基于AT89C51 的體溫智能手表設(shè)計(jì)

張笑語(yǔ)，張曼婷，徐東卓

（安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

新冠疫情期間,每個(gè)學(xué)生每天都需要測(cè)量體溫,而傳統(tǒng)的體溫測(cè)量?jī)x器雖然能滿足需要,但測(cè)量精度不高且攜帶不方便。 如水銀體溫計(jì)在測(cè)溫時(shí)必須保證初始溫度在36 ℃以下,且等待時(shí)間較長(zhǎng),易破損；電子體溫計(jì)容易受到環(huán)境、周?chē)鷾囟群腿梭w神經(jīng)元的調(diào)控水平等因素影響,準(zhǔn)確度較低,無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。

針對(duì)疫情防控的常態(tài)化,本文構(gòu)想設(shè)計(jì)了一款便攜式體溫智能手表。 在穿戴時(shí),可以自動(dòng)測(cè)量溫度并顯示,當(dāng)體溫超過(guò)正常溫度時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。 該手表將測(cè)溫元件融入其中,能夠顯示溫度以及電子鐘,且把人體散發(fā)的熱量轉(zhuǎn)化為電能為手表提供電源,無(wú)須摘下手表進(jìn)行充電［1］。

1 總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1 所示。 其中,檢測(cè)模塊用來(lái)將人體散發(fā)的熱量進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在電源模塊中為單片機(jī)供電。 同時(shí),檢測(cè)模塊將測(cè)量出來(lái)的人體溫度經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入到單片機(jī)中處理顯示。 若檢測(cè)到的人體溫度過(guò)高,則報(bào)警器發(fā)出報(bào)警,提醒人們注意。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

溫度測(cè)量元件采用熱電偶傳感器,在測(cè)量時(shí)不需要外加電源,可以直接將被測(cè)量體溫轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)［2］。

熱電偶工作原理是當(dāng)兩種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體相互接觸后形成回路,直接測(cè)溫端叫測(cè)量端(熱端),接線端子端叫參考端(冷端)［3］。 當(dāng)兩端存在溫差時(shí),就會(huì)在回路中產(chǎn)生電流,則兩端之間就會(huì)存在Seebeck 熱電勢(shì),即塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)。 熱電效應(yīng)回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)主要由兩部分組成:溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。溫差電勢(shì)是在同一材料的導(dǎo)體兩端因溫度不同而產(chǎn)生的熱電勢(shì),如圖2 所示。 接觸電勢(shì)則是在兩種不同導(dǎo)體的接觸面之間產(chǎn)生的。

圖2 溫差電勢(shì)

根據(jù)物理學(xué)理論推導(dǎo),回路中的總電勢(shì)EAB(T,T0) 為:

公式1 中A,B 分別代表不同材料；σ為湯姆遜系數(shù),表示兩端溫度變化1 ℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電勢(shì)；K 為玻爾茨曼常數(shù)；T,T0分別為熱端和冷端溫度；e 為電子電荷量；NAT,NBT,NAT0,NBT0分別為導(dǎo)體A,B 在溫度T,T0時(shí)的自由電子密度。

從式(1)中,可以看出回路的總電勢(shì)不僅與材料有關(guān),而且與兩端溫度有關(guān)。 當(dāng)材料確定之后,則總電勢(shì)只與溫度有關(guān),即總電勢(shì)EAB(T,T0) 與溫度成單值函數(shù)關(guān)系。

在實(shí)際測(cè)溫中,將兩種不同材料的某一端焊接在一起,即為熱端如圖3 中的接點(diǎn)1；而另一端經(jīng)導(dǎo)線與溫度指示儀表連接,即為冷端如圖3 中的接點(diǎn)2；熱端和冷端輸出的是無(wú)源的電壓差信號(hào),測(cè)溫時(shí)熱端放置在被測(cè)的溫場(chǎng)中,冷端則處在某一恒定溫度下。

圖3 熱電偶測(cè)溫配置

本文中選擇T 型熱電偶測(cè)量。 T 型熱電偶主要用于測(cè)量低溫且線性度好,熱電動(dòng)勢(shì)較大,靈敏度較高,溫度近似線性和復(fù)制性好,傳熱快,穩(wěn)定性和均勻性較好,價(jià)格相對(duì)便宜。

1.2 電源模塊的設(shè)計(jì)

電源模塊是利用兩種塞貝克系數(shù)不同的材料制作而成的微型溫差發(fā)電電路。 將一個(gè)P 型溫差電元件和一個(gè)N 型溫差電元件在熱端用金屬導(dǎo)體電極連接起來(lái),在其冷端分別連接冷端電極,就構(gòu)成一個(gè)溫差電單體或單偶。 在溫差電單體的熱面輸入熱流,電單體熱端和冷端之間建立了溫差,則將會(huì)有電流流經(jīng)電路,如圖4 所示。

圖4 溫差發(fā)電電路

1.3 控制模塊的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)模塊主要采用的是AT89C51 作為微處理單元進(jìn)行控制。 AT89C51 是一種低功耗、高性能、COMS 八位微處理器,片內(nèi)有4 k 字節(jié)在線可重復(fù)編程、快速擦除快速寫(xiě)入程序的存儲(chǔ)器,能重復(fù)寫(xiě)入/擦除1 000 次,數(shù)據(jù)保存時(shí)間為10 年［4］。

AT89C51 可構(gòu)成單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng),不僅縮小系統(tǒng)體積,增加系統(tǒng)的可靠性,降低系統(tǒng)的成本；還可提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密,提供方便靈活而可靠的硬加密手段,能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。 P0 口是數(shù)據(jù)總線口,只有該口能直接用于對(duì)外部存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)操作,如圖5 所示。

圖5 AT89C51 引腳

本系統(tǒng)中,熱電偶傳感器將所測(cè)得的熱電勢(shì)經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后獲取溫差電勢(shì),發(fā)送到AT89C51 單片機(jī)上,通過(guò)處理后,將熱端溫度在LED 點(diǎn)陣屏上顯示出來(lái),并且實(shí)現(xiàn)電子時(shí)鐘的功能。 當(dāng)熱端溫度超過(guò)

37.3 ℃,觸發(fā)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

1.4 顯示模塊的設(shè)計(jì)

LED 點(diǎn)陣屏作為一種現(xiàn)代電子媒體,具有靈活的顯示面積(可任意分割和拼裝)、高亮度、長(zhǎng)壽命、數(shù)字化、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn),應(yīng)用非常廣泛。

從圖6 中可以看出,其實(shí)點(diǎn)陣LED 點(diǎn)亮原理還是很簡(jiǎn)單的。 在圖中大方框外側(cè)是點(diǎn)陣LED 的引腳號(hào),左側(cè)的8 個(gè)引腳是接的內(nèi)部LED 的共陽(yáng)極,上側(cè)的8 個(gè)引腳接的是內(nèi)部LED 的共陰極。 若把9 腳置成高電平、13 腳置成低電平,左上角的那個(gè)LED 小燈就會(huì)被點(diǎn)亮。

圖6 LED 點(diǎn)陣

1.5 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

報(bào)警電路采用蜂鳴器,通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)軟件編程設(shè)計(jì)超過(guò)37.3 ℃實(shí)現(xiàn)蜂鳴報(bào)警。

蜂鳴器分為有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器。 判斷有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器可以用萬(wàn)用表電阻檔Rxl 檔測(cè)試:用黑表筆接蜂鳴器“+”引腳,紅表筆在另一引腳上來(lái)回觸碰。 如果觸發(fā)出咔咔聲且電阻只有8 Ω(或16 Ω)是無(wú)源蜂鳴器；如果能發(fā)出持續(xù)聲音且電阻在幾百歐以上的,是有源蜂鳴器。 這里的有源、無(wú)源不是指電源,而是指震蕩源,即有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源,所以只要一通電就會(huì)發(fā)出聲音。 而無(wú)源內(nèi)部不帶震蕩源,若用直流信號(hào)無(wú)法令其鳴叫,必須用2～5 K 的方波去驅(qū)動(dòng)。

因?yàn)閱纹瑱C(jī)的電流無(wú)法驅(qū)動(dòng)蜂鳴器,所以需要增加一個(gè)三極管進(jìn)行電流放大,如圖7 所示。

圖7 報(bào)警電路

2 社會(huì)效益分析

隨著現(xiàn)在人們的工作和生活節(jié)奏不斷加快,健身時(shí)間、健身場(chǎng)所、健身方式等很難固定。 近年來(lái),迅速發(fā)展的智能設(shè)備通過(guò)對(duì)用戶工作、生活軌跡、規(guī)律的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(如智能手機(jī)、智能手環(huán)等)及體征指標(biāo),有針對(duì)性地幫助用戶解決個(gè)性化需求,逐漸成為引爆人們消費(fèi)的新熱點(diǎn)。 隨著信息化時(shí)代的普及,智能手表因其特性,面向的消費(fèi)群體也逐漸變化,特別受到中青年、老年人的歡迎。 數(shù)據(jù)顯示,2020 年我國(guó)智能手表出貨量達(dá)到2 591 萬(wàn)臺(tái),約占到全年智能穿戴設(shè)備總出貨的24.3%。 智能手表的應(yīng)用價(jià)值在于它結(jié)合了當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代帶來(lái)的便捷功能,進(jìn)一步升級(jí)最新技術(shù),讓這些技術(shù)更好地融入個(gè)人生活,實(shí)時(shí)地檢測(cè)人體狀況,為人們的健康研究提供一系列的建議和規(guī)劃。

在疫情之下,人們對(duì)于健康的需求激增,可穿戴設(shè)備市場(chǎng)隨之熱銷(xiāo),部分產(chǎn)品甚至出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象。 數(shù)據(jù)顯示,2020 年第三季度,全球可穿戴設(shè)備出貨量達(dá)1.253億臺(tái),同比增長(zhǎng)35.1%。 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)方面,2020 年第三季度,中國(guó)可穿戴設(shè)備出貨量3 293 萬(wàn)臺(tái),同比增長(zhǎng)15.3%。

隨著智能手表市場(chǎng)逐漸成熟,新產(chǎn)品/新技術(shù)/行業(yè)動(dòng)態(tài)通常由關(guān)注者向普通人群擴(kuò)展,各大品牌開(kāi)始重視并培育數(shù)碼產(chǎn)品、關(guān)注圈層,進(jìn)而跨圈傳播。 由于目前智能手表與手機(jī)的功能重合度較高,因此探索健康監(jiān)測(cè)以外的功能成為行業(yè)未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。 而在當(dāng)今疫情愈加常態(tài)化,體溫測(cè)量隨處可見(jiàn)的情況下,本設(shè)計(jì)構(gòu)想的體溫智能手表會(huì)更加方便,適應(yīng)當(dāng)前市場(chǎng)的需要和趨勢(shì),能夠激發(fā)消費(fèi)者興趣,并切合消費(fèi)者使用條件和社會(huì)環(huán)境狀況。

3 結(jié)語(yǔ)

本手表可以很好地幫助疫情防控。 在疫情防控逐漸常態(tài)化的情況下,本手表在測(cè)量溫度時(shí)都會(huì)比傳統(tǒng)測(cè)量更方便快捷,因?yàn)樗兄炝私狻⒏鼫?zhǔn)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。 雖然本設(shè)計(jì)與其他手表相比,成本較高,技術(shù)相對(duì)于市面上的智能設(shè)備來(lái)說(shuō)還未成熟,系統(tǒng)設(shè)計(jì)也不是很完善,但目前市場(chǎng)上并無(wú)此類(lèi)可穿戴、無(wú)須供電的測(cè)溫設(shè)備,市場(chǎng)空間較大。