智能仪器仪表论文

1、沈阳理工大学课程设计专用纸课程设计任务书分院（系）信息科学与工程专业测控技术与仪器学生姓名学号设计题目 智能红外体温计 软/硬件设计课程设计内容及要求：内容：1、 测控系统硬件电路设计，选择器件2、 利用软件画原理图3、 熟悉软件编程语言，编写程序4、 系统调试要求：1. 利用温度传感器（TPS434）测量某一环境的温度并由数码管显示出结果2. 测量范围为-55125，精度为±0.5进度安排:（20天）1、 查找资料（2天）2、 系统硬件电路设计（6天）3、 软件编程与调试（6天）4、 系统联调（3天）5、 撰写报告（3天）指导教师（签字）：年 月 日 学院院长（签字）：年 月 日目

2、录第一章 绪论1.1体温计的发展与现状 11.2红外测温技术 11.3整体方案概述 3第二章 系统硬件设计2.1 电源设计 82.2 信号调理电路 112.3 AD转换电路122.4 图形点阵式LCD显示电路 142.5 语音播报电路172.6 在线编程(ISP)电路 182.7 按键功能设计19第三章 系统软件设计3.1 软件工作流程203.2驱动程序设计 21总结 24参考文献 25第一章 绪 论1.1 体温计的发展与现状体温计是一种测量人体温度、辅助疾病诊断的常用医疗器具，它是人类日常生活的必需品。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,探测方式在不断改进。人

3、们熟悉的传统的体温计是水银(汞)体温计,它是根据汞受热膨胀的原理制成的。由于受到体温的影响，水银体积的膨胀使管内水银柱的长度发生明显的变化。近几年来，智能体温计越来越多地应用在各个行业：冶金、玻璃制造以及体温测量等领域。许多医院也采用了智能体温计，虽然其性能暂不能与传统的体温计相比，但因其拥有快速、无需接触被测者等的优点而被广泛采用。体温测试是在实际生活中经常会遇到的问题，传统的体温计也就是我们的水银体温计有其很多的不足之处，如：测温时间长，读取结果不方便，体温计易被损坏并且其材料汞有毒等。针对以上问题，本文提出一种新型的测量体温仪器,它优于传统的体温计的一个很大的特点就是测温时间相对较短,并

4、且此智能红外体温计有自动播报体温、统计人数、显示日期及环境温度等功能。解决了传统体温计读数不便、用途单一的问题，无汞害，灵敏度高，清晰播报，方便携带，寿命较长，台式设计使体温计放置时不会晃动，避免温计被损坏，尤其适用于小孩与老年人，其方便性大大超越水银式体温计。1.2红外测温技术测量体温的方法有很多，水银、热电偶、热敏电阻、晶体管的PN结、液晶、石英晶体均可作为测温元件来制造体温计。这些测温技术均属接触式测温，容易产生交叉感染，并且当测温元件接触被测部位时，将影响其温度场的分布，对精度造成影响，而且响应时间也较长。若采用非接触式测温的方法，则可以较好地解决这些缺点。1.2.1红外测温背景随着工

5、农业、国防事业、医学的发展 ,对温度测量越来越迫切。在某些场合 ,温度测量逐步上升为主要矛盾 ,引起了各方面的普遍重视。例如：在不停机的情况下对机械设备、电力设备、生产设备等进行温度测量;在不能造成产品的污染或损坏的情况下对生产过程中或仓库里的产品温度进行测量;在医学领域内 ,为了了解病人的身体状况 ,需对病人身体各个部分的温度进行安全的测量。在这种背景下 ,使用方便、可快速对物体温度进行非接触、无损测量的红外测温技术得到了极大的发展。目前，红外测温技术在已有着广泛的应用，其测量范围可从常温到达上千摄氏度。国内外非接触红外测温技术的发展极为迅速，各国均研制出了具有有较高水平的用于各类场合的红外

6、辐射式计，例如：美国RAYTEK公司的Ranynger系列、WAHL公司的DHS系列等。国内生产红外测仪的厂家和研究所有上海自动化三厂、云南仪表厂以及中国科学自动化所等。1.2.2红外测温原理红外测温法是指利用人体自身的红外辐射来测定其表面温度的一种测量温度的方法。红外测温是非接触式测温中应用较为广泛的一种技术，它由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇集其视场内目标的红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号,该电信号经过放大器和信号处理电路后可以经模数转换后，由微控制器按照内部的算法来计算目标的

7、表面温度值。信号调理电路放大器光电转换温度传感器目标物图1.1智能红外体温计的测温原理是基于黑体辐射定律的，黑体是一种理想化的辐射体，它在任何温度下都能全部地吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量，其表面吸引率为1。为了弄清和获得红外辐射分布的规律，普朗克提出了体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射定律，其表达式为：（式1-1）式中，c为真空中的光速;k为波尔兹曼常数，由上式可出在温度T时黑体在全部波长范围内的辐射出度为： （式1-2）由式1-2可知：黑体总的辐射出度与黑体的绝对温度T的四次方成正比。因此，可能通过对物体辐射的测量进而求出物体的温度。1.2.3 智能红外测温的优点传统

8、的体温计如水银体温计虽然价格便宜，但是有许多的弊端：水银体温计遇热或安置不当，容易破裂;人体若接触水后会中毒，恶心、头痛、腹泻、脱发等随之而来，严重者会造成血液凝固;测温时间长等。智能红外体温计则避免了上述的缺点，它有着如下的优点：1 测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度。2 测温范围宽，在理论上无测量上限，可以测量相当高的温度。3 探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量;4 不必接触被测物体，操作方便;5 可以测量微小目标的温度;1.3整体方案概述 本文旨在利用红外热释电温度传感器、MS51单片机以及其器件设计实现非接触式测温，使之达到响应时间最长不超过1

9、s、温度测量范围 3442摄氏度,精度达到0.2摄氏度，即可手动测量，也可运行在自动模式下实时显示体温数据，有温度保持和清除功能，并能够向终端(计算机)发送测量到的数据以实现数据统计、分析的功能扩展。1.3.1系统结构框图系统所采用的是红外热释电温度传感器TPS434，人体辐射出的能量由TPS434转换成微弱的电信号(只有0.71.5mv)。该电信号经过信号调理电路后(包括前置放大和后级放大两个功能模块)送入ADC进行模数转换，进而可以由单片机识别来计算被测物体的表面温度。在计算完被测物体表面的温度后，有两种方式向使用者提供温度信息：第一种方式是显示在图形点阵式LCD上;第二种方式是以语音的形

10、式播放以告知使用者温度信息。整体系统结构框图如下图所示：图1.21.3.2核心器件简介在搭建实验板做相关实验的基础上，合理地选择器件可以给系统设计带来方便。本小节就系统设计中涉及关键模块的器件作以简要介绍，并在此基础上描述了其优点。1. 电源部分 如图1-3所示, 本系统由220V交流电源供电，变压器变压后为6V交流电，经硅桥BRIDGE2整流（硅桥的1,3引脚接变压器的输出端， 2,4引脚接78L05的输入端）后交流变为直流。因单片机需要5V供电电源，故用78L05稳压后再给单片机供电。对于语音芯片，接着用LM317进行直流直流转换后，将输出的3V电压给4004供电。液晶显示芯片也用5V电源

11、直接供电。 对于稳压器件LM317, 由其应用公式(1-3)：V0=1.25（1+R2）， (1-3) 可知, 为了得到4004的3V供电电压, 应合理选取其外接电阻R1和R2的值. 这里取R2 为500欧，R1为240欧，可得从LM317的引脚2输出电压约为3V。易知，滑阻R2可用来调节引脚2输出电压大小。图1-3 电源供电部分8051单片机MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好多品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，

12、人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，很多公司在做以8051为核心的单片机，STC系列单片机就是其中的一种。它是由台湾的宏晶科技有限公司开发和生产的，具有以下优点：² 超强抗干扰,轻松过 4KV 快速脉冲干扰(EFT) ² 高抗静电(ESD)，6KV静电可直接打在芯片管脚上 ² 客户的整机抗静电测试，8KV / 15KV 就太轻松了 ² 超低功耗，Power Down < 0.1uA, 可外部中断唤醒 ² 中断优先级可设置成4级(IP,IPH) ² LQFP-4

13、4,PLCC-44封装,有P4口(可以位寻址) 本系统中选用的单片机是STC89C51,它除了具有以上描述的优点以外，还具有普通51系列单片机所不具有的ISP功能，即在线编程功能。用户可以将代码通过串口电路直接烧录进单片机内，而不需要专门的烧录工具。红外温度传感器红外温度传感器是实现非接触式红外测温的关键器件，本系统中选用的是PerkinElmer Optoelectronics的TPS434红外热释电温度传感器。该传感器具有很好的重复性和较高的灵敏度，它由温差热电堆和热敏电阻丙部分构成，如图1.4所示： 图1.4 热电堆是半导体集成电路工艺和微机械电子工艺制造的，它由多个热电偶串联组成。热电

14、偶是由两种电子密度不同的导体相连接组成的，它有冷热两个端点。在测量物体温度时，热端与被测物体接触，冷端与测量仪表接触。热电偶的同种导体会因为存在温度梯度而产生汤姆孙电动热，两种金属的连接处会因为电子密度差而产生珀而粘电动热，会在热电偶的两个端产生温差电动势。热电堆输出端的电压信号是反映热电偶冷热两端的温度差，也就是被测物体与热电堆冷端的温度差，而不是反映被测物体的真实温度。因此，还需要环境温度补偿，也就是要测出热电堆冷端温度。环境温度补偿是通过红外传感器中负温度系数的热敏电阻完成的，它的阻值随着温度的升高中而降低，由此通过测量其阻值就可得知环境温度。高精度运放 本系统中所采用的前置运算放大器是

15、ADI公司的仪用运算放大器AD620。该器件是低功耗、高精度运算放大器，它只需一个外接电阻即可实现1到1000倍的增益。AD620在内部噪声、功耗、输入偏置电压以及输入漂移电压等诸多方面有着出色的性能，特别适合用于微弱信号的放大。AD转换器AD转换器又称ADC，它是实现模拟量到数字量转换的器件，使控制器件可以通过判断模拟量的大小达到控制的目的。按精度的高低，ADC可分为8位，10位等以满足多种不同应用场合;按与微控制器的接口方式，ADC可分为并行和串行。本系统所采用的是TLC0820AC系列的8位高速模数转换器，它是一款并行AD，拥有两种模式供用户使用：只读模式(Read Mode)和读写模式

16、(Reand and Write)。TLC0820AC内部拥有的Flash技术，内部的取样保持电路的采样窗口为100ns，最大转换时间为2.5us，可满足高速应用的场合。语音芯片ISD系列语音芯片因其应用方便、接口电路简单等特点而被广泛采用，本系统采用的是ISD4003语音芯片，它有连续录音6分钟的能力，片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年(典型值),反复录音10万次。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"，特

17、别适用于移动电话及其他便携式电子产品中。第二章 系统硬件设计2.1 电源设计 任何一部电子产品，电源的设计是首当其冲的，它是使电子产品正常、稳定工作的必要前提。本系统中所涉及的器件多，电源有很多种：5V，6V，-6V以及+3V。由于考虑到系列功耗和其他方面的原因，电源方案中采用的是传统的由市电经变压器后，再通过直流稳压芯片实现以上各类电压。在这种电源设计方案中，主要由变压器、硅桥、稳压芯片以及外围器件来实现，在下面章节将作详细的介绍。2.1.1 稳压芯片介绍为满足系统电源方案的需要，我们选用了输出电流大于1A的LM7805、LM7806以LM7906稳压芯片，此外还有输出电压可调的LM317，

18、这三种芯片的封装均为TO-220,如图2.1所示： 图2.13. LM7805、LM7806 LM78××系列的稳压芯片的输出的都是正电压，它能够实现压差超过5V的电压变换(大于5V则会使芯片发热，必须加散热片)。这种系列的稳压芯片可提供超过1A的输出电流，无需外部电路，内部有短路、过载保护电路等。经其稳压后的电压在标准电压的4%左右，可满足一般系统的要求。4. LM7906 LM79××系列稳压芯片输出的是负电压，实现的是负电压到负电压的变换，压差一般不超5V(超过5V则会致使芯片发热，必须加散热片)。这种系列的稳压芯片可提供超过1A的输出电流，无需外

19、部电路，内部拥有短路、过载保护电路等。经其稳压后的电压在标准电压的4%左右，可满足一般系统的要求。5. LM317 LM317是一个三端稳压芯片，能够提供大于1.5A的负载电流，输出电压可调：1.237V，内部有过载保护、短路电流限制等电路。2.1.2 原理概述电源的电路方案中，使用了三个硅桥完成整流，经变换后的电压有三种，其电路形式如下：6. +5V电源设计图2.2其中，AC9_5VB、AC9_5VA是变压器的交流输出，经硅桥整流、滤波、稳压后输出+5V电压。7. +6V、-6V电源设计这两路电源设计中，硅桥的使用方法与5V电源稍有不同，它使用一个硅桥整流输出两个路直流电压，经LM7806和

20、7906后稳压到6V和-6V。电路形式如下图所示：图 2.3 需要说明的一点是，这里使用了变压器的三根线：两根是输出的交流电，另一根是零线，也即地线，它与电路板中的地线共地。8. +3V电源设计LM317的输出电压是由两个电阻来决定的，输出电压与这两个电阻间的关系表达式为：(式2-1)图 2.4其中，R2这里选用的是可变电阻，通过改变R2的阻值即可调节输出电压的大小。在式2-1中，由于十分小，因此在计算时可忽略此项。2.2 信号调理电路 非接触式电子体温计的关键电路莫过于信号调理电路，TPS434的输出电压一般在0.71.5mV，十分的小。因此，如何在有噪声干扰的环境下来放大微弱信号成了信号调

21、理要解决的关键问题。 2.2.1 前置放大电路系统方案设计中选用了AD620这款高精度、性能优越的运算放大器，使这一问题得到了很好的解决，其引脚分布如下图所示：图2.5TPS434有四引脚，其中引脚3、引脚4与AD620共地，引脚1与AD620的正向输入端相连，引脚2与AD620的负向输入端相连。电路原理如下：图 2.6其中，R1是用于调整AD620的增益，增益与R1的关系如下：(式2-2)2.2.2 次级调理电路微弱的电信号经过前置放大电路大概50倍放大处理后，该信号大概有3575mV。经次级调理电路放大后，该信号最大值应不超过ADC的电源电压，也即+5V。因此次级放大电路中，要合理地选择外

22、围器件参数，以使信号放大到最佳状态，供ADC转换，进而由单片机内部的算法来获取温度值。此部分电路采用了TLC0820,它是一个拥有双运放的运算放大器，其性能足以满足次级调理电路的需求，电路原理如下图所示：图 2.72.3 AD转换电路AD转换模块中采用的器件是TLC0820AC，它是一个高速的8位并行模数转换器，其转换时间最大不超过2.5us，可实现动态测量或是多次测量求平均以减少误差，提高测量的精度，其引脚分布如下图所示： 图 2.8其中，REF+、REF-是参考电压引脚，若REF-接地，则REF+与电源电压相同，否则REF-接-2.5V，REF+接+2.5V。MODE是模式选择引脚，当此端

23、为低时，处理读模式，相反时则为读写模式。2.3.1 ADC与MCU接口设计 由于TLC0820AC是一个并行的模数转换器，因此其与单片机的接口方式也是并行的。在该模块设计中，使用了ADC的MODE=0的读模式，并且REF-接地，参考电压为+5.0V，其接口电路如下图2.9所示：图2.9 其中，RD、WR分别与单片机的相应的引脚相连，用于读取转换后的数据，D0D7分别与单片机的P0.0P0.7相连。2.3.2 TLC0820AC工作时序在这一小节中，简要地介绍一下TLC0820AC的操作时序，在系统软件设计中将作详细的描述。TLC0820AC的时序如下：图 2.10其中，CS是片选信号，当CS为

24、低电平时选中该器件，RD是读信号，在RD的下降沿时将启动AD转换，并在最多不超过2.5us内完成转换，之后便可读取数据并送入单片机。2.4 图形点阵式LCD显示电路2.4.1 图形点阵式LCD-12864概述12864液晶显示模块是128×64点阵型液晶显示模块，可显示各种字符及图形，可与MCU直接相连，具有8位标准数据总线、6条控制线以及电源线，其性能参数如下表所示：参数范围工作电压4.5V5.5V工作温度 0 55 度保存温度-3080度图表 2.112.4.2 图形点阵式LCD-12864与MCU接口设计12864有标准的数据总线，可以与MCU通信。在这里选用了并行数据传输模式

25、，也即把12864的数据总线与单片机的P0口直接相连。在前面章节讲述的TLC0820AC中，也将P0端口作为并行数据传输端口，在编程时要特别注意共用数据总线的问题。12864与单片机的接口如下图所示：图 2.12 12864接口图需要说明的一点是：在图2.12的右边的两个+5V电源是有其他用途的，这里使用了双排插针，其中只使用左边的一排。2.4.3 图形点阵式LCD-12864驱动方法12864提供了7种指令供用户使用，这些指令包括显示开/关设置指令、设置显示起始行指令、设置页地址、设置行地址、状态检测、写显示数据和读显示数据，下面作以详细介绍。1、 设置显示开/关 功能：设置屏幕显示开/关。

26、DB0=H,开显示;DB0=L,关显示。不影响显示RAM(DD RAM)中的内容。2、 设置显示起始行 功能：执行该命令后，所设置的行将显示在屏幕的第一行。显示起始行是由Z地址计数器控制的，该命令自动将A0A5伴地址送入Z地址计数器，起始地址可以是063范围内任意一行。Z地址计数器具有循环计数功能，用于显示行扫描同步，当扫描一行后自动加一。3、 设置页地址 功能：执行该指令后，下面的读写操作将在指定页内，直到重新设置。页地址就是DD RAM的行地址，页地址存储在X地址计数器中，A2A0可表示8页，读写数据对页地址没有影响，除本指令可改变页地址外，复位信号可把页地址计数器内容清零。4、 设置行地

27、址 功能：DD RAM的列地址存储在Y地址计数器里，读写数据对列地址有影响，在对DD RAM进行读写操作后，Y地址自动加一。5、 状态检测 功能：读忙信号标志位BF、复位标志位RST以及显示状态位ON/OFF。 BF =H：内部正在执行操作; BF=L：空闲状态; RST =H：正处理复位初始化状态; RST=L：正常状态; ON/OFF=H：显示关闭; ON/OFF=L：显示开。6、 写显示数据 功能：写数据在DD RAM，DD RAM是存储图形显示数据的，写指令执行后Y地址计数器自动加一。D7D0位数据为1表示显示，数据为0表示不显示。写数据到DD RAM前，要先执行“设置页地址”及“设置

28、列地址”命令。7、 读显示数据 功能：从DD RAM中读数据，读指令执行后Y地址计数器自动加一，从DD RAM读数据前要先执行“设置页地址”及“设置列地址”命令。2.5 语音播报电路2.5.1 ISD4003与MCU接口设计 ISD4003工作于SPI串行接口，SPI协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作,因此对ISD4003而言,在时钟止升沿锁存MOSI引脚的数据,在下降沿将数据送至MISO引脚。 ISD4003与单片机的接口电路如下图所所：图 2.13 ISD4003接口图其中，SS、MOSI、MISO、RAC、SCLK、INT分别与单片机

29、的P1.0,P1.1,P1.2，P1.3，P3.2相连。2.5.2 ISD4003驱动方法ISD4003内部有SPI串行传输总线，通过MOSI和MISO两根线进行数据的双向传送，具体的操作和实现方法在下面的系统软件设计中将作详细描述。2.6 在线编程(ISP)电路2.6.1 ISP概述 ISP(In-System Programming)，即在系统可编程，它是指在可直接将用户编写的可执行的二进制代码或是十六进制代码直接写入器件中，而无需专门的烧录器，也不需要将器件从电路板上取下来。可以预言，ISP技术是未来单片机的发展方向。2.6.2 ISP电路与MCU接口设计本系统中所采用的ISP电路是在串

30、口的基础上实现的，其电路原理如下：图 2.14 ISP电路原理图 使用一个电平转换器件RS232和一个串口即可实现此功能，当然所采用的单片机要支持ISP在系统可编程功能，本系统所采用的STC89C51就是很典型的一款支持ISP 2.7 按键功能设计系统中设置了三个按键以完成对该仪器的操作，其中包括模式选择键、测量键和复位键，其具体的功能描述如下。2.7.1 模式选择功能模式选择键用于选择用户使用仪器的方式，即是使用手动测量方式还是自动测量方式。在系统软件设计中，提供了两种方式以适应在不同场合的需求。在使用之前，应该设置模式键以确定当前的模式。2.7.2 测量功能测量键用于启动测量过程，并最终将

31、测得的结果显示或是播放给用户。在系统软件设计中，还有一个用于扩展系统功能的模块，也即使用串口将测得的数据发送给终端以实现数据统计或是其他功能。2.7.3 复位功能复位键用于在系统出现故障或是程序跑飞时，使系统复位到初始化状态，以进行体温的测量。2.7.4辅助功能智能温度计方便快捷的按键又可以辅助点击并测量环境温度、统计周围过往人数、查看当前日期等快捷的功能，此按键经过程序系统化设计，使用简单方便，比其他同类产品增加了更多的功能。按键经过反复试验，测试均可灵敏的反应，实现了电子产品功能的多样化、人性化、智能化、数字化、高效化、快捷化的结合和统一，由此给广大使用者带来了巨大的方便。第三章 系统软件

32、设计软件设计涉及了许多器件的驱动，在基本器件驱动的基础上，实现了手动测量模式和自动测量模式两种适应不同场合的需求的测量模式。系统中设置了三类按键以供操作使用：模式选择键用于模式选择，测量键用于启动测量过程，复位键用于系统复位。3.1 软件工作流程系统软件主要分为两个模块，即MODE=0和MODE=1,也即前面所讲的手动模式和自动模式。软件流程图如下图所示：统初始化系统上电YMODE=1N自动测量模式手动测温模式信息提示&灯亮亮MEA=1NY测量,显示,发送信息提示灯闪烁测量&显示灯熄灭准备下一次测量YNMEA=0图3.1流程图 3.2驱动程序设计 在这一小节中，将会对系统中所采

33、用的需要使用软件来驱动的器件的驱动方法作以介绍，其中需要驱动的器件有TLC0820AC，12864以及语音芯片等，下面将作详细的描述。3.2.1 ADC - TLC0820AC驱动程序设计TLC0820AC是一个高速、并行8位AD转换器，在本系统中采用的数据总线端口是P0口。该器件的操作时序如下图所示：图 3.2转换器时序图 图3.2中所示的操作时序是TLC0820AC在Read模式下的，其中CS为片选信号，RD为读信号，D0D7为数据，其驱动步骤如下：² 复位数据端口，即使P0=0xFF;² 片选TLC0820AC，即使CS=0;² 产生一个RD的下降沿以启动AD转换;² 最多不超过2.5us延时;² 把D7