1、毕业课程设计目录设计总说明 IIntroduction.III1 绪论 .11.1 课题研究背景 11.1.1 体温计发展 .11.1.2 红外测温技术发展 21.2 课题研究目的和意义 .31.3 论文主要内容及章节安排 .32 系统工作原理与方案设计 52.1 系统工作原理 52.2 系统方案选择 62.3 主要器件选择 82.3.1 红外测温传感器 82.3.2 单片机控制单元 92.4 整体方案确定 103 硬件电路设计 .113.1 单片机最小系统电路设计 .113.1.1 最小系统电路 113.1.2 晶振和复位电路 113.2 传感器电路设计 123.2.1 MLX90614 红
2、外测温传感器介绍 123.2.2 MLX90614 传感器电路 .133.3 液晶显示电路设计 .143.3.1 LCD 液晶显示介绍 143.3.2 LCD 液晶显示电路 153.4 ISD4004 语音电路设计 163.4.1 ISD4004 语音芯片介绍 .163.4.2 音频功率放大器介绍 173.4.2 ISD4004 语音电路 .183.5 万年历电路设计 193.5.1 DS1302 时钟芯片介绍 193.5.2 基于 DS1302 万年历电路 .203.6 人数统计电路设计 .203.7 声光报警电路设计 .213.8 基于 MAX232 的 RS-232 串口电路设计 223
3、.8.1 MAX232 电平转换芯片介绍 .223.8.2 MAX232 串口电路 .223.9 电源电路设计 234 系统软件设计 .254.1 红外测温模块设计 .254.2 显示模块设计 274.3 语音模块设计 304.4 时钟模块设计 314.5 人数统计模块设计 .334.6 声光报警模块设计 .344.7 串口电路模块设计 .345 系统仿真与误差处理 365.1 基于 Proteus 软件仿真 365.2 系统误差处理 386 总结与展望 .396.1 总结 396.2 展望 39参考文献 .40致谢 .41附录 .42I智能非接触式电子体温计设计设计总说明随着人们生活水平的不
4、断提高，对自身健康状况越来越关注，而体温是鉴别人体健康状况的重要参数之一，对这一生理指标的测量可以更好的监测自身健康状况，因此体温计在医疗领域中占有十分重要的地位，也为人们的生活带来极大的方便。但若使用时消毒不彻底会导致交叉感染。新型的体温计，如电子体温计，通过热敏电阻测定体温，存在测温误差大等问题,因此，非接触式快速测温的体温计就有了研发使用的意义。比起传统的测温方法，利用红外传感器制定的体温计有着响应时间快、使用安全及使用寿命长等优点，非常适合在机场、火车站、学校等公共场所使用。由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，这就使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自
5、动控制。传感器主要用于测量和控制系统，其性能好坏直接影响系统性能，因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制要求，且只有通过对传感器应用实例原理和智能传感器实例分析及了解，才能将传感器和信息通信、处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都是为了改革生产力、提高工效和时效，且都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。利用红外测温是最近几年来兴起相对高端的技术，对红外线设备的设计和研究，对今后的社会应用有非常积极的影响。从另
6、一方面而言，体温计是民众日常生活中的必备卫生用品，尤其在“非典”和“甲型流感”流行期间，各式体温计成为了判断感染者与未感染者较为初步的仪器。所以在本次毕业设计中，以单片机为核心，运用红外传感原理来设计基于单片机的智能非接触式电子体温计。单片机是整个智能控制器的核心，其外围设备是检测和控制电路，单片机通过接口发出各种控制信息给检测电路，以启动测量、改变工作方式等。当检测电路完成一次测量后，单片机读取测量数据，进行必要的加工、计算、变换等处理，最后以各种方式输出，例如经液晶显示模II块显示，经语音模块播报等。在本次智能非接触式电子体温计设计中，以 AT89S51 单片机为控制核心，根据红外测温原理
7、，由红外热电堆传感器 MLX90614 对人体体温进行实时采集转变为电信号，经 MLX90614 内部的模数转换，转换成数字信号后送入单片机进行数字滤波、线性化处理、数据存储、逻辑判断，并将最后的测量结果送入液晶显示模块进行显示，且语音芯片在程序的控制下进行语音播报，同时，还具有万年历、当前时间、统计人数和声光报警等功能。从而使测温前后的各种操作更趋于智能化和人性化。全文主要阐述其硬件电路设计和软件程序设计。硬件方面首先从单片机最小系统，红外热电堆传感器进行主要功能的设计，其次从万年历时钟模块、统计人数和报警电路、液晶显示模块、语音播报等功能模块分别进行论述并详细介绍了各个芯片的结构和功能。软
8、件部分使用 KEIL C 语言程序设计，此语言具有语言简洁、紧凑，使用方便、灵活，生成目标代码质量高，程序执行效率高的特点。其程序设计采用模块化结构，每个模块作为一个子程序，所以整个程序的编制和调试都比较方便，结构清晰，提高了可靠性和修改性，并给出了针对各个应用模块的设计思路及流程图。系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、计算温度子程序、LCD 显示程序、语音播报程序、万年历程序、统计人数及声光报警等程序。在对硬件部分和软件部分的设计之后，通过 Proteus 软件和 KEIL C软件结合使用，对本次设计进行了主要功能的仿真，并达到理想的效果。对智能非接触式体温计设计是功能性为基础，以创新性
9、为指导，以实践性为依托，具有较好的发展前景和广泛的应用场合。通过本次设计，希望可以为今后拓展体温监测应用领域提供新的思路和方法，使之能在各应用领域得到更广泛的应用。关键词：单片机，传感器，LCD 显示，语音播报，仿真IIIIntroductionThe technique of temperature measurement is widely used in iatrology, aviation,and stell manufacture because of its convenience, fast speed and high accuracy. This paper introdu
10、ce a method to design an un-touched electronic thermometer which based on MS51 single chip and infared sensor MLX90614. Also, Infrared thermomter, it uses the blackbody radiation laws as the theories foundation, it is the outcome that the optical theories and micro-electronics learn a comprehensive
11、development. Compared to the way of traditional temperature measurement, it has a series of merits, such as short in response time, non-contact, noninterference to temperature field, long useful time and convenient operation, etc.The paper introduces the basic principle of infrared thermometer and t
12、he method of realization, puts forward infrared trermometer system with the AT89S51 MCU as the CPU. The paper introduces the composing and the method of that system in detail, and gives the hardware principle diagram and the design flow chart of the software. The system formed by the optical system,
13、 photoelectron detector,display and output partially. The optical system collects the infrared radiation energy of the object in its field of view, the infrared energy IVfocusing on the instrument and transforms to the corresponding electrical signal. The AT89S51 MCU is used to start the temperature
14、 survey, data receive, count the value of the object temperature based on the arithmetic with in MCU and the result is displayed on LCD.In the intelligent non-contact electronic clinical thermometer design, with the AT89S51 as the core, according to the principle of infrared measuring temperature, t
15、he infrared thermopile sensor MLX90614 to body temperature real-time gathering into electrical signals, after MLX90614 internal analog-to-digital conversion, converted into digital signal after into single-chip digital filtering, linearization processing, data storage, logical judgment, and the fina
16、l measurement results into the LCD module for display, and the voice chip speech under the control of the program, at the same time, also has a calendar, the current time, the number of statistics and sound and light alarm, and other functions. So that the temperature measurement before and after th
17、e various operations tend to be more intelligent and humane.Key word: microcontroller,sensor,display,voice,simulate第 1 页 共 58 页1 绪论随着科学技术的迅速发展，传统接触式测量体温的方式已不能满足现代一些领域测量体温的需求，对非接触、远距离测量体温技术需求越来越大。本次智能非接触式体温计设计的出发点也正是基于此。1.1 课题研究背景1.1.1 体温计发展人体体温是鉴别人体健康状况的重要参数，所以体温计在医疗领域中占有十分重要的地位。随着现代科技的发展，新材料、新工艺的运用
18、，各式各样的体温计陆续出现，探测方式在不断改进。现有体温计大致分为三种类型：一种是常见的玻璃水银体温计；一种是电子体温计；还有一种是红外智能非接触式电子体温计。人们熟悉的传统体温计是水银体温计,它是根据汞受热膨胀原理制成。由于受到体温影响，水银体积膨胀使玻璃管内水银柱的长度发生明显的变化，可使随体温升高的水银柱保持原有位置，便于使用者随时观测。由于玻璃的结构比较致密，水银的性能非常稳定，所以玻璃体温计具有示值准确、稳定性高的特点，拥有价格低廉、不用外接电源的优点，深受人们特别是医务工作者的信赖。但此种体温计也有诸多弊端，例如，遇热或安置不当容易破裂，人体接触水银后会中毒，轻者恶心、头痛重者会造
19、成血液凝固等。医用电子体温计是利用某些物质的物理参数（如电阻、电压、电流等）与环境温度之间存在的确定关系，将体温以数字的形式显示出来，读数清晰，携带方便。许多医院也采用了电子体温计，因拥有快速、无需接触被测者等的优点而被广泛采用。其不足之处在于示值准确度受电子元件及电池供电状况等因素影响，即性能暂不能与传统的体温计相比不如玻璃体温计。红外测量体温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥重要作用。根据红外测温原理，任何物体由于其自身分子运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像” 。红外体温计正是通过对物体自身辐射的红
20、外能量的测量，准确地测定它的表第 2 页 共 58 页面温度。所用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线，采用的是被动式且非接触式的测量方式，因此红外体温计不会对人体产生辐射伤害。比起前两种测温方法，红外体温计有着响应时间快、使用安全、使用寿命长及可靠性高等优点。近 20 年来，红外体温计在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大。1.1.2 红外测温技术发展自从 1800 年英国天文学家 FW赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到 1940 年前后才真正出现现
21、代的红外技术。当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。其中有些达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。红外技术发展的先导是红外探测器的发展。1800 年，FW赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测哭器。1830 年以后，相继研制出温差电偶的热敏型探测
22、器。19 世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。它们都是电磁波之一，具有波动性。20 世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。30 年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。40 年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。50 年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器等到新的推动。到 60 年代初期，对于 1-3、3-5 和 8-13 微米三个重要的大气窗口都有了性能优良
23、的红外探测器。在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。第 3 页 共 58 页在红外技术的发展中，需要特别指出的是：60 年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段内，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外，由于，这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。1.
24、2 课题研究目的和意义体温是机体功能活动正常进行的重要条件，人能够在环境温度不同的情况下，通过对体内产热和散热过程的调节来保持体内环境温度相对稳定，并提高对环境温度变化的适应能力。在健康状态时，人体的体温一般是比较恒定的，即保持在 37上下，而不因外界环境温度的改变而变化。但是当人体内的某些机能发生改变或某些部位发生病变时，恒定的体温将产生变化。在临床医学中，体温是一个重要的生理参数，病人的体温为医生提供了生理状态的重要信息，因此，对人体温度进行测量不仅可以确诊疾病的发生，还可以对某些重大疾病或隐藏于身体内部的健康隐患起着积极的预防与警示作用。例如，在“非典”时期，我们可以通过对人体温度的监测
25、来隔离那些可能患病的人群，从而达到预防“非典”传播的作用。在公共场所进行体温监测时主要考虑以下三个基本要求：非接触、测量的快速性和准确性。采用红外非接触测量体温的方法进行体温测量可以满足这样的要求，因此，对非接触人体体表温度的测量方法进行研究有着非常现实的意义，是在非常时期应付突发疫情的必要工作。在体温计的应用领域中，红外智能非接触体温计比起传统体温计也具有很多应用意义。例如使用更便捷，在家庭使用中，在不打扰孩子睡眠或玩耍的情况下观察孩子每天的体温变化，了解孩子健康状况，孕妇、老人在测量体温时也极大的提高了方便性；测量数据更精确，智能非接触式体温计的另一个先进之处是精确，通常精度都是 1 度以
26、内。而且响应时间短，反应速度快，易于快速动态测量；使用更安全，安全是使用红外体温计最重要的益处，不同于接触式体温计，红外体温计在不与人体接触的情况下能够安全地测量和读取人体温度，有效减少病菌的交叉感染；更加节能环保，它快速精准的测温不仅提高了医学领域的效率，而且更加环保节能。第 4 页 共 58 页智能非接触式体温计给医学领域带来了极大的方便，正因为如此，它将促进高效节能成套新技术、新设备、新材料产业大力发展，实现传统体温计测温的更新改造，同时也产生了强大的能源环境效益，伴随着巨大的经济效益和社会效益，因此，研究红外智能非接触式电子体温计具有非常重要的意义。1.3 论文主要内容及章节安排本论文
27、主要利用红外测温原理，围绕智能非接触式电子测量体温这一主题进行一系列设计，并在深入理解了红外测温理论基础之上，对方案进行了整体设计，经查阅资料，设计出两种方案，进行比较最终确定比较合理的方案。此外，对现有红外测温传感器这一主要功能模块和单片机主控芯片分别进行比较和选择，以提高整体方案的可行性。整体方案确定之后，在硬件电路的设计中，通过所要实现的功能完成电路的搭建；在软件程序设计中，通过分模块程序设计实现此次设计的功能，最后对整个系统进行软件仿真并对系统的误差处理进行了分析。其中，第 2 章是对系统的设计与论证，先对设计方案总体论证再对主要控制器件进行论证，第 3 章重点介绍各模块的硬件电路，并
28、对每个芯片的引脚功能进行了详细描述，第 4 章为系统的软件设计，主要是各模块实现其功能的流程图的设计和程序的编写，第 5 章为系统仿真和误差处理，在对系统硬件设计和软件设计之后，对系统进行软件仿真以实现其相应的功能。第 5 页 共 58 页2 系统工作原理与方案设计2.1 系统工作原理系统主要利用红外测温原理，一切温度高于绝对零度（-273.35）的物体，由于分子热运动都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体红外辐射能量的大小及其按波长分布与它表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量测量，便能准确地测定其表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。因此，本文中的红外测
29、温就是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。红外测温的原理是基于黑体辐射定律的，黑体是一种理想化的辐射体，它在任何第 6 页 共 58 页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： 251(,)hckTMTe（1）式（1）中，c 为真空中的光速（2.9979） ；k 为波尔兹曼常数（） ；h 为 Plank 常数（） ； 为波长；T 为绝对黑体的温度（K） ；由式（1）可得出在温度 T 时黑体在全部波长范围内的辐射出度为： 40
30、()(,)MdT（2）式（2）中，=由式（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，当用红外测温测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段内的红外辐射量，红外能量被红外温度传感器接收，并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按时系统内部的算法校正后转变为被测目标的温度值，然后由测温系统计算出被测目标的温度。基于红外测温原理，以单片机为核心，通过按键控制单片机以判断是否对采集测温。当测温键按下时，系统利用红外温度传感器检测到人体温度，并将其转换为微弱电信号，通过红外测温模块内部 A/D 转换电路将电信号转换为数字信号，并将之送入单片机控制电路，这样单片机
31、便可以对信号进行比较系统的处理，处理结果通过 LCD第 7 页 共 58 页显示电路和语音电路进行信息输出，显示模块和语音模块便能准确显示和读出人体温度。当被测人体温超过 38时，LED 灯亮的同时蜂鸣器蜂鸣报警。当测温键没有按下时，系统在时钟电路作用下显示当前时间及所设置温度的上下值，统计人数初始化为0。系统设计的总体框架如图 2.1 所示：按键控制温度采集单片机控制单元信息输出声光报警图 2.1 系统总体框架图2.2 系统方案选择基于本次系统的工作原理，利用红外测温传感器、单片机以及其它器件设计实现非接触式电子体温计的测温，使之达到响应时间最长不超过 1s、精度达到 0.2。现对此次设计的
32、总体方案进行设计与选择。方案一在该方案中，系统分为模拟红外温度传感器（内含环境温度测量）模块、放大电路模块、A/D 转换电路模块、MCU 主控模块、声光报警模块、LED 显示模块和电源模块（如图 2.2 所示） 。通过模拟传感器输出模拟信号，并通过信号放大电路和 A/D 转换电路处理传输给单片机，单片机对其进行 LED 显示，当超出设定的温度范围时，进行声光报警。如图 2.2 方案一总体设计框图所示：模拟红外传感器 放大电路 A / D 转换电路 M C U 主控电路 L E D 显示声光报警电源电路第 8 页 共 58 页图 2.2 方案一总体设计框图首先模拟红外温度传感器接收人体发出的红外
33、线，然后经过转换后输出对应的电压值，传感器同时通过片上温度传感器测量环境温度/传感器温度。这两个红外温度传感器的输出量通过放大电路和 A/D 转换电路处理后传输到 MCU 模块进行相关的处理（软件滤波、黑体校定等） ，然后通过 LED 模块显示相应的人体温度。如果超出所测的范围声光报警器进行报警以示提醒。方案二该方案与第一个方案的最大区别是：在本方案中采用数字红外温度传感器代替模拟红外温度传感器。由于数字红外温度传感器内部集成了运放电路、A/D 转换电路、滤波电路和数字信号处理器，所以只需通过传感器的数据接口就可以把传感器所测量的人体温度数据直接传输给 MCU 主控模块进行处理。在处理完被测物
34、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式播放以告知使用者温度信息。如图 2.3 方案二总体设计框图所示：热电堆传感器滤波电路放大电路A /D转换电路数字红外传感器M C U 主控电路报警电路电源电路语音播报液晶显示图 2.3 方案二总体设计框图对于方案一，模拟传感器的成本相对要低，而且整个系统设计的自由度相对要高一些，但是也使得系统电路变的更为复杂。例如集成运放电路要用到双电源供电，这第 9 页 共 58 页就使得电源模块的设计变得复杂、功耗变大和效率变得更低，这对于使用电池供电的便携式系统是不利的；同时在软件设计方面，
35、要涉及到滤波处理、温度线性校准处理和黑体校定等，这使得设计工作量大大增加，而且对于开发者的开发环境要求较高，例如要具备黑体校定的设备等。而在方案二里采用数字传感器的成本虽然相对模拟传感器的较高，但整个系统的设计相对简单，数字红外温度传感器可以与 MCU 直接相连接（需要接上拉电阻） ，由于不需要额外的集成运放电路，所以也不需要用到双电源供电，因而使得电源模块的设计简化，电池的利用效率更高。由于该方案的电路简单且集成度高，所以功耗更低。而且相比第一个方案，无需黑体校正。所以开发时间要比方案一少。这也意味着方案的总体成本（硬件成本、开发时间成本等）其实要比方案一要低。2.3 主要器件选择2.3.1
36、 红外测温传感器通过查阅相关资料最终选出两个符合此项目的热电堆红外传感器，其一是凌阳 TN9系列的红外测温传感器，其二是 MLX90614ACA 型号的红外测温传感器。TN9 红外测温模块解决了传统测温中需接触的问题，并且具备回应速度快、测量精度高、测量范围广等特点，但是，其所需的外围电路复杂，容易出现问题，产品可靠性不高。其主要功能为测温理想距离可达 100 英尺(30 米)，回应时间比较短，大约0.5 秒。其基本特性与参数指标为测 量 范 围 在 -33 至 200 ； 测 量 误 差 在 0.6 ，或 温 度 值 的 1%； 工 作 范 围 在 -10 至 50 。MLX90614系列模
37、块是一组通用的红外测温模块，在出厂前该模块已进行校验及线性化，具有非接触、体积小、精度高，成本低等优点。集成了由迈来芯公司开发和生产的两款芯片：一是红外热电堆传感器 MLX81101 ，二是信号处理专用集成芯片 MLX90302，专门用于处理红外传感器输出信号。该模块可以测量的温度范围为-70380，对于测体温完全可以满足要求。热量由芯片热电偶测得。该模块在其信号调节芯片中采用了先进的低噪音放大器，一个17位的数模转换器和数字信号处理单元，放大微小热电偶电压并将其数字化，使用芯片EEPROM存储器中储存的生产厂设定第 10 页 共 58 页的校准参数，计算出物体的温度。它能保持0.01温度精确
38、度，在050的物体温度范围内，标准的MLX90614具有0.5的绝对精确度；在该范围以外，精确度为1，调试后可以达到0.2。此外，MLX90614ACA型号的红外测温传感器的外围电路简单，调试不难，性能稳定，电路可靠性比较高。综上所述，选择 MLX90614ACA 型号的红外测温传感器可以做到成本更低，精确度更高，测试范围更广，还可以获得较高的可靠性，符合我们设计的智能非接触式红外体温计。2.3.2 单片机控制单元对主控芯片选择时，考虑到两款最常用的单片机，一是 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机，一是其公司的 AT89S51 单片机。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦
39、除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁储存器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89S51 是一种低功耗、高性能的片内含有 4KB 快闪可编程擦除只读存储器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory) 8 位 CMOS 微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与
40、80C51 引脚和指令系统完全兼容。具有多种功能的 8 位 CPU 与 FPEROM 结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性能价格比较高。两者之间主要区别在于以下几点：(1)引脚功能:管脚几乎相同,只是在 AT89S51 中 P1.5,P1.6,P1.7 具有第二功能,即这 3 个引脚的第二功能组成了串行 ISP 编程的接口。(2)编程功能：AT89C51 仅支持并行编程，而 AT89S51 不但支持并行编程还支持ISP 再线编程。在编程电压方面,AT89C51 的编程电压除正常工作的 5V 外,另 Vpp 需要12V,而 AT89S51 仅仅需要 4-5
41、V 即可。第 11 页 共 58 页(3)烧写次数更高：AT89S51 标称烧写次数是 1000 次,实为 1000-10000 次,这样更有利初学者反复烧写,降低学习成本。(4)工作频率更高：AT89C51 极限工作频率是 24MHZ,而 AT89S51 最高工作频率是33MHZ,(AT89S51 支持最高工作频率分别为 24MHZ 和 33MHZ)从而具有更快的计算速度。 (5)电源范围更宽：AT89S51 工作电压范围达 45.5V，而 AT89C51 在低于 4.8V 和高于 5.3V 时无法正常工作。 (6)抗干扰性更强:AT89S51 内部集成看门狗计时器(Watchdog Tim
42、er)，而 AT89C51需外接看门狗计时器电路，或者用单片机内部定时器构成软件看门狗来实现软件抗干扰。(7)加密功能更强：AT89S51 系列提供了三层的加密算法(LB1，LB2，LB3 三个可编程的加密位)，这使得 AT89S51 的解密变为几乎不可能，程序的保密性大大加强。所以，考虑到引脚功能、使用寿命、抗干扰性等最终采用了 AT89S51 单片机。2.4 最终方案确定综上所述，本次设计采用方案二更合理。直流稳压电源输出的 5V 电压分别给传感器和单片机供电，并为之提供一个稳定的工作电压。用 MLX90614 红外测温传感器来收集红外辐射信号，用 AT89S51 单片机作为中心控制器件进
43、行数据处理分析，用 DS1302模块进行万年历的设计，采用 LCD12864 液晶显示模块显示当前时间、人体温度和人数统计并用 ISD4004 语音模块对检测的人体温度进行语音播报。单片机实时分析传感器采集的温度，判断其是否超出预设温度范围，并采用蜂鸣器和 LED 作为报警电路进行报警，以准确的控制报警设备。此外，计算机与外部设备（智能非接触式电子体温计）之间进行数据的串行传送，即对人体体温的当前测量值进行串行传送。具体介绍见第3 章硬件电路的设计。第 12 页 共 58 页3 硬件电路设计基于 AT89S51 单片机的红外体温计的硬件设计采用目前使用比较广泛的模块化、自顶向下设计思想，将整个
44、系统分成八大模块：单片机处理模块；红外测温模块；显示模块；语音模块；万年历模块；报警模块；串口模块；电源模块。通过自顶向下的顺序、划分模块的方法，可以把一个复杂的问题分割成几个相对容易解决的问题，分别予以解决。此外，此种设计方法思路清晰，亦便于设计过程中的各模块的调试和整机的联调，大大简化了设计的难度。本章主要介绍了系统硬件电路的设计，并针对各第 13 页 共 58 页模块硬件电路进行了具体的分析。3.1 单片机最小系统电路设计3.1.1 最小系统电路该系统是以 AT89S51 单片机为核心器件，其模块的工作原理是：加载相应程序的AT89S51 单片机把红外测温模块传来的数据加以处理分析进行语
45、音播报、LCD 液晶显示等。单片机需要一定的外接电路才能正常工作即单片机最小系统，电路如图 3.1 所示，其主要包括 AT89S51 单片机、复位电路和时钟电路。图 3.1 单片机最小系统3.1.2 晶振和复位电路晶振是给单片机提供工作信号脉冲的，这个脉冲就是单片机的工作速度。晶振电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。通常在引脚 XTALl 和 XTAL2 跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，如图 3.3 中Y2、C11、C12。可以根据情况选择 6MHz、12MHz 或 24MH
46、z 等频率的石英晶体。而单片第 14 页 共 58 页机工作速度是每秒 11.0592M，即此次晶振选择 11.0592M，补偿电容通常选择 30pF 左右的瓷片电容。晶振电路如图 3.2 所示。图 3.2 晶振电路复位的条件：RST 引脚的高电平只要能保持足够的时间（2 个机器周期） ，单片机就可以进行复位操作。上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间 RST 引脚获得高电平，随着电容的充电电流的减小，RST 引脚的电位逐渐下降。当需要复位是，按下按键，利用电容放电使 RST 引脚为高电平，单片机复位。上电与按键均有效的复位电路不仅在上电时可以自动复位，而且在单片机运行期间，
47、利用按键也可以完成复位操作。复位电路如图 3.3 所示。图 3.3 复位电路3.2 传感器电路设计3.2.1 MLX90614 红外测温传感器介绍由红外温度传感器、低噪声放大器、AD 转换器、DSP 单元、脉宽调制电路及逻辑控制电路构成，热电堆输出的温度信号经过内部高性能、低噪声的运算放大器放大后，送给模数转换器（ADC），ADC 输出的 17 位数字经过可编程 FIR 和 IIR 低通滤波器第 15 页 共 58 页（即框图 3.4 中的 DSP）处理后输出，该输出作为测量结果保存在 MLX90614 内部 RAM存储单元中，可以通过 SMBus 读取；同时测量结果送到后级数子式脉冲宽度调制
48、电路，将测量结果以 PWM 的方式输出。8 1 1 0 19 0 3 0 2调压器控制单元A D CD S PP W M图 3.4 MLX90614 内部的结构框图MLX90614 采用 4 脚罐形封装（TO239），顶端引脚分布视图如图 3.5 所示，具体的引脚功能如下：2 - P W M/ S D A2 - S C L/ V Z2 - V D D2 - V S S图 3.5 MLX90614 的顶端引脚分布视图VDD：外部电源输入；VSS：地，和外壳相连；SCL/Vz：当 MLX90614 为 SMBUS 模式时 SCL 为串行输入，为 PWM 模式时 Vz 为由外部电路置高电平；SDA/
49、PWM：当 MLX90614 为 SMBUS 模式时串行数据输入输出接口，为 PWM 模式时做为 PWM 波输出接口。第 16 页 共 58 页3.2.2 MLX90614 传感器电路MLX90614 硬件电路连接如图 3.6 所示，传感器的 SCL/VZ 、PWM/SDA 管脚直接连接单片机的普通 I/O 口，即单片机上的 P1.0 和 P1.1 并通过这两个 I/O 口实现单片机与传感器相互之间的数据的传输。VDD 为电源引脚接+5V，VSS 为地端。由于 MLX90614 的输入输出接口是漏级开路（OD）结构，需要加上拉电阻即图 3.6 中的 R4 和 R5（10K） 。图 3.6 MLX90914 红外传感器电路设计3.3 液晶显示电路设计3.3.1 LCD 液晶显示介绍在显示电路单元的模块中，带中文字库的 LCD12864 是一种具有 4 位/8 位并行、2线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为 12864，内置 8192 个 16*16 点汉字和 128 个 16*8 点ASCII 码字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 84 行 1616 点阵的汉
