《新型智能电子体温计设计与实现》7200字（论文）

I新型智能电子体温计设计与实现目录TOC\o"1-2"\h\u14660一、引言 19119（一）研究背景 115339（二）文献综述 232540（三）主要研究内容 26845二、系统总体设计方案 315340（一）总体方案设计 320765（二）系统功能与任务 326750（三）系统结构 36638三、新型智能电子体温计的系统设计 427030（一）硬件设计 411944（二）软件设计 825474四、系统整机调试及功能测试 136192（一）硬件调试 138738（二）软件调试 1526446五、总结 177667参考文献： 17摘要：随着现代化医疗的不断发展，结合当前疫情的余波未尽，设计一款新型智能电子体温计是非常有意义的，可以在不同场合对人体体温做到快速测量，确保安全。基于单片机的新型智能电子体温计设计主要使用51单片机作为系统微控制核心，LCD1602显示屏作为系统的显示交互单元，方便用户实时查看体温数值，按键单元用于设置系统参数以及唤醒设备，测温传感器使用的是非接触式MLX90614测温传感器，能够更加安全快速测温，当测量实时体温数值大于按键设置的报警阈值时，系统会控制报警指示灯闪烁进行报警，为了能够更好的续航时间，系统具备自动休眠功能，空闲10秒钟后系统自动进入休眠，当检测到按键按下时触发唤醒继续工作。关键词：51单片机；LCD1602显示屏；MLX90614测温传感器一、引言（一）研究背景随着科学技术的不断日新月异，不断地发展，越来越多的科学技术应用于替代传统行业的测量工具，另一个原因便是生活水平的不断提高，人们的购买力不断上升，使得新型智能电子体温计的发展更加具有市场号召力，不仅如此，随着新型智能电子体温计的优势不断突显，功能越来越多，使用新型智能电子体温计的人也在不断增加，现如今疫情仍然存在，体温是一个很好的反应身体健康状态的指标，人们可以测量自己的体温以了解自己的身体状态，传统的体温计测试时间长，不便于使用，新型智能电子体温计很好的解决这一问题，越来越受到人们青睐。如今，无论是商场医院还是超市菜市，仍然需要对人们的体温进行实时温度测量，确保人群密集场所不存在发热人员，可以在一定程度上杜绝有体温异常的人员进行通行，保障了其他人群的安全，今早对体温异常人群进行管控，以达到疫情防控的目的。（二）文献综述随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也不断地进步。现阶段，市面上用于温度检测的装置，种类十分的多。其应用的领域也非常的广泛。对于其结构原理来说，应用较多的是利用热电效应，来生产的温度的检测模块：国外最先采用该项技术的方法，是利用热电偶来完成温度的监测。该种器件整体的使用时间的最早。同时在应用的成熟度方面，也是最为成熟。其在结构方面具有应用简单，以及制作方便的特性。对于温度方面的采集范围，也较为宽泛。精度较高，自身所拥有的热惯性也非常的小。随着温度测量技术的日新月异，国内也在逐渐的采用半导体形式的电阻元件，来完成对于温度的测量。主要是利用半导体元件自身的正温特征。从而通过半导体形式的陶瓷材料，来完成热敏元件的最终。对于该种元件常被称做PCI。热敏元件在工作的原理方面，能够被划分为突变以及缓变两种类型。对于前者来说，当所测量的温度到达了元件所能够承受的定点，其自身的阻值就会相应的增大。因此，能够起到一种限流的作用。很多情况下，都是用在对于电器的保护场合。对于后者缓变型的来说，其所测量的温度变大的时候，自身的阻值是缓慢增大。从而能够起到一种对于温度进行补偿的功用。因此，在实际对于温度测量的应用场合，也最为广泛。（三）主要研究内容本设计主要是为了实现非接触式测量人体体温并在显示屏实时显示和低功耗休眠的功能，其次依然保留有传统的按键控制LED灯报警的功能。MLX90614非接触式测温传感器用于红外测量人体体温，不需要接触皮肤即可测量出人体体温，模块将人体红外辐射的温度经内部芯片处理后通过模块的IIC接口连接到STC89C52RC单片机，将数据按照IIC通信协议格式有序的发送给单片机接收，单片机获取到数据以后经过处理解析后将温度显示在LCD1602液晶显示屏上，直观的展现给用户。二、系统总体设计方案（一）总体方案设计基于单片机设计出一个新型智能电子体温计，它能通过红外非接触传感器实时测量人体温度,并通过显示屏显示出来。可以对温度阈值进行设置，当温度高于设置的阈值，则亮红灯闪烁进行告警。从而实现对人体温度进行检测并告警提示。（二）系统功能与任务本系统的开发设计有以下功能：（1）按下按键能从休眠中醒来，触发启动测量；（2）能在误差范围内检测到体温；（3）屏幕上显示体温；（4）显示10s钟后进入休眠状态；超过正常体温进行红色灯闪烁报警。（1）本设计的技术指标：（2）额定电源电压：DC5V；（3）静态电流：<100mA；（4）最大电流：<2A；（5）报警方式：指示灯；（三）系统结构1.设计结构硬件部分：系统硬件主要包括stc89c52单片机用于系统的核心控制运行程序，对各个模块进行调配，红外测温传感器mlx90614用于非接触式红外侧弯，测量人体温度，将温度通过iic总线发送给单片机进行接收并处理，单片机获取温度以后，将温度进行解析后显示在lcd1602显示屏上，显示屏可以通过显示数值方式直观的将温度显示出来，方便用户查看，设计还配有LED报警指示灯当体温超出设置的阈值，可以通过指示灯进行报警提示，按键部分主要用于对系统的预值进行调整，可以对预期进行加或减，也可以通过按键对系统进行唤醒，把系统从休眠状态唤醒为运行状态。软件部分：单片机主程序，调用各个驱动函数，实现业务逻辑。（1）显示屏驱动函数，用于驱动显示屏显示信息（2）测温传感器驱动函数，用于驱动测温传感器获取采集的温度（3）按键驱动函数，用于检测按键响应2.组成结构系统主要包括电源模块、STC89C52单片机核心系统、按键电路、MLX90614体温传感器模块、LCD1602显示屏模块、LED报警电路，电源电路给各个模块进行供电，使其正常工作，单片机采集MLX90614测量的体温数值，驱动LCD1602显示屏显示体温，按键电路用于调整体温报警阈值，并显示在显示屏上，当体温超过报警阈值，则驱动LED报警电路进行闪烁报警。图2.1系统组成结构图三、新型智能电子体温计的系统设计（一）硬件设计1.单片机最小核心系统MCU最小的系统是MCU编程所能使用的最简单的硬件，最小的MCU系统通常包括一个复位电路重置系统的运行，使它回到原来的位置，然后将MCU的内置区恢复到初始默认状态，12MHZ的晶体振和30pF的起振电容来生成一个参考时钟，MCU的运行模式就是依靠时钟来实现同步的，而5V的DC电源则是为MCU提供电力。接收和采集两个部件的最低限度的程序系统是相同的。在图3.1中给出了MCU最小的电路系统。图3.151单片机最小核心系统图2.电源供电电路供电线路是控制各个部件工作的关键部件，保证各个部件的工作电压，也就是将各个部件的工作电压进行转换，这也是保证各个部件工作的前提。在这个方案中，整个系统的外机电力都是用一个5V的充电器来提供的，在没有经过电压匹配的情况下，将会使有可能烧坏电路组件，从而使整个系统无法正常工作，因此可见，使整个系统的工作稳定的中的核心即电源电路系统的正常运行。该电源线路包括一个电源插座和一个开关，在断电时，该系统的功耗为0，方便长时间储存。图3.2显示了电力供应线路的图表。图3.2电源供电电路图3.按键电路该方案的设计中，使用了一个单独的按钮，因为该系统需要的按键数量并不多，因此，它的结构更加的符合这个方案，它使用了六个功能键来调节定时和加热的温度，将按键串联起来连接在MCU和GND的中间，每一个按钮的释放和按下都有5V和0V的两种电平状态，根据脚电平的大小来判定是否运行。在图3.3中显示了按键电路。图3.3按键电路图4.MLX90614测温电路测温用的MLX90614传感器模块板载了红外测温传感器采集头和一个稳压电路，将供电电压稳压后供给传感器探头供电。模块对外有4个引脚，其中1脚、2脚位供电引脚，采用5V供电，模块上的稳压电源再将电压稳压到3V给核心元件供电。3脚、4脚是IIC接口连接单片机的IIC引脚，用于IIC总线通信采集数据，通过IIC接口单片机即可将温度数据读取出来。电路图如图3.4所示图3.4MLX90614测温电路图5.报警电路设计系统匹配了报警电路，在超过预先设定的阈值情况下，会通过LED闪烁报警提醒用户，使得设备使用起来更加便捷。该系统由LED灯和限流电阻组成，当LED选用低电压LED时，其工作电压最高可达5mA，这种状态下，若能用单片机的插头直接提供电源，则将电阻与单片机的控制器相连，作为限流元件，这种电路的设计实则是利用单一的信号来控制MCU的原理，从而保证了系统的运行更加的稳定和可靠。3.5为例图。图3.5报警电路图6.LCD1602显示屏接口电路LCD1602可以显示自定义的32个字符并且带背光LED。显示器自带字符点阵库，因为设计电路简单而价格低廉，稳定可靠，所以本设计采用它作为显示电路的核心。LCD1602的引脚说明：1引脚：VSS是一个地线电源；2引脚：VCC与5V供电；3引脚：V0通过电阻器与VCC的连接来调节反差；4引脚：控制开关的RS和命令寄存器切换；5引脚：R/W是读写器的信号线路；6引脚：E端是启动端；7～14脚：8位双向数据线；15脚：背光电源正极；16脚：背光电源负极。图3.6液晶接口电路图（二）软件设计1.系统总体软件框图系统供电以后进入main函数，main函数开始运行功能实现程序，首先初始化各个LCD1602显示屏模块、初始化，LX90614测温传感器、初始化单片机内部定时器、初始化单片机内部引脚IO，然后检测唤醒按键是否按下触发唤醒，如果没有就循环检测，如果触发就进入下一步，系统换型号开始采集MLX90614的数据，获取体温值并实时显示在LCD1602显示屏上，拿实时测量的体温值和报警阈值做对比，如果超出阈值则进行报警，驱动LED报警指示灯闪烁，接下来判断阈值设置按键是否按下调整系统报警阈值，如果是则对系统阈值进行加减设置并更新显示在LCD1602显示屏上，最后检测空闲时间，如果达到休眠时间，系统自动进入休眠状态，等待下一次按键唤醒后继续工作。图3.7程序主流程图2.按键检测驱动程序本方案的按键式探测驱动程序的工作原理是探测单片机管脚的电平，引脚检测首先设定与MCU相连的引脚初始化，在管脚设定为上拉模式时，MCU在正常情况下所检测到的松开键电平为高平，则判定为1。触发时，键脚的高电平转换为低电平，程序判断为0。键震荡抖动可能会造成引脚的误触发的情况，因此在程序时间上需设定一定的延时来排除误触发的问题。特别需要注意的一点即在引脚检测程序的编写过程中必须要进行消抖操作，其原因在于引脚在一般情况下很极易造成误触发的问题，这就使得整体系统变得不稳定。而消抖操作可以在一定时间内两次对引脚触发的状态进行检测，其过程为当第一次检测到引脚触发，但是并不立即执行功能代码，在延时50ms后再一次对引脚电平状态进行判断，看是否触发，如若引脚状态仍为按下状态，则说明确实有触发操作，接下来就会继续执行触发后的代码程序。如若第二次判断不是触发状态，那么则可能是由于抖动而导致的误触发，则不执行接下来的对应的相关功能。引脚检测驱动程序流程图如图4.8所示。图3.8T按键检测驱动流程图3.MLX90614测温驱动程序MLX90614的驱动程序主要是对IIC的读写操作，由于MLX90614传感器采用的是IIC总线通信，一个引脚为时钟脚一个是数据脚，所以很多操作都是通过引脚高低电平的时长来决定是什么操作。想要和GY-906完成通信就需要查看其数据手册对IIC时序进行编程。在启动MLX90614时，检测温度前要对其进行初始化，以便进入通讯模式，并在此基础上，在MLX90614的输入端输出响应信号，在该响应被探测之后，再将该温度数据的相应位置的高、低电平进行读出，并将其合并为16比特的数据后进行运算，从而得到最后的温度值。详细驱动流程见3.9图。图3.9测温驱动流程图4.报警驱动程序LED告警的驱动电路的工作原理是利用GPIO管脚的高电平来控制完成，这是MCU编程的基本工作，而在MCU上采用GPIO管脚，首先要设置与MCU管脚有关的暂存器，以便与其对应的功能相匹配，如果要采用管脚对应的时钟母线，首先要设置管脚模式和时钟的频率。因此，在设定模式时，必须设定成推拉的输出方式，以保证管脚有充足的传动性能。将管脚的初始化电平设定为Low，将使输出的电压断开，随后，单片机将检测管脚的电平按情况设定为高电平，并开启该切换模式。在图3.10中显示了GPIO管脚的输出驱动程序。图3.10报警驱动流程图5.LCD1602显示驱动程序图3.11LCD1602显示屏驱动流程图由于显示屏模块电路内部已经集成了点阵字库芯片，所以省去了程序上对字体取模的操作。只需要通过显示屏的通信协议将要显示的字符编码发送给显示屏，并将需要显示的位置发送给显示屏，LCD1602模块会自动查找该字符对应的点阵库并根据点阵信息将字符显示在指定位置。LCD1602屏幕显示驱动流程图如图3.11所示。四、系统整机调试及功能测试（一）硬件调试1.电源稳定性调试该设计采用了较大的电流，在同一时间内使用，最高可达2A，所以在给装置提供电源时，必须设置2A输出的稳定电压。为了保证系统工作所需的电流，我们可以用10A的万用表来检测，电压的测量方法是选择电压档为20V，通过5V的电源的供电，经过单片机的内部稳定数值，应该得到3.3V的电压，在测试的时候，电压会有±0.1V的变化。如果数值电压相差过大，则应该及时检查电路是否存在短路的问题。各个模块正常工作的状态时都会有一个工作指示灯亮起，见图4-1。图4.1实物供电运行图2.单片机核心板调试接下来是对单片机的测试，51单片机最小核心系统运行需要12MHz无源晶体振荡器电路、稳压电源供电、单片机本身以及点触式按键上电复位电路。必须将这些电路正确的连接好，单片机最小核心系统才能够正常工作，且这一过程最需要注意的是为单片机供电的电源电压，且电源纹波不能较大，否则会造成单片机无法运行等问题。设计是通过5V供电，电源电压过低会导致供电不足等问题，电压过高会使得单片机内部电路发热。实物如图4.2所示。图4.2核心板运行正常图3.模块调试首先对LCD1602电路进行测试，由于这部分需要结合程序才能具体查看效果，所以先根据引脚定义查看模块供电是否正常，以及各引脚和单片机之间有没有虚焊，排查这些问题以后再结合之后的软件调试即能确定模块是否正常。然后测试测温传感器，测温传感器主要检查焊接是否正常，焊接无误的情况下，可以结合显示屏查看读取温度数据，以此来验证MLX90614是否正常工作。最后对按键线路进行了调整和测试，这一步的调试比较容易，第一步是在断电时，使用万用表的导通断挡来探测开关的两个管脚是否与单片机的管脚和插头相连，并且两个管脚之间不能有任何的接触，如果有黏连短路的情况，那么按键就会自动关掉，从而导致无法使用按键。上述测试完成后，就可以进行电力测试，上电后将千用表调到一个电压档位和单片机相连的引脚电平，在没有按下时，该管脚是5V的高电平，而在按下按钮时，管脚从5V跃到0V，表明硬件线路是可以正常运行的。图4.3通信模块运行正常图4.模块焊接调试最后一步是检查各模块，检查电路的硬件部件是否焊接完备，并使用万用表将该版块的电源进行相对应的额定值电压检测。另外，本系统还对电路的脉动有很高的需求，电压波动越大，电路越不稳定，通讯就越容易受到干扰，所以必须在模组的供电插头附近加一个滤波器，以保证电路的正常通讯。该系统采用UART单片机对该单元的输出数据进行采集，并利用万用表的供电管脚对该单元进行测试，若与期望的电压相符，则该单元的工作状态良好。各模块焊接正常图片如图4.4所示。图4.4硬件模块焊接图（二）软件调试1.程序下载在进行设计软件的调试时，首先要将相应的Keil4平台app进行安装。安装好后，用户可以使用USB-TTL专门为MCU内核安装STC-ISP的调试程序，并利用该接口进行测试。在下面的图表4.5中显示了一个下载的侦错工具栏。图4.5下载程序软件工具2.程序调试第一个步骤是编写和调试LCD1602屏幕，LCD1602屏幕使用8比特并口通讯，可以通过软件或硬件来进行通讯模拟，在51MCU中，由于受到了系统的限制，通常都是按照并行时间顺序来进行程序模拟，而下级的驱动则是和LCD1602LCD的硬件通讯有关，因此，在延迟的设置方面，要根据实际的调试情况按照最好的方式来设计。下层的驱动编程完成后，可以对上层程序进行编程，这一类的编程不必去考虑时间的顺序，应该更注重于显示接口的版式设计。第二步，对测温传感器MLX90614进行测试，测试该模块主要结合LCD1602显示屏将检测的数据显示出来，然后和温度计进行对比查看结果是否正确，改变待测温度，查看测量的温度值是否发生变化，如果是则说明温度传感器程序驱动正常。在此基础上，完成了按键检测有关的编程测试，该部分采用了通用的单片机IO接口，进行了调试，设置好了工作状态，并在相应的时间内启动高、低电压即可。五、总结在设计阶段，首先收集相关的资料，确定了研究的背景和意义，制定了设计方案的必要性和可行性，研制该设计的合理方案并且保证其可行性和必要性，之后拟定软件平台和硬件部件，根据硬件电路的绘制图设计焊接物，在焊接好实体后，就可以根据每一个单元的数据表，通过网络的资源，将所有的模块都安装好再编写主函数，调用驱动函数进行功能逻辑的配置，再通过安装调试软件调试所有的软件保证其运行正确