基于STM32的紅外測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于STM32的紅外測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于STM32的紅外測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)87-目錄中文摘要 -2-英文摘要 -3-1引言 -4-1.1課題研究的背景及意義 -4-1.2數(shù)字式測溫和紅外測溫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 -5-1.3紅外測溫的特點(diǎn) -6-2系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與論證 -6-2.1單片機(jī)選擇與論證 -6-2.2紅外傳感器選擇與論證 -7-2.3顯示模塊選擇與論證 -7-3系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) -7-3.1STM32F103系列微控制器概述 -8-3.2MLX90614紅外測溫模塊設(shè)計(jì) -10-3.3DS18B20溫度檢測模塊設(shè)計(jì) -11-3.4LCD1602顯示模塊設(shè)計(jì) -12-3.5按鍵控制模塊設(shè)計(jì) -13-3.6復(fù)位電路設(shè)計(jì) -14-3.7電源電路設(shè)計(jì) -14-3.8報(bào)警電路設(shè)計(jì) -15-3.9本章總結(jié) -16-4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) -16-4.1主程序流程圖的設(shè)計(jì) -17-4.2部分程序流程圖的設(shè)計(jì) -18-4.3程序?qū)崿F(xiàn) -21-5系統(tǒng)調(diào)試 -28-5.1系統(tǒng)軟件調(diào)試 -28-5.2系統(tǒng)硬件調(diào)試 -31-6總結(jié) -33-謝辭 -34-參考文獻(xiàn) -351-圖表清單TOC\h\z\c"圖表"圖3-1系統(tǒng)硬件電路整體框圖 -8-圖3-2STM32F103封裝圖 -9-圖3-3STM32F103引腳圖 -9-圖3-4STM32F103主控電路 -10-圖3-5MLX90614紅外測溫電路 -11-表3-1MLX90614引腳功能介紹 -11-表3-2DS18B20引腳及功能 -11-圖3-6DS18B20溫度檢測模塊硬件電路連接圖 -12-圖3-7LCD1602液晶顯示屏顯示模塊硬件電路連接圖 -13-圖3-8按鍵控制模塊硬件電路連接圖 -13-圖3-9復(fù)位電路 -14-圖3-10電源管理電路 -15-圖3-113.3V轉(zhuǎn)換電路 -15-圖3-12報(bào)警電路 -15-圖3-13整體硬件原理圖 -16-圖4-1主程序流程圖 -17-圖4-2LCD液晶顯示模塊 -18-圖4-3SMBus數(shù)據(jù)包組成 -19-圖4-4數(shù)據(jù)讀取的格式 -19-圖4-5MLX90614程序流程圖 -20-圖4-6DS18B20程序流程圖 -21-圖4-5程序編寫頁面 -22-圖5-1Proteus8.8進(jìn)入頁面 -28-圖5-2Proteus仿真軟件操作頁面 -29-圖5-3基于STM32紅外測溫系統(tǒng)仿真圖 -29-圖5-4環(huán)境溫度顯示頁面 -30-圖5-5目標(biāo)溫度顯示圖 -30-圖5-6報(bào)警溫度 -30-圖5-7蜂鳴器報(bào)警 -30-圖5-8AltiumDesigner16操作頁面 -31-圖5-9系統(tǒng)整體原理圖 -32-基于STM32的紅外測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要:隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會的進(jìn)步。溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)之一，體溫是人體生命活動的基本特征，也是觀察人體機(jī)能是否正常的重要標(biāo)志之一。紅外測量為測量人體溫度提供了快速，非接觸測量手段，可廣泛的應(yīng)用于密集型人體體溫測量。紅外測溫技術(shù)是一門很實(shí)用和前言的技術(shù)。作此課題，有利于理論聯(lián)系實(shí)際，更好的掌握這一方面的知識體系，是對學(xué)習(xí)內(nèi)容的升華，特別是對單片機(jī)控制技術(shù)的深入理解。對于自身綜合素質(zhì)和工程能力的培養(yǎng)有重要的意義。紅外測溫儀在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但由于醫(yī)用紅外測溫儀的特殊要求。1989年以來，熱釋電耳道式測溫儀才成功的用于體溫測量，1991年以后該產(chǎn)品已經(jīng)遍及歐美市場，我國在這方面起步較晚。隨著醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展，人們對非接觸、快速有效測溫技術(shù)的需求越來越大，傳統(tǒng)的接觸式人體測溫儀已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代醫(yī)用領(lǐng)域的測溫需求。紅外測溫儀具有安全、可靠、非接觸、快速、準(zhǔn)確、方便、壽命長等方面不可替代的優(yōu)勢，己被越來越多的醫(yī)療行業(yè)認(rèn)識和接受。本文通過基于STM32的紅外測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供更好的建議，促進(jìn)其發(fā)展。關(guān)鍵詞:STM32；紅外測溫；設(shè)計(jì)

Designofinfraredtemperaturemeasurementsystembasedonstm32

Abstract:WiththedevelopmentofChina'seconomyandsociety.Temperatureisoneoftheimportantparameterstodeterminethestateofmatter.Bodytemperatureisthebasiccharacteristicsofhumanlifeactivities,andalsooneoftheimportantsignstoobservewhetherhumanfunctionisnormal.Infraredmeasurementprovidesafast,non-contactmethodformeasuringhumanbodytemperature,whichcanbewidelyusedinintensivehumanbodytemperaturemeasurement.Infraredthermometryisaverypracticalandforewordtechnology.Itishelpfultocombinetheorywithpracticeandmastertheknowledgesystemofthisaspectbetter.Itisthedistillationoflearningcontent,especiallythein-depthunderstandingofMCUcontroltechnology.Itisofgreatsignificanceforthecultivationofselfcomprehensivequalityandengineeringability.Infraredthermometersarewidelyusedintheindustrialfield,butduetothespecialrequirementsofmedicalinfraredthermometers.Since1989,pyroelectricearchannelthermometershavebeensuccessfullyusedintemperaturemeasurement.Since1991,theproductshavebeenwidelyusedinEuropeanandAmericanmarkets,andChinastartedlateinthisrespect.Withtherapiddevelopmentofmedicaltechnology,peopleneedmoreandmorenon-contact,fastandeffectivetemperaturemeasurementtechnology.Thetraditionalcontacthumanbodythermometercannotmeettheneedsofmodernmedicalfield.Infraredthermometerhastheirreplaceableadvantagesofsafety,reliability,non-contact,fast,accurate,convenient,longlifeandsoon.Ithasbeenrecognizedandacceptedbymoreandmoremedicalindustry.BasedonthedesignofinfraredtemperaturemeasurementsystembasedonSTM32,thispaperprovidesbettersuggestionsandpromotesitsdevelopment.Keywords:STM32;infraredtemperaturemeasurementsystem;design基于STM32的紅外測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)1引言1.1課題研究的背景及意義由于需要尋求醫(yī)學(xué)發(fā)展，在許多情況下，普通水銀溫度計(jì)不能滿足快速和準(zhǔn)確的溫度測量的要求，如車站和機(jī)場等人口稠密的地方進(jìn)行人體溫度測量。雖然國外溫度測量技術(shù)比較成熟，但國內(nèi)在這方面的技術(shù)還處于發(fā)展階段。因此，為了滿足醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要，紅外非接觸式測溫就顯得至關(guān)重要。隨著人們生活水平的不斷提高和生活需求水平的提高，人們越來越關(guān)注自己的健康，而體溫、血壓、脈搏和呼吸是一種重要參數(shù)確定人體健康，監(jiān)測和測量這些生理指標(biāo)可以更好地反映人體的健康狀況，使其在醫(yī)療領(lǐng)域占有非常重要的地位。人體的溫度對我們是很重要的，如果沒有體溫計(jì)或者測得的溫度精度不高，那么我們對于人體健康的判斷就是模糊的、不準(zhǔn)確的，就比如在現(xiàn)今的疫情防控中，如果我們不清楚人員的體溫就無法判斷這個(gè)人是否需要隔離，或者我們?nèi)绻麩o法得到準(zhǔn)確的體溫就可能造成錯(cuò)誤隔離。所以說溫度對于我們?nèi)祟悂碚f是一個(gè)很重要的計(jì)量單位，那么如何更加高效衛(wèi)生的測量溫度就出現(xiàn)在了我們面前。傳統(tǒng)的水銀體溫計(jì)在測量體溫時(shí)不僅耗時(shí)長還不衛(wèi)生，要知道在使用水銀體溫計(jì)就需要與人體有一定的接觸，所以在現(xiàn)今的新冠病毒防疫中完全起不到任何作用。那么這時(shí)候紅外測溫的優(yōu)點(diǎn)就體現(xiàn)出來了，要知道紅外測溫是一種非接觸式的測溫，所以在疫情防控中可以起到很大的作用。本設(shè)計(jì)主要圍繞體溫的生理指標(biāo)，以STM32為控制核進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度采集，開發(fā)整個(gè)設(shè)計(jì)過程。紅外溫度計(jì)根據(jù)紅外溫度計(jì)的原理，通過選擇關(guān)鍵器件并自動調(diào)節(jié)溫度補(bǔ)償，提高了紅外溫度計(jì)的精度。本文主要概述了非接觸式人體體溫測試儀的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件首先討論了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，然后討論了紅外傳感器、運(yùn)算放大器、按鍵電路、數(shù)據(jù)處理、顯示部分等功能模塊的討論，并詳細(xì)介紹了每個(gè)芯片的結(jié)構(gòu)和功能，使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。軟件使用C語言來編寫，可以使編譯速度快，運(yùn)行速度高。非接觸式溫度計(jì)的設(shè)計(jì)以功能為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新為導(dǎo)向，以實(shí)踐為基礎(chǔ)，具有廣闊的發(fā)展前景和廣泛的應(yīng)用前景。通過這種設(shè)計(jì)，希望今后擴(kuò)大溫度監(jiān)測應(yīng)用的應(yīng)用范圍，提供新的思路和方法，在醫(yī)學(xué)、體育、消防、軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域多用廣泛。1.2數(shù)字式測溫和紅外測溫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀溫度傳感器從最初的分立式發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)字式，一共經(jīng)歷了三代，最新式的數(shù)字溫度傳感器相對于之前的兩代溫度傳感器有了以下技術(shù)的革新：(1)數(shù)字溫度傳感器的信號是經(jīng)過濾波和增益放大的，所以它克服了普通信號中易產(chǎn)生雜波和波形失真和衰減的弊病，可以實(shí)現(xiàn)更好的穩(wěn)定性和可靠性。(2)數(shù)字溫度傳感器的信號是經(jīng)過加工的，方便計(jì)算機(jī)的處理和存儲，同時(shí)具有更高的安全性。(3)數(shù)字溫度傳感器采用的是數(shù)字信號處理集成電路，體積很小，對溫度的響應(yīng)迅速，電路運(yùn)行相對穩(wěn)定可靠。同時(shí)數(shù)字式溫度傳感器也面臨需要進(jìn)一步解決的一些問題，例如經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路，對轉(zhuǎn)換芯片的抗干擾性、轉(zhuǎn)換精度和校零技術(shù)都有很高的要求。隨著技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字式溫度傳感器的性能將進(jìn)一步大大提高，廣泛應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。紅外形式輻射的能量的大小和這個(gè)物體的表層溫度的高低有重要的關(guān)系，因此通過測量物體紅外輻射出來的能量就可以根據(jù)換算公式精準(zhǔn)的計(jì)算出物體的表面溫度，這就是紅外測溫的工作原理。進(jìn)入20世紀(jì)以來的幾十年間，在前人的理論基礎(chǔ)之上，紅外輻射和紅外測量技術(shù)日臻完善。紅外探頭、紅外測溫傳感器、紅外氣體傳感器等大量紅外檢測器件設(shè)備不斷出現(xiàn)，紅外傳感器日益小型化、智能化和數(shù)字化，擁有了很多無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：a.非接觸式紅外測溫傳感器可以在不直接接觸到待測物體的情況下實(shí)現(xiàn)對這一物體溫度的測量，這樣可以避免影響到待測物體的溫場熱平衡，防止污染和干擾。b.快速精確，紅外測溫傳感器一般精度都可以控制在1°C之內(nèi)，反應(yīng)時(shí)間很短，可以實(shí)現(xiàn)在未完全達(dá)到熱平衡的條件下快速精準(zhǔn)測溫。c.安全方便紅外傳感器體積較小，易于操作，同時(shí)可以在不安全區(qū)域或者無法接觸的地方測量溫度數(shù)據(jù)，大大保障了人員的安全。雖然紅外測溫技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，但是目前仍然存在一些技術(shù)上的難點(diǎn)，這也是今后紅外測溫的重要發(fā)展方向，例如紅外測溫?cái)?shù)據(jù)易受距離、角度、環(huán)境、物體反射率、厚度等相關(guān)因素的影響，只能測量物體的外部溫度，如何更好的實(shí)現(xiàn)溫度的補(bǔ)償都是亟待解決的關(guān)鍵問題。1.3紅外測溫的特點(diǎn)紅外測量體溫是通過接收人體紅外線能量的大小來判定溫度的大小，通過紅外傳感器測采集的信息，傳輸?shù)轿⑻幚砥?，進(jìn)行處理，最終轉(zhuǎn)換成溫度在顯示模塊上顯示。因此紅外測溫具有下列優(yōu)點(diǎn)非接觸測量：紅外測溫是不需要接觸到人體的，在距離目標(biāo)幾厘米的位置就可以采集數(shù)據(jù)，因?yàn)榧t外探測器之是感應(yīng)人體所輻射的紅外線，所以不會對人體造成傷害。測量范圍廣：因?yàn)樵摐y溫方式是非接觸式的，所以并沒有處在過高或過低的溫度場中，它是在正常溫度下工作或在條件允許的情況下工作，因此測量的范圍會比較廣。測量速度快：即響應(yīng)時(shí)間短。這是因?yàn)榧t外探測器中的靈敏元很靈敏，在接收到紅外輻射開始，能很快完成測溫。準(zhǔn)確度高：紅外測溫不會破壞物體本身的溫度分布，所以測量精度高。體積小，便于攜帶。2系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與論證2.1單片機(jī)選擇與論證方案一：使用80C51單片機(jī)為本系統(tǒng)的核心控制器，它有8位CPU，4KBROM存儲空間，128BRAM存儲空間，單一+5V供電；不具備自編程能力，即在系統(tǒng)程序調(diào)試時(shí)，程序錯(cuò)誤的修改或程序新增功能的增加時(shí)，需要多次拔插芯片，因此會對芯片造成一定程度的損壞。方案二：使用STM32F103作為本系統(tǒng)的控制核心，STM32系列基于為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3內(nèi)核。并帶有512KB的高速Flash存儲器，其內(nèi)部集成了3個(gè)12bit的ADC，1個(gè)2通道12bitDAC，有多達(dá)11個(gè)定時(shí)器，其中有兩個(gè)16bit帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM高級控制定時(shí)器。利用此控制器可快速進(jìn)行數(shù)字濾波、溫度補(bǔ)償?shù)葦?shù)據(jù)處理任務(wù)[3]。單片機(jī)STM32F103單片機(jī)具有數(shù)據(jù)處理功能，內(nèi)部具有ADC模塊不需要外接A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此簡化了電路圖，故使用方案二STM32F103單片機(jī)作為本次設(shè)計(jì)的核心部件。2.2紅外傳感器選擇與論證方案一：使用紅外溫度傳感器IRTR,但是這個(gè)系列的紅外傳感器是一種集成的多用于工業(yè)方面的傳感器。方案二：使用熱電堆紅外傳感器MLX90614，MLX90614是一款用于非接觸式的紅外溫度傳感器，集成了紅外探測熱電堆芯片與信號處理專用集成芯片，全部封裝在TO-39。低噪聲放大器、17位ADC和強(qiáng)大的DSP處理單元的全集成，使傳感器實(shí)現(xiàn)了高精度，高分辨率的測量。方案一中傳感器多用于工業(yè)方面，因此不選用方案一，由于MLX90614具有較高的靈敏度，以及較小的熱慣性，所以適用于醫(yī)學(xué)測溫，故選方案二。2.3顯示模塊選擇與論證方案一：使用LED數(shù)碼管顯示。LED數(shù)碼管價(jià)格便宜，使用簡單，電壓低，壽命長可以用于所有數(shù)字參數(shù)的顯示。方案二：采用LCD1602液晶顯示屏顯示。硬件電路制作簡單，可直接連接到微控制器端口，程序控制簡單，能耗低，顯示內(nèi)容多，可顯示32個(gè)字符。方案一中數(shù)碼管，電路復(fù)雜顯示的信息也沒有方案二多，但是方案二中液晶顯示屏顯示信息量大，而且更加美觀，同時(shí)它的功耗和尺寸都很小。在本系統(tǒng)中需要的顯示的信息量要稍大一些，而且要更加直接，故而選擇方案二LCD1602液晶顯示屏顯示。3系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)本課題擬以STM32單片機(jī)為控制核心，由紅外線傳感器、電源、溫度傳感器、單片機(jī)、LCD顯示模塊等組成，數(shù)字紅外傳感器將物體紅外輻射轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入到STM32控制器；環(huán)境溫度傳感器測量環(huán)境溫度，并在STM32控制器里對紅外測溫進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高測溫精度。經(jīng)STM32控制器運(yùn)算后，傳感器信號在液晶屏上顯示出物體溫度讀數(shù)，并伴隨有蜂鳴提示，實(shí)現(xiàn)對溫度較精確測量。如圖3-1所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC1圖3-1系統(tǒng)硬件電路整體框圖3.1STM32F103系列微控制器概述STM32系列微控制器，是以ARMCortex-M3為核心而開發(fā)的32位處理器，分成幾個(gè)不同的系列：STM32L超低耗型，STM32F105和STM32F107互聯(lián)型，STM32F103增強(qiáng)型，STM32F102USB基本型，STM32F101基本型，STM32F100超值型[4]。在本次設(shè)計(jì)中，采用的是STM32F103。STM32F103系列增強(qiáng)型微控制器采用的是高性能的32位ARMCortex-M3RISC內(nèi)核，憑借縮小的內(nèi)核尺寸、出色的中斷延遲、集成的系統(tǒng)部件、靈活的硬件配置、快速的系統(tǒng)調(diào)試和簡易的軟件編程，Cortex-M3處理器是嵌入式系統(tǒng)的理想解決方案[5]。STM32F103XX系列微控制器配置非常強(qiáng)大，擁有112個(gè)通用I/O端口，有3個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位的定時(shí)器，有TIC、SPI同步串行的接口、USART異步串行的接口、USB全速的接口等各種標(biāo)準(zhǔn)通信接口[6]。I/O翻轉(zhuǎn)速度可達(dá)18MHZ。圖3-2是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列微控制器的外觀(LQFPIOO封裝）。圖3-3是STM32F103的引腳圖。圖表SEQ圖表\*ARABIC2圖3-2STM32F103封裝圖圖表SEQ圖表\*ARABIC3圖3-3STM32F103引腳圖下圖，圖3-4為STM32F103主控電路。該芯片配置資源十分豐富，有足夠的I/O端口，還有內(nèi)置的定時(shí)器。因此可以用簡單的電路來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。圖表SEQ圖表\*ARABIC4圖3-4STM32F103主控電路3.2MLX90614紅外測溫模塊設(shè)計(jì)對人體的非接觸式測溫是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，對傳感器的性能要求比較高，設(shè)計(jì)中采用的MLX90614紅外溫度傳感器不僅性能出眾，而且設(shè)計(jì)簡單。它支持兩線串行通信協(xié)議，并且采用了符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TO-39封裝形式，一共有四個(gè)外部引腳，分別為SCL（串行時(shí)鐘）、SDA（信號輸入）、VDD（電源）和VSS（接地）管腳，四個(gè)管腳的功能描述如表3-1所示。MLX90614有箝位二極管，連接在SDA/SCL和VCC之間，以提供給MLX90614器件電源，而使SMBus線不會成為負(fù)載。如圖3-5所示，傳感器的SCL和SDA管腳分別與微控制器的PB1和PB0相連接，為了進(jìn)一步提高管腳的驅(qū)動能力和保證信號的穩(wěn)定，對傳感器以上兩個(gè)管腳都選擇了上拉處理。圖表SEQ圖表\*ARABIC5圖3-5MLX90614紅外測溫電路引腳名稱作用VSS接地端，接傳感器的金屬殼VDD電源接入端PWM/SDA數(shù)字輸入與輸出。正常情況下，可在此讀出PWM制式的目標(biāo)溫度，在SMBus模式下，默認(rèn)為集電極開路狀態(tài)。SCL/VZ雙線通信協(xié)議中的串行時(shí)鐘輸入。圖表SEQ圖表\*ARABIC6表3-1MLX90614引腳功能介紹3.3DS18B20溫度檢測模塊設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)熱敏電阻等部件相比，DS18B20溫度傳感器可以直接讀取測量的溫度。DS18B20溫度傳感器采用了3線制與單片機(jī)相連，所測量溫度的范圍在-55℃~125℃。本系統(tǒng)中DS18B20溫度傳感器的DQ端口與單片機(jī)的PB11端口相連，表3-2為DS18B20各個(gè)管腳及功能。DS18B20溫度檢測模塊硬件電路連接圖如圖3-6所示。引腳名稱引腳功能GND接地DQ單線操作的數(shù)據(jù)輸入/輸出VCC接電源，此引腳必須接地圖表SEQ圖表\*ARABIC7表3-2DS18B20引腳及功能圖表SEQ圖表\*ARABIC8圖3-6DS18B20溫度檢測模塊硬件電路連接圖3.4LCD1602顯示模塊設(shè)計(jì)LCD1602是一種液晶顯示器，它主要由點(diǎn)陣字符組成，顯示的內(nèi)容最多為兩行，每行最多可以顯示16個(gè)字符，如字母、數(shù)字和符號等。在顯示少量字符時(shí)，LCD1602更受各種儀器和低功耗系統(tǒng)的歡迎和廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗哂懈偷哪芎?、更小的尺寸、更多的顯示內(nèi)容。它的三個(gè)控制引腳分別是RS，RW，EN。RS控制其內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器的選擇，RW控制讀操作或?qū)懖僮?，EN是LCD1602使能端，下降沿有效，低電平觸發(fā)片選信號。本系統(tǒng)LCD1602的D0～D7分別與單片機(jī)的I/O口相連，由于I/O口內(nèi)部沒有上拉電阻，所以外部需要另加10KΩ的上拉電阻。單片機(jī)的PD1~PD3端口分別控制LCD1602的RS、RW、EN三個(gè)控制管腳；可通過LCD1602的RV1引腳來調(diào)節(jié)顯示灰度；要想點(diǎn)亮背光燈，就要給背光的陰極BLK和陽極BLA接上相應(yīng)電平。LCD1602液晶顯示屏顯示模塊硬件電路連接圖如圖3-7所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC9圖3-7LCD1602液晶顯示屏顯示模塊硬件電路連接圖3.5按鍵控制模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)用到了4個(gè)按鍵控制，其中一個(gè)為復(fù)位按鍵，用作系統(tǒng)手動復(fù)位使用，另外3個(gè)分別與STM32F103微控制器的PC13、PC1、PA0端口相連，按鍵控制模塊硬件電路連接圖如圖3-8所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC10圖3-8按鍵控制模塊硬件電路連接圖對以上3個(gè)按鍵作簡要說明：KEY1——減鍵/日期查看鍵；KEY2——加鍵/測溫停止鍵；KEY3——選擇鍵/測溫啟動鍵；KEY3（選擇鍵/測溫啟動鍵）：在時(shí)間信息設(shè)置模式下，按下KEY3，光標(biāo)移動，可根據(jù)具體要使光標(biāo)移動到哪個(gè)地方來決定按下獨(dú)立按鍵的次數(shù)；在測溫模式下，按下KEY3（此時(shí)為測溫啟動鍵），表示測溫開始。KEY2（加鍵/測溫停止鍵）：在時(shí)間信息設(shè)置模式下，按下KEY2來進(jìn)行時(shí)間信息設(shè)置的加操作；當(dāng)處于測溫模式時(shí)，按下KEY2停止測溫。KEY1（減鍵/日期查看鍵）：當(dāng)直接按下KEY1時(shí)，顯示當(dāng)前日期；在設(shè)置時(shí)間信息時(shí)，按下KEY1進(jìn)行時(shí)間信息設(shè)置的減操作；3.6復(fù)位電路設(shè)計(jì)只有在低電平的條件下，STM32微控制器才會復(fù)位。所以使用低電平復(fù)位的復(fù)位電路，按下復(fù)位鍵使復(fù)位引腳RESET持續(xù)一段設(shè)計(jì)的低電平，實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，如圖3-9。圖表SEQ圖表\*ARABIC11圖3-9復(fù)位電路3.7電源電路設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的能量都是由電源提供的，可以說電源模塊就是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。在本次設(shè)計(jì)中，因?yàn)镾TM32F103所需的工作電壓為3.3V，所以需要5V和3.3V分別提供能量。圖3-10就是提供5V電壓的模塊，主要是給LCD1602提供5V電壓。如圖3-11為3.3V轉(zhuǎn)換電路，此電路主要給ST32F103微控制器提供能量，該圖中的AMS1117-3為3.3V轉(zhuǎn)換芯片。圖表SEQ圖表\*ARABIC12圖3-10電源管理電路圖表SEQ圖表\*ARABIC13圖3-113.3V轉(zhuǎn)換電路3.8報(bào)警電路設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)中采用報(bào)警電路如圖3-12，是為了更加快捷的確認(rèn)目標(biāo)溫度，設(shè)置一個(gè)正常體溫?cái)?shù)值，當(dāng)超過正常數(shù)值時(shí)，蜂鳴器就會報(bào)警，這樣就可以更加快速的判斷目標(biāo)有無發(fā)熱。我認(rèn)為采用報(bào)警的方式可以不用去看示數(shù)就能知道目標(biāo)發(fā)熱，這在防疫工作中會使工作更加便捷。圖表SEQ圖表\*ARABIC14圖3-12報(bào)警電路3.9本章總結(jié)本章主要描述了硬件方面的設(shè)計(jì)，采用主控芯片STM32F103作為微控制器；MLX90614和DS18B20來做為測溫電路，其中前者通過紅外測量目標(biāo)溫度，后者測量環(huán)境溫度，由于MLX90614是高度集成的，所以本系統(tǒng)中不需要信號調(diào)理電路；LCD1602作為顯示模塊，顯示所需要的數(shù)據(jù)；并且根據(jù)不同器件不同的工作電壓設(shè)計(jì)了5V和3.3V的觀點(diǎn)電路。下圖圖3-13為整體硬件原理圖。圖表SEQ圖表\*ARABIC15圖3-13整體硬件原理圖4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要想實(shí)現(xiàn)紅外測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)光有硬件是不夠的，還必須有軟件的輔助。軟件的設(shè)計(jì)跟硬件一樣也是分模塊進(jìn)行，分成各個(gè)模塊便于程序的調(diào)試。寫成各個(gè)子程序，然后在主程序中調(diào)用各個(gè)子程序，來實(shí)現(xiàn)各部分的功能。4.1主程序流程圖的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)流程為：程序運(yùn)行開始，整個(gè)系統(tǒng)都進(jìn)行初始化，其中包括STM32單片機(jī)I/O端口的初始化、MLX90614紅外傳感器初始化、DS18B20溫度傳感器的初始化、LCD1602液晶顯示屏的初始化，運(yùn)行按鍵掃描程序，檢測是否有按鍵按下，如果沒有按下則回到上一步繼續(xù)判斷，如果有按鍵按下，則開始測溫，如果接收到測溫指令，則開始紅外測溫，反之回到第一步繼續(xù)判斷，然后如果得到所需數(shù)據(jù)，則計(jì)算出溫度并顯示，反之繼續(xù)紅外測溫。最終數(shù)據(jù)將在LCD1602上顯示出來，以此循環(huán)。主程序流程圖如圖4-1所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC16圖4-1主程序流程圖4.2部分程序流程圖的設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)使用用模塊化設(shè)計(jì)，主要有LCD1602顯示模塊、MLX90614紅外測溫模塊、DS18B20溫度檢測模塊。首先介紹的是LCD1602的流程圖設(shè)計(jì)，其流程圖如下圖圖4-2所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC17圖4-2LCD液晶顯示模塊然后介紹MLX90614紅外傳感器，與標(biāo)準(zhǔn)的SMBus接口支持11條指令不同，MLX90614只支持其中的兩條。MLX90614的總線協(xié)議為：SD在每接收到8位數(shù)據(jù)之后，都會反饋發(fā)送一個(gè)ACK或NACK信號。MD在初始化一次通信時(shí)，首先會發(fā)送一個(gè)SA，只有能識別這個(gè)地址的SD會反饋一個(gè)ACK信號，期間，其他的SD無任何動作。若SD有反饋NACK信號，MD需停止此次通信并且重新發(fā)送信號。在PEC碼之后，可能會接收到NACK信號，這意味著接收到的數(shù)據(jù)有誤，此時(shí)，MD需試著再發(fā)送數(shù)據(jù)。PEC碼的計(jì)算包含START,REPEATEDSTART,STOP,ACK和NACK。PEC是CRC-8的校驗(yàn)碼，多項(xiàng)式為X8+X2+X1+1。數(shù)據(jù)傳輸中，總是先傳輸字節(jié)的最高位。圖4-3為SMBus數(shù)據(jù)包組成，圖4-4為數(shù)據(jù)讀取的格式。圖表SEQ圖表\*ARABIC18圖4-3SMBus數(shù)據(jù)包組成圖表SEQ圖表\*ARABIC19圖4-4數(shù)據(jù)讀取的格式MLX90614的程序流程圖如圖4-5，先對MLX90614進(jìn)行初始化，然后微控制器STM32按照SMBus協(xié)議對儲存在RAM里的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，最后通過相關(guān)公式轉(zhuǎn)換成攝氏溫度的數(shù)據(jù)，公式如下：T(℃)=RAM(DataH：DataL)×0.02—273.15圖表SEQ圖表\*ARABIC20圖4-5MLX90614程序流程圖最后介紹的是DS18B20的系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)，DS18B20通訊協(xié)議包括初始化、讀取、寫入時(shí)序。當(dāng)工作開始時(shí)首先要對其初始化，然后MCU執(zhí)行寫跳過ROM指令、寫溫度轉(zhuǎn)換命令，再次對DS18B20進(jìn)行初始化，MCU重復(fù)上述過程，發(fā)送讀取溫度的命令，最后STM32微控制器對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到所需數(shù)據(jù)。具體流程如圖4-6所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC21圖4-6DS18B20程序流程圖4.3程序?qū)崿F(xiàn)KeiluVision5編程軟件，是一種基于C語言的開發(fā)軟件，它的兼容性強(qiáng)，可以進(jìn)行程序編寫、編譯、調(diào)試。除此之外，它生成的.hex文件可以直接導(dǎo)入到Proteus仿真中的單片機(jī)芯片中，以完成系統(tǒng)的仿真。使用uVision5編程軟件時(shí)，可以不分模塊把所有函數(shù)寫在一起，當(dāng)然也可以分模塊進(jìn)行編寫，只要在主函數(shù)里調(diào)用各個(gè)子程序的頭文件，這樣就能實(shí)現(xiàn)整體的程序編寫。不過在本次設(shè)計(jì)中，采用的是分模塊進(jìn)行，采用這種方法是為了簡化編程過程，同時(shí)也方便了程序的修改與編譯過程。其程序編寫頁面如圖4-5所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC22圖4-5程序編寫頁面本系統(tǒng)的主函數(shù)程序如下所示。#include"stm32f10x.h"#include"delay.h"#include"usart.h"#include"LCD1602.h"#include"led.h"#include"adc.h"#include"timer.h"#include<stdio.h>#include<math.h>doubleTemperature,OldTemperature;//測量溫度#defineAlarmTemperature38//報(bào)警溫度char*buff;unsignedcharcnt;voidCleanBuffer(void){ unsignedchari; for(i=0;i<sizeof(buff);i++) { buff[i]=0; }}intmain(void){ delay_init(); NVIC_Configuration();//設(shè)置NVIC中斷分組2：2位搶占優(yōu)先級，2位響應(yīng)優(yōu)先級Init_LEDpin(); LCD_init(); Adc_Init(); TIM3_Int_Init(799,99);sprintf(buff,"%4d-%2d-%2d",Year,Month,Day); LCD_write_string(1,2,buff); CleanBuffer(); while(1) { Temperature=(float)Get_Adc_Average(1,5)/163.84+20; if(OldTemperature!=Temperature) { OldTemperature=Temperature; flash=1; if(OldTemperature>=AlarmTemperature) LED1=0; else LED1=1; } if(flash==1) { flash=0; sprintf(buff,"%2d:%2d:%2d%2.1fC",Hour,Minute,Seconde,OldTemperature); LCD_write_string(1,1,buff); CleanBuffer(); } if(flash==2) { flash=0; sprintf(buff,"%4d-%2d-%2d",Year,Month,Day); LCD_write_string(1,2,buff); CleanBuffer(); } }}//定時(shí)器3中斷服務(wù)程序voidTIM3_IRQHandler(void)//TIM3中斷{if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)!=RESET)//檢查TIM3中斷發(fā)生與否 { TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);//清除TIMx更新中斷標(biāo)志 cnt++; if(cnt>=100) { cnt=0; Seconde++;sprintf(buff,"%2d:%2d:%2d%2.1fC",Hour,Minute,Seconde,OldTemperature); LCD_write_string(1,1,buff); CleanBuffer(); if(Seconde>=60) { Seconde=0; Minute++; flash=1; if(Minute>=60) { Minute=0; Hour++; flash=1; if(Hour>=24) { Hour=0; Day++; sprintf(buff,"%4d-%2d-%2d",Year,Month,Day); LCD_write_string(1,2,buff); CleanBuffer(); flash=2; switch(Month) { case1: case3: case5: case7:case8: case10: case12: {if(Day>31) {Day=0; Month++; flash=2; if(Month>12) { Month=1; Year++; flash=2; } } }break; case4: case6: case9: case11: { if(Day>30) { Day=0; Month++; flash=2; if(Month>12) { Month=1; Year++; flash=2; } } }break; case2: { if(((Year%4==0)&&(Year%100!=0))||Year%400==0) { if(Day>29) { Day=1; Month++; flash=2; if(Month>12) { Month=1; Year++; flash=2; } } }else { if(Day>28) { Day=1; Month++; flash=2; if(Month>12) { Month=1; Year++; flash=2; }} } }break; } } } } } }}

5系統(tǒng)調(diào)試5.1系統(tǒng)軟件調(diào)試本次設(shè)計(jì)選用的是Proteus仿真軟件來完成紅外測溫系統(tǒng)的整體電路的仿真。Proteus是一款很出色的電路仿真軟件，在單片機(jī)設(shè)計(jì)中有著舉足輕重的作用。Proteus功能比較全面，它的仿真器件的驅(qū)動來自于C語言代碼，因此它有非常多的專用功能來處理字符串方面的問題，大大簡化了操作流程，方便進(jìn)行仿真。正是因?yàn)樗暮唵畏奖?，功能?qiáng)大，使得廣泛流傳，普遍被使用。當(dāng)然，它不僅具備比較完善的模擬仿真功能，更重要的是能仿真單片機(jī)和大量與之相關(guān)的器件。Proteus的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方式都非常的合理先進(jìn)，受到了許多單片機(jī)學(xué)習(xí)者、愛好者的青睞，收獲了眾多好評，它的設(shè)計(jì)成功打破了仿真軟件的局限性。該軟件能兼容其他許多文件，并且集融合電路仿真、PCB設(shè)計(jì)、虛擬模型仿真于一體而成為了全球炙手可熱的仿真設(shè)計(jì)平臺。由于本次設(shè)計(jì)使用的是STM32作為微控制器，因此低版本的proteus仿真軟件已經(jīng)不能滿足此次仿真的需求，通過查詢資料發(fā)現(xiàn)，proteus8.8具有仿真STM32的能力，特此安裝了Proteus8.8。由于Proteus8.8沒有紅外測溫元器件，所以在此次仿真中采用電位器代替仿真。Proteus8.8進(jìn)入頁面圖如圖5-1所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC23圖5-1Proteus8.8進(jìn)入頁面在進(jìn)行仿真之前需要新建工程，之后在元器件庫里面查找自己所需要的元器件，再使用導(dǎo)線將電路連接起來。在元器件連接完成后，導(dǎo)入通過uVision5編譯生成的.hex文件到STM32F103單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)所需功能。Proteus8.8仿真軟件的操作頁面如圖5-2所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC24圖5-2Proteus仿真軟件操作頁面下面將對每個(gè)功能模塊的軟件調(diào)試情況做一個(gè)簡要介紹。系統(tǒng)在正常工作時(shí)，LCD1602第一行顯示時(shí)間和溫度，第二行顯示日期年、月、日如圖5-3所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC25圖5-3基于STM32紅外測溫系統(tǒng)仿真圖(1)環(huán)境溫度仿真在按下紅外測溫開始按鍵前，LCD1602顯示的是環(huán)境溫度和時(shí)間日期，此時(shí)就是DS18B20將所測得的環(huán)境溫度顯示到液晶顯示屏上，圖5-4即為所測得的環(huán)境溫度。圖表SEQ圖表\*ARABIC26圖5-4環(huán)境溫度顯示頁面(2)目標(biāo)溫度仿真當(dāng)按下測溫開始按鍵時(shí)，單片機(jī)接收到紅外測溫開始命令即開始紅外測溫，此時(shí)就是MLX90614在進(jìn)行工作，將得到的目標(biāo)溫度顯示到LCD1602上如圖5-5所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC27圖5-5目標(biāo)溫度顯示圖（3）報(bào)警溫度實(shí)現(xiàn)在本次仿真中設(shè)置了報(bào)警電路，目的是更快的區(qū)分發(fā)熱人群，因此本次內(nèi)置報(bào)警溫度擬定為38度，當(dāng)測量溫度超過38度時(shí)，蜂鳴器就會報(bào)警，該功能已驗(yàn)證，在超過設(shè)定溫度時(shí)電腦音響確實(shí)發(fā)出報(bào)警。下圖5-6為報(bào)警時(shí)的溫度圖5-7即為蜂鳴器。圖表SEQ圖表\*ARABIC28圖5-6報(bào)警溫度圖表SEQ圖表\*ARABIC29圖5-7蜂鳴器報(bào)警在進(jìn)行軟件調(diào)試時(shí)，就是將程序和仿真相結(jié)合，通過仿真來驗(yàn)證程序的可行性。在軟件調(diào)試過程中，遇到的問題和對策有：a.LCD1602在顯示時(shí)，偶爾會出現(xiàn)一串字符0。因?yàn)槭强梢哉ｏ@示的，所以說明端口沒有定義錯(cuò)誤。之后重新檢查程序，發(fā)現(xiàn)程序并沒有出現(xiàn)問題。在仿真時(shí)，緩慢的點(diǎn)擊電位器按鈕，發(fā)現(xiàn)顯示正常，在連續(xù)快速點(diǎn)擊下才會出現(xiàn)問題，通過查詢發(fā)現(xiàn)STM32在仿真時(shí)不能快速的輸入指令，其仿真速度較緩慢。在慢慢仿真后，問題消失。b.按鍵方面，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)沒有上拉電阻，正常情況下不需要上拉電阻，但是在仿真時(shí)在沒有上拉電阻的情況下按鍵是工作不正常的，檢查程序時(shí)并未發(fā)現(xiàn)明顯錯(cuò)誤，在加上上拉電阻后，按鍵正常工作，可能在仿真中按鍵需要一個(gè)固定電平來實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)的控制。c.在第一次仿真時(shí)，溫度超過38度后，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器沒有報(bào)警，經(jīng)檢查電路連接沒有問題，再次檢查程序時(shí)發(fā)現(xiàn)，端口設(shè)定錯(cuò)誤，在改正后，再次仿真測試，蜂鳴器可以正常報(bào)警，問題解決。5.2系統(tǒng)硬件調(diào)試所需硬件部分已經(jīng)基本確定，并且已經(jīng)經(jīng)過了Proteus的仿真，同時(shí)軟件也已經(jīng)基本確定，因此使用AltiumDesigner16畫圖軟件來完成硬件部分的設(shè)計(jì)。AltiumDesigner16是一種常用的電子設(shè)計(jì)軟件，它可以完成原理圖的和PCB板的繪制，在本次設(shè)計(jì)中的硬件部分設(shè)計(jì)就是使用這個(gè)繪圖軟件，主要用它來完成原理圖的繪制。其操作界面如圖5-8所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC30圖5-8AltiumDesigner16操作頁面在本次設(shè)計(jì)中，有些元件在AD16自帶的元件庫里并沒有相應(yīng)的元件，所以此時(shí)就需要通過AD制圖軟件繪制出相應(yīng)的元件，方法很簡單只要建立一個(gè)元件庫把所需的元件繪制出來，然后在原理圖繪制頁面調(diào)用相應(yīng)的元件，這樣就可以完成繪制了。最后只需要按照設(shè)計(jì)好的電路，完成原理圖的繪制。系統(tǒng)的整體原理圖如圖5-9所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC31圖5-9系統(tǒng)整體原理圖繪制好前面設(shè)計(jì)好的STM32F103主控制模塊、MLX90614紅外測溫電路、DS18B20溫度檢測模塊電路、LCD1602顯示模塊、報(bào)警電路、按鍵控制模塊、復(fù)位電路后，發(fā)現(xiàn)在擁有電源管理，整個(gè)系統(tǒng)無法正常工作形成回路。通過對資料的查詢，發(fā)現(xiàn)在本次設(shè)計(jì)中需要不同的工作電壓，比如STM32是在3.3V電壓下工作的，而LCD1602則是5V的工作電壓。因此又引入了3.3V轉(zhuǎn)換電路，以達(dá)到為不同模塊提供不同工作電壓的目的。本次設(shè)計(jì)中按鍵電路是不需要上拉電阻的，但是LCD1602則需要一個(gè)10千歐的上拉電阻。MLX90614本身自帶溫度補(bǔ)償，且測量精度高，所以是本次設(shè)計(jì)紅外測溫傳感器的首要選擇，本次設(shè)計(jì)使用DS18B20是為了防止環(huán)境溫度過高對紅外測溫產(chǎn)生影響，因?yàn)镾TM32系列單片機(jī)具有良好的數(shù)據(jù)處理功能，所以可以通過環(huán)境溫度與目標(biāo)溫度的對比實(shí)現(xiàn)更精確的測溫。6總結(jié)為了實(shí)現(xiàn)本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我搜集了大量的文獻(xiàn)與資料，通過這些資料了解到紅外測溫的優(yōu)點(diǎn)，與實(shí)現(xiàn)所需的基本器件，并設(shè)計(jì)了幾個(gè)方案，最終選擇了STM32做為主控芯片，為此還查閱了關(guān)于STM32的資料，在此次設(shè)計(jì)中采用的是MLX90614醫(yī)用紅外測溫模塊，通過查閱其數(shù)據(jù)手冊了解其測量精度高且自帶溫度補(bǔ)償，所以選擇了該傳感器做為紅外測溫模塊，本次設(shè)計(jì)到此已經(jīng)基本完成，硬件部分和軟件部分的設(shè)計(jì)已基本完成。本次設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的功能就是在按下紅外測溫開始按鍵前整個(gè)系統(tǒng)測量的是環(huán)境溫度，當(dāng)紅外測溫開始指令時(shí)此時(shí)才開始紅外測溫，主要實(shí)現(xiàn)了非接觸式的紅外測溫，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)也能顯示出時(shí)間和日期，以及當(dāng)前環(huán)境溫度。在疾病預(yù)防檢測中，測量人數(shù)眾多，時(shí)間緊迫。傳統(tǒng)體溫計(jì)由于測量時(shí)間長、讀數(shù)麻