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。