基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计.doc

本科毕业设计（论文）基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计燕 山 大 学 2011年6月 本科毕业设计（论文）基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计学 院： 专 业：电子信息工程 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期： 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院： 系级教学单位： 电子与通信工程系学号学生姓名专 业班 级电信三班题目题目名称基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容红外体温测试基于其非接触式的测量方式，使其在温度测量的同时不破坏被测温度场的均衡性，因此得到了广泛应用。本课题要求利用MSP430单片机和红外温度传感器来测量温度信号，并实现温度数据的的直观显示。基本要求1 了解并分析当前红外测温设备所能完成的基本功能2 设计系统电路图3 完成系统的软件编程4 验证所设计系统的可行性参考资料1实用电子电路设计，李哲英，电子工业出版社2 MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用， 清华大学出版社3电子世界4网络论坛周 次第13周第47周第811周第1214周第1518周应完成的内容收集资料熟悉课题内容查找参考书确定设计思路电路方案设计，电路设计方案优化系统软件编程实验结果整理和总结论文书写课题总结答辩指导教师： 职称：讲师 2011年03月01日系级教学单位审批： 年 月 日摘要伴随着人们生活水平的不断提高以及对生活质量要求的提高，人们对自身的健康状况越来越关注，而人体的体温、血压、脉搏和呼吸是鉴别人体健康状况的重要参数，对这些生理指标的监控与测量则可以更好的体现人体自身的健康状况，所以他们在医疗领域中占有十分重要的地位，也为人民的生活带来极大的方便。本次设计主要围绕体温这一生理指标展开，以MSP430单片机为控制核心对温度进行实时采集，开发设计红外测温仪的全过程，根据红外线测温仪的原理，通过关键器件的选择以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的精确度，设计了一种非接触式人体体温测试仪，用于人体体温的快速测量。对非接触式测温仪的设计是以功能性为基础，以创新性为指导，以实践性为依托，具有大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，在医学、体育、消防、军事训练、等领域得到更广泛的应用。关键词红外测温系统；非接触式；MSP430单片机AbstractWith the continuous improvement of living standards and increased demands on the quality of life, people become increasingly concerned about their health status, while body temperature, blood pressure, pulse and respiration is the important parameters to identify health status, physiological indicators of these monitoring and measurement can better reflect the bodys own health status, so they not only play an important role in the medical field, but also can bring great convenience to the lives of people . This design centers around the physiological temperature started to MSP430 microcontroller to control the temperature, and develops the whole process of the infrared thermometer, we accord to the principle of selection of the key device and temperature compensation of automatic adjustment to improve the accuracy of the infrared thermometer, it designs a body temperature of non-contact tester for the rapid measurement of human body temperature. Non-contact temperature measuring instruments are functional-based, innovative, and it has excellent prospects for development and extensive applications. Through this design, I hope to provide new ideas and methods in medicine, sports, fire, military training, and other fields. KeywordsInfrared temperature measurement system; non-contact; MSP430 microcontroller目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题的目的及意义21.3 国内外研究现状21.4 本文主要内容及结构安排3第2章 系统硬件设计52.1 主从单片机处理模块52.1.1 主控MSP430单片机功能简介52.1.2 MSP430单片机的特点62.1.3 内部AD模块简介92.2 信号放大部分102.2.1 信号放大器INA126U芯片简介112.2.2 信号放大电路112.3 电源部分112.3.1 稳压芯片MCP1701介绍以及电路设计122.3.2 升压芯片L6920介绍以及电路设计132.3.3 负电转换芯片TPS6040介绍以及电路设计132.3.4 充电芯片LM3658介绍以及电路设计142.4 显示部分162.5 红外温度采集OTP-538U172.5.1 红外温度传感器原理182.5.2 OTP-538U工作原理和性能192.6 按键部分202.7 本章小结21第3章 系统软件设计233.1 使用环境简介233.2 编程语言的选择233.3 主程序设计243.4 AD转换子程序设计253.5 显示子序设计263.4 本章小结27第4章 系统调试和性能分析294.1 系统调试294.1.1 系统硬件调试294.1.2 系统软件调试294.2 调试中出现的问题294.3 实验结果分析304.4 实验误差分析304.5 本章小结31结论32参考文献33致谢34附录135附录243附录349附录457第1章 绪论1.1 课题背景随着2003年非典的袭击，在我国迅速诞生了一支专门抗击非典的医疗仪器队伍，特别是在红外体温检测仪的研发方面取得了突出的成就。国家相关部门也在重点强调非接触式体温计的研发1。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，探测方式不断改进2。国内外体温计的发展大致分为三个阶段。第一阶段是常见的玻璃水银体温计，第二阶段是电子体温计，如今应用最为广泛的是非接触式红外体温计。水银体温计虽然价格便宜但是有诸多弊端：首先，水银体温计遇热或安置不当，体温计容易破裂。其次，人体接触水银后会中毒，中毒症状是恶心、头痛、腹泻、脱发等，严重者会造成血液凝固。因为水银有剧毒，一旦它污染了水源或食物，可以对人的肾脏、肺等造成极大的伤害，水银也能加速人神经系统退变。最后，采用水银体温计测温需要相当长的时间(5min10min)，使用不便。电子体温计是采用热敏电阻测量温度的，电子体温计能快速准确地测量人体温度，与传统的水银玻璃体温计相比，具有读数方便、测量精度高、能记忆并有蜂鸣提示的优点，尤其是电子体温计不含水银，对人体及周围环境无害，特别适合于家庭、医院等场合使用。但采用电子体温计测温也需要较长的时间，同样使用不便。非接触式红外体温计是根据黑体辐射原理通过测量人体辐射的红外线而测量温度的。它用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线而不向人体发射任何射线，它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且价格低，体积小，实现了体温的快速准确测量，具有稳定性好，精度高，测量安全，使用方便等特点。非接触式人体体温测试仪的设计技术目前已经达到成熟，本文详细的介绍在国内外已有技术的基础上，此设计开发的全过程。此设计涉及单片机，传感器等诸多方面的知识3，主攻方向在于温度的采集和处理，达到体温能够准确显示的预期效果。1.2 课题的目的及意义体温计是人们日常生活中的必备品。传统的水银体温计存在测量温度时间长、读数不便等特点。红外测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了着重要作用。近20年来，非接触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，市场占有率逐年增长。比起传统的测温方法，红外体温计有着响应时间快、使用安全及使用寿命长等优点。红外体温计包括便携式红外体温计、在线式红外体温计和扫描式红外体温计三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。在不同规格的各种型号红外体温计中，正确选择红外体温计型号4对用户来说是十分重要的。红外温度检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目，红外温度检测是一种在线监测(不停电)式高科技检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，具有准确、实时、快速等优点。任何物体由于其自身分子的运动，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”。红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况5。目前应用红外诊技术的测试设备比较多，如红外体温计、红外热电视、红外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效68。1.3 国内外研究现状国外红外线技术在19世纪并发展至今，已经有很多专利项目和大量科研成果。美国和日本几乎垄断了红外线技术产品的专利。由于红外线技术我国起步比较晚，而且相关部件比较昂贵，对我们在生产生活中普及还有很长的一段路要走。所以我们要把红外检测技术利用到我们实际生活当中去，利用我们能利用的知识去改进我们的生活9。红外线是近年来兴起的高端技术，对红外线设备的设计和研究，对今后生产生活有积极的影响。体温计是人们日常生活中的必备用品，尤其在SARS和H1N1流行期间，体温计几乎成成为了衡量感染者与未感染者的测量仪器。所以在本文以下内容中我要结合单片机，运用红外线原理去设计一个基于单片机的红外体温仪器的方案1012。通过方案论证，选择出最佳的方案并进行设计和制作1315。随着现代科学技术的发展，传统的接触式测温方式以不能满足现代一些领域的测温需求，对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。本红外测温系统设计的出发点也正是基于此1618。1.4 本文主要内容及结构安排全文主要阐述了非接触式人体体温测试仪的硬件设计和软件设计。硬件方面首先谈到了系统的总体设计，然后分别从红外线传感器，运算放大器，A/D转换，数据处理，显示部分等功能模块进行了论述并详细介绍了各个芯片的结构和功能，使系统具有稳定性好，精度高，测量安全，使用方便等特点。在软件方面，此设计使用汇编语言来编写程序代码，具有编译速度快，运行效率高等特点，设计的软件部分采用模块化结构，每个模块作为一个子程序，根据系统功能划分，程序由模块组成，所以整个程序的编制、调试和维护都比较方便，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和设计框架，对各部分程序进行解释说明，从而实现非接触式人体体温的显示。对非接触式测温仪的设计是以功能性为基础，以创新性为指导，以实践性为依托，具有大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，在医学、体育、消防、军事训练、等领域得到更广泛的应用。最后，文章对本次设计做出了详细的总结。本论文的具体结构安排如下：第1章为绪论，涵盖了课题背景、课题目的及意义、国内外研究现状以及论文的主要内容及结构安排。第2章为系统硬件设计的介绍，主要介绍了各个主要模块的作用和工作性能。第3章为系统软件设计的介绍，主要介绍了软件所使用环境，主程序以及各个子程序设计流程。第4章为系统调试和性能分析，主要介绍了此设计软硬件调试过程的方法以及在调试过程中出现的各种问题。第2章 系统硬件设计2.1 主从单片机处理模块超低功耗是本设计选用MSP430单片机最主要的原因。MSP430单片机有多种工作模式，各种工作模式都相当省电，RAM数据保持只有0.1A，这时也能响应中断。我们一般使用低功耗模式3和活动模式，低功耗模式3只有0.8A，这时还能进行时钟计时19。MSP430F24X单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗设计理念，其设计结构完全以系统低功耗运行为核心。2.1.1 主控MSP430单片机功能简介该红外测温系统是以MSP430单片机为核心器件，此单片机模块的工作原理是：加载相应程序的MSP430单片机把红外测温模块传来的模拟数据通过内部AD转换成数字数据并通过计算得出具体的温度数值，然后送液晶显示。德州仪器1996年到2000年初，先后推出了31x、32x、33x等几个系列，这些系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。每一系列有ROM 型(C)、OTP型(P)、和EPROM型(E)等芯片。EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。这也表明了这几个系列的开发模式，即：用户可以用EPROM型开发样机；用OTP型进行小批量生产；而ROM型适应大批量生产的产品。2000年推出了11x/11x1系列。这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。这个时期的MPS430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。它的许多重要特性如：片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等，只有33x系列才具备。33x系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时，33x并不一定是最适合的。而片内高精度A/D转换器又只有32x系列才有。2000年7月推出了F13x/F14x系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41x、F43x、F44x。这些全部是Flash型单片机。F41x系列单片机有48个I/O口，96段LCD驱动。F43x、F44x系列是在13x、14x的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动LCD的段数由3xx系列的最多120段增加到160段。并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间。MSP430系列的部分产品具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。TI公司推出具有Flash 型存储器及JTAG 边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。这种以Flash 技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。2001年TI公司又公布了BOOTSTRAPLOADER技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序。这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP 具有很高的保密性，口令可达到32个字节的长度。TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15x和F16x系列的产品。 在这一新的系列中，有了两个方面的发展。一是从存储器方面来说，将RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12 和SVS等模块。2.1.2 MSP430单片机的特点2.1.2.1 处理能力强 MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。2.1.2.2 运算速度快 MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加运算)相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。2.1.2.3 超低功耗 MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165A左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1A。其次，MSP430系列单片机独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环(FLL和FLL+)时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器(32768Hz)，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0LPM4)。在实时时钟模式下，可达2.5A，在RAM保持模式下，最低可达0.1A。2.1.2.4 片内资源丰富 MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A0(Timer_A0)、定时器A1(Timer_A1)、定时器B0(Timer_B0)、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位ADC、DMA、I/O端口、基本定时器(Basic Timer)、实时时钟(RTC)和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器(Timer_A 和 Timer_B)具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。主控单片机引脚及部分外围电路如图2-1所示：图2-1 主控芯2.1.3 内部AD模块简介2.1.3.1 MSP430模数转换模块ADC12 MSP430单片机的ADC12模块是一个12位精度的A/D转换模块，他具有高速度，通用性等特点。大部分都内置了ADC模块.而有些不带ADC模块的片子，也可通过利用内置的模拟比较器来实现AD的转换。在系列产品中，我们可以通过以列表2-1来简单地认识他们的ADC功能实现。表2-1 各型号ADC比较系列型号ADC功能实现精度转换MSP430X1XX2比较器实现10位MSP430F13XADC模块12位MSP430F14XADC模块12位MSP430F43XADC模块12位MSP430F44XADC模块12位MSP430X32XADC模块14位ADC12模块中是由以下部分组成：输入的16路模拟开关，ADC内部电压参考源，ADC12内核，ADC时钟源部分，采集与保持/触发源部分，ADC数据输出部分，ADC控制寄存器等组成。2.1.3.2 输入的16路模拟开关 16路模拟开关分别是由IC外部的8路模拟信号输入和内部4路参考电源输入及1路内部温度传感器源及AVCC-AVSS/2电压源输入。外部8路从A0-A7输入，主要是外部测量时的模拟变量信号。内部4路分别是Veref+ADC内部参考电源的输出正端，Vref-/Veref-ADC内部参考电源负端(内部/外部)。1路AVCC-AVSS/2电压源和1路内部温度传感器源。片内温度传感器可以用于测量芯片上的温度，可以在设计时做一些有用的控制，在实际应用时用得较多。而其他电源参考源输入可以用作ADC12的校验之用，在设计时可作自身校准。2.1.3.3 ADC内部电压参考源 ADC电压参考源是用于给ADC12内核作为一个基准信号之用的，这是ADC必不可少的一部分。在ADC12模块中基准电压源可以通过软件来设置6种不同的组合。2.1.3.4 ADC12内核 ADC12的模块内核是共用的，通过前端的模拟开关来分别来完成采集输入。ADC12是一个精度为12位的ADC内核，1位非线性微分误差，1位非线性积分误差。内核在转换时会参用到两个参考基准电压，一个是参考相对的最大输入最大值，当模拟开关输出的模拟变量大于或等于最大值时ADC内核的输出数字量为满量程，也就是0xfff；另一个则是最小值，当模拟开关输出的模拟变量大小或等于最大值时ADC内核的输出数字量为最低量程，也就是0x00。而这两个参考电压是可以通过软件来编程设置的。2.1.3.5 ADC时钟源部分 ADC12的时钟源分有ADC12OSC，ACLK，MCLK，SMCLK。通过编程可以选择其中之一时钟源，同时还可以适当的分频。2.1.3.6 采集与保持触发源部分 ADC12模块中有着较好的采集与保持电路，采用不的设置有着灵活的应用。2.1.3.7 ADC数据输出部分 ADC内核在每次完成转换时都会将相应通道上的输出结果存贮到相应用通道缓冲区单元中，共有16个通道缓冲单元。同时16个通道的缓冲单元有着相对应的控制寄存器，以实现更灵活的控制。如表2-2所示：表2-2 控制寄存器ADC12CTL0转换控制寄存器0ADC12CTL1转换控制寄存器1ADC12IE中断使能寄存器ADC12IFG中断标志寄存器ADC12IV中断向量寄存器ADC12MEM0-15存储控制寄存器0-15ADC12MCTL0-15存储控制寄存器0-152.2 信号放大部分由于信号传感器传出来的信号为微弱是毫安级别的，所以应该应用放大器将采集到的信号放大到单片机AD转换能准确分辨的电压范围，故选用了INA126U信号放大器，简单只需简单加一电阻就能将增益计算出来2.2.1 信号放大器INA126U芯片简介INA126U是精密低噪声差分信号采集仪表放大器，内部采用两个运放设计，使之具有非常低的静态电流(175A)和有很宽电源供电范围(1.3518V)，可用于便携式仪表和数据采集系统。此元件采用8引脚封装方式，增益可以设置从5V/V到10000V/V的外部电阻。微调输入电路提供低失调电压(250V最大值)，低失调电压漂移(3V/max)和出色的共模抑制。电源电压范围-36V+36V，输入信号电压范围-0.7V+0.7V。增益是由连接外部电阻RG来计算的。2.2.2 信号放大电路采用INA126对温度传感器传回来的电压值进行放大，然后送到MSP430单片机的AD接口，放大电路如图2-2所示：图2-2 信号放大部分电路此电路中，RG=10K，由此可知放大倍数为8005倍。电容C1用来滤波，电容CA7是为了防止电压有大的毛刺，也起到滤波作用，这样可以使外部环境干扰降到最低。2.3 电源部分直流稳压电源是电子系统中的关键部分，其作用是为电子系统提供稳定的电能。稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调节范围；另一类是质量指标，反应一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻、纹波电压及温度系数等。对稳压电源的性能，主要有以下四个方面的要求：稳定性好、输出电阻小、电压温度系数小、输出电压波纹小。此系统需要+5V电压为主机、传感器、运放等提供电能。稳定直流电源设计的一般思路是让输入电压先通过电压变压器，再通过整流网络，然后经过滤波网络最后经过稳压网络。2.3.1 稳压芯片MCP1701介绍以及电路设计MCP1701系列CMOS低压差(low dropout，LDO)正电压稳压器，可以提供最高250mA的电流，而其静态电流只有2.0A(典型值)。输入工作电压范围最高为10V，因此特别适合锂离子(一节或两节)或9V碱性电池以及两节或三节干电池供电的应用。在输入输出电压差为650mV的情况下，MCP1701能够提供250mA的电流。低的压差可以延长电池使用寿命，同时允许器件工作在最小VINVOUT电压差时，采用很小的封装也能够提供高的输出电流。MCP1701的输出电压的波动范围极小，其具有 0.5%(典型值)的输出电压稳定度和0.2%的线路稳定度。只需要使用1F的钽电容或铝电解电容作为输出电容，LDO 就能稳定输出。MCP1701LDO也提供短路保护，以保证最大的可靠性。以下是相关引脚描述：2.3.1.1 接地端 (GND) 稳压器接地引脚。将输出的负端和输入电容的负端连接到GND。只有LDO的偏置电流(典型值为2A)从这个引脚流出，没有大电流从该引脚流出。LDO输出稳定度以这个引脚为基准。应最大限度地减小这个引脚和负载负端之间的压差。2.3.1.2 稳压输出引脚 (VOUT) 将负载的正端及输出电容的正端连接到 VOUT。输出电容正端的位置应该尽量靠近LDO的VOUT引脚。从这个引脚流出的电流和直流负载电流相等。2.3.1.3 未稳压电源输入引脚(VIN) VIN与输入电压和输入电容的正端相连。像所有的低压差线性稳压器一样，LDO的稳定工作要求电压源的阻抗低。确保低电压源阻抗所需要的电容值取决于输入电容值的接近程度或电池类型。输入电容的位置应尽可能靠近VIN引脚。对于绝大多数应用，用1F的电容就可以确保LDO电路稳定工作。对负载电流低于100mA的应用，输入电容的要求可以更低。可以使用的电容有陶瓷电容、钽电容和铝电解电容。在高频情况下，陶瓷电容的低等效串联阻抗特性会使其抗噪声性能和PSRR性能更佳。流进该引脚的电流等于直流负载电流加上LDO偏置电流。2.3.2 升压芯片L6920介绍以及电路设计L6920D可以将电压升高到+5V以便给放大器提供稳压，升压电路如图2-3所示：图2-3 升压电路由于电池的电压随着电量的变化而变化，为了给电路一个稳定的电压参考，采用L6920芯片将电压稳定到+5V。为了尽量不让电路出现电压毛刺，设计中在电压初始端全部加入电容或极性电容来，以防止电压反向倒流击穿电路中的器件。2.3.3 负电转换芯片TPS6040介绍以及电路设计芯片TPS6040可以将正电压转换为其对应的负电压，此设计主要是为放大器供负电，理论上INA126地线引脚接地即可，但是由于此接法不成功，不能实现电压的放大，故将接地端接入负电，正常工作。电路如图2-4所示：图2-4 负电转换电路此电路的设计是根据芯片资料中的经典电路设计而成，考虑到的依然是电压的稳定性能。2.3.4 充电芯片LM3658介绍以及电路设计LM3658一款双输入通用串行总线(USB)、交流电电池充电及电源管理二合一集成电路。该芯片可为单颗锂电池和锂聚合物电池安全充电。LM3658二合一芯片的终止充电差不超过1.5%，这有助延长电池寿命，因此适用于多种不同的便携式电子产品，包括PDA、MP3播放机、数码相机、上网设备、仪表和智能电话。LM3658芯片在利用USB或交流电插座为锂电池或锂聚合物电池充电时，若这两种电源都处于开启状态，则充电器芯片便会自动选用预先设定的交流电模式。LM3658芯片只需几颗外接元件为其提供支持，而且它还内置了功率场效应晶体管(FET)、电流传感器、反向保护和热能调节等电路，使电池获得更可靠的保护。LM3658芯片在利用墙上插座的交流电为电池充电时，充电电流介于50mA与1000mA 之间，电流大小可以通过外置电阻加以设定。若利用USB电源为电池充电，用户可通过引脚选择100mA或500mA的充电电流。这款芯片会不断控制终止充电电压，确保误差不会超过4.2V的1.5%。LM3658芯片若利用2.5V至6V之间的输入电压，输出电流可以高达1A，电流的实际大小可以通过外置电阻加以调节。此外，内置的功率FET可以根据环境温度自行调节操作速率，以确保芯片无论在任何温度之下也能以最高的效率进行充电。LM3658芯片设有5种操作模式，分别是预先设限模式、恒流模式、恒压模式、充满即停止模式和维持模式。这款芯片还设有热能调节与电池温度测量等功能，以及多个安全计时器。此外，它也设有两个漏极开路输出，以便启动LED状态指示灯或与通用输入/输出建立联系。这款电池充电和电源管理二合一芯片设有多个防护装置，其中包括LED状态指示灯、安全计时器，以及不间断监测电池温度的监控电路。LM3658电池充电IC采用10引脚LLP封装，充电电路如图2-5所示：图2-5 充电电路为了方便使用者的使用设计了标准USB充电端口如图2-6所示：图2-6 USB充电接口电路2.4 显示部分常用显示器件有LED数码管显示器，CRT显示器以及LCD液晶显示器等。常用的数码管显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管控制七个笔画(段)的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的形式有些失真，但控制简单，使用方便。点阵式的发光显示器，发光二极管排成一个NM(例如57)的矩阵，一个发光二极管控制点阵中的一个点，这种显示器显示的字形逼真，能显示的字符比较多，但控制比较复杂。液晶显示器(LCD)已被广泛应用于计算机、电视及智能仪表中，它的主要优点是功耗低、控制电压低、集成电路容易控制。通过编程，可以清晰地显示各种字符和汉字。LCD显示器的缺点也是明显的：其一，由于有机大分子有一定的厚度，人眼从不同的角度观察光线的反射效果是不一样的；其二，有机大分子在紫外线照射下容易失效；其三，温度高低对有机大分子也有明显影响。本文的研究，黑白屏显示即可满足要求。系统采用STN液晶屏幕显示，其外部电路及引脚连接如图2-6所示：图2-7 液晶屏部分电路此显示屏和一般显示屏引脚功能相似，数据以一字节为单位传送，显示清晰，并且有单独的背光控制引脚。背光有单独的引脚连接，如图2-8所示：图2-8 液晶屏背光电路2.5 红外温度采集OTP-538U本文研究很关键的一部分是温度采集部分，因此，温度的采集模块的设计很重要，涉及到整个系统数据的准确性。选好温度传感器是系统成功的关键。温度传感器大致可以分为热电阻传感器、模拟温度传感器、数字式温度传感器。热敏电阻的工作原理是导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就就可以当做温度传感器，热敏电阻缺点是由于自身发热导致阻值随温度变化成非线性。但它有其自己的优点：电阻温度系数要大而且稳定，在温度不高的情况下电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。电阻率高，热容量小，反应速度快。材料的复现性和工艺性好，价格低。模拟式温度传感器具有测量转换速度快，温度测量范围宽的优点。但是模拟传感器的模拟信号需要先经过取样、放大和模数转换电路处理，再将转换得到的表示温湿度值的数字信号交由微处理器或DSP处理。被测信号从敏感元件接收的非电物理量开始，到转换为微处理器可处理的数字信号之间，设计者须考虑的线路环节较多，相应测试装置中元器件数量难以下降，随之影响产品的可靠性及小型化。而且模拟信号在长距离传输过程中，容易受到电磁干扰而导致误差产生。在多点温湿度检测的场合，各被测点到测试装置之间引线距离往往不同，各敏感元件参数的不一致性，都将会导致误差的产生，并且难以完全清除。数字式温度传感器能把被测模拟量直接换成数字量输出，可以直接与数字设备(计算机，计数器，数字显示系统等)相联，用微控制器、DSP或计算机进行信号的处理、滤波、压缩。它的信号原则上不受放大器和信号处理系统的温度漂移的影响，具有极高的抗干扰能力。数字式传感器具有高的测量精度和分辨率，稳定性好，信号易于处理、传送和自动控制，便于动态及多路测量，读数直观，安装方便，维护简单，工作可靠性高。但存在反应速度较慢，温度测量的范围不宽的缺点。另一方面，数字式温度传感器在编程方面必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。考虑系统的经济性和温湿度传感器的优缺点及发展状况，确定温度传感器为热敏电阻传感器。虽然它在温度较高的情况下由于自身发热导致阻值随温度变化成非线性。但是，在此研究系统中，所涉及的温度不高，完全能保证阻值随温度的线性变化。通过前面的介绍，采用红外线温度传感器比较适合此系统的温度采集，本文选择了OTP-538U作为温度传感器，因为在3040之间非常接近线性关系。2.5.1 红外温度传感器原理自然界一切温度高于绝对零度(-273.15)的物体，由于分子的热运动都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克(Plank)定律。红外测温的原理是一样的，都是根据普朗克原理。一般理解红外测量的是物体的温度，其实测的是目标物与传感器或者说是物体与环境温度之间的差值。物体辐射能量的大小直接与该物体的温度有关，具体地说，是与该物体热力学温度的4次方成正比用公式可表达为： (2-1)式中 E辐射出射度，单位是W/m3； 斯蒂芬一波尔兹曼常数，5.67x10-8W/(m2K4)； 物体的辐射率； T物体的温度(K)； To物体周围的环境温度(K)；人体主要辐射波长为9m10m的红外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而也可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。红外温度传感器利用热电偶原理，测量目标物与传感器或者物体与环境温度之间的差值。热电偶的原理是二种不同的金属A和B构成一个闭合回路，当二个接触端温度不同时(TTo)，回路中产生热电势E，其中T称为热端、工作端或测量端，To称为冷端、自由端或参比端。A和B称为热电极。热电势的大小由接触电势(也叫伯尔贴电势)和温差电势(也叫汤姆逊电势)决定。2.5.2 OTP-538U工作原理和性能OTP-538U是一个典型的TO-46热电堆传感器。该传感器是由浮动微膜元件具有积极直径的系列热电偶微米和涂黑表面吸收的热红外辐射组成，诱使其在输出端电压的响应。该传感器芯片的制作是一个独特的前表面微细加工技术，从而导致更小的尺寸和更快的反应环境温度变化。OTP-538U热电堆传感器提供接近约翰逊噪声性能，它可以通过计算其串联的热敏电阻来反应温度值。OTP-538U有四个引脚，分别为VCC、GND、V+、V-，VCC为供电电压，稳压为5V电压，V+、V-分别为输出，由于此系统只要是测试人体温度，人体温度大于35度，故我们不需要负电压显示，因此将V-接地，引脚特性为地，即与GND相连，只需将V+电压放大即可。OTP-538U是一个热电堆传感器，具116种热电偶元素，传感器芯片经由微细加工，可快速反应环境里的温度改变，导致输出端电压响应。传感器的特性如表2-3所示：表2-3 传感器特性参数特性最小适中最大单位输出0.77-1.44mV灵敏度7085100V/W相对敏感度0.100.110.12%/K敏感区域-545-m热敏电阻506580K相对电阻-0.09-%/K响应时间-16-ms噪声283236nW/Hz1/2噪声功率0.280.360.48nW/Hz1/2温度特性曲线在2540线性关系相当好，这也是次设计选用此元件的一个重要原因。2.6 按键部分人机交互对话最通用的方法就是通过键盘和LCD显示进行的，操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。键盘模块设计的好坏，直接关系到系统的可靠性和稳定性。按键接门可分为独立式按键接口、行列式按键接口和专用芯片式等。行列式按键接口适应于按键数量较多，这种方式的按键接口由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。这种方式的优点就是相对于独立接口方式可以节省很多I/O资源；专用键盘处理芯片一般功能比较完善，芯片本身能完成对按键的编码、扫描、消抖和重键等问题的处理，但成本较高；考虑到本设计中需要的按键不多，我采用了独立式的接法，通过程序处理消抖，完成键盘的权值设置。按键连接单片机的P1.0口，采用电平拉高方式，当有按键按下时有低电平送到单片机引脚。2.7 本章小结本章主要介绍了系统硬件所用到得主要元器件重要引脚的电器特性，以及部分重要电路。介绍了热释电红外传感器原理，并详细介绍了个部分重要电路的连接情况。第3章 系统软件设计3.1 使用环境简介IAR Systems是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。公司成立于1983年，迄今已有27年，提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括：带有C/C+编译器和调试器的集成开发环境(IDE)、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。国内普及的MSP430开发软件种内不多，主要有IAR公司的Embedded Workbench for MSP430(简称为EW430)和AQ430。目前IAR的用户居多。IAR EW430软件提供了工程管理，程序编辑，代码下载，调试等所有功能。并且软件界面和操作方法与IAR EW for ARM等开发软件一致。因此，学会了IAR EW430，就可以很顺利地过渡到另一种新处理器的开发工作。一般工程创建步骤为：1、选择主菜单的File NewWorkspace命令，然后开启一个空白工作区窗口，选择主菜单ProjectCreate New Project，弹出生成新项目窗口中我们选择Empty project，点击OK，选择保存路径后，点击保存，至此新工程建立完毕。2、加入文件，可以建立一个空白的文件，写好代码后，选择主菜单的File Save命，文件名自己起，但后面一定要加“.C”，保存为.C文件。右击工程名，将写好的程序添加进去AddAdd Files，对于刚存好的程序，例如例子中的main.c，也可以用AddAdd“main.c”添加入工程。如果工程很庞大，需要添加的文件很多。可以用AddAdd Group，加入新的组，将加入的文件分组管理。3.2 编程语言的选择常用的编程语言有两种：一种是汇编语言，另一种是C语言。和多数单片机一样。MSP430除了能支持汇编语言，MSP430的开发环境还支持C语言，提供了C函数库，并支持C和汇编函数的相互调用。极大的方便的开发者对开发环境的使用。汇编语言的机器代码生成效率很高，但是可读性并不强，复杂一点的程序就更是难读懂，而C语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植