基于单片机的体温测量系统设计毕业论文(设计)

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毕业论文(设计) 题目基于单片机的体温测量系统设计

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1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

1、引言 (6)

1.1课题研究的目的与意义 (6)

1.2 国内外发展现状 (7)

1.3 本文的设计工作 (7)

2、系统总体设计 (8)

2.1 设计任务 (8)

2.2 系统设计 (8)

3、系统硬件设计 (9)

3.1接口电路设计 (9)

3.2传感器接口电路设计 (10)

3.2.1红外温度传感器的原理 (10)

3.2.2 ZTP135S-R的工作原理和性能 (10)

3.3 电压信号放大电路设计 (12)

3.4显示模块电路设计 (13)

3.5 A/D转换模块电路设计 (14)

3.6 实时时钟模块电路设计 (15)

3.7 正负电压转换电路设计 (16)

4、系统软件设计 (17)

4.1 整体流程框图 (17)

4.2 各模块程序设计 (17)

4.2.1 A/D转换模块程序设计 (17)

4.2.2 数据处理模块程序设计 (18)

4.2.3 实时时钟模块程序设计 (20)

4.2.4显示部分模块程序设计 (21)

4.2.5中断模块程序设计 (22)

5、总结 (23)

致谢 (24)

参考文献 (25)

Abstract (26)

附录一、原理图 (27)

附录二、程序设计 (28)

基于单片机的体温测量系统设计

洪亮

南京信息工程大学电子信息工程系，南京 210044

摘要：本文是以AT89S52单片机为核心，根据红外线测温仪的原理，设计了一种非接触式人体体温测试仪。该系统包括硬件设计和软件设计两部分。硬件方面首先进行了系统的总体电路设计，然后分别从红外线传感器、电压信号放大、A/D转换、实时时钟、正负电压转换、显示部分等功能模块进行了电路设计。软件方面首先进行了系统的总体程序设计，然后分别从A/D转换、数据处理、实时时钟、中断部分、显示部分等模块进行了程序设计。本系统采用模块化设计，系统由各个应用模块组成，所以整个程序的编制和维护都比较方便，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和设计框架，从而实现非接触式人体体温的数字显示。

关键词：单片机；红外热释传感器；体温；液晶显示

1、引言

1.1课题研究的目的与意义

高等动物都有一定的体温，一定的体温是机体不断的新陈代谢的结果，同时体温又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条件下，通过对体内产热和散热过程的调节来保持体内温度的相对稳定，并提高对环境温度变化的适应能力。在正常情况下，人的温度保持在37℃上下（大致介于36.2℃—37.3℃）。不受外界环境温度的变化而变化。但是当人体内的某些机能发生变化或某些部位发生病变时，恒定的体温将会发生变化；在临床医学中，体温是一个重要的生理参数，病人的温度为医生提供了生理状况的重要信息。还可以对某些重大疾病或隐藏于身体内部的健康问题起着积极的预防和警示作用。

在“非典”期间，人体体温便是检测并隔离患者状况的一个重要参数，从而达到了控制“非典”大规模扩散的作用。在公共场所进行体温监测时主要考虑以下三个要求：非接触性、测量的快速性和准确性。采用红外非接触测温方法可以满足这些要求。因此对非接触式人体温度测量是

非常有意义的，也是应付突发要求的必要工作。

1.2 国内外发展现状

由于近些年“非典”和猪流感的袭击，在我国迅速诞生了一支专门抗击非典的医疗仪器队伍，特别是在红外体温检测仪的研发方面取得了突出的成就。国家相关部门也在重点强调非接触式体温计的研发。

随着现代科技的发展,新材料、新工艺的运用,各式各样的体温计陆续出现,探测方式不断改进。国内外体温计的发展大致分为三个阶段。第一阶段是常见的玻璃水银体温计；第二阶段是电子体温计；如今应用最为广泛的是非接触式红外体温计。

水银体温计虽然价格便宜但是有诸多弊端：首先，水银体温计遇热或安置不当，体温计容易破裂。其次，人体接触水银后会中毒，中毒症状是恶心、头痛、腹泻、脱发等，严重者会造成血液凝固。因为水银有剧毒，一旦它污染了水源或食物，可以对人的肾脏、肺等造成极大的伤害，水银也能加速人神经系统退变。最后，采用水银体温计测温需要相当长的时间(5min～10min)，使用不便。

电子体温计是采用热敏电阻测量温度的，电子体温计能快速准确地测量人体温度，与传统的水银玻璃体温计相比，具有读数方便、测量精度高、能记忆并有蜂鸣提示的优点，尤其是电子体温计不含水银，对人体及周围环境无害，特别适合于家庭、医院等场合使用。但采用电子体温计测温也需要较长的时间，同样使用不便。

非接触式红外体温计是根据黑体辐射原理通过测量人体辐射的红外线而测量温度的。它用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线而不向人体发射任何射线，它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且价格低，体积小，实现了体温的快速准确测量，具有稳定性好，精度高，测量安全，使用方便等特点。目前市场上虽然已经有这样的产品出现，但由于它们的价格较高，功能较少，精度不高等缺点[3]。。

1.3 本文的设计工作

非接触式人体体温测试仪的设计技术目前已经达到成熟，目前市场上已经有很多这样的产品出现，但由于它们的价格较高，功能较少，精度不高等缺点，使得它们即不能占据低端市场，也不能占据高端市场。并且从非接触式人体体温测试仪的成本出发，还有很大的利润空间，有继续研究的价值。

本文是以单片机为核心，先通过传感器将光信号转换为电压信号，再通过电压信号放大电路将电压信号放大成A/D转换模块能够识别的模拟信号，再通过A/D转换，将模拟信号转换成单片机能够识别的数字信号，再将数字信号转换成系统所要显示的温度值，与读入的温度值一起通过液晶显示器进行显示。

2、系统总体设计

2.1 设计任务

我们根据红外线测温仪的原理，通过关键器件的选择以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的精确度，设计了一种红外线测温电路，用于对人体温度的快速测量。我们要设计的红外体温计其测量范围是35℃～42℃ ，且精度为±0．1℃ 。在该设计中，以AT89S52单片机为主体，配有高精度放大器、8位ADC和实时时钟，测量值和时间值用液晶屏进行显示。

2.2 系统设计

在硬件方面，一个系统的硬件设计中应选择合适型号的单片机后，进行系统所需的扩展和配置。按照系统功能要求进行扩展和配置外围设备。要设计合适的接口电路，系统的扩展和配置应遵循以下原则：

⑴尽可能选择常用单片机。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。本次设计选取的是

AT89S52单片机。

⑵系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便二

次开发。

⑶系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。

⑷可靠性及干扰设计是硬件设计必不可少的一部分。

本次设计首先选择设计所需AT89S52芯片，根据实际要求利用Protel软件绘制课题的原理图和PCB图，外围设备电路简单，干扰较小。

在软件方面，单片机应用系统中软件的设计在很大程度上决定了系统的功能。软件的资源细分为系统理解部分、软件机构设计部分和程序设计部分。

⑴系统理解是指在开始设计软件前，熟悉硬件留给软件的接口地址，I/O口方式，确定存储空

间的分配，应用系统面板控制开关、按键、显示的设置等。

⑵软件结构设计要结合单片机所完成的功能确定相应的模块程序，比如一般子程序、中断功能

子程序的确定。确定模块程序运行的先后顺序，绘制程序整体流程图。

⑶程序设计和其他软件程序设计一样，首先要建立数学模型，选定数学算法，绘制具体程序流

程图，做好程序接口说明。然后选取C语言（汇编语言或C语言）。

本次课题的软件设计采用的是模块化设计，使用C语言编写程序，结构清晰简捷。

此系统是通过红外热释传感器ZTP135S-R采集人体体温并以电压信号的形式输出并进行放大，然后将模拟电压信号通过模数转换器转换成与之对应的数字量，经单片机对数据的非线性处理及分析，并显示在LCD上，即完成一次体温的测量，若需储存测量值，可储存一段数据到内部数据存储器中，整体框图如图2.1所示：

图2.1 整体框图

3、系统硬件设计

本系统硬件由七个应用模块组成，下面便是我对各个模块的电路设计：

3.1接口电路设计

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 的系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM， 32位I/O口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止[4]。

本次DS12C887通过三总线与MCS-51相连。它们通过外部总线与单片机通信。DS12C887通过外部总线从单片机中读取时间初值，启动后，再实时的向单片机传输时间数据，它的片选脚CS于单片机的P2^7相连，所以他的首地址为：0X7F00。

由于需要通过单片机给DS12C887设置初始值，所以用了INT0中断来产生中断，在中断中改变时间值，对时间值进行修改用到的引脚有P2^2、P2^3和P2^4，它们的功能分别是P2^2和P2^3对时间进行加减，P2^4为位选，选中需要修改的时间位，具体设计在软件部分介绍。下面说明单片机其他引脚的使用状况。P0作为地址和数据复用口，它分别与DS12C887的AD0-AD7、TC1602A的DB0-DB7和DAC0809的D0-D7相连，它从ADC0809中读入数据，向TC1602A 传输数据，对DS12C887是即读入也输出数据。P1端口的P1^4与ADC0809的EOC相连、P1^0、

P1^2和P1^3分别与TC1602A的RS、RW和E相连。P3口的P3^6（WR)与DS18C887的R/W和74LS00的一个输入脚相连，具体的功能说明在下文的各芯片接口设计中会一一介绍。

3.2传感器接口电路设计

3.2.1红外温度传感器的原理

自然界一切温度高于绝对零度(-273．15℃)的物体，由于分子的热运动都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克(Plank)定律。红外测温的原理是一样的,都是根据普朗克原理。一般理解红外测量的是物体的温度，其实测的是目标物与传感器或者说是物体与环境温度之间的差值。物体辐射能量的大小直接与该物体的温度有关，具体地说,是与该物体热力学温度的4次方成正比．用公式可表达为：

E=δε(T4-T04)（1）式中,E是辐射出射度，单位是W／m3；

δ是斯蒂芬一波尔兹曼常数,5．67x10-8W／(m2·K4)；

ε是物体的辐射率；

T是物体的温度(K)；

To是物体周围的环境温度(K)；

人体主要辐射波长为9 μm～10 μm的红外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收,因而也可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。

红外温度传感器利用热电偶原理,测量目标物与传感器或者物体与环境温度之间的差值。热电偶的原理是二种不同的金属A和B构成一个闭合回路,当二个接触端温度不同时(T>To),回路中产生热电势Eab,其中T称为热端、工作端或测量端,To称为冷端、自由端或参比端。A和B称为热电极。热电势的大小由接触电势(也叫伯尔贴电势)和温差电势(也叫汤姆逊电势)决定[5]。

3.2.2 ZTP135S-R的工作原理和性能

GE公司生产的ZTP135S—R型红外温度传感器

是一种专门用于非接触式测量体温的器件，其主

要参数见表3.1所示：

其外形和引脚排列如图3.1和3.2所示：

图3.1 ZTP135S-R的外形

图3.2 ZTP135S-R的引脚排列

其引脚功能如下：

·1脚接+5V；

·2脚为电压输出端；

·3脚接地；

被测物体的辐射能经过窗口和光阑聚焦在接收元件(热电堆) 的受热片上，受热片上有60只串联的热电偶，每只热电偶的热端在受热片的中央部位围成一圈，焊接在一起，从引线就可以得到所有电偶的热电势之和。这种结构设计具有较小的热惯性和较高的灵敏度，传感器采用负温度系数电热调节器进行环境温度补偿[6]。

图3.3、图3.4和图3.5 分别给出了该传感器的灵敏度变化曲线、内阻变化率曲线和传输波形

图3.3 ZTP135S-R的灵敏度变化曲线图3.4 ZTP135S-R的内阻变化率曲线

图3.5 ZTP135S-R的传输波形

3.3 电压信号放大电路设计

本设计所采用的放大器是低功耗精密运算放大器OP07，它的特点是超低失调、低漂移、高精度，电路正比特性好，零点失调电压小。OP07可以通过在1、8管脚之间加上一个电位器进行输入漂移调零，这对于低输出的信号的放大效果非常好。其低输入偏置电流为1.8nA，供电范围为3V到22V，超低失调的最大值为150mV。它的性能正好解决了红外温度传感器对运放的特殊要求。由于热电堆的内阻较高(约60K )，而输出电压又非常小(1mV左右)，须使用具有高输入阻抗(＞1012 )的CMOS输入运算放大器。

因为测量的人体温度在35～42℃范围内，传感器的输出电压范围为0.7～1.5mV，采用两极放大的形式，将电压放大3000倍，即放大后电压为2.1～4.5V，以供单片机A/D转换，单片机的A/D转换参考电压选择5V。其放大电路图如下图3.6所示。

图3.6 OP07两级放大电路图

电压跟随器的输出电压0U 与输入电压1U 的关系为：

（2） 在上述运放电路图中，用到了三个OP07，其中第一级是电压跟随器，它的作用是稳定电压，由于这次使用的温度传感器输入的是弱电压信号，极易受到外部因素的干扰，且ADC0809进行模数转换需要一段时间，在这段时间内需要提供稳定的电压信号，因此这第一级是非常重要的。

1U 的 关系为： 1f 0)1(U R

R U += (3) 后面的两个OP07便是起到了放大作用，它使用的是反相比例运算电路，第一级放大了30倍，第二级放大了100倍。

3.4 显示模块电路设计

TC1602AD 主要由DDRAM 、CGROM 、CGRAM 、IR 、DR 、BF 、AC 等大规模集成电路组成，DDRAM 为数据显示用的RAM ，用以存放用LCD 显示的数据，只要将保准的ASCII 码放入DDRAM ，内部控制线路就会自动将数据传送到显示器上，并显示出该ASCII 码对应的字符。CGROM 为字符产生器ROM ，它存储了192个5*7的点阵字型，但只能读出不能写入。CGRAM 为字型、字符产生器的RAM ，可供使用者存储特殊造型的造型码，CGRAM 最多可存8个造型，IR 为指令寄存器，负责存储单片机要写给LCD 的指令码，当RS 及R/W ——

引脚信号为0，且Enable 引脚信号由1变为0时，D0-D7引脚上的数据便会存入到IR 寄存器中。DR 为数字寄存器，它们负责存储微机要写到CGRAM 或DDRAM 的数据；或者存储单片机要从CGRAM 或DDRAM 读出的数据。因此，可将DR 视为一个数据缓冲区，当RS 及R/W ——引脚信号为1且Enable 引脚信号由1变为0时，读取数据；当RS 引脚信号为1，R/W ——引脚信号为0，且Enable 引脚信号由1变为0时，存入数据。BF 为忙碌信号，当BF 为1时，不接受微机送来的数据或指令；当BF 为0时，接受外部数据或指令。所以，在写数据或指令到LCD 之前，必须查看BF 是否为0。AC 为地址计数器，负责计数写入/读出CGRAM 或DDRAM 的数据地址，AC 依照单片机对LCD 的设置值而自动修改它本身的内容。TC1602A 可分2行共显示32个字符，每行显示16个字符[2]。

单片机与液晶的接口如图3.7所示。在设计液晶电路时，需注意以下几点：

（1）注意“判忙”信号（BF)。单片机向液晶模块发送数据后，需等待并判断BF 信号为高，所以，BF 脚为双向口，设计时需注意。在编写液晶控制程序时，也可以不判断BF 信号，只需要延时一段时间就可以，这样可以避免双向口操作的麻烦。

（2）有些单片机的I/0口是3.3V ，但很多液晶器件的是5V,因此单片机与液晶不能直接相接而需转换电平。

图3.7 单片机与液晶的接口

3.5 A/D转换模块电路设计

ADC0809与AT89S52单片机的一种连接方法如图3.8所示。AT89S52与ADC0809接口时必须注意处理好以下问题：

·在START端送一个100ns宽的启动正脉冲；

·获取EOC端上的状态信息，因为它是A/D转换的结束标志；

·ADDA、ADDB、ADDC分别接系统的低三位地址，只要把这三位地址写入ADC0809的

址锁存器，就实现了模拟通道的选择；

·START和ALE互连可以使ADC0809在接收模拟量路数地址时启动工作；

·A/D转换后得到的数据为数字量，这些数据传送到单片机中进行处理。

·给“三态输出锁存器”分配一个端口地址，也就是给OE端送一个地址译码器的输出信号。

本次设计因为只使用了一个模拟通道IN0，所以我为了使电路看起来简单易懂，将ADDA、ADDB、ADDC都接地，这样ADC0809永远选通0通道了。ADC0809的时钟信号由单片机的ALE 信号经过74LS74二分频得到，它的时钟信号为1MZ,又由于ADC0809与DS18C887同时使用单片机的WR脚。为了防止在使用时相互的干扰，我将WR和RD都与单片机的P1^1通过或非门后再与ADC0809相连。这样，当P1^1为高电平时，无论WR和RD产生什么信号，ADC0809都不启动。当P1^1为低电平时，当WR信号为低电平时，送到A/D转换器的ALE和START 引脚为高电平，启动A/D转换，由于这次我使用的是查询方式为转换结束方式，所以当EOC 为低电平时，转换结束。输出数据使能OE,读取转换数据。

图 3.8 ADC0809与AT89S52的链接

3.6 实时时钟模块电路设计

DS12C887是Dallas公司开发的实时时钟芯片，DS12C887可以提供实时时钟/日历、时间报警、三个可屏蔽中断、一个可编辑方波输出、113B电池供电的静态RAM。DS12C887内部集成了一个晶体和一个锂电池，采用DIP封装方式。DS12C887能够自动调整31天和30天的月份，期间可以在24小时和12小时方式（AM/PM)间切换。在芯片内部有一个精确的温度补偿电路，用于检测电源电压的状态。当电源电压的变化超出允许范围时，内部电源切换到备用电池供电[2]。

DS12C887主要应用在嵌入式系统、仪表、安全系统、网络交换机、路由器等方面。

DS12C887与AT89S52单片机的一种常用连接方法如图3.9所示。AT89S52与DS12C887接口时必须注意处理好以下问题：

（1）时间值只需一开始设置，以后只需要读取就行了。

（2）数据传输都是用的P0端口，得控制好状态控制信号，防止出现错误。

图 3.9 DC12C887与AT89S52的链接

3.7 正负电压转换电路设计

在运放环节，我们用到了-5V的电压，由于这里只有+5V的电压，因此，我们需要电压转换，将+5V转换为-5V，这里用到了ICL7660。

产生-5V的电路图如下图3.10所示：

3.10 -5V电源的发生电路

4、系统软件设计

本系统软件设计包括整体流程框图和各模块程序设计两部分。各模块的设计如下：

4.1 整体流程框图

本设计采用单片机AT89S52编程实现。程序由C语言编写。本程序主要分为以下几部分：A/D采集程序，数据处理程序，LCD显示程序。其中主程序流程图如图4.1所示：

图4.1 主程序流程图

4.2 各模块程序设计

本节就各部分程序模块设计进行了阐述，主要包括A/D转换模块、数据处理模块、显示模块，详细介绍了各部分模块的流程并对其设计思想进行了叙述，从而实现了人体体温的软件设计。

4.2.1 A/D转换模块程序设计

本次设计A/D采集程序实现一路数据采集，采用定时传送方式。对于一种A/D转换器来说，转换时间是一项固定不变的技术指标。ADC0809的转换时间为128us。本次设计是通过EOC与单片机的INTO相连，当数据转换完成时，EOC向单片机发送中断请求，单片机响应中断，读取转换数据。ADC0809的D0—D7与单片机的P0口相连。单片机的ALE信号经过74LS74二分频后，作为ADC0809的时钟信号。用P1^1和P1^2来产生片选和使能信号。

首先，片选ADC0809，启动ADC0809开始转换，让程序处于循环中，当转换结束时，程

序从循环中跳出，将转换结果输入单片机，

其程序流程图如图4.2所示：

图4.2 A/D转换流程图

4.2.2 数据处理模块程序设计

传感器输出模拟电压信号经OP07放大后，转换成0～5V的电压，而单片机只能处理数字信息，就需要进行模数转换，转换完成后的数字量如何处理成与之对应的温度值就变得尤为重要，它直接影响输出温度值的准确性，是整个软件设计中最重要的部分。其数据处理部分的总流程图如图4.3所示。

图4.3 数据处理流程图

根据图3.4可知，当人体体温在35℃～42℃范围内变化时，传感器的输出电压范围为

0.7～1.5mV，采用两极放大的形式，将电压放大3000倍，即放大后电压为2.1～4.5V，从

而可知对应的数字量范围为107～230，找出数字量与温度的关系即可准确的显示出温度值。

转换后与温度的对应关系如图4.4所示。

图4.4 数字量与温度对应关系

根据图4.2所示，可以计算出数字量与温度的对应关系，即

温度×1000=数字量×57+28900

（4）

经数据处理后，其温度值为放大1000倍的温度值，而本设计只保留一位有效数字，故

前三位为有效温度值，而且要将双字节温度转换为BCD码，才是实际要显示的温度值。

在计算机中，用BCD码来表示十进制数。通常，BCD码在计算机中又分为两种形式：一

种是1B放一位BCD码，称为非压缩BCD 码，适用于显示和输出。一种是1B放2位BCD码，

称为压缩的BCD码，适用于运算及存储。十进制数B与一个8位的二进制数的关系可以表示

为

图4-5 小数点四舍五入流程图（5）

只要依十进制运算法则，将bi(i=7,6，……，1,0)按权相加，就可以得到对应的十

进制数B。

当人体体温在35℃～42℃范围内变化时，传感器的输出电压范围为0.7～1.5mV，，

ADC0809的输入电压为2.1～4.5V，从而可知单片机接受对应的数字量范围为107～230。在

运用公式计算温度时，由于温度值是浮点型，数字量是无符号整型，数字量*57则有可能大

于65536，必须使用长整型，因此在计算前得先进行数据类型转换，先将数字量转换为长整