红外电子体温计的设计方案二

摘要 摘要 体温计是人们日常生活中的必备品 但是传统的水银体温计测量时间长 读数也不方便 本课题基于传统体温计的这些缺点设计出一种新型的电子体温 计 它在测温精度能与传统的水银温度计相媲美的情况下 大大的缩短了测温 时间 携带方便 对环境几乎没有污染 本次设计以单片机为整个体温计的核心 运用红外线原理去设计一个基于单片机的无线电子体温计 利用热释电红外传 感器 采集人体发射出的红外线 再将转换之后的电信号通过 A D 转换送入单 片机 由 MCS 51 单片机来实现温度值的转换及送入 LED 显示 同时还加入了 时钟功能和超温报警功能 在软件的控制下 实现智能化的体温测量 精确测 温 使设计具有实用性 关键字关键字 体温计 红外线 单片机 Abstract Thermometer is an essential goods in our daily life but the traditional measurement of the mercury needs a long time reading is not convenient This subject which based on the traditional thermometer defects designed a new type of electronic thermometer has comparable circumstances on temperature measurement accuracy with traditional mercury thermometers greatly reduced the temperature time and it is easy to be carried it has almost no pollution on the environment The design use a microcontroller as the core of the thermometer use infrared principles to design a microcontroller based wireless electronic thermometer use pyroelectric infrared sensors collect the infrared that body emits then deliver the signal to the microcontroller by A D conversion use the MCS 51 microcontroller to implement the conversion and deliver the temperature value into the LED display this design also added a clock function and over temperature alarm function under the control of software intelligent temperature measurements accurate temperature measurement make the design practical Keyword thermometer infrared microcontroller 目 录 摘 要 I Abstract II 目 录 III 引言 1 1 绪论 2 1 1 红外测温技术简介 2 1 2 单片机简介 2 2 整体方案设计 5 2 1 整体设计方案的实现 5 2 1 1 设计原理 5 2 1 2 系统框图 5 2 2 系统总方案 6 2 2 1 系统工作原理 6 2 2 2 系统总硬件原理图 6 2 3 系统开发方法及开发工具 7 2 3 1 硬件开发工具介绍 7 2 3 2 软件开发工具介绍 8 2 4 元器件方案选择 9 2 4 1 单片机芯片选择 9 2 4 2 红外温度传感器 9 2 4 3 ADC 芯片选择 10 2 4 4 显示器件选择 11 3 系统硬件设计 12 3 1 系统的模块设计 12 3 1 1 信号采集模块 12 3 1 2 ADC 模块 18 3 1 3 单片机控制模块 21 3 1 4 显示模块 25 3 2 系统改进设计 27 3 2 1 时钟显示功能 27 3 2 2 超温报警功能 29 4 系统软件设计 30 4 1 软件实现 30 4 1 1 程序设计方法 4 1 2 程序设计语言选择 4 1 3 系统流程图 4 2 程序模块分析 32 4 2 1 AD 转化模块程序分析 32 4 2 2 时钟显示模块程序分析 34 4 2 3 主程序分析 38 4 3 软件仿真 31 4 3 1 Proteus 仿真软件介绍 31 4 3 2 仿真过程 31 5 硬件制作与调试 41 5 1 所用仪器 41 5 2 PCB 板画图 焊接与调试过程 41 结束语 43 参考文献 44 谢辞 46 附录一 47 附录二 48 附录三 49 附录四 50 引引 言言 体温生理参数是人体最重要 最基本的生命指标 对危重病人进行生命指标 参数的监测是医务工作者及时了解病情状况的重要手段之一 对于日常护理和 病情检测都是非常重要的 现有体温计大概分为三种类型 一种是常见的玻璃 水银体温计 一种是电子体温计 另一种是红外体温计 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 体温计同一脾破裂 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 了水源或者事物 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 5min 10min 使用不便 没过一些城市和医院已开始禁止使用水银体温计 电子体温计是采用热敏电阻测量温度的 采用电子体温计测温也需要较长 的时间 同样使用不便 红外体温计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 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涉 嫌 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 使用安全及使 用寿命长等优点 近 20 年来 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 本设计要介绍的就是一个基于单片机的无线电子体温计 利用红外测温技 术 实现快速 安全的测量温度 运用理论基础和软件平台对本次设计进行了 仿真设计和硬件制作 1 绪论绪论 1 1 红外测温技术简介红外测温技术简介 红外测温原理 一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发 出红外辐射能量 物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布 与它的表 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的测量 便能准确地测定它的表面温度 这就是红外辐射测温所依据的客观基础 在 2003 年全国防 非典 斗争中 我国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 非接触式测温 新篇章 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铲平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 因此 它具有广泛的开发前景 目前国内开发的红外体温计主要有华中科技大学研制的 慧眼 HW 一 05 人体温度红外热图像仪 其分辨率高达 0 06 中科院上海物理研究所 研制的红外测温仪和兰州大学合华技术应用开发中心开发的 LHW I 型红外 线测温仪 国外产品有德国博郎集团开发的只需 1 秒即可测出体温的红外体温 计 日本欧姆龙研制的几款非接触式红外体温计和 BJ40 型非接触式医用红外 线体温计 精度为 O 2 其主要器件是红外温度传感器 1 2 单片机简介单片机简介 单片微型计算机简称单片机 是典型的嵌入式 微控制器 Microcontroller Unit 常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机 它最早是 被用在工业控制领域 单片机由 芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来 最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU 集成在一个芯片中 使 计算 机系统更小 更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中 INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器 从此以后 单片机和专 用处理器的发展便分道扬镳 早期的单片机都是 8 位或 4 位的 其中最成功的是 INTEL 的 8031 因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评 此后在8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统 基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用 随着工业控制领域要求的提高 开始出现了16 位单片机 但因为性价比不 理想并未得到很广泛的应用 90 年代后随着 消费电子产品 大发展 单片机 技术得到了巨大提高 随着 INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广 泛应用 32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位 并且进入主流市场 而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高 处理能力比起80 年代提高 了数百倍 目前 高端的 32 位单片机主频已经超过 300MHz 性能直追 90 年代中期的专用处理器 而普通的型号出厂价格跌落至1 美元 最高端 的型号也只有 10 美元 当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使 用 大量专用的 嵌入式操作系统 被广泛应用在全系列的单片机上 而在作为 掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows 和 Linux 操作系统 单片机比专用处理器更适合应用于 嵌入式系统 因此它得到了最多的 应用 事实上单片机是世界上数量最多的 计算机 现代人类生活中所用的几 乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机 手机 电话 计算器 家用 电器 电子玩具 掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1 2 部单片机 而个人电脑中 也会有为数不少的单片机在工作 汽车一般配备 40 多部单片 机 复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作 单片机的 数量不仅远超过 PC 机和其他计算的总和 甚至比人类的数量还要多 单片机又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把 一个计算机系统 到一个芯片上 相当于一个微型的计算机 和计算机相比 单片机只缺少了 I O 设备 概括的讲 一块芯片就成了一台计算机 它的体 积小 质量轻 价格便宜 为学习 应用和开发提供了便利条件 同时 学 习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择 单片机芯片 可以说 二十世纪跨越了三个 电 的时代 即电气时代 电子时代和 现已进入的电脑时代 不过 这种电脑 通常是指 个人计算机 简称 PC 机 它由主机 键盘 显示器等组成 还有一类计算机 大多数人却不怎么 熟悉 这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机 亦称微控制器 顾 名思义 这种计算机的 最小系统只用了一片集成芯片 即可进行简单运算 和控制 因为它体积小 通常都藏在被控机械的 肚子 里 它在整个装置 中 起着有如人类头脑的作用 它出了毛病 整个装置就瘫痪了 现在 这 种单片机的使用领域已十分广泛 如智能仪表 实时工控 通讯设备 导 航系统 家用电器等 各种产品一旦用上了单片机 就能起到使产品升级换 代的功效 常在产品名称前冠以形容词 智能型 如智能洗衣机等 现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品 不是电 路太复杂 就是功能太简单且极易被仿制 究其原因 可能就卡在产品未使 用单片机或其 它可编程逻辑器件 上 2 整体方案设计整体方案设计 2 1 整体设计方案的实现 整体设计方案的实现 2 1 12 1 1 设计原理 设计原理 本设计是利用红外线测体温的原理 物体因其自身的温度不同 便会发射 出不同波长的红外线辐射能力 这个值是相对稳定的 将被测物体发射的红外 线具有的辐射能转变为电信号 红外线辐射能量的大小与物体本身的温度是相 关的 根据转变成的电信号的大小 就可以确定物体的温度 本设计利用这个 原理 通过红外传感器进行体温测量 红外传感器将收集到的被测人员的红外 线转换成电信号 电信号被放大后再经 A D 转换器转换为数字信号 并将数字 信号送入单片机 单片机将接受到的信号送显示电路显示 此外 本设计还增 加了超温报警功能 当被测人体温超过 38 度时 LED 灯亮报警 体温超过 39 度时 LED 灯亮的同时蜂鸣器蜂鸣报警 2 1 22 1 2 系统框图 系统框图 本次红外测温仪的设计主要由红外传感器 放大电路 A D 转换电路 时 钟电路 单片机控制电路 显示电路 报警电路等部分构成 2 2 系统总方案 系统总方案 2 2 1 系统工作原理 系统工作原理 本课题设计了一个基于单片机的无线电子体温计 通过按键控制数码管显 示 当测温键按下时 系统利用红外温度传感器检测到被测物体温度 并将其 转换为微弱电信号 通过 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 这些处理时 通过对单片机的编程来实现的 然后 单片机将处理结果输入到显示电路中 显示模块便能准确显示人体温度 当被测人体温超过 38 度时 LED 灯亮报警 体温超过 39 度时 LED 灯亮的同时蜂鸣器蜂鸣报警 在测温键没有按下时 系统在时钟电路作用下显示当前时间 2 2 2 系统总硬件原理图 系统总硬件原理图 2 3 系统开发方法及开发工具系统开发方法及开发工具 2 3 1 硬件开发工具介绍硬件开发工具介绍 Protel 是由始建于 1985 年的 Protel Technonology 公司开发的 功能强大的 电子电路设计软件 本设计主要用 Protel 电子设计软件进行电子线路的设计 电路原理图见附录二 Protel 电子线路设计软件是在 TANGO 基础上改进的电路 CAD 软件 它在 原理图文件格式 印制板文件格式 原理图器件库文件格式 印制板封装库文 件格式 原理图编译和网络表转换与检查等方面保持了与 TANGO 版本一致或 兼容的前提下 对原 TANGO 版本做了一些改动 Protel 电子线路设计软件由原理图编辑 印制板设计 原理图输出 印制 板输出 原理图器件库编辑和其他应用程序组成 电路原理图的设计是印制电路板设计中的第一步 也是非常重要的一步 电路原理图设计得好坏将直接影响到后面的工作 首先 原理图的正确性是最 基本的要求 因为在一个错误的基础上所进行的工作是没有意义的 其次 原 理图应该布局合理 这样不仅可以尽量避免出错 也便于读图 便于查找和纠 正错误 最后 在满足正确性和布局合理的前提下应力求原理图的美观 电路原理图的设计过程可分为以下几个步骤 1 设置电路图纸参数及相关信息 根据电路图的复杂程度设置图纸的格式 尺寸 方向等参数以及与设计有 关的信息 为以后的设计工作建立一个合适的工作平面 2 装入所需要的元件库 将所需的元件库装入设计系统中 以便从中查找和选定所需的元器件 3 设置元件 将选定的元件放置到已建立好的工作平面上 并对元件在工作平面上的位 置进行调整 对元件的序号 封装形式 显示状态等进行定义和设置 以便为 下一步的布线工作打好基础 4 电路图布线 利用 Protel 所提供的各种工具 命令进行画图工作 将事先放置好的元器 件用具有电气意义的导线 网络标号等连接起来 布线结束后 一张完整的电 路原理图基本完成 5 调整 检查和修改 利用 Protel 所提供的各种工具对前面所绘制的原理图做进一步的调整和修 改 6 补充完善 对原理图做一些相应的说明 标注和修饰 增加可读性和可观性 7 保存和打印输出 这部分工作主要是对设计完成的原理图进行保存 包括存盘 打印输出等 以 供以后的工作中使用 2 3 2 软件开发工具介绍软件开发工具介绍 单片机开发中除必要的硬件外 同样离不开软件 随着单片机开发技术的 不断发展 从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发 单片机开发软件也 在不断发展 Keil 软件是目前最流行的单片机开发的软件 Keil C51 uVision2 集成开发环境是美国 Keil Software 公司开发的基于 80C51 内核的微处理器软件开发平台 内嵌多种复合当前工业标准的开发工具 可以完成从工程建立到管理 编译 链接 目标代码的生成 软件仿真 硬件 仿真等完整的开发流程尤其是 C 编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到 了较高的水平 而且可以附加灵活的控制选项 在开发大型项目时非常理想 Keil C51 uVision2 集成开发环境的主要功能有以下几点 1 Keil C51 uVision2 是一个集成开发环境 它将项目管理 源代码编辑 和程序调试等组合在一个功能强大的环境中 2 C51 国际际准化 C 交叉编译器 从 C 源代码产生可重定位的目标模块 3 A51 宏汇编器 从 80C51 汇编源代码产生可重定位的目标模块 4 BL51 链接器 定位器 组合由 C51 和 A51 产生的可重定位的目标模块 生成绝对目标模块 5 LIB 库管理器 从目标模块生成连接器可以使用的库文件 6 OH51 目标文件至 HEX 格式的转换器 从绝对目标模块生成 Intel Hex 文件 7 RTX 51 实时操作系统 简化了复杂的实时应用软件项目的设计 2 4 元器件方案选择 元器件方案选择 2 4 1 单片机芯片选择单片机芯片选择 方案一 选用 AT89C52 芯片 AT89C52 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性 存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元 AT89C52 单片机在电子行业中有着广泛的应用 方案二 选用 AT89S52 芯片 与 AT89C52 相比 AT89S52 新增加了高可 靠性 安全性的功能 所以能避免因外部环境恶劣而引起的信号失真 电磁干 扰等现象的发生 因此 用它作为系统的控制器可以满足检测与控制的要求 而且 从经济性的方面来看 AT89S52 不但硬件结构简单 而且价格低 功能 强 性价比高 符合本设计的要求 综上所述 本设计采用 AT89S52 作为单片机控制芯片 2 4 2 红外温度传感器选择 红外温度传感器选择 方案一 采用红外温度传感器 MLX90615ESG DAA MLX90615 在信号 调节芯片中使用了先进的低噪音放大器 一枚 16 bit ADC 以及功能强大的 DSP 元件 温度计能适应从 40 C 到 85 C 的广泛工作温度范围 目标的体表可操作 温度为 40 C 至 115 C 但是从设计角度而言 由于该传感器输出的是精准的且 与温度大小线性相关的数字信号 简化了设计难度 而且价格不菲 易于损坏 故不选用此方案 方案二 采用红外线温度传感器 IRTP IRTP 系列红外测温系统是一种集 成专用信号处理电路以及环境温度补偿电路的多用途红外温度测量系统 它属 于工业测温传感器 不能用作人体测温 故不选用此方案 方案三 采用热释电红外线传感器 D203S 热释电红外线传感器是 80 年 代发展器起来的一种新型高灵敏度探测元件 它能以非接触形式检测出人体辐 射的红外线能量的变化 并将其转换成电压信号输出 将这个电压信号加以放 大 便可驱动各种控制电路 热释电红外线传感器本身不发任何类型的辐射 器件功耗很小 隐蔽性好 价格低廉 综上所述 本设计采用热释电红外传感器 2 4 2 ADC 芯片选择芯片选择 目前业界专用 ADC 芯片 外围电路结构越来越简单 精度越来越高 可 靠性与稳定性都要远远高于 ARM 处理器集成的 A D 转换器 并参考表一各自 优缺点 在设计中选用专用 A D 芯片完成模拟量采集 表一 A D 采集方案对比 A D 采集位数优点缺点 ARM 处理器集成 A D12 位无需外加 IC 电路简单 可靠性不高 采样频率低 专用 A D 芯片16 32 位不占用 CPU 资源 精度高 外围电路结构较复杂 专用 A D 芯片选择方案 方案一 选用 ADC0809 ADC0809 是 8 路 8 位逐次逼近式 A D 转换器 具有三态数据总线 可以直接和 MCU 接口 0809 由 8 路模拟开关 通路地址 锁存器 8 位 A D 转换器和三态锁存器缓冲器等组成 但它适用于精度要求不 高 分辨率 1 256 的多路 A D 转换 故不选用此方案 方案二 选用 AD574 AD574 是具有三态输出总线的高速 10 35us 高 精度 0 05 A D 转换器 可以直接和 MCU 接口 AD574 内部含有 12 位逐 次逼近式 A D 转换器 时钟电路 基准电源电路 三态数据锁存器缓冲器等 AD574 精度高 但与 8 位的单片机接口较复杂 且价格昂贵 考虑到体温计是 对温度的测量 其响应时间的要求不高 故不选用此方案 方案三 选用 ADC0832 ADC0832 是 8 脚双列直插式双通道 A D 转换器 能分别对两路模拟信号实现模 数转换 可以用在单端输入方式和差分方式下 工作 8 位的分辨率 最高分辨可达 256 级 可以适应一般的模拟量转换要求 它体积小 兼容性 性价比高 符合本设计的要求 综上所述 本设计采用 ADC0832 作为 A D 转换器 2 4 4 显示器件选择显示器件选择 方案一 选用 LCD 液晶显示器 LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放 置液态的晶体 两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线 透过通电与否来 控制杆状水晶分子改变方向 将光线折射出来产生画面 虽然显示效果颇佳 但是价钱较其贵 由于该设计显示数字较少 故不选用此方案 方案二 选用 LED 数码管 LED 数码管是一种半导体发光器件 其基本 单元是发光二极管 LED 数码管是一类显示屏 通过对其不同的管脚输入相对的电流 会使其 发亮 从而显示出数字 数码管能够显示时间 日期 温度 等所有可用数字表 示的参数 而且工作电低 显示简单明了 综上所述 本设计采用 LED 数码管显示器 3 系统的硬件设计系统的硬件设计 3 1 系统的模块设计 系统的模块设计 3 1 1 信号采集模块 信号采集模块 在介绍整个模块前 先简要介绍几个相关概念 一 黑体辐射定律 红外体温计的测温原理是基于黑体辐射定律 在任何温度下都能全部吸收 投射到其表面的任何波长的辐射能量的物体称为黑体 黑体的单色辐射出度是 描述在某一波长辐射源单位面积上发出的辐射通量 黑体辐射定律 黑体是一种理想化的辐射体 它吸收所有波长的辐射能量 没有能量的反射和透过 其表面的发射率为 1 应该指出 自然界中并不存在 真正的黑体 但是为了弄清和获得红外辐射分布规律 在理论研究中必须选择 合适的模型 这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型 从而导出了普 朗克黑体辐射的定律 即以波长表示的黑体光谱辐射度 这是一切红外辐射理 论的出发点 故称黑体辐射定律 物体发射率对辐射测温的影响 自然界中存在的实际物体 几乎都不是黑 体 所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外 还与构成物 体的材料种类 制备方法 热过程以及表面状态和环境条件等因素有关 因此 为使黑体辐射定律适用于所有实际物体 必须引入一个与材料性质及表面状态 有关的比例系数 即发射率 该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近 程度 其值在零和小于 1 的数值之间 根据辐射定律 只要知道了材料的发射 率 就知道了任何物体的红外辐射特性 影响发射率的主要因纱在 材料种类 表面粗糙度 理化结构和材料厚度等 当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内 的红外辐射量 然后由测温仪计算出被测目标的温度 用公式可表达为 E T4 T04 E 是辐射出射度 单位是 W m3 是斯蒂芬一波尔兹曼常数 5 67x10 8W m2 K4 是物体的辐射率 T 是物体的温度 K To 是物体周围的环 境温度 K 人体主要辐射波长在 9 10 m 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 因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度 便能准确地测 定人体表面温度 红外温度测量技术的最大优点是测试速度快 1 秒钟以内可 测试完毕 由于它只接收人体对外发射的红外辐射 没有任何其它物理和化学 因素作用于人体 所以对人体无任何害 二 菲涅尔透镜简介 菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀 菲涅尔 Augustin Fresnel 发明的 他在 1822 年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统 灯塔 透镜 菲涅尔透镜 Fresnel Lense 是一种微细结构的光学元件 从正面看其象一 个飞镖盘 由一环一环的同心园组成 菲涅尔透镜 Fresnel lens 多是由聚烯烃材料注压而成的薄片 也有玻璃 制作的 镜片表面一面为光面 另一面刻录了由小到大的同心圆 它的纹理是 利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的 透镜的要求 很高 一片优质的透镜必须是表面光洁 纹理清晰 其厚度随用途而变 多在 1mm 左右 特性为面积较大 厚度薄及侦测距离远 菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜 效果较好 但成本比普通的凸透镜低很多 多用于对精度要求不是很高的场合 如幻灯机 薄膜放大镜 红外探测器等 菲涅尔透镜作用有两个 一是聚焦作用 即将热释红外信号折射 反射 在 PIR 上 第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区 使进入探测区 域的移动物体能以温度变化的形式在 PIR 上产生变化热释红外信号 三 D203S 简介 红外传感器是红外体温计的关键部件 在本设计中红外温度传感器我们 选用 D203S D203S 是通用双元热释电红外线感测器 它是利用温度变化的特 征来探测红外线的辐射 采用双灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰 提高了感测器的工作稳定性 D203S 应用非常广泛 例如 保险装置 防盗报 警器 感应门 自动灯具 智能玩具等 D203S 规格尺寸如下 D203S 的引脚图如图 a 所示 等效电路如图 b 所示 图 a D203S 引脚图 图 b D203S 等效电路 热释电红外传感器利用的正是热释电效应 是一种温度敏感传感器 它 由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成 元件两个表面做成电极 当传感器监测范 围内温度有 T 的变化时 热释电效应会在两个电极上会产生电荷 Q 即在两 电极之间产生一微弱电压 V 传感器主要有外壳 滤光片 热释电元件 PZT 场效应管 FET 等组成 其中 滤光片设置在窗口处 组成红外线通过的 窗口 滤光片为 6mm 多层膜干涉滤光片 对太阳光和荧光灯光的短波长 约 5mm 以下 可很好滤除 热释电元件 PZT 将波长在 8mm 12mm 之间的红外 信号的微弱变化转变为电信号 为了只对人体的红外辐射敏感 在它的辐射照 面通常覆盖有特殊的滤光片 使环境的干扰受到明显的抑制作用 D203S 热释 电红外传感器能无接触地检测人体运动时辐射出的红外线并转换成电信号输出 人体的体温约为 3 7 辐射最多红外线的波长是 10 m 左右 而 D203S 对 5 14 m 范围波长比较灵敏 他采用了 2 个热释电元件 PZT 板 PZT 板表面吸 收红外线 并在受光面的内外各自安装取出电荷的一对电极 能敏感的捕捉到 被测物体或光源 具有很高的灵敏度 D203S 红外感测器的放置方向和器件平面图的尺寸 结合菲涅尔透镜的 焦点可以获得一种最佳的光学设计 菲涅尔透镜用于感测器的探测方位 四 LM324 简介 LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器 与单电 源应用场合的标准运算放大器相比 它们有一些显著的优点 该四放大器可以 工作在低到 3 0 伏或者高到 32 伏的电源下 静态电流大致为 MC1741 的静态电 流的五分之一 对每一个放大器而言 共模输入范围包括负电源 因而消除了 在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性 输出电压范围也包含负电源电 压 功能特性如下 短路保护输出 真差动输入级 单电源工作 3 0 伏至 32 伏 低输入偏置电流 最大 100 纳安 每一封装四个放大器 内部补偿 共模范围扩展到负电源 行业标准引脚输出 在输入端的静电放电箔位增加可靠性而不影响器件的工作 管脚图如下图所示 引脚功能如下表所示 引脚功能电压 V 引脚功能电压 V 1输出 13 08输出 33 0 2反向输入 12 79反向输入 32 4 3正向输入 12 810正向输入 32 8 4电源5 111地0 5正向输入 22 812正向输入 42 8 6反向输入 21 013反向输入 42 2 7输出 23 014输出 43 0 由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽 静态功耗小 可单电源使 用 价格低廉等特点 因此它被非常广泛的应用在各种电路中 五 信号采集模块电路图 本单元电路主要由菲涅尔透镜 热释电红外传感器 信号放大器几个部 分组成 电路如下图所示 该部分的作用采集人体红外线信号并进行放大 在 放大之前加了一个射级跟随器 作用是提高输入阻抗 其中后端 LM324 的输出 接 A D 转换电路的输入端 信号采集模块电路图如下 在该部分设计中 要在传感器正前方适当位置放置菲涅尔透镜 运动的 人体一旦出现在透镜的前方 人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成 不断交替变化的阴影区 盲区 和明亮区 可见区 使传感器表面的温度不断 发生变化 从而输出电信号 菲涅尔透镜不仅可以形成可见区和盲区 还有聚 焦作用 其焦点一般为 5 厘米左右 实际应用时 一般把透镜固定在传感器正 前方 1 5 厘米的地方 其工作原理示意图如下图所示 3 1 2 ADC 模块模块 一 ADC0832 简介 本设计中的 A D 转换器采用 ADC0832 芯片 ADC0832 是 8 脚双列直插 式双通道 A D 转换器 能分别对两路模拟信号实现模 数转换 可以用在单端 输入方式和差分方式下工作 ADC0832 采用串行通信方式 通过 DI 数据输入 端进行通道选择 数据采集及数据传送 8 位的分辨率 最高分辨可达 256 级 可以适应一般的模拟量转换要求 其内部电源输入与参考电压的复用 使得芯 片的模拟电压输入在 0 5V 之间 具有双数据输出可作为数据校验 以减少数 据误差 转换速度快且稳定性能强 独立的芯片使能输入 使多器件挂接和处 理器控制变的更加方便 它的特性如下 8 位分辨率 双通道 A D 转换 输入输出电平与 TTL CMOS 相兼容 5V 电源供电时输入电压在 0 5V 之间 工作频率为 250KHZ 转换时间为 32 S 一般功耗仅为 15mW 8P 14P DIP 双列直插 PICC 多种封装 商用级芯片温宽为 0 C to 70 C 工业级芯片温宽为 40 C to 85 C ADC0832 管脚图如下图所示 各引脚功能如下 CS 片选使能 低电平芯片使能 CH0 模拟输入通道 0 或作为 IN 使用 CH1 模拟输入通道 1 或作为 IN 使用 GND 芯片参考零电位 地 DI 数据信号输入 选择通道控制 DO 数据信号输出 转换数据输出 CLK 芯片时钟输入 Vcc REF 电源输入及参考电压输入 复用 ADC0832 的工作原理 正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线 分别是 CS CLK DO DI 但由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时使用并与单片机 的接口是双向的 所以在 I O 口资源紧张时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线 上使用 当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平 此时芯片禁用 CLK 和 DO DI 的电平可任意 当要进行 A D 转换时 须先将 CS 使能端置于低电平 并且保持低电平直到转换完全结束 此时芯片开始转换工作 同时由处理器向 芯片时钟 CLK 输入端输入时钟脉冲 DO DI 端则使用 DI 端输入通道功能选 择的数据信号 在第一个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平 表示启始信 号 在第二 三个脉冲下沉之前 DI 端应输入两位数据用于选择通道功能 ADC0832 的工作时序 当 cs 由高变低时 选中 ADC0832 在时钟的上升沿 DI 端的数据移入 ADC0832 内部的多路地址移位寄存器 在第一个时钟期间 Dl 为高 表示启 动位 紧接着输入两位配置位 当输入启动位和配置位后 选通输入模拟通道 转换开始 转换开始后 经过一个时钟周期延迟 以使选定的通道稳定 ADC0832 接着在第 4 个时钟下降沿输出转换数据 数据输出时先输出最高位 D7 DO 输出完转换结果后 又以最低位开始重新输出一遍数据 D7 DO 两次发送的最低位共用 当片选 cS 为高时 内部所有寄存器清 0 输出变为高 阻态 如果要再进行一次模傲转换 片选 cs 必须再次从高向低跳变 后面再输 入启动位和配置位 二 AD 转换电路图 AD 转换电路图如下 ADC0832 的 CH1 作为红外电信号的输入 DO 输出至单片机 其中 CLK 连接单片机的 P1 2 DIDO 连接单片机的 P1 3 CS 连接单片机的 P1 5 ADC0832 将接受到的人体红外电信号转换为二进制数字信号输入给单片 机 3 1 3 单片机控制模块 单片机控制模块 一 AT89S52 单片机简介 本系统选用美国 Atmel 公司 AT89S52 单片机 AT89S52 单片机是 AT89S 系列单片机中的一种 它是在现已广泛应用于工业控制等各领域的 AT89C52 系列单片机的换代产品 它具有 89C52 的全部功能 是 80C51 的增强 型并且指令完全兼容 AT89S52 新增加的功能有特殊功能寄存器完成 信心日 后他将更广泛地应用与工业控制 汽车控制 智能仪器仪表及电极控制等应用 领域 1 主要功能特性 1 兼容 MCS51 单片机 2 8k 字节 FLASH 村租期支持在系统编程 ISP1000 次擦写周期 3 32 个可编程 I O 口 4 256 字节内部 RAM 5 3 个 16 位定时器 计数器 6 全静态时钟 0Hz 33MHz 7 全双工 UART 串行通道 8 8 个中断源 9 3 级加密程序存储器 10 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 11 双数据指针 此外 与 AT89C52 相比 AT89S52 新增加了许多功能 这将使单片机在 工作过程中具备更高的稳定性和电磁抗干扰性 AT89S52 内部增加了片内看门 狗定时器 这将有利于坚固用户应用系统 提高系统可靠性 AT89S52 独有的 双数据指针使数据操作更加快捷方便 再次 AT89S52 运行速度更高 最高晶 振可达到 33MHz 最后 AT89S52 支持 ISP 在线下载功能 AT89S52 中 ISP 应 缴共有 4 个 RST MOSI MISO 和 SCK 用户可以直接替换应用系统中的 AT89C52 而软硬件均不需做任何修改 带来了很多方便 正因为 AT89S52 单片机增加了高可靠性 安全性的功能 所以能避免因 外部环境恶劣而引起的信号失真 电磁干扰等现象的发生 因此 用它作为系 统的控制器可以满足检测与控制的要求 而且 从经济性的家督来看 AT89S52 不但硬件结构简单 而且价格低 功能强 性价比高 符合本设计的 要求 2 引脚介绍 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 作为输出口用时 每 位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P0 写 1 时 可作为 高阻抗输入端用 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分时转换 地址 低 8 位 和数据总线复用 在访问期间激活内部上拉电阻 在 Flash 编 程时 P0 口接收指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校验时 要求外 接上拉电阻 P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲 级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部 的上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部 存在上拉电阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 此外 P1 0 和 P1 2 还可分别作为定时 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和输定时器 计 数器 2 的触发输入 Flash 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 P2 口 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲 级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P2 写 1 通过 内部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为 内部存在上拉电阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 在访问 外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 指 令 时 P2 口送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如 执行 MOVX RI 指令 时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 Flash 编程或校验 时 P2 亦接收高位地址和一些控制信号 P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口输出缓 冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口 此时 被外部拉低的 P3 口将用 上拉电阻输出电流 IIL P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是 它的第二功能 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制 信号 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电 平将使单片机复位 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允 许 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字 节 一般情况下 ALE 仍以时钟 振荡频率的 1 6 输出固定的脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于定时目的 要注意的是 每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 对 Flash 存 储器编程期间 该引脚还用于输入编程脉冲 PROG 如有必要 可通过对特 殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的 D0 位置位 可禁止 ALE 操作 该 位置位后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活 此外 该引脚 会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE 禁止位无效 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89S52 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次 PSEN 有 效 即输出两个脉冲 在此期间 当访问外部数据存储器 将跳过两次 PSEN 信号 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位 LB1 被编程 复位时内部会锁存 EA 端状态 如 EA 端为高电平 接 Vcc 端 CPU 则执行内部程序存储器中的指令 Flash 存储器编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 3 时钟电路与复位电路 AT89S52 钟有两种方式产生 即内部方式和外部方式 AT89S52 中有一 个构成内部震荡器的高增益反向放大器 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大 器的输入端和输出端 这个放大器与作为反馈元件的片外石英或陶瓷震荡器一 起构成自激震荡器震荡电路如图 外接石英晶体 或陶瓷震荡器 及电容 C1 C2 接在放大器的震荡回路中构成并联震荡电路 对外接电容 C1 C2 虽然 没有非常严格的要求 但电容的大小会轻微影响震荡频率的高低 震荡工作的 稳定性 起震的难易程序及温度稳定性 如果使用石英晶体 推荐使用 30pF 10pF 而如果使用陶瓷谐振器建议选择 40pF 10pF 用户还可以采用外部 时钟 在这种情况下 外部时钟脉冲接到 XTAL1 端 既内部时钟发生器的输 入端 XTAL2 悬空 由于外部时钟信号是通过一个 2 分频的触发器后作为内部 时钟信号的所以外部时钟的占空比没有特殊要求 但最小高电平持续的时间和 最大低电平持续的时间应符合产品技术条件的要求 本次设计采用内部震荡电 路 瓷片电容采用 30P 晶振采用 12MHZ 复位时单片机的初始化操作 其主要功能是 PC 初始化为 0000H 使单片 机从 0000H 单元开始执行程序 除了进入系统的正常初始化之外 当由于程序 运行时出错或操作错误使系统处于死锁状态时 为使单片机正常工作 也需要 按复位键以重新启动 RST 引脚是复位信号的输入端 复位信号是高电平有效 其有效时间持续 24 个振荡脉冲周期 即两个机器周期 以上 复位操作有上电 自动复位 按键电平复位 外部脉冲复位和自动复位四种方式 本设计中采用 按键电平复位方式 使复位端经电阻与 VCC 电源接通而实现 二 单片机控制模块电路图 单片机控制模块电路图如下 单片机的 P1 口用来接受 A D 转换的数据 P0 口控制显示电路 P3 口控 制报警和时钟显示电路 3 1 4 显示模块 显示模块 一 74LS164 简介 74LS164 为 8 位移位寄存器 管脚图如图 3 11 所示 当清除端 CLEAR 为低电平时 输出端 QA QH 均为低电平 串行数据输入端 A B 可控制数据 当 A B 任意一个为低电平时 则禁止新数据输入 在 时钟端 CLOCK 脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平 当 A B 有一个为高电平 则另一个就允许输入数据 并在 CLOCK 上升沿作用下决定 Q0 的状态 74LS164 引脚图 引脚功能 CLOCK 时钟输入端 CLEAR 同步清除输入端 低电平有效 A B 串行数据输入端 QA QH 输出端 74LS164 真值表 InputsOutputs ClearClockA BQA QB QH L H H H H X L X X X X H H L X X L L L L QA0 QB0 QH0 H QAn QGn L QAn QGn L QAn QGn H 高电平 L 低电平 X 任意电平