单击片毕业设计论文智能红外测温计的设计.doc

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1、河南理工大学毕业设计（论文）说明书 I 摘要摘要 传统的温度计多采用物理原理，根据水银等随温度升降的热胀冷缩 的性质，通过读取刻度值来判断温度值，这种方法不太方便，且测量需 要的时间较长。本项目提供一种新的温度测量方案，采用具有 SPI（Serial Peripheral Interface 串行外围接口）接口的 TN 系列红 外温度传感器来测量温度信号，可同时测量目标温度和环境温度，并将 测量的数据送给 SPCE061A 单片机处理，之后送数码管显示，同时利用 SPCE061A 单片机的语音功能播报温度值。红外测温打破了传统的测温模 式，它响应快、测量精度高、可靠性高、范围广，为非接触测量，

2、因而 不易损坏。该温度计以其准确快捷的测量功能、清晰易懂的数字化显示 方便人们日常生活使用，语音播报功能使其更加智能化、人性化。 关键词关键词：红外测温；SPCE061A 单片机；语音播报 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 II A Design of Intelligent Infrared Thermometer Abstract Most of the traditional thermometers adopts mercury column which has the physical principle that it expands with heat and contract

3、s with cold along with the change of temperature, and we can read the temperature out according to the infinity. This method is not convenient, and it takes a long time to measure. This paper proposes a new thermometer project to measure the temperature signal by using the TN series infrared tempera

4、ture sensor which has the SPI (Serial Peripheral Interface). The sensor can measure both the target temperature and environment temperature at the same time, meanwhile the temperature data which have been measured can be transferred to the SPCE061A microcontroller to process. Then, the data will be

5、transferred to data display, and will be reported by using the SPCE061As voice report function in the meanwhile. Infrared thermometer breaks through traditional temperature measurement pattern. It responses quickly, and has high accuracy and high reliability and measures in large area. It is also a

6、way of non-contact measurement, so it isnt easy to break. This thermometer can measure accurately and quickly, and has the clear and easy display. All these offer convenient condition to our daily life. Furthermore, the voice report function makes it more intelligent and human. Key words: infrared t

7、hermometry; SPCE061A microcontroller; voice report 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 III 目目 录录 1 前言1 1.1 选题的目的和意义 1 1.2 红外测温技术的发展和国内外研究概况 1 1.3 设计任务和要求 3 1.3.1 设计任务 3 1.3.2 设计要求 3 2 概述4 2.1 红外测温概况 4 2.1.1 红外测温的基础理论 4 2.1.2 红外测温的特点 7 2.2 智能化测量仪表概述 7 2.2.1 智能化测量仪表的基本组成及其发展 8 2.2.2 智能化测量仪表的设计方法 9 3 系统方案论证.11 3.1 任务分析

8、.11 3.2 方案选择 .11 3.2.1 方案一 .11 3.2.2 方案二 .11 3.3 系统工作原理 .12 4 系统硬件设计.14 4.1 主控模块 .14 4.1.1 SPCE061A 简介.14 4.1.2 SPCE061A 精简开发板.15 4.1.3 主控模块电路 .16 4.2 电源和音频输出电路 .16 4.2.1 电源电路 .16 4.2.2 音频输出电路 .16 4.3 红外测温模块 .16 4.3.1 红外测温模块的引脚介绍 .18 4.3.2 红外测温模块时序图 .18 4.3.3 红外测温模块温度值的计算 .19 4.4 键盘显示模块 .20 4.4.1 键盘

9、显示电路 .20 4.4.2 模块功能及接口说明 .20 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 IV 4.5 系统总体硬件电路图 .21 5 系统软件设计.22 5.1 主程序 .22 5.2 测温程序 .22 5.3 播报显示程序 .22 5.4 中断服务程序 .22 5.5 软件结构 .22 6 抗干扰技术.29 6.1 单片机抗干扰技术概述 .29 6.1.1 干扰的来源和后果 .29 6.1.2 硬件抗干扰技术 .30 6.1.3 软件抗干扰技术 .32 6.2 本系统采用的抗干扰技术 .34 7 结论.36 致谢.37 参考文献.38 附录一 智能红外测温计的程序.39 1 主程序 .

10、39 2 读测量数据的用户函数 .41 3 红外测温模块驱动函数 .43 4 显示并播放温度值函数 .46 5 共阴数码管显示驱动程序 .48 6 初始化键盘函数和扫描键盘函数 .55 7 中断服务程序 .57 附录二 系统总体硬件电路图59 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 1 前言前言 1.1 选题的目的和意义选题的目的和意义 体温是人体生命活动的基本特征，也是观察人体机能是否正常的重 要指标之一。在目前的日常生活中，人们使用最广的水银体温计是根据 水银等随温度升降的热胀冷缩的性质，通过读取刻度值来判断温度值， 它有着诸多缺点：传统温度计在使用时，要和被测量者接触，往往要等 待较长时

11、间，以期让其充分受热，当测量结束后还要将水银重新甩入水 银泡中。由于水银泡是由很薄的玻璃制成极易破碎，而且其中的水银蒸 汽对人体有着极强的毒害作用，报纸上就曾多次刊登小孩因咬碎水银泡 而误吞水银造成中毒的事件，可见普通的水银体温计有着非常严重的安 全隐患。 红外测温为测量人体温度提供了快速、非接触测量手段，可广泛、 有效地用于密集人群的体温测量。非接触红外测温计针对特定人群，比 如儿童或老人，极其方便。且利用单片机技术开发的语音功能便可克服 传统体温计的许多缺陷。它不但可以以数字的方式显示出测量结果，使 测量过程变得直观，而且可以根据需要以语音播报出当前的温度值，除 此之外，语音体温计还具有较

12、高的灵敏度，可以在几秒钟内测得结果， 且寿命长，是较为理想的测温仪器。 智能红外测温计的设计，其内容涉及电子技术、检测技术、单片机 技术等多方面内容。红外测温为测量人体体温提供了快速、非接触测量 手段，可广泛、有效地用于密集人群的体温排查，例如 2003 年“非典” 期间，红外测温得到了广泛的应用。非接触测量计对特定人群，比如儿 童或老年人，有很好的效果。红外测温技术也是一门很实用和前沿的技 术，以此作为毕业设计，利于理论联系实际，形成个人在这一方面的知 识体系，是对本科阶段学习内容的升华，特别是对单片机控制、传感器 技术知识深入，它对学生自身综合素质与工程能力的培养也有重要意义。 1.2 红

13、外测温技术的发展和国内外研究概况红外测温技术的发展和国内外研究概况 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 2 1800 年，英国天文学家威赫谢耳在研究太阳光谱部分的热效应时, 发现热效应最大的位置在红光之外，当时称之为“不可见光” 。到 1935 年，安培称之为红外线，也可称之为红外辐射。之后，人们花了一百多 年时间认识红外辐射的电磁本质，并建立了热辐射的基本规律,为红外技 术的应用奠定了理论基础。近代红外技术始于二战，推动技术发展的原 因主要是由于军事上的迫切需要和航天工程的蓬勃开展。半个世纪以来 随着光学技术、半导体技术、电子技术的发展，红外技术也日趋完善， 其中红外测温技术也形成了完整的理

14、论并成功的应用于医学、工农业、 矿业等领域。 我国的红外技术研究起步于60年代，70年代后期开始了红外玻璃测 温计的研究，并取得了可喜成果，但至今未形成系列产品，工业应用仅 在近几年才开始。国外的红外测温技术发展较早，技术比较成熟，红外 测温产品种类繁多，测温精度及分辨率较高。表1.1和表1.2分别是国内和 国外红外测温产品性能的简单比较。 表1.1 国内红外测温产品性能 生产厂家产品型号 测温 范围 距离 系数 分辨 率 精度 瞄准方 式 发射 率 西光仪器厂HCW-III300300:1 15% 单激光0.6-1 海达仪表厂HDTJ-2800-140070:1 10.5% 单激光0.1-1

15、 香港CEMDT-8818-50-20012:1 0.12% 单激光0.95 清华紫光TH-IR101F30-45 0.10.2 (环温23 ) 表1.2 国外红外测温产品性能 生产厂家产品型号 测温 范围 距离系数分辨率精度 瞄准方 式 发射率 LTDL3-30-120075: 1 11% 双激光0.1-1.0 LRL3-30-1200120: 1 11% 单激光0.1-1.0Rayoger 1ML3600-3000180: 1 10.5% 单激光0.1-1.0 美国HAS-201-20- 200300: 1 0.51% 单激光0.1-1.0 ST20-32-40012: 1 0.20.1%

16、 单激光0.95 Raytek ST80-32-76050:1 0.10.1% 环激光0.1-1.0 德国826-T1-50-4003: 1 0.10.2 单激光 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 3 从表中可以看出，国内红外测温技术相对来说技术落后，产品种类 比较单一，测温精度及测温分辨率也不如国外产品在技术性能上国内产 品与国外产品相比还有一定差距，但随着红外产品在国内应用得更加普 及，会有更多厂家和科研机构进行这方面的研究，会推动我国红外测温 产品性能的提高，以满足工农业生产的需要。2003年，一场“非典”疫 情袭击我国，要求快速而非接触的体温测量技术，由此红外测温技术得 到了广泛的应

17、用，催生出很多红外测温仪器。 1.3 设计任务和要求设计任务和要求 1.3.1 设计任务设计任务 利用单片机作为控制板，控制红外测温模组实现温度测量，并能实 现温度的显示和播放功能，完成一个完整的智能化红外温度计设计： 1.3.2 设计要求设计要求 1. 通过 I/O 口控制启动测温，利用键盘控制温度测量，并能显示温 度值，同时语音播报测量值； 2. 可以测量目标温度和环境温度； 3. 测量结果表示的精度为小数点后两位。测量结果表示的精度，并 非测量精度，测量精度以传感器的性能决定。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 4 2 概述概述 2.1 红外测温概况红外测温概况 2.1.1 红外测温的

18、基础理论红外测温的基础理论 红外线是电磁波谱的一个部分，这一波段位于可见光和微波之间。 根据普朗克辐射定理，凡是绝对温度大于零度的物体都能辐射电磁能， 物体的辐射强度与温度及表面的辐射能力有关，辐射的光谱分布也与物 体温度密切相关。在电磁波谱中，我们把人眼可直接感知的 0.40.75 微 米波段称为可见光波段，而把波长从 0.75 至 1000 微米的电磁波称为红 外波段，红外波段的短波端与可见光红光相邻，长波端与微波相接。可 见光辐射主要来自高温辐射源，如太阳、高温燃烧气体、灼热金属等， 而任何低温、室温或加热后的物体都有红外辐射。 1. 生物波谱 生物波谱，又叫生物频谱，是生物自身发出的生

19、物物理信息的光波 或频率的综合称谓，它构成生物体周围的生物信息场。科学研究表明， 生物体（包括人体）可产生温度场、电场和磁场等，统称为生物信息场， 可以用物理学中的电磁波谱频率或波长、温度等物理因子来表述。 生物波谱的波长覆盖范围在电磁波谱中的紫外线到弱微波之间，人 体的生物波谱则主要在红外线到弱微波区域，尤其集中在红外线波段范 围。因此它遵循电磁波的一切特性。 生物波谱的这种物理信息的存在、变化是与生物体自身功能状态密 切相关的，同样可以反映生物体的健康状态。科学实验证实，生物体自 身是一个天然的能量和信息辐射源，在其活体状态下，它每时每刻都在 向周围环境发射着这种特定的生物波谱信号，只是其

20、能量相对于其它辐 射源较弱而已。从医学角度看，人体是一个生物体，从物理学角度看， 人体是一个天然的特定生物信息辐射源，中医所谓的“气”，也就是人体 发出的生物信息的特定方式。 2. 人体的生物波谱 在人体生物信息场已知物理参数的实验测量中，对辐射能量比较集 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 5 中的波谱分布，取得比较一致的数值结果，JD 哈里认为，人体辐射能 量与皮肤表面温度及比辐射率有关。活体皮肤光谱范围约为 3-50m，其 中 8-14m 波段的辐射量占总能量的 46%，峰值波长约为 9.5m，虽然人 体生物波谱分布范围较宽，从可见光到微波波段，但在非能量集中区域， 信号强度较低，尤其在

21、远端的数值极其微弱。 经科学检测，不管人的肤色如何，干燥皮肤的红外辐射率(emissivity)均 为 0.98,近似为黑体。根据 Planck 定律，其波长主要分布在 2.5-25m 红 外波段范围内，根据 Wien 定律 mT2898（Km） ，人体皮肤辐射的 峰值波长约 9.5m 。 3. 红外辐射的发射及其规律 先简单介绍一下黑体的红外辐射规律。所谓黑体，简单讲就是在任 何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于 1 的物体，也就是说全吸 收。显然，因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都 有一定的反射（吸收率不等于 1） ，所以，黑体只是人们抽象出来的一种 理想化的物体模型

22、。但黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础， 它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系。下面， 我着重介绍其中的三个基本定律。 (1) 辐射的光谱分布规律-普朗克辐射定律 一个绝对温度为 T(K)的黑体，单位表面积在波长附近单位波长间 隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度) 与波长、 ,T M 温度 T 满足下列关系： 式中，分别为第一、第二辐射常数。 1 C 2 C 普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。 (2) 斯忒藩（德）玻尔兹曼（奥） （ Stefan-Boltzmann）定律： 物体的总辐射率，即单位面积发射总功率与黑体温度的四次方及材 料表面的

23、发射率成正比。数学表示为： 2 1 ,1 1 C T T MCe （2-1） 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 6 0 e e T （，T） （，T） （，） （2-2） 4 WT 其中：，为 Stefan-Boltzmann 常数， 为材 428 Kw/m1067 . 5 料表面发射率。1879 年斯特藩从实验上总结而得到该公式，1884 年玻耳 兹曼从理论上证明了它。 斯蒂芬-玻耳兹曼定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体都会自发 地向外发射红外热辐射，而且，黑体单位表面积发射的总辐射功率与开 氏温度的四次方成正比。而且，只要当温度有较小变化时，就将会引起 物体发射的辐射功率很大变化。那么

24、，我们可以想象一下，如果能探测 到黑体的单位表面积发射的总辐射功率，不是就能确定黑体的温度了吗？ 因此，斯蒂芬-玻耳兹曼定律是所有红外测温的基础。 (3) 辐射的空间分部规律朗伯余弦定律 所谓朗伯余弦定律，就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相 对于辐射表面法线夹角的余弦成正比： （2-3） 0cos II 此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做 红外检测时。应尽可能选择在被测表面法线方向进行，如果在与法线成 角方向检测，则接收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的 倍。cos 4. 实际物体的红外辐射规律 （1）基尔霍夫辐射定律： 德国物理学家基尔霍夫（Gustav

25、 Robert Kirchhoff,18241887）通过 实验发现：在相同的温度下，各种物体在同一波长的发射率与吸收率的 比值都相等，并等于该温度下黑体在同一波长的发射率。数学表示为： （2-4） 其中 为波长、 T 为物体绝对温度，表示黑体在特定温度 0 e（，T） 和波长下的本领，为常数。该定律指出物体发射本领和吸收率之间的普 遍关系，通俗地说就是辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 7 物体的辐射出射度 M(T)和吸收本领的比值 M/与物体的性质无 关，等于同一温度下黑体的辐射出射度 M0(T)。其表明，吸收本领大的 物体，其发射本领大，如果该物体

26、不能发射某一波长的辐射能，也决不 能吸收此波长的辐射能。 （2）发射率 实验表明，实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与构成 该物体的材料性质及表面状态等因素有关。这里，我们引入一个随材料 性质及表面状态变化的辐射系数，则就可把黑体的基本定律应用于实际 物体。这个辐射系数，就是常说的发射率，或称之为比辐射率，其定义 为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。 2.1.2 红外测温的特点红外测温的特点 1. 远距离和非接触测量 红外测温不需要与被测物体接触，并可远距离测量，它特别适合于 对高速运动物体、旋转体、带电体和高温高压下物体的温度测量。 2. 响应速度快 红外测温不象热电偶、温度计那样，

27、需要与被测量体接触以达到热 平衡，只要接到目标的红外辐射即可测量，其响应时间在毫秒甚至微秒 数量级。 3. 灵敏度高 因物体温度的微小变化会引起辐射功率的较大变化，容易被探测器 探出，故红外测温的可测温差很小，可达零点几摄氏度。 4. 准确度高 红外测温是非接触测量，不破坏物体本身的温度分布，因而所测温 度真是、准确、误差可达 0.1oC 以下。 5. 测温范围广 测温范围可从负几十摄氏度到正几千摄氏度。 2.2 智能化测量仪表概述智能化测量仪表概述 随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成度越来越高，已 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 8 经可以在一块芯片上同时集成 CPU、存储器、

28、定时器/计数器、并行和串 行接口、甚至 A/D 转换器等。人们把这种超大规模集成电路称作单片微 控制器（MCU，Single Chip Microcontroller） ，简称为单片机。单片机的 出现，引起了仪器仪表结构的根本性变革，以单片机为主体取代传统仪 器仪表的常规电子线路，可以很容易地将计算机技术与测量控制技术结 合在一起，组成新一代所谓的“智能化测量控制仪表” 。这种新型的智能 仪表在测量过程中自动化，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面 都取得了巨大的进展。目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制 仪表时，几乎没有不考虑采用微处理器使之成为智能仪表的，而目前在 仪器仪表中使用最

29、多的微处理器就是单片机。在测量控制仪表中采用单 片机技术使之成为智能仪表后能解决许多传统仪表不能或不易解决的难 题，同时还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，降低仪表的成本以及 加快新产品的开发速度。这类仪表的设计重点已经从模拟和逻辑电路设 计转向专用的单片机模板或功能部件、接口电路以及输入/输出通道的设 计、通用或专用软件程序的开发。随着科学技术的进一步发展，这类仪 表的智能程度必将会越来越高。 2.2.1 智能化测量仪表的基本组成及其发展智能化测量仪表的基本组成及其发展 以单片机为核心的智能化测量仪表的基本组成如图 2.1 所示。单片 机是仪表的主体，对于小型仪表来说，单片机内部的存储器已经

30、足够； 大型仪表要进行复杂的数据处理，或者要完成复杂的控制功能，其监控 程序较大，测量、处理的数据很多，这是需要在单片机外部扩展片外存 储器，被测量的模拟信号经过 A/D 转换之后，通过输入通道进入单片机 图 2.1 基本组成 控制量被测量 片外扩展存储器 单片机 A/D 转换接口 键盘输入接口 通信接口 D/A 转换器接口 显示器接口 打印机接口 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 9 内部；单片机根据由键盘置入的各种命令，或者送往打印机打印，或者 经过 D/A 转换后成为能够完成某种控制的模拟电压。通信接口的功能是 通过接口总线与其他仪器仪表甚至计算机作远距离通信，以达到资源共 享的目的。

31、 现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。传感器 正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。有许多国家正致力于 将微处理器与传感器集成于一体，以构成超小型、廉价的测量仪器的主 体。 近 20 年来，由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能 化测量控制仪表已经取得了巨大的进展。从技术背景上来说，硬件集成 电路的不断发展和创新是一个重要因素，各种集成电路芯片都在朝大规 模、全 CMOS 化的方向发展。CMOS 电路具有功耗低、工作温度范围宽 的特点。一个全 CMOS 电路系统的功耗只是普通 TTL 系统功耗的 1/10，采用这种 CMOS 芯片组成的智能化测量控制仪表可以采用

32、干电池 供电，从根本上解决了市电干扰的问题。同时还可以使仪器小型化，便 于携带。 2.2.2 智能化测量仪表的设计方法智能化测量仪表的设计方法 智能化测量控制仪表设计的主要内容通常包含硬件(连同单片机在内 的全部电子线路)、软件(包括监控管理程序及各种功能模块)及仪表结构 工艺三大部分。设计者应该熟悉要设计仪表的工作原理和技术性能，应 能对仪表的硬件部分独立进行设计和计算；能够根据该仪表的各项测量 功能独立进行软件设计；还要能够根据所设计的原理电路，综合考虑仪 表的性能和技术要求，合理地布置元器件，绘制出仪表的线路图；最后， 对所设计的仪表进行总调，发现设计中的错误之处及时修正，直至所设 计的

33、智能化测量控制仪表达到预期的要求。 在智能化测量控制仪表的设计研制过程中，要按仪表的功能把硬件 和软件分成若干个模块，对各个模块采用“自顶向下”的顺序分别进行 设计和调试，最后将各模块连接起来进行总调。首先要对智能化测量控 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 10 制仪表进行总体设计。按仪表应完成的任务确定其功能。 在智能化测量控制仪表中，单片机是核心，因此在硬件设计时首先 要考虑单片机的选择，然后再确定与之配套的外围芯片。在选择单片机 时，要考虑的因素有字长、寻址能力、指令功能、执行速度、中断能力 以及市场对该种单片机的软、硬件支持状况等。 在充分考虑上述各种因素正确选择了单片机之后，还要进

34、行输入和 输出接口和其他功能组件的设计。输入/输出接口是智能化测量控制仪表 与外部设备交换信息的通道，它包括 A/D 和 D/A 转换接口、键盘显示器 接口、打印机接口以及各种通讯接口等。 软件设计也是智能化测量控制仪表的一个主要内容。设计者不仅应 能熟练地进行各种硬件电路设计，同时还必须掌握软件的设计方法。通 常的软件设计方法是先画出程序流程图，然后根据流程图写出程序。常 用的程序设计方法有模块法、自顶向下设计法、结构化程序设计三种。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 11 3 系统方案系统方案论证论证 3.1 任务分析任务分析 从设计任务及要求来看，整个设计要求我们完成一个智能红外测温

35、计的设计。这个测温计能够通过按键来启动红外测温，之后需要将测温 数据送单片机处理，得到温度值；这一温度值又需要显示并且语音播报 出来，从而实现其智能化和人性化。从这一分析来看，整个系统需要这 样几个功能模块：单片机主控模块、红外测温模块、键盘显示模块以及 语音输出模块。其中单片机机型的选择至关重要，因为它的选择关系到 整个系统的复杂和难易程度。 3.2 方案选择方案选择 根据前面的任务分析，我们知道方案选择的关键是单片机机型的选 择。目前市场上主流单片机是 8 位和 16 位的单片机，而且现在主要都是 采用带有闪存或其他功能的新型单片机，如 8 位的有美国 Atmel 公司的 AT89C51、

36、AT89S51 等，PHLIPS 公司的 89C51RD2 等等，16 位的有台 湾凌阳科技研发的 SPCE061A 等，因而这里主要介绍两种方案。 3.2.1 方案一方案一 采用 MCS-51 系列单片机外接数字式红外探头进行温度的数字化采 集，并将结果通过 LED/LCD 模块显示，并需要给其设计相应的键盘电 路和语音输出电路。同样也可以采用其它的 8 位单片机实现，方案结构 如图 3.1 所示。 3.2.2 方案二方案二 采用 SPCE061A 单片机外接数字式红外探头进行温度的数字化采集， 并通过内部语音算法将结果播报出来。方案结构如图 3.2 所示。 比较方案一和方案二：方案一采用

37、8 位单片机，资源比较适中，但 是如果需要实现语音功能则比较困难，扩展电路比较复杂，而且还需要 专用的仿真器；方案二采用 SPCE061A 单片机，该 16 位单片机运算能力 强，操作简单，而且带有语音功能，可以非常快捷地实现语音输出功能， 提高了集成度，并且能实现在线仿真、调试，带来了诸多便利，所以最 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 12 终选择方案二。 系统的显示方案有数码管显示和液晶显示，本设计中我们采用数码 管来显示。台湾凌阳公司同时开发了很多功能模块，可供我们选择，为 我们完成红外测温计的设计提供了很多便利。本设计中主要采用了其生 产的 61 板、红外测温模块和键盘显示模块。系统

38、结构框图如图 3.3 所示。 3.3 系统工作原理系统工作原理 61 板作为整个系统的控制中心，负责控制启动温度的测量、接受测 量 数据、计算温度值，并根据取得的键值控制播报显示过程，同时通过音 K1 MCS-51 LED/LCD 模块 TN 红外测温 探头 语音输出 图 3.1 基于 MCS-51 单片机的红外测温方案 键盘 SPCE061A LED/LCD 模块 TN 红外测温 探头 键盘 图 3.2 基于 SPCE061A 单片机的红外测温方案 语音输出 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 13 频输出通道播报温度值；红外测温模块负责温度的测量、采集，并将采 集数据通过数据端口传送到 S

39、PCE061A 单片机；键盘显示模块控制按键 操作和 温度的显示。通过按键启动红外测温模块，测量结束返回测量结果，待 MCU 运算处理得出目标温度和环境温度后将温度对结果进行语音播报。 利用键盘可以控制测温计的灵活性，按 K1 键，测量、播报和显示目标 温度与环境温度；按 K2 键，仅测量、播报和显示目标温度；按 K3 键， 仅测量、播报和显示环境温度。系统功能框图如图 3.4 所示。 电源 电源插口 SPCE061A 音频 I/O 口 温度测量 测温启动 温度显示（数码管） 显示播报控制（键盘） 扬声器 键盘显示模块 红外测温模块 61 板 图 3.3 系统结构框图 K3 K2 按键 测量、

40、播放和显示目标温度与环境温 度 测量、播放和显示目标温度 测量、播放和显示环境温度 图 3.4 功能框图 K1 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 14 红外测温 模块 V D C G A VDD IOA15 IOA14 GND IOA13 IOA0IOA7 IOB0IOB7 IOB8IOB15 VDD ag，dp DIG1DIG 8，dp COL8COL1 ROW1 SPCE061A 键盘显示 模块 扬声器电源 J3J10 图 4.1 红外温度计硬件连接 图 8 8 8 4 系统硬件设计系统硬件设计 该红外测温系统主要由 SPCE061A 精简开发板（61 板） 、具有 SPI 接口的 TN

41、 系列红外测温模块、键盘显示模块以及电源和扬声器组成， 系统结构与连接图如图 4.1 所示。 该系统以 16 位单片机 SPCE061A 作为控制核心，由于红外测温模块 具有 SPI 接口，故可以直接与单片机的 I/O 口相连接，不需要信号放大 及调理电路。键盘电路可以控制温度的测量，并把测得的温度通过数码 管显示出来。扬声器可以实现温度的语言播报，超过设定值会自动报警。 电源模块为整个系统提供电源，该电源模块为三节五号电池及电池盒组 成。 4.1 主控模块主控模块 4.1.1 SPCE061A 简介简介 1 SPCE061A 简介 SPCE061A 是继 nSP系列产品 SPCE500A 等

42、之后凌阳科技推出 的又一款 16 位结构的微控制器。与 SPCE500A 不同的是，在存储器资源 方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A 里只内嵌 32K 字的闪存（FLASH） 。较高的处理速度使 nSP能够非常 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 15 容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与 SPCE500A 相比，以 nSP为核心的 SPCE061A 微控制器是适用于数字语音识别应用领域产 品的一种最经济的选择。 2 部分性能简介 工作电压(CPU) VDD 为 2.43.6V (I/O) VDDH 为 2.45.5V CPU 时钟：0.32MHz49

43、.152MHz ； 可编程音频处理； 晶体振荡器; 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为 2A3.6V； 2 个 16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)； 2 个 10 位 DAC(数-模转换)输出通道； 32 位通用可编程输入/输出端口； 14 个中断源可来自定时器 A / B，时基，2 个外部时钟源输入， 键唤醒； 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码 SACM_S240 方式(2.4K 位/秒)，能容纳 210 秒 的语音数据； 锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号； 32768Hz 实时时钟； 7 通道 10 位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数

44、转换器； 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制 (AGC)功能； 具备串行设备接口； 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； 内置在线仿真电路 ICE（In- Circuit Emulator）接口； 具有保密能力； 具有 WatchDog 功能。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 16 4.1.2 SPCE061A 精简开发板精简开发板 SPCE061A 精简开发板（简称 61 板） ，是以凌阳 16 位单片机 SPCE061A 为核心的精简开发仿真实验板，是“凌阳科技大学计划” 专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子 制作及电子

45、竞赛所设计的，也可作为单片机项目初期研发使用。 61 板除了具备单片机最小系统电路外，还包括有电源电路、音频电 路（含 MIC 输入部分和 DAC 音频输出部分） 、复位电路等，采用电池供 电，方便随身携带。61 板上有调试器接口（Probe 接口）以及下载线 （EZ_Probe）接口，分别可接凌阳科技的在线调试器、简易下载线，配 合 unSP IDE，可方便地在板上实现程序的下载、在线仿真调试。 4.1.3 主控模块电路主控模块电路 本系统以 SPCE061A 单片机为主控机，因而主控模块实际上就是 SPCE061A 单片机的最小系统。最小系统主要包括 SPCE061A 芯片及其 外围的基本

46、电路：晶振输入电路（OSC） 、锁相环电路（PLL） 、复位电 路（RESET） 、指示灯（LED）等，这些电路都做在 61 板中。主控模块 电路如图 4.2 所示。 4.2 电源和音频输出电路电源和音频输出电路 4.2.1 电源电路电源电路 SPCE061A 的内核供电为 3.3V，而 I/O 端口可接 3.3V 也可以接 5V，所以在电源模块（61 板上）有个电源选择跳线 J5，本系统需要的端 口高电平为 3.3V，跳线在 1、2 上，电源电路如图 4.3 所示。 4.2.2 音频输出电路音频输出电路 SPCE061A 内置 2 路 10 位精度的 DAC，只需要外接功放电路即可 完成语音

47、的播报。图 4.4 是音频输出电路图，可以直接接扬声器输出声 音。图中的 SPY0030 也是凌阳公司的产品，何 LM386 相比，它还具有 下列优势：LM386 工作电压需要 4V 以上，SPY0030 仅需 2.4V 即可工作； LM386 输出功率 100mW 以下，SPY0030 约 700mW。 4.3 红外测温模块红外测温模块 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 17 红外测温模块采用非接触测温手段，解决了传统测温中需要接触的 问题，具有回应速度快、测量精度高、测量范围广以及可同时测量目标 温度和环境温度的特点。测量回应时间大约为0.5s，而且，它具备SPI接 口，可以很方便地与M

48、CU传输数据。红外测温模块参数如表4.1所示。 图 4.2 系统主控电路图 图 4.3 电源电路 1234 A B C D 4321 D C B A 1 2 J10 CON2 + - 5V VIN 2 GND 1 VO 3 U3 SP Y0029 C33 220uC34 104 D3 D4 C35 220u C36 104 R140 R150 R160 R170 R190 R200 R210 1 2 3 J5 CON3 专专专专专专 V5 VDDH VDDH3 VDD_A VDD_P VDD VDDH3 VSS AVSS1 AVSS2 1234 A B C D 4321 D C B A IOB

49、4 1 IOB3 2 IOB2 3 IOB1 4 IOB0 5 RESTB 6 VDDP 7 (VCOIN)VCP 8 VSS 9 NC 10 NC 11 OSC32O 12 OSC32I 13 TEST 14 VDD 15 ICE 16 ICECLK 17 ICESDA 18 VSS 19 PVIN 20 DAC1 21 DAC2 22 VREF2(V2VREF) 23 VSS 24 AGC 25 OPI 26 MICOUT 27 MICN 28 PFUSE 29 NC 30 NC 31 NC 32 MICP 33 VCM(VREFAD) 34 VRTPAD(VEXTREF) 35 VDD 36 VMIC 37 VSS 38 NC 39 NC 40 IOA0 41 IOA1 42 IOA2 43 IOA3 44 IOA4 45 IOA5 46 IOA6 47 IOA7 48 VSS 49 VSS 50 VDDH 51 VD