多功能非接触式测温仪的设计

1、SPCE061A单片机的远程红外测温仪的设计薛乾，闫宸，李鑫(常熟理工学院 电气与自动化工程学院，江苏 常熟 215500)摘 要：本文以SPCE061A单片机为核心，采用凌阳的红外测温模块设计了一套智能测温系统。设计的测温系统工作稳定，操作简单，精确度高，反应速度快并具有智能语音播报功能。关键词：SPCE061A单片机;红外测温;智能播报中图号：TP368Design of Remote Infrared Temperature InstrumentXUE Qian,YAN Chen,LI Xin School of Electrical and Automaion Engneering,C

2、hangshu Institute of Technology,Changshu 215500,ChinaAbstract:This paper introduced a design of intelligent infrared temperature instrument based on SPCE061A single-chip produced by SUNPLUS.This infrared temperature instrument has the advantages of stable operation，simple operation , high accuracy a

3、nd fast reaction rate .It also has the function of voice broadcasted.Keyword: SPCE061A SCM; Infrared Temperature; Intelligent Broadcast0引言由于现代医学发展的需要，在很多情况下一般的温度计已经满足不了快速而又准确的测温要求，红外测温为测量人体体温提供了快速、非接触测量手段，可广泛、有效地应用于密集人群的体温排查，例如在车站和机场等人口密度较大的地方进行人体温度测量。非接触红外测温计针对特定人群（比如儿童或老年人）有很好的效果。随着生活节奏的变快，父母有时候会忽

4、视孩子的健康情况，而且由于儿童好动，通过非接触红外测温仪就可以快速准确地测出其体温；老年人活动不便，使用传统的体温计很不方便，而且体温计汞柱的位置也不容易看清，通过非接触红外测温仪就可以很快得到体温，而且通过语音告知老人，有异常情况也能够及时发现。1系统方案设计1.1系统的方案阐述本系统中SPCE061A单片机是核心部分， SPCE061A是数据的处理中心和控制中心。SPCE061A向红外测温模块发送测温命令，红外测温模块接收到命令后开始启动测温，并把测得的数据以二进制形式，通过SPI串行通信接口传送到单片机进行处理。SPCE061A对接受的数据进行分析处理后，通过LCD1602液晶显示，与此

5、同时通过语音报出测得的温度数值。SPCE061A还可以把收到的数据送到SD卡存储，也可以从SD卡中读取存储的数据。电子时钟模块属于附带模块。时钟模块与SPCE061A间也采用SPI通信方式进行交互信息。时钟模块具备双电源，一个是系统电源，是系统正常运行时的工作电源。另一个是专有的独立电源，属于备用电源，以保证系统掉电后时钟芯片继续正常工作。系统总体设计方案如图1.1。1.2 SPCE061A的阐述：SPCE061A是台湾凌阳公司生产的性价比很高的一款十六位单片机，使用它可以非常方便的实现控制和语音播报的系统，该芯片拥有8路10位精度的AD转换通道，其中1路AD为音频转换通道，并且内置有自动增益

6、电路。这为实现语音录入提供了方便的硬件条件。2路10位精度的DA通道1。 SPCE061A的OSC0, OSC1接上32768Hz的石英晶振及谐振电容，锁相环技术，可将晶振频率最大调整至49.152MHz。系统复位电路采用传统的按键复位。SPCE061A外接两个功放（LM386）结合SPCE061A的语音资源现语音播报功能2。SPCE061A晶振，复位电路如图1.2 。电源电源接口SPCE061A音频扬声器IOAIOB温度测量测量启动系统控制矩阵键盘数据存取SD卡SPCE061A红外测温模组实时时钟DS1302温度显示液晶显示图1.1系统框架图图1.2 SPCE061A晶振，复位电路1.3系统

7、各部分功能阐述1.3.1系统的实时时钟模块DS1302时钟芯片用在红外测温系统中具有特殊的意义。其一可以作为时钟，使工作人员随时能知道当时时间，另一个重要意义是DS1302可以用于数据记录，特别是具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。DS1302与CPU的硬件接线很简单，通过三根线连接。模拟SPI串行通信，图1.3.1中晶振时钟频率选择为32768Hz，可以直接接在DS1302的2、3管脚之间，可以规定载荷电容为6pF。DS1302采用双电源供电，VCC1可提供单电源控制也可以作为备用电源，VCC2为主电源。在抓电源关闭的情况下，也能保持时钟连续运行。DS1302由

8、Vcc1或Vcc2两者中较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，由Vcc2给时钟芯片供电。当Vcc2小于Vcc1时，时钟芯片由Vcc1供电。图1.3.1 DS1302 与CPU的连接的电路原理图1.3.2液晶显示模块液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用。在本设计中选用LCD1602作为显示部件，具体显示温度、时间等信息，实现人机信息交换。 数据线DB0-DB7连接单片机的IOB8-IOB15端口；3条控制线分别接IOB12、IOB13、IOB14；在LCD1602液晶模块的引脚3和地之间接一个10K的电位器来调节液晶

9、显示的对比度，电阻R2用来设置背光的亮度，通常接一个1k的电阻作为限流电阻，当然也可以接入电位器来调节显示的亮度3。图LCD1602与单片机的接口电路1.3.3 SD卡驱动电路长期以来， SD卡因具备体积小、功耗低、可擦写以及非易失性等特点而被广泛应用于消费类电子产品中。SD卡有两个可选的通讯协议：SD模式和SPI模式。其中SD方式采用6线制，使用CLK、CMD、DAT0DAT3进行数据通信，SD模式是SD卡标准的读写方式，但是在选用SD模式时，往往需要选择带有SD卡控制器接口的MCU，或者必须加入额外的SD卡控制单元以支持SD卡的读写。然而，凌阳SPCE061A单片机没有集成SD卡控制器接口

10、，若选用SD模式通讯就无形中增加了产品的硬件成本。在SD卡数据读写时间要求不是很严格的情况下，选用SPI模式可以说是一种最佳的解决方案。因为在SPI模式下，通过四条线就可以完成所有的数据交换。采用不同的初始化方式可以使SD卡工作与SD方式或SPI方式，利用SPI模式对SD卡进行读写操作可大大简化硬件电路的设计。具体电路如图2软件系统的设计2.1软件设计的总体框图 根据系统的总体设计要求及硬件电路原理，按照硬件连接和各个模块芯片的特性以及功能实现要求，本系统的主要流程包括：系统初始化、LCD显示、时间数据设置与读取、温度采集、语音播报、SD卡存储几个步骤，以下是几个步骤的具体工作方式： 开机后，

11、系统首先进入系统初始化，系统初始化包括SPCE061A单片机I/O口的初始化、LCD1602的初始化、DS1302的初始化、SD卡的初始化、红外测温模块的初始化。单片机I/O口的初始化，通过设置IO口属性，控制I/O口的功能。初始化成功,播放初始化成功语音提示，LCD显示欢迎界面和系统状态。初始化成功语言提示“OK”,LCD显示“WELCOME”等欢迎词，接着系统进入默认图1.3.3 SD卡驱动电路模式（温度测量模式）。 当测温键按下时，数字红外测温探头工作，当温度数据采集成功以后，通过SPI通信把测得的数据传送到SPCE061A单片机，单片机把传送过来的数据进行处理，然后送到LCD显示、同时

12、语音播报并同当时的测温时间一起存入SD卡。如图2.1图2.1系统流程图2.2部分子系统的流程图2.2.1 LCD显示模块本系统在对LCD进行编程时，采用二维数组对应液晶模块显示字符的具体位置，使数组元素与液晶显示的字符位置一一对应。液晶从第一行第一个字符开始显示，每显示完一个字符后检查这一行是否已显示到最后一个字符，若是显示到最后一个字符，则跳到下一行显示，若两行都显示结束，则液晶的整个显示过程结束4。2.2.2 SD卡的读写 SD卡在上电初期自动进入SD总线模式，在此模式下向SD卡发送复位命令CMD0。如果SD卡在接收复位命令过程中CS低电平有效，则进入SPI模式，否则工作在SD总线模式。2

13、.2.1 LCD工作流程图对于不带SPI串行总线接口的SPCE061A单片机来说，用软件来模拟SPI总线操作的具体做法是：将IOB1口的初始状态设置为1，而在允许接收后再置CLK为0。这样，MCU在输出1位SCK时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至SPCE061A单片机的MISO，此后再置CLK为1，使单片机从MOSI输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。至此，模拟1位数据输入输出便完成。此后再置CLK为0，模拟下1位数据的输入输出，依此循环8次，即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作5。2.2.3 DS1302程序设计DS1302在第一次加电后，必须进行初始化操作，在

14、初始化程序中首先写控制寄存器，当写保护寄存器的最高位为0时，允许数据写入寄存器，写保护寄存器可以通过命令字节8E/8F来规定禁止写入/读出。写保护位不能在多字节传送模式下写入。向芯片写入命令字节FEFF，把秒寄存器的第7为设置为0时，启动时钟，时钟芯片开始工作。DS1302 与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位MSB(D7)必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护；D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM 数据；D5D1 指定输入或输出的特定寄存器；最低位LSB(D0)为逻辑0，指定写操作(输入)， D0=1，指定读操作(输出)。在D

15、S1302 的时钟日历或RAM 进行数据传送时，DS1302 必须首先发送命令字节。若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SCLK 周期的上升沿输入数据字节，或在下8个SCLK 周期的下降沿输出数据字节。DS1302 与RAM 相关的寄存器分为两类:一类是单个RAM 单元，共31个，每个单元组态为一个8 位的字节，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM 寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的RAM 的31个字节6。流程图如图2.2.3： 图2.2.3 DS1302程序流程红外测温模块的设计红外测温模块设计关键的执行部件。先阐述该模块

16、的基本工作原理。在时钟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。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 其中Temp为十进制，当把它转换成十六进制时高八位为MSB，低

17、八位为LSB；比如MSB为0x14H，LSB为0x2aH，则Temp十六进制时为0x142aH，十进制时为5162，则测得温度值为5162/16-273.15=49.475。在开始红外测温之前，需要先对系统进行初始化，初始化的主要任务是设置与红外测温模块相连接的I/O口的输入输出属性。为了提高系统程序的执行速度和准确度，红外测温模块的底层驱动程序用汇编语言编写。在初始化程序中对IO_Port_Dir、 IO_Port_Attrib、 IO_Port_Data三个寄存器进行设置， 把与红外测温模块ACK引脚相连接的I/O端口设置为悬浮式输入引脚，与Data、Clk引脚相连接的I/O口设置为带下拉电阻的输入方式。初始化完成之后，系统扫面测温按键，若测温键按下，则测温模块进行温度测量，SPCE061A单片机对测温模块进行读写操作。基本流程如图图2.2.4红外测温工作流程图4结束语经调试在3090范围内任一监测点的误差不大于±2，在95150范内，任一监测点的基本误差不大于±3。相比传统的利用接触式的热传感器元件，本设计实现了非接触式的远程测温。在检测时也有着传统接触式测温没有的点对多的测温方式，一个模块可以检测多个物体。就传感器本身来说此红外测温模块有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。相比其他的设计，本设计