到正确的温度值；否则直接返回。 开始 定义返回变量，并赋 一个不为 0 的数 启动测温 读取测量温度 读到第一个字节数据 为 0x4c 或者 0x66 取第二个字节数据 取第三个字节数据 读到第五个字 节数据为 0x0d 计算温度值 返回变量赋 0 延时 关闭测量 返回 n y n y 长春工程学院毕业设计（论文） 23 图 5-3 读测量数据程序流程图 5.4 播放显示程序 该系统采用自动播放方式，显示时调用数码管驱动函数直接显示。流程图如图 5-4，百 位显示在第二位数码管，十位显示在第三位数码管，个位显示在第四位数码管，小数点后第 一位显示在第五位数码管，小数点后第二位显示在第六位数码管. 温度值为 0？ 计算温度值的百位,十位, 个位,小数点后第一位和小 数点后第二位数据 百位数据 为 0？ 显示百位数据 播放百位数据 播放“百” 十位数据 为 0？ 显示十位数据 播放“十” 播放十位数据 显示个位数据 个位数据 为 0？ 播放个位数据 播放“点” 显示小数点后 第一位数据 播放小数点后 第一位数据 显示小数点后 第二位数据 播放小数点后 第二位数据 播放摄氏度 返回 y n n y n y y n 开始 长春工程学院毕业设计（论文） 24 图 5-4 播报显示程序流程图 5.5 中断服务程序 该系统中用到了两个中断，一个是 fiq 中断，在这个中断里调用 f_fiq_service_sacm_s480 函数进行语音解码播放；另一个用到的中断是 irq4_4khz，这个 中断里调用数码管显示函数 f_dig_drive 刷新显示。fiq 中断服务程序流程图和 irq4 中断 服务程序流程图分别如图 5-5 和图 5-6。 图 5-5 fiq 中断服务程序流程图 寄存器入栈 判断是否是 fiq_tma 中断? 判断是否是 fiq_tmb 中断? 清 fiq_tmb 中断标志 调用 f_fiq_service_sacm_s4 80 函数 清 fiq_fosc/1024 中断标 志 寄存器出栈 清 fiq_tma 中断标志 中断返回 n n y y 长春工程学院毕业设计（论文） 25 图 5-6 irq4 中断服务程序流程图 寄存器入栈 判断是否是 irq4_4khz 中断? 判断是否是 irq4_2khz 中断? 清 irq4_2khz 中断标志 调用数码管显示函数 清 irq4_1khz 中断标志 寄存器出栈 清 irq4_4khz 中断标志 中断返回 y y n n 长春工程学院毕业设计（论文） 26 6 总结 历经几个月的毕业设计即将结束，回想这段时间收获颇多。所做的设计基本上达到了任 务书上的要求，本方案能实现非接触式的温度测量，并且感应时间在 3 秒以内，分辨力达到 0.01c,精度在 0.5c 以内。 这里设计的非接触式红外人体测温系统，以 spce061a 单片机作为整个系统的控制中心， 负责控制启动温度测量，接收测量数据，计算温度值，并根据取得键值控制温度语音播放显 示过程，同时通过音频输出通道播报温度值；红外测温模块负责温度的测量、采集，并将采 集数据通过数据端口传送 spce061a 单片机；由 led 键盘模组中的键盘控制温度显示和播放， 数码管显示温度值。 通过对硬件电路的设计我对 protel 软件的使用更加熟练，这不仅使我对课本上所学的 知识有了更进一步的了解，而且也提高了我的动手能力、理论联系实际能力。为今后的学习 和工作打下了很好的基础。但同时也明显感觉到还有很多地方需要完善和提高，设计的产品 与实际应用还有一定的差距。所以，在今后的工作中，还要不断的学习充电，掌握更多的技 能。争取能够在此基础上设计出更先进、功能更强大、结构更简单的智能化仪器 谢 辞 我的毕业设计是在林海波老师的悉心指导下完成的。林老师不仅对我给予了无微不至的 关怀和培养，更重要的是，他对本设计的研究和顺利完成倾注了大量的心血。在此，我向老 师表示深深的敬意和衷心的感谢！ 毕业设计中我还得到了其他老师和同学们的热情帮助，在这里一并表示感谢！ 同时也真诚感谢我所参阅的资料的各位作者，他们的资料也为我能顺利完成此次 毕业设计提供了一个平台。 总之，这次毕业设计对我来说是一次比较全面的、富有创造性和探索性的锻 炼，完成了我选题时的心愿。同时，林老师无私的敬业精神以及同学们的热情帮 助也令我深有感触，对于我今后的学习、工作和生活都将是受益无穷的！ 再一次对林老师表达我的深深的谢意！ 参考文献： 1孙鹏，红外测温物理模型的建立及论证d.吉林大学.2006. 2晏敏,彭楚武,颜永红,曾云,曾健平.红外测温原理及误差分析j.湖南大学学报 2004,5(10):110-112. 长春工程学院毕业设计（论文） 27 3曹润强.红外测温仪的设计j.攀枝花学院学报，2006,23（6）:87-89. 4 cao xi-zheng,guo li-hong,and li zhuo. infrared radiation measurement of the aerial target based 0ntemperature calibration and target imagesj. optoelectronics letters,2006,6:0465-0467. 5庄绍雄，张迎春单片机控制的电阻电容在线测量仪j电子测量与仪器学报，1993，7(4)：4045 6罗翼，张宏伟pic 单片机应用系统开发经典应用m北京:中国电力出版社，2005 7黄智伟，朱荣辉，朱卫华无线数字温度传感器的设计j传感器技术，2002，21(9):3133 8梁延贵积分式 ad 转换器其他专用集成电路分册m北京:科学技术文献出版社，2002. 9陈远金, 程永进, 吴雄伟.红外温度传感器的设计与实现j.中国设备工程，2006，07:48-49. 10蔡维铮.常用电子元器件手册m.哈尔滨工业大学出版社,1998. 11王魁汉. 温度测量实用技术m. 北