杨晓楠毕业论文6.21

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　计

　 学生姓名：

　杨晓楠

　 学 号：

　 140802333

　学

　院：

　 电气工程学院

　 专

　业：

　 自动化

　 题

　目：基于红外传感器的快速体温检测系统设计

　指导教师：

　 樊劲辉（副教授）

　 评阅教师：

　 王雷（副教授）

　 2018 年 6 月

　毕 毕 业 设 计 中 文 摘 要

　为了实现人体体温在一定范围内的快速准确测量，设计了一款基于红外传感器MLX90614，以单片机 STC89C52RC 为核心的非接触智能红外体温计。该红外体温计由测温模块红外传感器 MLX90614、核心控制模块单片机 STC89C52RC、显示模块 LCD1602、报警模块 LED 灯和语音模块 M3 等几部分组成。其中，红外传感器完成对目标对象的温度采集，将采集到的温度数据通过 SMBus 协议传送到单片机进行处理，利用 LCD1602 将处理后的数据进行显示。为了使红外体温计更加智能化，在数据显示的同时通过语音模块 M3 语音播报出测量数据和指导意见。当红外传感器发生异常导致测量数据不准时，报警灯亮，报警模块发出报警信号，提醒测量人员重新测量。系统还增加了对历史体温数据的记录功能，方便测量人员对被测对象的历史体温查看。

　 关键词

　 单片机

　非接触

　红外测温

　语音播报

　毕 毕 业 设 计 外 文 摘 要

　Title

　Design of Fast Body Temperature Detection System Based on

　 Infrared Sensor

　Abstract In order to achieve rapid and accurate measurement of body temperature within a certain range, a non-contact intelligent infrared thermometer based on the infrared sensor MLX90614 and the microcontroller STC89C52RC was designed. The infrared thermometer is composed of a temperature measuring module infrared sensor MLX90614, a core control module single chip STC89C52RC, a display module LCD1602, an alarm module LED lamp and a voice module M3. Among them, the infrared sensor completes the temperature acquisition of the target object, the collected temperature data is transmitted to the single-chip microcomputer through the SMBus protocol for processing, and the processed data is displayed using the LCD1602. In order to make the infrared thermometer more intelligent, the measurement data and instructions are broadcasted through the voice module M3 voice while the data is displayed. When an abnormal infrared sensor results in inaccurate measurement data, the alarm light is on and the alarm module sends an alarm signal to remind the measurement personnel to re-measure. The system also adds the function of recording historical temperature data to facilitate the measurement personnel to view the historical temperature of the measured object.

　 Key Words

　MCU

　 non-contact

　 Infrared temperature measurement

　 Voice broadcast

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　第 I 页 共 Ⅱ 页

　目

　录

　 1

　引言 .............................................................................................................................. 1

　1.1

　课题研究的背景和意义 ................................................................................... 1

　1.2

　人体测温的发展现状以及趋势 ....................................................................... 2

　1.3

　研究的任务和需要达到的性能指标 ............................................................... 5

　1.4

　课题研究内容及结构安排 ............................................................................... 6

　2

　系统整体方案设计 ...................................................................................................... 8

　2.1

　系统的理论基础 ............................................................................................... 8

　2.2

　影响红外测温因素 ......................................................................................... 10

　2.3

　系统整体方案 ................................................................................................. 10

　3

　系统硬件设计 ............................................................................................................ 12

　3.1

　控制模块 ......................................................................................................... 12

　3.2

　电源电路 ......................................................................................................... 14

　3.3

　按键电路 ......................................................................................................... 15

　3.4

　复位电路 ......................................................................................................... 16

　3.5

　时钟电路 ......................................................................................................... 16

　3.6

　报警电路 ......................................................................................................... 17

　3.7

　液晶显示 ......................................................................................................... 17

　3.8

　红外传感器 ..................................................................................................... 19

　3.9

　语音模块 ......................................................................................................... 20

　4

　系统软件设计 ............................................................................................................ 21

　4.1

　主程序设计 ..................................................................................................... 21

　4.2

　按键程序设计 ................................................................................................. 24

　4.3

　语音模块程序设计 ......................................................................................... 25

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　第 II 页 共 Ⅱ 页

　4.4

　储存程序设计 ................................................................................................. 26

　4.5

　显示模块程序设计 ......................................................................................... 27

　4.6

　红外传感器程序设计 ..................................................................................... 28

　结 结

　论 .............................................................................................................................. 33

　致 致

　谢 .............................................................................................................................. 34

　参 参 考 文 献 .................................................................................................................... 35

　录 附录 A

　原理图 .............................................................................................................. 37

　录 附录 B

　程序 .................................................................................................................. 38

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　 第 1 页 共 53 页 1

　引言

　1.1

　课题研究的背景和意义 在我们的日常生活中，温度计具有不可替代的地位，可以通过对一个人的体温进行检测的办法来判断他的身体是否健康，因此在医院、家庭等领域体温计具有广泛的应用价值。为了能够更加精准方便测量人体的体温值，因此人们发明了温度计。目前，国内常用的体温计主要有：玻璃水银体温计、电子数字体温计及红外智能便携体温计等三种类型体温计。其中，玻璃水银温度计是家庭生活中最为常见的体温计，当给人体测量体温时，温度计中的汞感受到人体的温度后，它的体积就会因为受热而渐渐膨胀从而使体温计玻璃管内的水银柱高度发生变化[1] 。玻璃水银温度计的优点是测量结果较为稳定、价格低廉，缺点是体温计玻璃易碎并且容易引起交叉感染，而且汞易挥发并且有毒，若处理不当，后果较为严重。2007 年 7 月中旬，禁止出售含汞的水银温度计顺利通过了欧盟法律法规，这一法律法规的制定，减少了水银温度计对自然环境与人体的会造成巨大的危害，为环境的可持续发展和人类的下一代做出了巨大的贡献，同时也保护了医疗研究人员免遭于水银中毒的危险。到 2017 年，WHO 预计全世界减少一半多的含汞的产品。同时，禁止出售含水银的体温计这一法规也在美国顺利通过。

　电子数字体温计的原理是利用温度传感器测量温度，并将外界的环境温度和物质本身的一些参数，如电阻（resistance）、电流（electricity）、电压（voltage）等之间进行一定的关系确定，把测量的温度信号转换为数字信号，通过显示装置（如：LCD1602）显示出测量的人体体温。这种体温计和传统的水银温度计相比具有测温速度快，读数方便等优点，尤其是它不含有水银等有害物质，在现代医院和家庭中的应用相当广泛。缺点是使用温度传感器测量人体体温时，传感器容易受外界环境温度的影响，温差较大时准确度较低。

　智能红外体温计的出现，使得体温测量的快速性、准确性、安全性都有了显著的提高。这种体温计采用红外传感器进行人体温度测量，由于物体本身的温度和它辐射的能量具有一定的关系，因此我们可将物体辐射的红外线转换为一定的电信号，根据转变的电信号大小，确定物体的温度的读数，这种通过非接触的方式测得的人体体温，不会对人的身体产生有毒的伤害和交叉感染 [2] 。并且完成的

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　 第 2 页 共 53 页 非接触式智能红外体温计比电子数字温度计具有更高的快速性、准确性、安全性，高分辨率、低误差和使用方便、寿命长适用场合多等显著优点。

　随着科技的进步和社会的发展以及人们对美好生活的需求，各色各样的温度计出现在了人们的视野中，每种体温计都有它区别于其它类温度计的显著优点和缺点。研究发现，许多人认为老式的水银温度计等难以测出体温的微小变化，准确性较低而且测温时间较长，脱离时代发展。为了顺应时代的趋势和发展，本文针对目前国内常用的体温计的不足之处，设计出一款高准确性、高精度、高快速性、高安全性的智能红外体温计。该非接触式智能红外体温计的研究出现，解决了传统水银温度计测温时间长等问题，只需要短短几秒中，就可以准确测出人体体温并显示播报温度情况，可实现体温实时检测和体温的实时记录，通过对以往数据的记录，可观看体温曲线的变化情况。非接触式智能红外体温计是利用红外辐射测温的原理实现人体温度的测量的。非接触式智能红外体温计较电子数字温度计的优点是环境的变化对温度的变化影响较小，测量精度更高；测量速度快，容易快速测量和多次测量；测温范围宽，理论上可测量相当高的温度；不易产生交叉感染等缺点。

　1.2

　人体测温的发展现状以及趋势 1.2.1

　体温计的发展现状 随着社会的发展和科技的进步，玻璃水银温度计逐渐退出历史舞台，取而代之的是电子数字温度计和智能红外温度计，这两种类型的温度计在医学领域和家庭领域已经取得了广泛的应用和发展。由于传统的玻璃水银温度计和电子体温计和水银温度计测量温度时需要与人体接触，容易产生交叉感染且快速性较低，在2003 年的非典（SARS）和 2009 年的 H1Nl 型病毒的爆发期间，高快速性、高准确性、高安全性的非接触式智能便携式红外温度计得到了极大的促进和发展。为了减缓流感病毒的传播扩散，许多国家都尝试用非接触红外温度计来检测机场、学校、车站、酒店等人们出现的较多的公共场合。临床医学中，常通过红外测温仪实时测量患者测温，来判断他们是否患有重大癌症。即便如此，由于流感的传播速度极快、传播途径极多，有很多地区引进了红外温度筛检设备，为的是能够避免日益增长的流感病毒的传播威胁。只有如此，才能在第一时间内发现体温异常者，在早期将发现的感染者隔离，延迟流感病毒的传播，从而杜绝流感病毒的

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　 第 3 页 共 53 页 爆发。通过对现有的非接触式的红外温度计的观察研究发现，有些红外测温装置容易受到外界环境的影响，并不是特别适用在疫情爆发时期检测体温。然而，在临床医学领域中，许多医生、研究学者尝试把非接触式红外温度计和传统的温度计对比，研究分析了非接触测温仪对温度测温的准确性与安全性。研究发现，一些非接触的红外温度计在临床医学领域中的测温效果和传统温度计测量结果相差不是特别明显，另外一些非接触式红外测温仪效果却非常明显。非接触红外测温仪的分辨度容易受传感器本身精确度的影响，因此，随着技术的发展和社会的进步，非接触式红外体温计将会有更高的精确性和可靠性，在未来的几十年，一定会取代传统的水银温度计和电子数字温度计。

　1.2.2

　红外辐射测温仪的发展 利用物体本身红外能量辐射的这一原理进行温度检测与测量所制成的红外测温仪经历了较长时间发展历程。20 世纪早期，最早的红外测温仪只能对被测对象的某一定点温度进行温度测量，经过一段时期的发展，较新一代的红外测温仪可对被测对象的某一条线的温度进行测量，但仍然有很大的不足之处，不能对具有三维的空间物体表面温度进行测量。随着时间的发展，直到一九五几年，随着红外探测装置和光子探测装置的出现，紧随其后实验性、原理性热成像系统问世。到目前为止，已经走向成熟的热成像系统，它己经是系统工程学、新型红外光学材料、特殊红外工艺、微电子学、精密机械、精密光学和窄禁带半导体技术等的结合体。

　根据对红外辐射测温仪的测温方式进行划分，可以分为如下两种类型：逐点分析温度检测系统和全场分析温度检测系统 [3] 。逐点分析温度检测系统又称红外测温仪，是通过将物体的局部温度能量进行聚焦，再将聚焦的能量传送到红外探测器上，并通过了解被测量对象的能量发射率情况，将被测对象向外辐射的能量转化为一定的温度信号。逐点分析温度检测系统又包括点测、热电测、行扫测等多种测量仪器。全场分析温度检测系统是通过红外成像技术把物体表面的温度分布规律以一定的排列顺序分布在传感器上，从而可以间接了解到物体在空间的温度场的温度分布情况，全场分布温度检测系统又称为红外热像仪。

　20 世纪六十年代左右，我国成功制造出首台红外光电测温仪，它的测量速度慢、稳定性低、分辨度低、成本高，相当于一个自动光学温度检测装置，现在

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　 第 4 页 共 53 页 已经退出历史的舞台。

　到 20 世纪九十年代，我国的红外测温仪有了显著的发展与进步，也开始使用红外辐射测温原理进行温度检测，通过反射、折射、干涉等光学方法对被测对象红外辐射的能量进行测量，再选取适合的滤波片，将一定波长范围内的光线进行辐射，辐射的能量再通过红外温度检测装置，转换为一定的电信号，把输出的电信号经过放大器进行放大，再将信号中非线性的部分进行线性化处理，然后把处理后的电信号送入数字电压表，将被测对象的温度显示出来。

　上世纪末期，我国的红外辐射技术得到了更进一步的发展，研制出来了光纤束的光学测温仪，然后将测得结果经单片机处理后，通过显示模块显示出来。

　1.2.3

　红外辐射测温技术的发展

　上世纪初，利用红外辐射测温原理进行测温的理论已经逐渐走向成熟。又经过几十年的长期努力，我国的红外辐射测温技术有了更进一步的发展，传统意义上红外测温仪的又可以分为三种类型：全辐射测温仪、单色测温仪和比色测温仪。全辐射测温仪的原理是把光谱中的所有辐射的光线按照波长由小到大的顺序对其的辐射功率进行测量从而确定被测对象的温度情况。单色测温仪原理是将被测对象至于某一环境内，通过测量一定范围内辐射的波长的功率情况从而确定被测对象的温度情况。比色测温仪原理是选取光谱内的两段具有一定范围内的波长，通过测量他们的辐射功率比值，从而确定被测对象的温度情况。

　上世纪五十年代中期，Pyatt 提出了一个建议，打算将三种具有不同波长段的比色测温仪一起使用，来得到被测对象的发射速率和它波长具有的函数关系。到 1980 年左右，多种光谱共同测量的测温辐射技术达到了高潮。

　20 世纪七十年代末期，Cashdolla 将 Pyatt 的提议成功运用于实践当中，研制出了将三种具有不同波长段的比色测温仪一起使用，来得到被测对象的发射速率和它波长具有的函数关系的测温计，测量爆炸粉尘的温度情况在波长为 1.0、1.8、1.9 时，发现最高测量界限可达 2M，与此同时还可以通过使用滤波片形成更高波长的测温计。同一年 Svet 和他的团队研制成功了四种波长的测温计，可以更加准确的测量物体面的温度，被测温度范围是 300--3M。Lyzenga 和 Ahrens 成功研制出了 6 种波长的高温计，测量温度更加准确，精度更加高，被测物体的温度范围为：4K--8000K。

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　 第 5 页 共 53 页 20 世纪八十年代初期，Jones 和 Gardner 等人也成功研制出 6 种波长的测温计，被测物体的温度范围为 1K--1600K，分辨度可达 0.01。第二年，欧洲人 Babelot和美国人 Hoch 带领他们的团队也成功研制出了 6 种波长的测温计，和以往的 6波长的高温计不同的是，他们采用的光电材料的分光性能更强，可以更加快速精准的对被测对象进行温度测量，分辨率可达 0.01，并努力使分辨率达到 0.005。同一时期，Cashdollar 也研制出了 6 波测温计，采用铅铯测温器，对粒子及非固态物质进行温度测量，他们选择的波长分别是：2.3、1.57、4.42、3.84、5.0、4.57。

　20 世纪八十年代中期 Hiernaut 带领他们的精英团队成功研制的 6 波长的测温计，可对 2K—5000K 的温度范围内光谱进行温度测量，被测对象的温度精度可达 0.005,发射率精度大约为 0.01—0.05。

　20 世纪九十年代早期，Levendis 带领他的团队成功研制出了 3 种颜色的辐射高温计，这种类型的工作波长为 0.65、0.80、0.95，在处理数据方面，采用的是比色思想。

　第二年，Cezairliyan 运用光导纤维对光束进行分离，分出的 6 种工作波长分别为 0.50、0.60、0.65、0.70、0.80 和 0.90。

　20 世纪 80 年代中期，在我国北京的光学研究所内成功研制出了 3 波长HDW-1 型红外测温仪。在 80 年代末期，北京联合大学提出了用多种光束进行温度检测。但是，多波长测温理论始终没有付诸于实践，我们仍然是传统的单色、比色的思想，采用多通道的思想只是为了校验方便。

　20 世纪九十年代初期，我国戴景民和欧洲 G.Ruffino 一起合作成功研制了 35波长的棱镜分光仪器，并在高温计上试验成功了。九十年代末期，他们又成功研制出 8 波长的高温计，并成功将其运用到了火箭上。

　近年来，多波长辐射测温理论也有了突飞猛进的发展。尤其进入 21 世纪后，多波长红外测温技术更进一步的成熟，成功研制出可隐身测量发射导弹装置的高温计。

　1.3

　研究的任务和需要达到的性能指标 本设计要求从红外辐射测温原理出发，依据红外辐射测温的测温原理，先从理论上分析了影响红外辐射测温精度的原因。接下来，用一个红外温度传感器设计一个快速检测人体体温装置，并对设计出的温度检测系统进行实际分析，寻找

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　 第 6 页 共 53 页 影响测量温度精度的原因。为了使设计的红外快速检测人体体温系统更加智能化，丰富设计系统内容，设计中可增加对历史数据的存储和语音播报温度并提建议的功能。按照如上要求，设计一个基于红外传感器的非接触式温度检测系统，采用单片机作为控制核心，实现要求具体如下：

　a）了解红外传感器测温的基本方法及设计思路，分析红外辐射测温的原理及影响红外测温精确度的因素。

　b）设计红外温度检测系统硬件功能模块，选择红外传感器模块 MLX90614，分析外界环境、测量距离等对红外传感器的影响情况，并进行合适的误差补偿，使温度测量精度最高。

　c）完成温度检测系统的软件设计，可适当丰富智能红外快速检测体温系统，增加历史体温数据记录功能，体温播报功能，温度测量异常时报警功能。

　d）依据控制流程给出软件流程图和程序代码，完成毕业设计任务及要求。

　1.4

　课题研究内容及结构安排 根据课题的实际要求情况，首先对红外传感器快速检测人体体温系统设计做简单的概要介绍，了解传统体温计在检测人体体温的优缺点以及近年来人体体温检测发展的现状，掌握如何运用非接触式红外辐射测温技术进行温度检测，分析影响红外辐射测温的主要因素，对影响较大的因素进行适当的修正补偿，减小外部因素对测温造成的不必要影响。根据要实现的温度检测系统功能，设计温度检测系统的整体方案和系统的结构框图，接下来在进行硬件原理图的设计，元器件的焊接工作，软件程序的设计以及对软件程序的调试等工作，最终完成一个具有语音播报温度、历史数据记录功能的便携式智能红外测温仪。各章节的结构安排如下：

　第一章为引言，主要介绍本设计的发展现状和研究意义，人体体温检测的发展现状及趋势，同时也介绍了非接触式红外检测温度的优点及其未来的发展趋势，最后提出本设计的总体要求和需要达到的性能指标。

　第二章主要介绍了系统的理论基础，了解了红外辐射的概念以及黑体辐射的基本定律和其数学关系，分析了影响系统测温的主要因素，并对测温结果进行修正补偿，最后根据课题要求，完成系统的整体方案设计。

　第三章为系统的硬件设计部分，主要介绍了控制模块、显示模块、测温模块、

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　 第 7 页 共 53 页 报警模块及语音模块的特点和工作情况，让我们对本系统的硬件电路部分有了初步的了解。

　第四章为系统的软件设计部分，根据题目的要求和需要完成的功能，对组成系统的各部分硬件电路进行了软件编程，并对程序的主要部分进行了简单的介绍说明。

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　 第 8 页 共 53 页 2

　系统整体方案设计 2.1

　系统的理论基础 2.1.1 红外辐射的概念 常温下，红外线是物体辐射的主要光线，而肉眼却无法识别。当温度达到一定温度时，便会散发出部分肉眼可见的暗红色光线，再继续使温度升高，物体就会散发白色的光。自然界中的每一种物质都是由一些微量元素组成，物体内部的原子和分子在持续的振动当中，物体受到外部环境加热时，它内部的原子和分子会受热使温度升高，从而会获得更多的热量，使其内部的原子和分子运动的更加活跃，当这些原子和分子处在一定的振荡频率时，就会出现跃迁现象，能量高的原子和分子向低能量方向运动，此时就会产生红外辐射现象。只要物体的温度高于绝对零度，物体的表面就会不断的向外界辐射能量，但外界环境会对物体向外辐射的能量产生一定的影响。物体表面温度的不同，就会造成其内部原子和分子振荡频率的不同，其辐射的能量也就不同，根据物体温度和其辐射能量的函数关系，从而便可测量出物体本身的温度，这就是红外测温的理论依据。物体的红外辐射能力和其表面温度的这种特殊联系，就是我们常说的红外辐射理论，它的应用促进了社会的更进一步的发 [4] 。

　2.1.2 透射、反射、吸收定律

　吸收率是物体吸收光的总量与投射到物体上所有光总量的比值，用  表示。反射率是指从物体反射出来的光的总量与投射到物体上的光的总量的比值，用 表示。透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象，一般情况下，能够发生透射现象的物体为透明的或者半透明的，为了研究物体的透光能力，通常把透过光的总量与入射光总量之比的倒数称为透射率，用  表示。发射率是用来衡量光线向外的辐射能力，用  表示。一般对于一个物体来说，对于投射到其上的光束，只会发生三种现象，即：反射、透射、吸收 [5] 。那么根据物体的能量守恒定律，可以得到以下公式（式 2.1）。

　1      

　（2.1）

　2.1.3 基尔霍夫定律

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　 第 9 页 共 53 页 基尔霍夫定律是传热学问题的一个基本定律，这个定律主要谈论的是物体向外的辐射能力和其吸收比之间的关系。定律内容如下：在同一温度下，不同物体的单色辐出度与单色的吸收比成正比，其比值是一个只取决于波长  和温度 T 的普适函数，数学意义上的定义公式（式 2.2）如下 [6] 。

　) , () , () , () , () , () , () , (2211TTTTTTTeaeaeaeBBB    

　 （2.2）

　其中 ) , ( T e B  ， ) , ( T a B  为黑体的单色辐出度和单色吸收比。

　基尔霍夫定律是传热学中最基本最普遍的规律，它有一个非常重要的推论，即：在同一温度下，黑体的吸收能力和发射能力是成正比的。另一个重要推论就是：对于某一物体，若它不能发射某一波长光线，那么它也就同样不能吸收这一波长的光线，反之也正确。人工黑体就是根据这个原理制成的。

　2.1.4 普朗克定律 1900 年，德国物理学家普朗克在量子理论的基础上建立了黑体辐射定律公式，这个定律是热辐射的最基本定律普朗克定律，并在 1901 年发表。普朗克定律指出，在一定时间下，单位半球内单位面积物体所辐射的能量与对应的波长之间的具有如下数学关系（式 2.3），该定律的物理意义在于给出了黑体辐射的具体光谱分布 [7] 。

　15121) , ( λTCBeλCT M 

　 （2.3）

　式中，  是指定的辐射波长，T 是黑体热力学的温度，212 hC C   ，khcC 2，1C 、2C 分别是第一和第二辐射常数， ) , ( T M B  指黑体光谱的辐射出射度，其中 h是普朗克常数， c 为真空中光的传播的速度， k 是玻尔兹曼常数。

　2.1.5 维恩位移定律 这一定律主要描述的传热学温度和黑体光谱辐射度的最大值之间的关系，当黑体辐射度到最大值λmM 时，这时候它的波长也达到最大值mλ ，这时黑体的温度 T 之间的数学关系式为（式 2.4）

　[8] 。

　b T λ m 

　（2.4）

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　 第 10 页 共 53 页 其中，Kmb , T 为温度。由公式可知，如果知道了黑体的最大辐射的波长 ，便可以知道此时黑体的热力学温度 T ，反过来亦可。

　2.2

　影响红外测温因素 为了提高红外检测体温的精度，接下来这一小节，我们来讨论一下影响红外辐射测温的主要因素：

　第一,外界环境对红外测温精度的影响，不管我们选用何种红外传感器，空气中的 O H 2 、2CO 、3O 等气体分子也会对一部分红外辐射的能量进行吸收，使红外传感器接收到的能量不是人体辐射的全部能量，这样就会使得红外传感器检测到的人体体温并不是完全的精准，存在一定的不可避免的误差。

　第二，其它辐射物体对红外传感器的影响，在测量体温时，总会和人体有一定的距离，这时外界的环境中其它物体向外辐射的能量，还有外界环境温度的影响，或大或小的都会对红外传感器测温产生一定的影响，使红外传感器接收到的能量不全是人体向外辐射的能量，降低了红外测温的精度。

　第三，人体和红外传感器之间的距离长短也会对红外测温的精度产生一定的影响。人体温度的不同，向外辐射的波长也不相同，辐射波长的衰减程度也不相同。通常情况下，人体距离红外传感器越远，测量误差会越大，测量精度会越低，反之越高。

　因此，根据以上分析，我们需要在不同的外界环境温度、不同的测量距离下，多次进行测量，对测量的结果进行适当的补偿修正，尽量减少外界环境和测量距离对测量结果产生较大影响，从而提高红外测温精度。

　2.3

　系统整体方案 根据课题研究任务及要求，设计一个基于红外传感器的快速体温检测系统，主要模块包括：微控制器模块单片机（STC89C52RC）、红外传感器模块（MLX90614）、语音模块（M3）、液晶显示模块（LCD1602）、键盘输入模块（独立按键）、电源模块（5V、3.3V）。通过红外传感器将被测物体进行红外测温，将测得的数据传送到单片机进行数据处理存储，把处理后的温度显示到液晶显示屏上，完成温度的检测。为了使设计的体温检测系统更加智能化，本设计还增加了语音播报功能，将测得的温度进行语音播报，并给出适当的建议，还增加了报

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　 第 11 页 共 53 页 警功能，当测量的数据低于 33℃时，显示温度数据测量异常，提示重新测量。系统的整体框图如图 2.1 所示。

　图 2.1 系统的整体框图

　单片机 STC89C52RC 电源模块 语音模块 显示模块 报警模块 测温模块 按键模块

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　 第 12 页 共 53 页 3

　系统硬件设计 计 3.1

　控制模块 单片机是整个红外测温系统的控制核心，选择一个好的单片机尤为重要，根据设计要求等多方面考虑，本系统选择的单片机型号是 STC89C52RC，现对它的特点进行如下介绍：

　a) STC89C52RC单片机具有抗干扰、高速、低功耗等优点，属于 51 单片机的增强型，可任意选择 6 机器/时钟周期和 12 机器/时钟周期，完全兼容 8051 单片机的指令代码 [9] 。

　b) 内置 4KB的E2PROM, 4 个外部中断，三个 16 位的定时计数器（T0、T1、T2），全双工串行口，MAX810 复位电路，1 个 7 向量 4 级中断结构。

　c) 具有 512B的RAM,8K字节的ROM。

　d) 正常工作模式，功耗约为 4～7Ma。空闲模式下(2mA左右)，定时/计数器，串口、中断继续工作，CPU停止工作。可降至 0Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。掉电模式下（＜0.1uA），冻结振荡器，可保存RAM中的内容，单片机所有工作停止，可由外部中断或硬件复位触发 [10] 。

　e) 有通用 32 个I/O口（P0、P1、P2、P3），复位后：P1/P2/P3/P4 是准双向口，P0 口是漏极开路输出，作为I/O口用时，需要外加上拉电阻，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻 [11] 。单片机STC89C52RC的引脚图如下图 3.1 所示，单片机STC89C52RC的封装图如下图 3.2 所示。

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　 第 13 页 共 53 页

　图 3.1 单片机STC89C52RC的引脚图

　图 3.2

　单片机STC89C52RC的封装图 单片机STC89C52RC的引脚说明如下：

　a) 电源引脚：VCC（40 引脚）为电源电压（一般接+5V电压）

　 GND（20 引脚）为电源地 b) 控制引脚：REST（9 引脚）为复位引脚，需要至少持续两个及以上机器周 期的高电平可使其复位

　 ALE（30 引脚）为地址锁存控制信号

　 PSEN（29 引脚）为外部程序存储器读选通信号

　 EA（31 引脚）为程序存储器的内外部选通信号，接高电平时， 选通内部程序存储器，低电平时，选通外部程序存储器。

　c) 晶振引脚：XTAL2(18 引脚)：振荡器反相放大器输入端 XTAL1(19 引脚)：振荡器反相放大器输出端 d) 可编程I/O引脚：

　四个 I/O 口分别为 P0 口（P0.0～P0.7）、P1 口（P1.0～P1.7)、P2 口（P2.0～P2.7）、P3 口(P3.0～P3.7)，都是 8 位双向 I/O 口，其中，只有 P0 口为漏极开路输出，内部不自带上拉电阻，其它 I/O 口内部都自带上拉电阻。因此，对端口的每个引脚置高电平时，P0 口只可作为高阻抗输入，其它 I/O 口由于内部上拉电

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　 第 14 页 共 53 页 阻的作用，可把端口电平拉到高电位，作为输出口时，这 32 个引脚，每个引脚都可以驱动 4 个 TTL 负载。另外特别说明一下 P0 口、P2 口、P3 口，在访问外部程序存储器 ROM 和数据存储器 RAM 时, P0 口可提供低 8 位地址和 8 位数据分时复用总线，P2 口可提供高 8 位地址总线，P3 口具有一些其它 I/O 口不具备的复用功能。

　3.2

　电源电路 电源电路给系统中的各个元件提供电压，是一个系统能够正常工作的基础和保障。

　本系统中除了红外传感器MLX90614采用3.3V供电外，其它元件均采用5V供电，下图所示的是一个 5V 和 3.3V 的供电电路。220V 的交流电经过一个变压比为 220:8 变压器转换成 8V 的交流电，然后在通过一个整流桥将交流电整流成直流电，最后通过几个滤波电容和稳压模块 7805，便可输出 5V 的稳压电源，如图 3.3 所示。将 5V 的电压通过可调稳压模块 LM117-3.3，可得到供红外传感器工作的 3.3V 电压，如图 3.4 所示。

　图 3.3

　输出 5V 电源电路

　图 3.4

　输出 3.3V 电源电路

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　 第 15 页 共 53 页 3.3

　按键电路 常用的按键电路有两种类型：矩阵键盘和独立按键。现对这两种类型按键进行简单的介绍，选出更适合本设计的按键电路。

　矩阵键盘：当一个系统需要的按键数量较多时，为了减少 I/O 口的使用数量，可以将按键排列成矩阵形式。在矩阵键盘中，每条垂直线和水平线通过一个按键连接，这样，一个 I/O 端口就可以构成 4*4=16 个按键，相比独立按键的数量多了一倍 [12] 。所以，通常情况下，按键数量较多时，采用矩阵式键盘。

　独立按键：直接用 I/O 口线构成按键电路，一个按键用一根 I/O 口线，按键之间的工作状态不互相影响，这种按键电路较为灵活，程序编程较为简单 [13] 。当系统中的按键数量较少时，常常采用独立式按键。由于每个按键都需要使用一根 I/O 口线，所以常常采用查询式方法判断按键是否被按下。

　由于本设计只需要四个按键：测量温度按钮、查看历史数据按钮、数据上移按钮和数据下移按钮，不管采用独立式按键还是矩阵式按键，都是占用 4 根 I/O线，为了方便编程，本系统采用的是独立式按键，按键电路如下图 3.5 所示。由于理想的独立键盘的波形是按下去就处于低电平，然而在实际应用中，按键和离键时，会出现轻微抖动现象，影响按键结果判断。为了消除这种抖动，常常采用以下两种办法：①硬件消抖：在按键电路中连接一个电容②软件消抖：在第一次判断按键是否被按下结束后，增加 10ms 的延时，再判断一次。

　图 3.5 按键电路

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　 第 16 页 共 53 页 3.4

　复位电路 复位电路，顾名思义，就是将电路恢复到初始状态。本设计选用的单片机复位电路有两种工作方式：上电复位和手动复位。复位原理：使单片机引脚 RST处于两个及两个以上机器周期高电平，便可以实现单片机复位。

　上电复位工作原理，VCC 上电时，电解电容 C8 充电，电容导通，电阻 R9出现电压，RST 端出现高电平，单片机复位；几个毫秒后，电容 C8 充满，R9两端电压降为零，复位完成，单片机进入工作模式。手动复位工作原理，单片机工作期间，按下按键 S1，左侧通路导通，RST 端出现高电平，单片机复位；松开按键 S1，电容 C8 充电，几个毫秒后，电容 C8 充满，单片机又会进入工作模式。复位电路如图 3.6 所示。

　图 3.6 复位电路 3.5

　时钟电路 单片机有两种时钟方式：

　①内部时钟方式：就是通过一个自激振荡器产生时钟信号的方式，自激振荡器的构成：XTAL1 和 XTAL2 两端连接两个电容和一个晶振 [14] 。电容可对晶体振荡器的振荡频率进行调节，电容值过大有利于振荡器的稳定，但容易降低晶振精度，增加起振时间，过小又会降低抗干扰性，所以一般选择的电容的容量为 30pF左右。

　②外部时钟方式：引脚 XTAL2 置高电平或悬空，引脚 XTAL1 直接输入时

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　 第 17 页 共 53 页 钟信号方波。但若是采用外部时钟方式产生时钟信号源，外围电路和内部时钟方式相比较为复杂，所以本设计选用的是内部时钟方式。时钟电路如图 3.7 所示。

　图 3.7 时钟电路 3.6

　报警电路 本设计采用的报警电路功能是当红外温度传感器发生故障时，通过使蜂鸣器鸣叫来提示测量人员注意，以便工作人员采取有效的处理手段。电路中使用三极管进行电流放大是因为单片机正常工作模式下 I/O 口电流约为 4mA～7mA，而对于 5V 蜂鸣器来说，工作电流一般为 20 多 mA，因此通常用三极管组成的放大电路放大单片机输出的 I/O 电流，从而驱动蜂鸣器 [15] 。其中电阻 R14 的作用是用来限制基极电流，保护三极管用的。报警电路如图 3.8 所示。

　图 3.8 报警电路 3.7

　液晶显示 根据课题要求，本设计需要显示的内容有当前温度数据和历史温度数据，至少需要 6 个数码管，且编程复杂，而采用液晶（LCD1602）显示，不仅编程简

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　 第 18 页 共 53 页 单，而且数据显示直观易懂，综上考虑，本设计选用 LCD1602 进行液晶显示。下面对 LCD1602 的特点进行一下简单的介绍。

　LCD1602 是一个 16*2 的字符型液晶，可显示两行，共 32 个字符,封装图正面如图 3.9 所示，背面如图 3.10 所示。

　图 3.9 封装图正面

　 图 3.10 封装图背面 液晶显示电路如图 3.11 所示。

　图 3.11 液晶显示电路 引脚说明如下：

　a) VSS 接电源地。

　b) VDD 接+5V。

　c) VO 是液晶显示的偏压信号，接高电平时，对比度太弱，容易看不清；接低电平时，对比度太强，容易出现“重影”，故我们接一个 10K 的电阻来调节。

　d) E 是执行命令的使能引脚。

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　 第 19 页 共 53 页 e) RW 是读/写选择引脚。

　f) RS 是数据/命令选择引脚。

　g) D0—D7，并行数据输入/输出引脚。

　h) LED-

　背光负极。

　i) LED+

　背光正极。

　3.8

　红外传感器 红外温度传感器 MLX90614（如图 3.12），红外传感器为系统的测温元件，内部集成了模数转换器、低噪声放大器和数字信号处理芯片，可直接将测得的数字信号通过 Smbus 协议传送给单片机 [16] 。供电电源为 3.3V，测量人体时，精度可达±0.1

　℃。

　图 3.12 红外传感器的管脚分布 引脚及其功能如表 3.1 所示。

　表 3.1

　MLX90614 引脚及其功能 引脚

　作用 VSS

　电源地，金属外壳和该管脚相连

　VDD

　电源 PWM/SDA

　PWM 或 SMBus 接口的数据信号 SCL /Vz

　SMBus 接口的时钟信号

　SCL、SDA 管脚直接连接单片机的普通 I/O 口即可，通常情况下 SDA 管脚输出物体温度，由于 MLX90614 的输入输出接口是漏级开路（OD）结构，和单

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　 第 20 页 共 53 页 片机相连时，需要加上拉电阻 [17] 。红外传感器和单片机的连接如图 3.13 所示。

　图 3.13 红外传感器和单片机的连接图 3.9

　语音模块 为了使体温计更加智能化，本设计选用了语音播放模块 M3，可以将测得的人体温度进行语音播报并且提供合理的建议。语音模块的封装图（图 3.14）如下所示。

　语音模块工作情况如下：采用 5V 1A 供电电源来供电；接单片机时，可进行二进制编码触发，A1-A5 为编码接口，最多可以播放 31 首。

　图 3.14 语音模块封装图

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　 第 21 页 共 53 页 4

　系统软件设计 4.1

　主程序设计 主程序流程图如图 4.1 所示，首先进行一系列的初始化（LCD1602 的初始化，红外温度传感器 MLX90614 的初始化），然后进入 while(1)死循环中 。在循环中首先进行按键扫描，查看是否有按键按下，同时显示模块和语音模块分别作用提示使用人员设备已初始化完成，当 key1 键按下的时候，设备进行体温测量并完成存储、显示和语音播报。当 key2 按下的时候，模式切换到查看历史数据，key3与 key4 可以上下查看历史数据，当 key2 再次被按下的时候，模式切换到初始状态。

　/****************************主函数*******************************/ void main()

　{

　uint kaishi=0;

　 init1602();

　 //1602 初始化

　while(1)

　{

　anjian();

　 //按键程序

　if(kaishi==0)

　 //开始时语音播报与 1602 页面显示

　 {

　 display(Tem);

　 A5=1;A4=0;A3=1;A2=0;A1=0; //读“欢迎使用”

　存在 语音 011

　 delay1(600); A5=1;A4=1;A3=1;A2=1;A1=1;

　 kaishi=1;

　}

　if(k1==1)

　 //按键 key1 按下，进行测量

　{

　 celiang();

　 A5=1;A4=0;A3=0;A2=1;A1=0; //读“您的体温是”

　存在语音 013

　 delay1(500);

　 A5=1;A4=1;A3=1;A2=1;A1=1;

　 delay1(10);

　 dushu(Tem);

　 if(fashao==1)

　 {

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　 第 22 页 共 53 页

　A5=0;A4=1;A3=1;A2=0;A1=1; //读“您的体温过高，请立即从医”存 在语音 018

　 delay1(500);

　 A5=1;A4=1;A3=1;A2=1;A1=1;

　 delay1(10);

　 }

　 chucun();

　//存储程序

　 k1=0;

　 }

　 if(k2==1)

　 //按键 key2 按下，进行模式切换

　 {chakan();}

　//查看程序

　 if(k2==2)

　 {display(Tem);k2=0;baojing=1;}

　//退出查看模式程序

　 } }

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　图 4.1 主程序流程图

　开始 1602 初始化 按键扫描 Key1=0? 温度采集 数据处理 数据储存 语音播报与显示 Y Key2=0? 模式切换 Key3=0? Key4=0? 查看上一数据 查看下一数据 显示 显示 是否有按键按下？ Y N N Y Y N Y N N

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　 第 24 页 共 53 页 4.2

　按键程序设计 本设计程序设计思路为：首先令按键对应的单片机 I/O 口为高电平，根据电路图可知当按键按下的时候，与按键相连的单片机 I/O 口会降成低电平，单片机的主程序一直进行查询按键这几个 I/O 口的状态。当出现低电平时，单片机进行消抖处理，以确保是否按键按下。如果按下且知道了是哪个按键被按下，则接下来执行该按键的程序。为了防止一次按下多次执行相应程序，所以本设计加上了自锁功能，使之每按一次执行一次相应程序。按键流程图如图 4.2 所示，程序如下。

　图 4.2 按键流程图

　Y 开始 Key1=0? Key2=0? Key4=0? Key3=0? 改变相应变量 改变相应变量

　改变相应变量 改变相应变量 N Y N Y N Y N 返回

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　 第 25 页 共 53 页 /*****************************按键程序*****************************/ void anjian(void) {

　 key1=1;key2=1;key4=1;key3=1;//首先令单片机的相应 I/O 口为高电平

　if((key1==0)&(zisuo1==0))

　//当 key1 与 zisuo1 都为 0 时，进入 if 程序

　{

　 //zisuo1 的作用是使按键按一下，识别一下

　 delay1(5);

　//进行消抖处理

　if((key1==0)&(zisuo1==0))

　 //消抖后，key1 与 zisuo1 还都为 0，则表明

　 {k1=1;zisuo1=1;}

　//第一个按键被按下，改变相应变量

　}

　……

　 if(key1==1){zisuo1=0;}

　//完成按键按一下识别一下的功能

　 if(key2==1){zisuo2=0;}

　if(key3==1){zisuo3=0;}

　if(key4==1){zisuo4=0;} } 4.3

　语音模块程序设计 语音模块接单片机时，可进行二进制编码触发，A1-A5 为编码接口，最多可以播放 31 首（00000B~11111B）。本设计首先在 SD 卡中存放 0~9 和摄氏度等一系列需要读出的语音，每一条语音都有属于它自己的文件名称，单片机通过给A1~A5 接口不同的电平，来确定出所选择的语音并播读出来。在此仅展...