【《基于单片机的公交车乘客体温检测系统设计》9200字（论文）】

IV基于单片机的公交车乘客体温检测系统设计摘要2020年1月初旬,全国很多地方都出现了疫情,直至今天,我们也未能完全战胜疫情,体温异常是新冠感染者的重要特征之一。本课题是针对乘客在上公交车前的场景,完成对乘客体温自动测量的设计与实现。该控制系统的重要操作功能是利用红外线传感器是非接触式地测量人体内温度,通过控制软件中对报警环境温度的设定,当测量的环境温度达到三十七度,鸣声器就会告警。控制系统的智能硬件组成基本上是包含了嵌入式单片机控件,是非接触式TN901红外线测量体温感应器、lCd1602液晶、蜂鸣器电路等重要组成。而系统软件组成则是使用嵌入式单片机控制器C语句编程,由于C语句入门简便,编程效能较高,且便于移植,复用性好,所有软件程序均是函式化产品设计,便于了监控操作功能设计逻辑实施。在系统启动工作时,将感应器所收集的温度信号传送入数字单片机中,由单片机控制器进行数据处理后,将体温信息显示到液晶上。使用该控制系统可以很方便的测量人体内温度,并且具备了方便的优点,在消费电子产品快速普遍使用的今天,该控制系统仍然有着广阔的现实使用价值,在后期逐步完善各种功能之后,能够很好地完成对上车乘客的体温检测,确保车上乘客体温正常,达到疫情防控的需求。关键字:红外线感应器,蜂鸣器电路,液晶显示器,单片机目录1绪论 11.1研究背景和意义 11.2体温计发展现状 11.3本课题的研究内容 12设计方案 32.1主控芯片设计方案 32.2显示电路设计方案 33硬件电路设计 53.1系统结构 53.2主控芯片电路 53.2.1单片机概述 53.2.2单片机的构成特性 63.2.3晶振电路 73.2.4复位电路 83.3液晶显示电路 93.4系统USB电源电路 113.5红外传感器电路 114软件设计 124.1主程序软件设计 124.2液晶显示设计 124.3红外测温软件设计 135调试结果分析 155.1硬件调试 155.1.1排除元器件失效 155.1.2排除电源故障 155.2软件调试 165.3实物演示 166结论 17参考文献 18系统主要程序代码 201绪论1.1研究背景和意义2020年1月初旬,全国很多地方都出现了疫情,直至今天,我们也未能完全战胜疫情,体温异常是新冠感染者的重要特征之一。本课题是针对乘客在上公交车前的场景,完成对乘客体温自动测量的设计与实现。该设计主要是利用了机器人科技,感应器和信号处理科技,利用传感器可以了解温度变化并切换为电流输出,利用机器人的集成电路芯片可以将模拟信号转化为数值信息并表现出,该设计可以很好地完成体温信号的采集、处理、显示等功能。本次毕业设计的目的是建立一个动态的、交互的公交车乘客体温检测系统。通俗地讲,就是检测上车乘客的体温,确保乘客体温正常,从而达到疫情防控的目的。专业地说,也就是将环境温度信息经过多路温度采集系统后,将此时非物理条件信息转换为可以通过传递的数字信息,将信号传送到芯片设备中完成信息处理,同时也对报警的传感器做出了设定,能够很好地完成对上车乘客的体温检测,确保车上乘客体温正常,达到疫情防控的需求。1.2体温计发展现状在一九七四年,由德国的生物物理学家华伦海特所创制的人体体温计时,则是将装满了酒精的玻璃管制容器置于雪水和盐的混合水溶液中去,观察玻璃容器的酒精降到什么位置,然后划上一道线,然后把体温计含到嘴巴里面,看酒精的位置上升到什么地方去,然后再划上一线。把这划的两天线当成固定的地方,然后给二条线之间分为0~96°。这就是人类最开始的体温计。过了段时间,华海伦特将冰点温度改变为三十二度,沸点温度改变为二百一十二度,然后提出了华氏温标。一七四二年发明了零到一百的摄氏温标,完成了人体温表的刻度规范。但随着技术的提升,是在狭道处断开了,使狭道上的部分始终保持在体温度数。这些温度计都获得了临床的一致赞誉,并广泛应用。而由于科学技术的提高,在如今,也产生了各种各样的平均体温计。1.3本课题的研究内容该课题主要注重于研究软件系统中的硬件组成路,以及软件设计问题,但同时又需要熟悉软件的研制背景与意义,并掌握相关电子设计的硬件调试,以及软件程序设计,以及电路连接等的基本知识。该控制器的主要功能是,通过红外线传感器是非接触式地测量人体环境温度,并且通过在软件中对报警环境温度的设定,当所检测的环境温度一旦达到了三十七度,蜂鸣器也将会告警。控制器的软硬件方面,在基础部分基本上涵盖了单片微型计算机控制器,由非接触式TN901红外检测温度传感器、lCd1602液晶、蜂鸣器电路等设备构成,而在软件技术方面则大多使用了单片微型计算机控制器C语言编程总之,通过对该控制器长期的设计与研究,已经逐步掌握了单片微型计算机控制器研发流程,并已初步积累了项目研发经验。2设计方案按照产品设计特点,在产品设计采用单片机的红外体温计控制系统时,重点关注了这样一些重要方面。第一是主体控制系统的显示屏问题,选择显示屏件关乎着整体控制系统的人机交互感受。其次是主体控制系统晶片的选用,主控芯片是整体控制系统的核心内容,所有集成电路都是包围着主控芯片系统设计的。最后还涉及另外的一些品质传感器电路,在本系统工作中大部分所用到的都是质量传感器。另外,各个元器件的报价,设计资源是否充足,以及软件编写难易也是考量的重要因素。以下将就各个电路模块的选型相关问题做出详尽说明。2.1主控芯片设计方案以ARM为核心的数据处理器,最初是由加拿大科研人员所产品设计的低功率的RISC管理晶片,它通常都是三十二位的,但同时也兼容了十六位的指令集,而且这些十六位的数据处理器耗电量更少,而且价钱也很低廉,但同时保持了几乎三十二位的所有优点。本系列在产品设计之初,首先考虑到的正是这些十六位的ARM晶片。而单片机模块是与ARM相同,但同样使用了超大规模集成电路工艺技术的主控芯片。但是,单片机模块的应用起首先还是在生产管理方面大放异彩,很大程度地增加了电子工业的生产力。单片机工艺技术的起源也有一个历史意义,最开始的总体设计方式就是把各种各样的集成电路工作环境和设备等与CPU整接到一起,并集成一个小晶片中,这就能使计算机系统从超大规模演进为小型集成的计算机系统,因此能够非常简单地嵌入到极其复杂的工作以及对体积需求极大的设备中,也因此能够很简单地操控所有设备。从用处而言,两种方案均符合设计需求。但是通过我反复地对比单片机与ARM芯片的优劣,也充分地揣摩了本文设计的红外人体温度计系统设计理论。由于ARM入门比较繁重,要求单片机的知识也比较多,而且程序也比单片机更加繁琐,还有价格也是比较贵,所以选择方法二,采用单片机作本设计地主控制器。2.2显示电路设计方案方法1:数码管显示。数码管的主要好处是屏幕上展现出来的内容更加清楚明了、操作也比较简便,并且性价比也是非常高,因此能够适用于大多数较简单场所的要求。方法2:LCD一六百零二液晶。可以显示三十二个中英文字符和零~九数码。对非于本设计需要显示的内容,LCD一六零二型液晶显示都可以很好地显示出来。方法选择:从显示器内容上考虑,由于原本设计地必须同时呈现英文、数字和数学文本,而一六零二lcd显示器电路就可以很好地表现出,而数码管却无法满足本设计的要求,所以我们就选用了方法二实现系统的显示功能。3硬件电路设计3.1系统结构根据上述集成电路模组方案设计,红外线温度计管理系统的主控电路大部分使用单片机芯片,显示器部分则使用了液晶集成电路,外围大部分包含:TN9型红外感应器模组,报警集成电路,以及晶振电路电路结构组合,整个管理系统的总框图如下所示。图3-1系统结构图3.2主控芯片电路3.2.1单片机概述本文设计的红外温度计控制系统所使用的STC89C52单片式微型计算机并非象FPGA那样实现所有逻辑控制功能的CPU,只是将CPU连同其外设的某些电路系统整合在一块晶片上,换言之,是把整个电子计算机控制系统都整合在单片机上。应该设想,一种极其微小的、体重很轻的、价钱也相当低廉的计算机系统将拥有相当大的市场发展生存空间,其应用领域相当广泛,既可能应用在机器学习单片机上,也可应用在研究上。但总而言之,单片机的价值是不可估量的。在九十年代早期,当时的单片机的位数基本都是四位甚至八位数的,但是自九十年代起,随着世界的电子科技技术飞速进展,单片机的技术水平也得到了大幅度提高。INTEL公司首先研制出了三十二位的单片机,而且由于其价格比相当高昂,因此自然而然地取得了十六位单片机的高端地位。三十二位单片机技术也从次开始发展成为最高端控制器技术。同时由于在这个电子科技高速发展的时代,以前的八位和四位数字单片机的功能和可靠程度也都大大提高了,而且相比八十年代初产生地当时的功能也提升了百倍有余,使得八位数单片机的性价比优势又一次地表现了出来,在某些较低端的工业自动化应用领域中它也完全可以胜任,同时产品价格又十分低廉,从而极大地减少了生产成本。直至目前来看,32位嵌入式单片机还是在整个嵌入式单片机家族中表现得最出色的一个嵌入式单片机,其数据处理效能相比于九十年代中期的专用处理器技术的表现也已有过之而无不及了,而且价钱也相当地低廉,所以性价比相当之高。3.2.2单片机的构成特性STC89C52嵌入式数字单片机的结构主要分为下列几大模块:CPU、IO口、寄存器件、内存。这种低端的单片机技术用在比较简单的应用上就已然相当够用了。单片机技术的功能重点还是在核心的控制上,而是成为了一个控制系统中的核心控制部分,也就是一个控制系统的最单纯的大脑。单片机技术特点如图所示。(1)指具有八个地址总线,16位地址总线的CPU;(2)同时具有数位处理能力;(3)使用了哈佛架构,程序存储器和数据信息存储位置空间分别独立;(4)带有相同位置的六十四KB程序存储器和六十四KB数据存储设备;(5)128字节片内数据存储器;(6)三十二个双向或可以按位寻址的I/O线;(7)两个十六位定时/计数器STC89C52单片机的封装图如下图所示。图3-2单片机电路3.2.3晶振电路晶体振荡器电路同样也是单片机工作的非常重要的组成部分,由于晶体振荡器电路可以直接给单片机提供时钟信息,而时钟信息又是实现单片机工作的至关重要的部分。在单片机芯片里面就有一种正反相扩大器,而这种正反相扩大器也就是一种可以作为内部振荡器作用的。它有二个接口,分别是XTAL一和XTAL2,其中XTAL一是该正反相扩大器的进口端,而XTAL二则为出口端。而该自激振荡式器件也就是由这片正反相扩大器和单元模块外端石英晶片共同构成的。而晶体振荡器电路的主要组成部分,就是它们是XTAL一和XTAL2,其中XTAL一为该正反相扩大器的进口端,而XTAL二则为出口端。而该自激振荡装置,也就是由这片正反相扩大器和单元模块外端石英晶所片共同构成的。而晶体振荡器电路的最主要部分,就是除这些自激振荡式器件之外还必然需要对外连通的二个电容器,由这二个电容器再和扩大器连接起来后,就组成了晶体振荡器电路。晶体振荡器电路图如下图所示。图3-3晶振电路3.2.4复位电路恢复集成电路作为单片机应用中十分关键的部分,其基本原则很简洁,也就是说在控制系统上电源的时刻,就会给出一个恢复信息给单片机控制系统,然后一直等到控制系统的电源稳定下来的时刻,就撤销了恢复信息。不过为安全保险起见,在电源平衡时并不会直接删除掉恢复信息,而是在需要进行延时后再删除这个恢复信息。这种延时动作,主要是用来避免在打开电源的时候会震动,而造成信号不稳。每一个种类的数字单片机,在刚开始的时候都会需要执行恢复动作,而这种恢复动作主要是用来确认CPU和一些外设电路在确认后的初始化情况。五十系列的数字单片机的恢复信号都是经过与晶片的REST管脚连接的,从而进入到晶片内的引发器中。当操作系统在运行的时候,这时的REST引脚就发出了一条能够维持二个周期的高电平讯息,而CPU也将会回复给这些信息并将其加以修复,这也是恢复电路的具体使用方式。而单片机操作系统在完成修复后也可以同时使用二种方式进行修复,一是通过手动键恢复操作系统,而另一则是连上电源后还原操作系统。但手动还原时必须人工加入操作,方可进行自动键还原。而具体的操作方法也非常简便,只需要通过直接把在REST恢复插针中的接通高电平就能够恢复了,而类似地也可以通过直接将在恢复插针中的接通为正供电,并需要同时按在插针中的和正供电上间接一个按钮。当按下了这个按键的同时,但操作系统也相当于将正电源直接接入到了恢复插针中,同时在操作系统接收到了这个高电平信号以后,但操作系统又很迅速地就会还原为正常。复位控制器中还必须有相互衔接的二个时钟控制信号才可以恢复工作时间,亦即在通过人工操纵后按下按钮的时候工作时间最起码只是几毫秒,而同时在通过复位操作引后与正电的连接时间中,又是全部实现了二个时钟的控制信号,所以人工恢复工作时间也才是完全符合在复位控制器中所要求的工作时限。而其恢复电路如下图所示,S则是能够自动复位的按键,而电容C一则是能够抗干扰。图3-4复位电路原理图3.3液晶显示电路LCD的一千六百零二液晶屏可以支持二行显示屏,而每一行所可以显示的最大容量则是三十二的英文和汉数字等十六个汉字的显示器,所以适合于所有在英文和数字显示器的操作系统中使用。它也能够用来表示每一个数字、字符、字母等较基本的数字。在液晶显示屏电路里的各种点阵字符形式上都只能表示为几个数字,各个数字间以中间的几个点阵作为分隔的。同时,由于在所有点阵文字的中间各个方面都会有点小方阵阻挡着,因此即使把所有的汉字符号都连在一起也判断不出显示的什么内容,于是在中间就需要有小方阵阻隔开来了,就如同我们在写作文时,把每句话都用标点符号隔开,因为如此就可以让人们看的比较明白,原理也就是如此,就是因为这种小方阵的出现,人们才可以非常明显地看到在屏幕上出现的文字内容,这也便是其产生地意义,但是这种功能也有一点不利的地方,就是在显示图像的时候效果也不太好。一六零二字只能代表二行的内容,每排最多显示十六个字符。表3-1LCD1602液晶引脚功能介绍序号符号引脚说明序号符号引脚说明1VSS液晶的电源负极5R/W读写选择控制2VDD液晶的电源正极6E使能端控制3VL液晶偏压控制7~14D0~D7数据位4RS寄存器选择控制15~16BLA背光控制序号符号引脚说明序号符号引脚说明1VSS液晶的电源负极5R/W读写选择控制2VDD液晶的电源正极6E使能端控制3VL液晶偏压控制7~14D0~D7数据位4RS寄存器选择控制15~16BLA背光控制LCD一千零六十二液晶的对应外功能接口共有十六个,当中八个是控制数据接口,3个是控制电路,两个监控背景供电,两个监控液晶工作供电,以及一个用来调节液晶显示的偏压,液晶电路图如所示。图3-5液晶电路图3.4系统USB电源电路各种USB连接装置的数量也更多,同时为进一步提高红外温度计装置的硬件电路设计水准,本芯片又引入了USB供电方案。因为在系统中,所使用的USB电源方案对一般的手机,或者笔记本接口而言,其最大电流范围并不是理想的稳定值五V,又或者往往只是在一个较大电压范围的微小波动后的平均值,所以在系统电源开关回路中,就引入了电容C一,而C二对较大电压杂波进行了过滤,从而使得整个系统的电源状态比较均衡和稳定。如图所示电源模块电路图。图3-6电源模块电路3.5红外传感器电路针对于目前层出不穷的红外探测器及其配套产品类型,在产品设计中选用最合理的红外探测器配套产品已成为了一项关键。在产品设计过程中选用红外测量元器件时,首要考虑的是元器件的下列基本特征因素:光谱响应范围、速度、有效的测量面积、元器件数量、冷却方法,以及所测量目标的温度范围等。因此日本型红外测温仪就选用了由凌阳集团设计制造的,型号为TN九的红外测量元件为主要检测模组,它是一个高度集成化的红外线探测器,里面有温度调节集成电路和热线性数据处理集成电路,从而大大简化了本系列的设计步骤。它是一个高度集成化的红外线探测器系统,里面具备温度补偿电路和线性处理电路,将本系统的基本设计进行了简单化。TN九红外模块接口如图所示.图3-7电源模块电路4软件设计4.1主程序软件设计本控制系统的主要编程环境为KEIL,而在本设计的红外测温控制系统的实际使用方面则全部运用了C语言写成,以提高对应用控制系统的辨识程度和移植功能。在将整体控制器的总体设计方式和硬件设计相对应时,还采用了与模块对应的程序设计方法,将整体控制器的硬件设计区分为单独的子程序模块,将整体控制器设计一般区分为程序、红外线探测模块、智能按键模块、显示模块以及显示子程序。当整个系统启动完成时,在首先对操作系统完成的初步化工作中,首先进行的对传感器的初始化工作。接着系统总体软件工作,如下图显示。图4-1软件设计流程图4.2液晶显示设计在检测体温时,使用液晶电视表现体温示数。液晶电视显示器的操作流程图可以如下图所示。1602型液晶电视显示器一共上下二条路线,通常都是先设定第一行的显示器定位,再根据上文说明的液晶电视显示器内部地址进行运算,然后再将显示器的数值在相应地方表示,再同理继续设定第二道线的显示器定位,最后再进行完整表示过程。在为我们所设计的指纹识别系统软件设计中,将全部lcd的显示电路全部包装到单一显示函数中,便于了main函数调用,而且也使程序的逻辑结构更为简洁清晰。液晶控制系统软件操作设计流程图如所示。图4-2液晶驱动流程图4.3红外测温软件设计系统正常上电后,进行初始化,以确定能否将有功能的按键从零按下,如果是,则再次确定第一字节数据是不是为四CH或六十六H,最后一字节数据是不是为零DH,因为单片机允许每一个读写五个字节,当第一字节和最后字节依次同时为四CH(或六十六H)和零DH时,才确认这是一个正确的数据信息,否则单片机将不停地进行下去。如果正确地话,就会完成温度控制的运算和温度控制的处理,然后再送LCD一千六百零二液晶显示,最后再关闭TN901;如没有,则可不断按下键为零,直至满足有效数据的条件,才能完成对温度控制的读取。红外传感器模块控制系统工作流程如图所示。图4-3红外测温流程图5调试结果分析在红外温度计课题的工程设计中,从硬件电路工程设计到系统软件程序设计,都出现了不少或大或小的技术问题,在整套系统软件的后期开发调试耗费的工作时间约占了整套系统软件设计工作时间的三分之一,不要嫌这个时间长,通常,许多的软硬件功能出错都是在软件系统开发调试流程中找到解决的。但同时,又需要预先消除非常明显的软硬件功能出错,不然系统软件开发调试也就无法完成。综上所述,硬件调试方法才是软件系统调试方法的基础,如果没有硬件调试方法,则软件系统调试就毫无意义。5.1硬件调试5.1.1排除元器件失效在本设计的硬件测试中,首当其冲的工作是排除电路中的重要元器件无法工作的问题,这是很容易忽略,也是最重要的准备环节。一旦没准备好,就非常影响接下来的工作。元器件失效大概可以分为二个原因:一种原因是元器件在焊接以前就已经不能用了,所以我们在焊接之前一定要先检查一下元器件是否有损坏现象,以免耽误接下来的焊接工作,毕竟磨刀不误砍柴工,还有一种原因是在焊接过程中,因为自己的粗心大意等个人情况导致了元器件的损毁。所以,在焊接过程中一定要小心谨慎,认真完成每一步的焊接工作。5.1.2排除电源故障开关电源作为整体控制系统来说及其重要,因为一旦电源电路接错,就可以导致重要元电子器件全部烧掉,前功尽弃。严格来说还可以引起起火,烧伤等严重事故。所以在上海电气学院面前,学生必须要用万用表认真测量VCC和GND,数字电压表能够读取各个集成电路的压力值,只要VCC集成电路压力在5V-4.5V左右,通常都是正常的。在焊接和装配的过程中,要注意一下以下五点:(1)在完成装配前,必须要检测所有元器件是否有用,其参数是否正确,以防止后续检测出现可以避免的错误。(2)在装配集成电路时,尽可能保证其方向相同,这样能够便于连接,也就比较清晰美观。(3)当组装完毕之后,要将所有地线都连在一起组成一个公共节点。(4)在连接过程中,尽量将线整齐的排布,而不要直接从元器件上穿过。我们要培养好的习惯,将同样的极用一样颜色的导线来引出,以便于在测量过程中对电路的检测。(5)高温在焊缝流程中起到了非常关键的角色,等提高到了适当高温以便元器件的插针和焊盘上产生金属合金,同时焊缝流程中也需要尽可能保证整体板干净平整,漂亮。5.2软件调试在调试前,要了解项目当前的软件(调试)平台,该项目目前采用的是KEIL四平台,在该平台上,就需要了解以下这些知识:设置停机点、单步调试。尝试掌握更高层次的调试,如查询仓库、查询单片机或IO接口的工作状态等方法,。在测试中,一种非常重要的手段便是减慢程序的执行速率。单片机的工作速率通常都是在几M至数十M。但由于单片机控制器的工作速率过高,每秒就能够执行数十兆命令,在使用单步运行,调整延时和IO口的控制功能的时候,该技术特别实用。5.3实物演示将我们的手腕靠近红外探头部分,我们的体表温度就会显示在lcd液晶显示屏中,如果温度超过三十七摄氏度时,蜂鸣器和led灯就会发出声光报警来警示。实物如下图所示

图4-4红外温度计实物图6结论本课题研究成果,是以STC89C52单片机控制器为核心技术,并融合了红外线测量等传感器设计的一种公交车乘客非接触式测量体温表。硬件设计中选用了STC89C52进行处理芯片件,使用了LCD一千六百零二液晶进行显示装置,并使用蜂鸣器进行了报警的出口表示。着眼于未来,在这里将对本设计以下几方面需要完善的地方加以阐述:首先,由于要求在人机互动领域方面增加控制系统的功用,所以此次设计体温测量仪显示器是真正的人机交互式界面,但总体而言,人机交互式界面简单、智能程度较低。在系统今后的发展中,准备进一步增加语音控制或着语言播报的功用,使信息系统的在人机交互功能上更为齐全与完备。其二,对数据的管理方法较为简单,不能适应统一的管理。本次工程设计中全部的采集数据都是在液晶上进行展示,而无法进行远程的数据交换,这也直接影响了整个设计的实际使用范围,从而使得工程设计的实物设备无法同时使用计算机对其进行多机的统一管理,也无法同时将多设备的数据在计算机上进行统一展示。所以,大数据的远程通讯功能是系统设计以后必须处理的问题,而只有增加了通讯功能,系统设计的使用范围和应用灵活性,也将大为增强。而经过设计后期的不断完善,该系统也必然能简单易用,完全达到疫情防控的需求。参考文献[1]肖雪.基于单片机的温度控制系统设计研究[J].2018.[2]陈振伟.基于单片机的温度控制系统[J].长沙大学学报.2018.[3]徐宏宇.基于STM32的多点温度检测系统设计[J].电子科技