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        紅外測(cè)溫語音播報(bào)溫度儀

        2023-11-14 08:58:36查安琪王書凡曾亮於敏睿
        電子制作 2023年20期
        關(guān)鍵詞:蜂鳴器測(cè)溫按鍵

        查安琪,王書凡,曾亮,於敏睿

        (安徽三聯(lián)學(xué)院,安徽合肥,230601)

        0 引言

        紅外測(cè)溫采用非接觸對(duì)方式,高效迅速對(duì)被測(cè)物體溫度進(jìn)行反饋。不會(huì)像傳統(tǒng)測(cè)溫儀器一樣易被外界溫度干擾導(dǎo)致被測(cè)溫度不準(zhǔn),不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。這個(gè)溫度儀充分發(fā)揮了其自身優(yōu)勢(shì),穩(wěn)定性高,方便,快速,同時(shí)測(cè)得環(huán)境溫度以及被測(cè)溫度,還可設(shè)置溫度報(bào)警值,當(dāng)被測(cè)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)報(bào)警值,則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警播報(bào)蜂鳴器會(huì)發(fā)出刺耳的叫聲。在當(dāng)前新冠疫情期間,人為接觸感染風(fēng)險(xiǎn)較高時(shí)間段,非接觸測(cè)溫儀便顯得尤為突出,它的高效非接觸測(cè)溫能有效解決當(dāng)前人流量多地方的溫度測(cè)量,有力地減少了人力在疫情防控測(cè)溫方面的眾多問題。

        1 紅外測(cè)溫語音播報(bào)溫度儀的發(fā)展前景

        紅外測(cè)溫儀逐漸廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,各個(gè)行業(yè),從國防事業(yè)到工業(yè)應(yīng)用再到人們的日常生活中,方便效率高成本低的優(yōu)勢(shì)使得紅外測(cè)溫在市場(chǎng)上有著極大的需求。尤其在當(dāng)前新冠疫情期間,溫度測(cè)量是防疫最基本的一關(guān),非接觸式測(cè)溫有效地避免了人員接觸,更加安全,應(yīng)用于人員密集流動(dòng)性大的場(chǎng)所甚好,比如檢票處、學(xué)校門口、超市、廣場(chǎng)等地方,有效地減輕了防疫人員的負(fù)擔(dān)以及感染的風(fēng)險(xiǎn)。

        2 紅外測(cè)溫語音播報(bào)溫度儀設(shè)計(jì)

        2.1 紅外測(cè)溫語音播報(bào)溫度儀的硬件設(shè)計(jì)

        該系統(tǒng)主要有89C52 單片機(jī)、1602 液晶顯示器、紅外非接觸溫度檢測(cè)電路、按鍵電路、蜂鳴器報(bào)警電路等組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)概括圖如圖1 所示。

        圖1 紅外測(cè)溫語音播報(bào)溫度儀系統(tǒng)原理圖

        2.1.1 STC89C52 單片機(jī)的選擇

        本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)不需要復(fù)雜的功能實(shí)現(xiàn),對(duì)數(shù)據(jù)處理方面要求不高且在成本方面看運(yùn)用STC89C52 單片機(jī)最為合理。由它作為主要控制器。

        STC89C52 是一種高效率低消耗的CMOS8 位微控制器,有8k 字節(jié)程序存儲(chǔ)空間,512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,內(nèi)帶4k字節(jié)存儲(chǔ)空間,可直接使用串口下載,具有可編程Flash 存儲(chǔ)器8k 基礎(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)。在單個(gè)芯片上,擁有8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash,從而使得STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超高效的解決方案[1]。

        如圖2 所示,是單片機(jī)最小系統(tǒng)組成,由復(fù)位、時(shí)鐘、電源電路組成,單片機(jī)便能正常工作。VCC 與GND 為單片機(jī)電源引腳為單片機(jī)提供充足的電源。復(fù)位電路主要由按鍵S1、電解電容EC1 和電阻R1 組成,實(shí)現(xiàn)手動(dòng)按鍵復(fù)位功能和自動(dòng)復(fù)位功能。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位按鍵接口收集到兩個(gè)高信號(hào)以后進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位,實(shí)現(xiàn)手動(dòng)按鍵復(fù)位功能;當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)到電壓從低電位升至高地位,一段時(shí)間以后,系統(tǒng)便能與接地形成一條通路,自動(dòng)地將高電平降低,從而使得單片機(jī)的地位降低,從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)復(fù)位功能。有控制的數(shù)字電路需要有個(gè)時(shí)鐘電路自動(dòng)發(fā)出時(shí)間,使得控制芯片正常工作。運(yùn)用晶振以及電容的組合,電容幫助晶振起振是數(shù)字控制器正常工作的重要因素。

        圖2 系統(tǒng)整體原理圖

        2.1.2 實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)溫效果

        非接觸測(cè)溫是通過測(cè)量目的物體表面所輻射的紅外能量來確定其表面溫度,該設(shè)計(jì)測(cè)量范圍廣,既可以測(cè)量靜態(tài)物體的溫度,也可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)中的物體,高效準(zhǔn)確,適用于很多人為無法直接測(cè)量的高溫測(cè)量環(huán)境。當(dāng)前,新冠疫情嚴(yán)重管控時(shí)期,發(fā)燒是主要病理反應(yīng),測(cè)量溫度也變得重要。出入大大小小公眾場(chǎng)合都需要測(cè)量溫度,非接觸式測(cè)溫既減輕人員壓力也提高了安全方便性。

        (1) MLX90614ESF 紅外測(cè)溫模塊電路設(shè)計(jì)[2]

        MLX90614 是一款非接觸式溫度測(cè)量的紅外測(cè)溫儀。它體積小,易集成,成本低。該傳感器溫度范圍在-40℃~+125℃,而物體溫度范圍在-70℃~+380℃。因?yàn)榧闪朔糯笃鞯驮肼暎?7 位ADC 和有效的DSP 對(duì)實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)溫度計(jì)奠定了基礎(chǔ)。在0℃~+50℃溫度范圍內(nèi),Ta 和To 精度可以達(dá)到0.5℃,精確度極高。SMBus 兼容數(shù)字接口能快速讀取溫度數(shù)值并且建立傳感器網(wǎng)絡(luò),SCL 時(shí)鐘端與SDA 數(shù)據(jù)端分別接單片機(jī)引腳,5V 的電壓能大大節(jié)省能源消耗。

        (2)1602 液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì)

        顯示器有很多種選擇,比如LED 數(shù)碼管、LCD 液晶顯示。雖然LED 數(shù)碼管使用時(shí)單片機(jī)口線少,價(jià)格適中,但是本系統(tǒng)要求顯示的數(shù)據(jù)較多,使用此數(shù)碼管便不是適合之選。所以LCD 液晶顯示便是不二之選,該顯示器主要由單片機(jī)驅(qū)動(dòng),可以用來顯示大量數(shù)據(jù)、文字和圖形,能夠顯示清晰多樣的多位數(shù)數(shù)據(jù),加上液晶顯示器的編寫程序簡(jiǎn)單明了故用此更好。

        LCD 液晶顯示器由兩種顯示分別為字段顯示和字符顯示。其中字段顯示與LCD 顯示類似,只要將對(duì)應(yīng)的信號(hào)送到相對(duì)應(yīng)的管腳就能顯示出數(shù)值。然而字符顯示是根據(jù)需要顯示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的就是其中的一種字符型顯示。系統(tǒng)中顯示器件輸出信息為LCD1602。與以往的LED 不同,液晶顯示模塊有著體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),而且不需要外加電路來使其驅(qū)動(dòng),現(xiàn)如今液晶模塊電路也日漸應(yīng)用在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)中。LCD1602 顯示屏上可以顯示2 行、16 個(gè)漢字[3]。

        (3)按鍵設(shè)計(jì)

        按鍵設(shè)計(jì)相當(dāng)于一個(gè)電子開關(guān),用手指按下即接通,松開即斷開。主要通過按壓按鍵內(nèi)部的金屬彈片受到外部壓力彈動(dòng)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的接通或斷開。在此系統(tǒng)中,按鍵可作為輸入,將人為與自動(dòng)相結(jié)合,起紐帶作用。按鍵單片機(jī)控制引腳默認(rèn)為高電平,當(dāng)按下去時(shí),就相關(guān)引腳就變?yōu)榈碗娖?,從而?shí)現(xiàn)了手動(dòng)輸入。

        (4)蜂鳴器設(shè)計(jì)

        蜂鳴器可實(shí)現(xiàn)報(bào)警電路,電路簡(jiǎn)單,穩(wěn)定有效,成本低,可很直接地反映出結(jié)果。采用有源蜂鳴器模塊,利用三極管來驅(qū)動(dòng),單片機(jī)控制引腳為低電平時(shí)便會(huì)發(fā)出蜂鳴聲,反之仍成立。當(dāng)所測(cè)溫度高于預(yù)設(shè)的溫度值(報(bào)警值)時(shí),蜂鳴器會(huì)發(fā)出鳴叫聲報(bào)警,當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)值時(shí)便不會(huì)鳴叫。

        (5)語音播報(bào)電路設(shè)計(jì)

        采用YF017 語音芯片進(jìn)行語音播報(bào),輸出低電平則正常工作播報(bào)溫度,當(dāng)保持高電平時(shí)則處于待機(jī)中。當(dāng)所測(cè)溫度值高于預(yù)設(shè)值,則語音播報(bào)異常時(shí)的溫度,以示提醒。當(dāng)所測(cè)溫度低于預(yù)設(shè)值時(shí),則播報(bào)當(dāng)前正常溫度。

        2.1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能詳細(xì)操作

        (1)液晶1602 實(shí)時(shí)顯示被檢測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度值和被測(cè)物體溫度值,顯示中第一行E 環(huán)境溫度,第二行O 物體溫度。

        (2)可以通過不同按鍵設(shè)置溫度的報(bào)警值,如果MLX90614 檢測(cè)到的溫度高于報(bào)警值,則蜂鳴器將會(huì)發(fā)出刺耳的聲音,反之,蜂鳴器不報(bào)警。

        (3)按鍵播報(bào)當(dāng)前測(cè)量溫度值是否正常。

        2.2 紅外測(cè)溫語音播報(bào)溫度儀的軟件設(shè)計(jì)

        想充分發(fā)揮硬件設(shè)計(jì)的功能,那軟件設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的一步。因?yàn)檎麄€(gè)程序較為復(fù)雜,計(jì)算量較大,需要很多浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算。所以采用C 語言來編寫。對(duì)于大多數(shù)51 系列的單片機(jī),使用C 語言這樣的高級(jí)語言與使用匯編語言相比具有如下優(yōu)點(diǎn):

        (1)不需要了解處理器的指令集,也不必了解存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。

        (2)寄存器分配和尋址方式由編譯器進(jìn)行管理,編程時(shí)不需要考慮存儲(chǔ)器的地址和數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)。

        (3)指定操作的變量選擇組合提高了程序的可讀性。

        (4)可使用與人的思維更相近的關(guān)鍵字和操作函數(shù)。

        (5)與使用匯編語言相比,程序的開發(fā)和調(diào)試時(shí)間大幅縮短。

        (6)C 語言的庫文件提供了許多標(biāo)準(zhǔn)的例程。

        (7)通過C 語言可實(shí)現(xiàn)模塊化編程技術(shù),從而可將已編制好的程序加到 新程序中。

        本設(shè)計(jì)中單片機(jī)開發(fā)環(huán)境是Keil μVision4,Keil μVision4 開發(fā)軟件是目前51 系列單片機(jī)系統(tǒng)的主流程序開發(fā)軟件,Keil μVision4 是STC 公司推出最新一代關(guān)于51 系列單片機(jī)處理器的編譯、連接和調(diào)試集成環(huán)境??梢越档烷_發(fā)周期,從而減少很多成本。其中Keil μVision4 有以下特點(diǎn):

        (1)Keil μVision4 軟件同時(shí)支持WINXP 和WIN7 等多種操作系統(tǒng),提供了豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的開發(fā)工具。

        (2)Keil μVision4 可以完成從編輯、編譯、到連接、調(diào)試的一套開發(fā)流程。

        (3)Keil μVision4 C51 在Keil C51 的基礎(chǔ)上,增加了很多新的功能。如Keil μVision4 更加增強(qiáng)了對(duì)內(nèi)核微控制器的開發(fā)支持,并對(duì)Keil C51 的開發(fā)形式和開發(fā)界面進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

        在Keil μVision4 開發(fā)環(huán)境下,STC89C52RC 芯片 程序燒寫軟件使用的是stc-isp-15xx-v6.85p 燒錄軟件,它是一款集成了代碼下載,在線仿真和串口查看于一起軟件設(shè)備,在51 系列智能產(chǎn)品研發(fā)過程中得到了廣泛使用,性能高,是目前51 系列單片機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)中不可缺少的一部分。通過PL2303 串口燒寫模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)程序的燒寫。PL2303 串口燒寫模塊使用USB 接口,解決了筆記本電腦用戶對(duì)STC 系列單片機(jī)的程序燒寫問題,而且下載器低價(jià)格、高性能,是開發(fā) STC 系列單片機(jī)的首選優(yōu)秀工具。如圖3 所示。

        圖3 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

        2.3 紅外測(cè)溫語音播報(bào)溫度儀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        如圖4 所示,當(dāng)前環(huán)境溫度為10.5℃,被測(cè)溫度為18.1℃,報(bào)警值設(shè)置為37℃。因?yàn)楸粶y(cè)溫度低于報(bào)警值所以語音播報(bào)正常溫度以及蜂鳴器沒有發(fā)出聲音,當(dāng)前處于安全狀態(tài)。當(dāng)把報(bào)警值調(diào)到18℃以下,蜂鳴器就會(huì)發(fā)出刺耳的報(bào)警聲及其語音播報(bào)溫度異常以及被測(cè)溫度數(shù)值。用被利用水溫控制溫度的毛巾作為被測(cè)物體,環(huán)境溫度也用水溫來控制(冰塊或者加熱)。

        表1 紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)分析

        圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果圖

        3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

        本系統(tǒng)主要依靠紅外測(cè)溫模塊為核心的非接觸式紅外測(cè)溫。實(shí)踐系統(tǒng)焊接時(shí)注意的問題有很多,焊接時(shí)要注意正負(fù)極的焊接以及焊點(diǎn)間不可相連到。可以用萬用表正負(fù)極間是否短路等較嚴(yán)重的電源問題,來保證焊接環(huán)節(jié)沒有問題。該系統(tǒng)軟件程序較為復(fù)雜,調(diào)試時(shí)很多時(shí)候功能不能完全體現(xiàn),較為復(fù)雜的程序調(diào)試時(shí)容易出錯(cuò),需要不斷調(diào)試,反復(fù)進(jìn)行,使得所有功能均能滿足。

        4 總結(jié)

        紅外測(cè)溫語音播報(bào)溫度適用于很多人多的地方,運(yùn)用廣泛。能通過復(fù)雜的設(shè)計(jì)研究制作出如此有用幫助社會(huì)的系統(tǒng),是創(chuàng)新方面的很大一步提高。該系統(tǒng)運(yùn)用非接觸式測(cè)溫避免了人傳人這重大隱患,除了在此方面以外,還可以用在工廠領(lǐng)域。比如化學(xué)行業(yè)中,煉廠在常規(guī)的預(yù)防維護(hù)工作中,用來檢測(cè)受熱面集結(jié)碳的比例;又如在玻璃行業(yè),產(chǎn)品處于動(dòng)態(tài)中,要加熱到很高溫度,這時(shí)紅外測(cè)溫儀就可以用來測(cè)量爐中溫度。應(yīng)用普遍,高效解決了很多難題。

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