單片機(jī)+TN901非接觸式紅外測(cè)溫設(shè)計(jì)論文與源碼PCB等資料

體溫計(jì)是一種測(cè)量人體體溫、輔助治療和診斷疾病的常用醫(yī)療工具。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，新材料、新工藝的運(yùn)用，各式各樣的體溫計(jì)陸續(xù)出現(xiàn)，探測(cè)方式在不斷改進(jìn)，但是人們最常用的依然是水銀接觸式體溫計(jì)。

水銀接觸式體溫計(jì)是根據(jù)汞受熱膨脹的原理制成的，由于受到體溫的影響，水銀的體積膨脹使體溫計(jì)內(nèi)水銀柱的高度發(fā)生變化達(dá)到一定的設(shè)定刻度實(shí)現(xiàn)測(cè)量體溫。由于人體體溫一般變化范圍在35攝氏度到42攝氏度之間，所以水銀接觸式體溫計(jì)刻度通常設(shè)定是35℃到42℃。每度的范圍分成10份，因此水銀接觸式體溫計(jì)可精確到0.1度。

近年來，電子體溫計(jì)越來越多的應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，比如冶金、玻璃制造及體溫測(cè)量等領(lǐng)域。許多醫(yī)院也采用了部分電子體溫計(jì)，雖然其性能和使用范圍暫時(shí)不能與傳統(tǒng)水銀體溫計(jì)相比，但是因其擁有快速便捷、無(wú)需接觸被測(cè)者等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用，并且在未來會(huì)被應(yīng)用的越來越廣。

本體溫計(jì)采用TN901紅外傳感器測(cè)量被測(cè)者體表溫度，能直接測(cè)量被測(cè)者體表實(shí)際溫度，測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，并運(yùn)用此方法制造高性能的非接觸式電子體溫計(jì)。本文提出的新型測(cè)量體溫儀器，針對(duì)傳統(tǒng)體溫計(jì)的測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、精度差、接觸人體皮膚易交叉感染等問題作出改進(jìn)，解決了傳統(tǒng)體溫計(jì)讀數(shù)不方便，用途單一等問題；無(wú)汞害，使用壽命長(zhǎng)，靈敏度高，快捷方便，不易損壞，尤其適合于老年人、小孩和特殊病人群體。

自從1800年英國(guó)天文學(xué)家F.W.赫歇爾發(fā)現(xiàn)了紅外輻射以來，紅外技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用已有很多年的歷史。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，紅外技術(shù)的應(yīng)用受到性能優(yōu)良的紅外傳感器的制約。紅外傳感器是紅外測(cè)溫設(shè)備的關(guān)鍵部件，它把接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗儽阌谟^察和測(cè)量的電能或者熱能參數(shù)。紅外測(cè)溫設(shè)備發(fā)展到今天，在技術(shù)上已經(jīng)趨于成熟。國(guó)外的非接觸式紅外電子測(cè)溫設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)?shù)乃�平；在�?guó)內(nèi)，雖然起步比較晚，但是經(jīng)過了近十幾年的發(fā)展和研究，目前國(guó)內(nèi)也能生產(chǎn)出高靈敏度、高分辨率的紅外傳感器，使得限制國(guó)內(nèi)紅外測(cè)溫技術(shù)

應(yīng)用過程中的一個(gè)技術(shù)難題得到了較好的解決。

目前，應(yīng)用紅外診斷技術(shù)的測(cè)試設(shè)備比較多，像紅外測(cè)溫儀、紅外熱電視、紅外熱成像儀等等。此時(shí)，我國(guó)也在積極主動(dòng)的研發(fā)一種體積小、成本低、不受外界溫度干擾、精度高的人體紅外測(cè)溫儀，也就是本課題的非接觸式電子體溫計(jì)，對(duì)醫(yī)學(xué)的發(fā)展有著很重要的意義。

本設(shè)計(jì)主體采用TN901紅外測(cè)溫模塊接收被測(cè)人體溫度信號(hào)，交由51單片機(jī)程序處理之后變成準(zhǔn)確文字信號(hào)在1602液晶顯示屏上顯示具體讀數(shù)。紅外測(cè)溫模塊負(fù)責(zé)溫度的測(cè)量、采集，并將采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)端口傳送到單片機(jī)。單片機(jī)負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)溫度測(cè)量，接受測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算溫度值并輸出顯示以實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)溫目的的非接觸式電子體溫計(jì)。

   本設(shè)計(jì)將對(duì)硬件選擇以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且采用新型的可編程溫度傳感器TN901，它的優(yōu)點(diǎn)是能直接與單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)現(xiàn)方便、精度高，性能穩(wěn)定，并且不需復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。不需要使傳感器TN901與人體接觸，進(jìn)行溫度感應(yīng)后，TN901就可以感應(yīng)溫度并且直接送入AT89S51單片機(jī)中，經(jīng)過單片機(jī)的信號(hào)處理并將其送出，通過LCD1602進(jìn)行顯示。這樣的好處是可以快速并精準(zhǔn)的測(cè)量出人體體溫，與傳統(tǒng)的水銀體溫計(jì)相比，它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精準(zhǔn)度高、測(cè)量時(shí)間短、并且方便讀數(shù)。

體溫計(jì)是一種測(cè)量人體體溫、輔助治療和診斷疾病的常用醫(yī)療工具。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，新材料、新工藝的運(yùn)用，各式各樣的體溫計(jì)陸續(xù)出現(xiàn)，探測(cè)方式在不斷改進(jìn)，但是人們最常用的依然是水銀接觸式體溫計(jì)。

水銀接觸式體溫計(jì)是根據(jù)汞受熱膨脹的原理制成的，由于受到體溫的影響，水銀的體積膨脹使體溫計(jì)內(nèi)水銀柱的高度發(fā)生變化達(dá)到一定的設(shè)定刻度實(shí)現(xiàn)測(cè)量體溫。由于人體體溫一般變化范圍在35攝氏度到42攝氏度之間，所以水銀接觸式體溫計(jì)刻度通常設(shè)定是35℃到42℃。每度的范圍分成10份，因此水銀接觸式體溫計(jì)可精確到0.1度。

近年來，電子體溫計(jì)越來越多的應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，比如冶金、玻璃制造及體溫測(cè)量等領(lǐng)域。許多醫(yī)院也采用了部分電子體溫計(jì)，雖然其性能和使用范圍暫時(shí)不能與傳統(tǒng)水銀體溫計(jì)相比，但是因其擁有快速便捷、無(wú)需接觸被測(cè)者等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用，并且在未來會(huì)被應(yīng)用的越來越廣。

紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫原理是黑體輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對(duì)零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定，即：　

公式2-1 普朗克公式

下圖2-1是不同溫度下的黑體光譜輻射度圖：

               圖2-1 不同溫度下的黑體光譜輻射度

從上圖中曲線可以看出黑體輻射具有幾個(gè)特征:

•    在任何溫度下，黑體的光譜輻射度都隨著波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線只有一個(gè)極大值；
•    隨著溫度的升高，與光譜輻射度極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)減小。這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長(zhǎng)輻射所占比例增加；
•    隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長(zhǎng)處，與較高溫度相應(yīng)的光譜輻射度也較大，反之亦然。
  

本設(shè)計(jì)將對(duì)硬件選擇以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且采用新型的可編程溫度傳感器TN901，它的優(yōu)點(diǎn)是能直接與單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)現(xiàn)方便、精度高，性能穩(wěn)定，并且不需復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。不需要使傳感器TN901與人體接觸，進(jìn)行溫度感應(yīng)后，TN901就可以感應(yīng)溫度并且直接送入AT89S51單片機(jī)中，經(jīng)過單片機(jī)的信號(hào)處理并將其送出，通過LCD1602數(shù)碼管進(jìn)行顯示。這樣的好處是可以快速并精準(zhǔn)的測(cè)量出人體體溫，與傳統(tǒng)的水銀體溫計(jì)相比，它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精準(zhǔn)度高、測(cè)量時(shí)間短、并且方便讀數(shù)。

非接觸式電子體溫計(jì)主要由TN901非接觸式溫度傳感器控制，測(cè)量采集被測(cè)目標(biāo)溫度，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳送給單片機(jī)，由程序處理之后轉(zhuǎn)變成文字信號(hào)在1602液晶顯示屏上顯示被測(cè)目標(biāo)具體溫度數(shù)字。非接觸式電子體溫計(jì)由兩大部分構(gòu)成，第一部分TN901非接觸式溫度傳感器；第二部分主體控制電路板，電路板由51單片機(jī)、1602液晶顯示屏、10K排阻、4.7K滑動(dòng)變阻器、晶振、蜂鳴器、復(fù)位電路等構(gòu)成。主要實(shí)現(xiàn)TN901溫度傳感器測(cè)量目標(biāo)溫度，經(jīng)過程序處理之后在1602液晶顯示屏上顯示目標(biāo)溫度的具體數(shù)字。設(shè)置程序最大測(cè)量溫度和最小測(cè)量溫度，目標(biāo)溫度超出此范圍蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。通過按鍵復(fù)位測(cè)量完成后還原讀數(shù)。4.7K滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)1602液晶顯示屏亮度等。

               圖2-2 TN901紅外測(cè)溫儀

Note: 電壓超過額定表中給出的額定值可能引起操作錯(cuò)誤或者器具的損壞。對(duì)正常工作條件見 AC/DC 參數(shù).

(VDD = 3.0V, TA = 25℃)

(VDD = 4.5V, TA = 25℃)

本紅外測(cè)溫儀采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，它的硬件結(jié)構(gòu)由STC89C51單片機(jī)模塊，紅外測(cè)溫模塊，電源模塊，鍵盤模塊和LCD顯示模塊組成。

STC89C51單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制中心，它負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)溫度測(cè)量、接收測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算溫度值、并根據(jù)取得的鍵值控制顯示過程；紅外測(cè)溫模塊負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量，并將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)端口傳送給STC89C51單片機(jī)； LCD顯示模塊把測(cè)量的溫度值直觀地顯示給觀測(cè)者；電源模塊負(fù)責(zé)本紅外測(cè)溫儀電源的供應(yīng)。

該紅外測(cè)溫儀是以STC89C51單片機(jī)為核心器件，此單片機(jī)模塊的工作原理是：加載相應(yīng)程序的STC89C51單片機(jī)把紅外測(cè)溫模塊傳來的數(shù)據(jù)加以處理，送LCD顯示屏顯示。

                        圖3-3 單片機(jī)引腳圖

STC89C51各引腳的功能描述如下：

（1）電源和晶振：VCC——運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加的電壓；

VSS——接地；

XTAL1——輸入到振蕩器的反向放大器；

XTAL2——反向放大器輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。

（2）RST：?jiǎn)纹瑱C(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端；

（3）ALE: 地址鎖存有效信號(hào)輸出端；

（4）：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端。

它的測(cè)量距離大約為30米，測(cè)量回應(yīng)時(shí)間大約為0.5秒。而且它具備SPI接口，可以很方便地與單片機(jī)（MCU）傳輸數(shù)據(jù)。

紅外測(cè)溫傳感器的引腳介紹:

    圖3-5 紅外測(cè)溫傳感器引腳圖

紅外測(cè)溫傳感器引腳圖如圖2-4，其中V為電源引腳VCC，VCC一般為3V到5V之間的電壓，一般取3.3V；D為數(shù)據(jù)接收引腳，沒有數(shù)據(jù)接收時(shí)D為高電平；C為2KHz Clock輸出引腳；G為接地引腳；A為測(cè)溫啟動(dòng)信號(hào)引腳，低電平有效。            

STC89C51的內(nèi)核共電為5v，，而此紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)的紅外測(cè)溫模塊和LED鍵盤模塊的共電電壓都可為5V，所以通過此電源模塊后，將外部輸入電壓轉(zhuǎn)換成5V的單片機(jī)工作電壓，以保障紅外測(cè)溫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

本設(shè)計(jì)鍵盤模塊總共有三個(gè)按鍵，其中有啟動(dòng)電源鍵、卡電重啟電源鍵、復(fù)位按鍵。

    LCD顯示模塊：本設(shè)計(jì)采用1602LCD液晶顯示屏。數(shù)碼管顯示按顯示方式分動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種，靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的電路硬件較多；動(dòng)態(tài)顯示需要CPU時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，所謂的動(dòng)態(tài)就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器，對(duì)每一位顯示器而言，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次，利用人的視覺留感達(dá)到顯示的目的。動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。

本設(shè)計(jì)采用的是動(dòng)態(tài)顯示，顯示模塊由兩片74HC164,8個(gè)8段LCD數(shù)碼管組成。

                           圖3-6 LCD顯示電路原理圖

  本設(shè)計(jì)針對(duì)紅外測(cè)溫是測(cè)量人體體溫，所以本設(shè)計(jì)軟件針對(duì)的是人體測(cè)體溫方面設(shè)計(jì)，對(duì)大環(huán)境下其他方面的溫度測(cè)量設(shè)計(jì)不做介紹。

當(dāng)紅外測(cè)溫儀接通電源時(shí)，STC89C51單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，開始運(yùn)行該程序。該程序首先對(duì)STC89C51初始化。然后給出開機(jī)顯示，接著判斷是否有鍵輸入，若沒有鍵輸入，則繼續(xù)判斷；若有鍵輸入，則判斷是否是紅外測(cè)溫。若不是就返回開機(jī)顯示，是則進(jìn)行紅外測(cè)溫，接收數(shù)據(jù)，并將計(jì)算的溫度值顯示出來，如果是環(huán)境溫度通過數(shù)碼管前四位顯示，目標(biāo)溫度用后四位顯示。并等待結(jié)束測(cè)溫命令。再判定是否結(jié)束溫度測(cè)量，若沒則繼續(xù)測(cè)溫，若收到結(jié)束命令則返回開機(jī)顯示，重新判斷。

該紅外測(cè)溫模塊的數(shù)據(jù)輸出信號(hào)和脈沖信號(hào)分別接單片機(jī)P1.5，P1.6口,測(cè)溫控制端接P1.7口。它的程序流程圖如圖3-2所示，此模塊首先定義一個(gè)字符型數(shù)組用于存放讀取到的一幀數(shù)據(jù)，然后啟動(dòng)測(cè)溫，讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是在脈沖的下降沿一位一位傳送的。把五個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)都讀完后判斷第一個(gè)字節(jié)是否為0x4c或0x66并且第五個(gè)字節(jié)為0x0d，若是則計(jì)算溫度值返回，否則繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。

鍵盤是單片機(jī)應(yīng)用中不可缺少的一部分。本鍵盤的設(shè)計(jì)采用1列8行(1X8)的設(shè)計(jì)思想，74HC164在鍵盤中充當(dāng)行驅(qū)動(dòng)，列線接在單片機(jī)的P1.3口上，在固定的極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)鍵盤的列線進(jìn)行掃描，進(jìn)而判斷是否有鍵按下，有鍵按下再判斷是哪個(gè)鍵按下從而根據(jù)按鍵值在程序中做出進(jìn)一步的判斷。

在顯示模塊中，我們采用兩片74HC164,4個(gè)8段LED數(shù)碼管組成。它的工作原理是主控單片機(jī)STC89C51通過控制位選的74HC164去控制點(diǎn)亮不同的數(shù)碼管，而另一片74HC164是用來根據(jù)主控單片機(jī)給出的不同信息，給出不同數(shù)碼管所要顯示的不同內(nèi)容，在給出點(diǎn)亮信號(hào)時(shí)，數(shù)碼管就顯示出74HC164輸出端的信息。4個(gè)8段數(shù)碼管是定時(shí)循環(huán)按順序被點(diǎn)亮，由于每次被點(diǎn)亮的時(shí)間間隔極短，也由于人眼對(duì)光亮的感覺延遲效應(yīng)，所以在顯示不斷被刷新的同時(shí)，人眼不會(huì)有閃爍感。

本顯示程序首先定義了數(shù)碼管的字型和字位口編碼表， 然后根據(jù)要讓哪個(gè)數(shù)碼管亮和讓它亮什么數(shù)據(jù)來選擇不同的字型字位口再進(jìn)行查表，把查到的編碼一位位送到兩片164的數(shù)據(jù)端進(jìn)行顯示。

本設(shè)計(jì)經(jīng)過幾個(gè)月的制作與努力之后將近完工，回想這段時(shí)間的付出覺得收獲很大。所做的非接觸式電子體溫計(jì)雖然是最小電路下的最簡(jiǎn)單的體溫計(jì)設(shè)計(jì)電路，但是能很好的完成任務(wù)書中的要求和目標(biāo)。作出的實(shí)物能夠測(cè)量并顯示環(huán)境溫度和被測(cè)物體溫度。有些缺陷，測(cè)量顯示溫度比實(shí)際物體溫度有偏差，應(yīng)該是TN901發(fā)出紅外線接收時(shí)有誤差，所做實(shí)物精度有待提高，所以在今后的工作中，還要不斷的學(xué)習(xí)充電，掌握更多的技能。爭(zhēng)取能夠在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出精確度更高、功能更強(qiáng)大的智能化儀器。

本設(shè)計(jì)主要由TN901非接觸式溫度傳感器控制，測(cè)量采集被測(cè)目標(biāo)溫度，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳送給單片機(jī)，由程序處理之后轉(zhuǎn)變成文字信號(hào)在1602液晶顯示屏上顯示被測(cè)目標(biāo)具體溫度數(shù)字。

通過這次設(shè)計(jì)不僅把自己學(xué)習(xí)數(shù)字電路和模擬電路理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐成果，同時(shí)加強(qiáng)了自己動(dòng)手能力和發(fā)現(xiàn)問題能力，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下了很好的基礎(chǔ)。

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