一種教學(xué)用非接觸式紅外測溫系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

侯楊陽

（江蘇第二師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院 江蘇省南京市 210000）

單片機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域中迅速發(fā)展的技術(shù)，極大地推動了電子工業(yè)的發(fā)展[1]，該課程也是電子類專業(yè)的核心專業(yè)必修課程。但學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的實際過程中，仍然存在理論與實踐不能很好地結(jié)合應(yīng)用的現(xiàn)象。因此，基于疫情這個大背景，本文設(shè)計了一款基于單片機(jī)的非接觸紅外測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以單片機(jī)作為紅外測溫傳感器數(shù)據(jù)傳輸和控制重心。除此之外，還設(shè)計了蜂鳴器報警模塊、顯示模塊、功能按鍵等外圍設(shè)備模塊。這種典型的測溫系統(tǒng)能夠作為項目教學(xué)演示設(shè)備，讓學(xué)生對于單片機(jī)有更深入的理解，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 系統(tǒng)設(shè)計

此測溫體系分為硬件電路部分和軟件編程部分。STC89C52單片機(jī)[2]相當(dāng)于人類的大腦控制外圍硬件電路，硬件電路主要包括紅外測溫電路[3]、警告電路、液晶顯示電路、按鍵電路等。C語言程序設(shè)計主要包括：單片機(jī)基本輸入輸出程序、TN9紅外接收、測量溫度模塊程序、警告模塊程序、按鍵模塊程序、顯示模塊程序。該系統(tǒng)在工作時，操作者先將紅外測量儀對準(zhǔn)被測量目標(biāo)（人體或物體），電源通過傳統(tǒng)的Micro轉(zhuǎn)USB接口與電腦連接，接通電源等待2秒鐘，紅外傳感器就會把溫度信號傳送到單片機(jī)[4]中進(jìn)行處理，然后送到LCD1602顯示出來。

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)

本文選用的STC89C52單片機(jī)，是一種功率損耗不高、性能穩(wěn)定的CMOS8位單片機(jī)，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。擁有靈活的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，內(nèi)帶4K字節(jié)EEPROM存儲空間，可直接使用串口下載，因此STC89C52可以方便的應(yīng)用在大多數(shù)嵌入式控制系統(tǒng)。指令代碼完全兼容80C51單片機(jī)。封裝用的是PDIP-40直插式封裝。

STC89C52單片機(jī)擁有二十四個基本輸入輸出口，部分引腳可以復(fù)用作地址線、數(shù)據(jù)線，有一個高電平有效的復(fù)位鍵，兩個中斷引腳，兩個計數(shù)脈沖引腳，兩個晶振引腳，還有電源、接地引腳等，電源多采用5V供電。

2.2 紅外測溫模塊

紅外模塊用來采集聚焦被測目標(biāo)的紅外輻射能量，將紅外能量整合在紅外探測器上并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)與能量強(qiáng)度大小相對應(yīng)的電子數(shù)字信號送進(jìn)溫度傳感器，TN901是集成度很高的紅外測溫模塊[5]，模塊的探測器接收到紅外輻射能量后，轉(zhuǎn)化為交變的脈沖電信號，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸快速測量。模塊包括溫度補(bǔ)償電路和線性處理電路來提高測量精度，因此不需要增加放大電路、整流濾波電路和AD轉(zhuǎn)換模塊。TN901有五個引腳，管腳1為開始測溫信號引腳，低電平有效，管腳2是接地引腳，管腳3為2KHz時鐘輸出引腳，管腳4是數(shù)據(jù)接收引腳，管腳5是V為電源引腳VCC，VCC一般為3V到5V之間的電壓，此電路電源用5V供電。

2.3 LCD1602設(shè)計原理

相比較LED只能顯示數(shù)字的短處與不足，LCD1602的優(yōu)點是可以顯示字母和數(shù)字使顯示內(nèi)容更加充實具體。本設(shè)計使用的是LCD動態(tài)顯示，動態(tài)顯示意味著中央處理器每秒對顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，所謂的動態(tài)就是一位一位地輪流點亮刷新各位顯示器的數(shù)值，利用人的視覺停留感的誤差達(dá)到顯示數(shù)值刷新的目的。

2.4 按鍵模塊設(shè)計

本次設(shè)計的系統(tǒng)啟動紅外非接觸式測量溫度的功能只需打開電源電路的開關(guān)，按鍵采用動態(tài)掃描方式，單片機(jī)[6]通過讀取程序連續(xù)時刻更新掃描按鍵審核按鍵的兩種狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)到有按鍵狀態(tài)改變時，單片機(jī)經(jīng)軟件程序響應(yīng)追尋鍵值并通過循環(huán)語句程序完成與按鍵狀態(tài)相符合的鍵操作。通過按鍵對報警溫度區(qū)間極限值進(jìn)行改變，例如數(shù)字的加和減以及改變數(shù)值之后的確認(rèn)。后面要用軟件編程時間延遲來消除按鍵抖動。

2.5 其他電路模塊

2.5.1 電源電路模塊

系統(tǒng)使用5V電源供電，紅外系統(tǒng)和LCD鍵盤共電電壓為5V，二極管是電源接通的指示燈，兩個電容起濾波的作用。

2.5.2 報警電路模塊

報警電路實際就是蜂鳴器驅(qū)動電路，F(xiàn)M接單片機(jī)P3.7口輸出控制信號，三極管作為控制蜂鳴器中斷的電子開關(guān)。當(dāng)FM引腳輸出高電平時，三極管飽和導(dǎo)通，電子開關(guān)打開蜂鳴器發(fā)出警告，當(dāng)FM引腳輸出低電平時三極管截止斷電蜂鳴器靜音。

2.5.3 晶振電路

晶振用的是12M無源晶振。

系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。

圖2：系統(tǒng)電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件程序構(gòu)成

程序部分包括單片機(jī)系統(tǒng)基本輸入輸出功能主程序模塊，非接觸紅外測溫模塊[7]，通過軟件方法延時消抖的動態(tài)刷新按鍵模塊和溫度數(shù)值液晶顯示模塊。

（1）主程序模塊用來實現(xiàn)系統(tǒng)基本的輸入輸出功能和外圍設(shè)備識別供電的功能，對時間中斷延時規(guī)范包括溫度信號的傳送，單片機(jī)與電腦端的通信連接設(shè)備識別，按鍵持續(xù)更新掃描和溫度數(shù)值液晶顯示等功能。

（2）紅外測溫模塊[8]程序功能是從非接觸式紅外溫度傳感器獲得溫度數(shù)值，將開爾文溫標(biāo)換算成攝氏溫度值。

（3）按鍵模塊程序?qū)崿F(xiàn)的功能是獲得某個按鍵是否被按下，實現(xiàn)相應(yīng)的按鍵請求改變溫度上下限數(shù)值操作等。

（4）顯示模塊程序的功能是從單片機(jī)接收相應(yīng)的溫度數(shù)值并表示在LCD上。

3.2 軟件編譯KeilC51與ISP在線編程

本設(shè)計的紅外測溫系統(tǒng)的程序整體由C語言編寫，系統(tǒng)的可讀性和可移植性得到了提高。根據(jù)硬件模塊實現(xiàn)的功能對應(yīng)進(jìn)行程序編寫，將系統(tǒng)的硬件分為相應(yīng)的子程序模塊，分成各個部分進(jìn)行編寫、調(diào)試，使程序簡潔明了，在調(diào)試過程中也有利于自己發(fā)現(xiàn)程序語法錯誤，提高了編程的效率。整個系統(tǒng)軟件程序模塊主要分成系統(tǒng)基礎(chǔ)輸入輸出主程序、非接觸紅外測溫模塊、按鍵掃描更新模塊、液晶顯示[9]模塊等子程序。Kei1C51集成開發(fā)環(huán)境是51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Kei1C51軟件擁有多樣的庫函數(shù)和功能齊全的軟件調(diào)試工具。

經(jīng)過Keil軟件編譯程序后，通過ISP軟件和STC下載器實現(xiàn)單片機(jī)與電腦的通信，需要設(shè)置單片機(jī)波特率。

使用Keil軟件進(jìn)行程序編寫調(diào)試，用Proteus軟件進(jìn)行系統(tǒng)硬件功能的仿真。新建Keil項目，用C語言編寫源程序，然后編譯并修改源程序直至實現(xiàn)仿真功能 ，生成.hex文件。在Proteus ISIS中左鍵雙擊STC89C52元件在該窗口的“Program File”欄中，選中在Keil中編譯正確的“.hex”文件；點擊play開始進(jìn)行程序燒寫仿真。

系統(tǒng)實物圖如圖3所示。

圖3：實物圖

4 結(jié)語

本系統(tǒng)利用STC89C52單片機(jī)[10]作為控制外圍設(shè)備的大腦核心，由硬件部分和軟件部分構(gòu)成，硬件部分包括了核心單片機(jī)模塊、紅外測溫模塊、液晶顯示模塊、通過軟件消抖減小誤差的動態(tài)按鍵模塊，軟件程序部分主要是單片機(jī)基本功能主程序模塊、紅外測量和讀取溫度程序模塊、液晶顯示溫度值程序模塊。單片機(jī)統(tǒng)治紅外測溫模塊把接收到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過循環(huán)語句程序換算后顯示在液晶上。本系統(tǒng)可作為項目教學(xué)演示設(shè)備，模塊化的實物教學(xué)便于學(xué)生理解，有助于學(xué)生高質(zhì)量的掌握單片機(jī)相關(guān)知識，同時有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)課程的動力和興趣。