紅外測溫語音播報(bào)溫度儀

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

紅外測溫采用非接觸對方式，高效迅速對被測物體溫度進(jìn)行反饋。不會像傳統(tǒng)測溫儀器一樣易被外界溫度干擾導(dǎo)致被測溫度不準(zhǔn)，不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。這個溫度儀充分發(fā)揮了其自身優(yōu)勢，穩(wěn)定性高，方便，快速，同時測得環(huán)境溫度以及被測溫度，還可設(shè)置溫度報(bào)警值，當(dāng)被測溫度達(dá)到預(yù)設(shè)報(bào)警值，則系統(tǒng)會自動報(bào)警播報(bào)蜂鳴器會發(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)較高時間段，非接觸測溫儀便顯得尤為突出，它的高效非接觸測溫能有效解決當(dāng)前人流量多地方的溫度測量，有力地減少了人力在疫情防控測溫方面的眾多問題。

1 紅外測溫語音播報(bào)溫度儀的發(fā)展前景

紅外測溫儀逐漸廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，各個行業(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)勢使得紅外測溫在市場上有著極大的需求。尤其在當(dāng)前新冠疫情期間，溫度測量是防疫最基本的一關(guān)，非接觸式測溫有效地避免了人員接觸，更加安全，應(yīng)用于人員密集流動性大的場所甚好，比如檢票處、學(xué)校門口、超市、廣場等地方，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 紅外測溫語音播報(bào)溫度儀設(shè)計(jì)

2.1 紅外測溫語音播報(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)程序存儲空間，512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間，內(nèi)帶4k字節(jié)存儲空間，可直接使用串口下載，具有可編程Flash 存儲器8k 基礎(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)。在單個芯片上，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)手動按鍵復(fù)位功能和自動復(fù)位功能。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位按鍵接口收集到兩個高信號以后進(jìn)行手動復(fù)位，實(shí)現(xiàn)手動按鍵復(fù)位功能；當(dāng)系統(tǒng)探測到電壓從低電位升至高地位，一段時間以后，系統(tǒng)便能與接地形成一條通路，自動地將高電平降低，從而使得單片機(jī)的地位降低，從而實(shí)現(xiàn)了自動復(fù)位功能。有控制的數(shù)字電路需要有個時鐘電路自動發(fā)出時間，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)非接觸式測溫效果

非接觸測溫是通過測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)測量范圍廣，既可以測量靜態(tài)物體的溫度，也可以測量運(yùn)動中的物體，高效準(zhǔn)確，適用于很多人為無法直接測量的高溫測量環(huán)境。當(dāng)前，新冠疫情嚴(yán)重管控時期，發(fā)燒是主要病理反應(yīng)，測量溫度也變得重要。出入大大小小公眾場合都需要測量溫度，非接觸式測溫既減輕人員壓力也提高了安全方便性。

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

MLX90614 是一款非接觸式溫度測量的紅外測溫儀。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 對實(shí)現(xiàn)高精度對溫度計(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)碼管使用時單片機(jī)口線少，價格適中，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，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，只要將對應(yīng)的信號送到相對應(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)容豐富簡單等優(yōu)點(diǎn)，而且不需要外加電路來使其驅(qū)動，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 個漢字[3]。

（3）按鍵設(shè)計(jì)

按鍵設(shè)計(jì)相當(dāng)于一個電子開關(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，就相關(guān)引腳就變?yōu)榈碗娖?，從而?shí)現(xiàn)了手動輸入。

（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，單片機(jī)控制引腳為低電平時便會發(fā)出蜂鳴聲，反之仍成立。當(dāng)所測溫度高于預(yù)設(shè)的溫度值（報(bào)警值）時，蜂鳴器會發(fā)出鳴叫聲報(bào)警，當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)值時便不會鳴叫。

（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)保持高電平時則處于待機(jī)中。當(dāng)所測溫度值高于預(yù)設(shè)值，則語音播報(bào)異常時的溫度，以示提醒。當(dāng)所測溫度低于預(yù)設(shè)值時，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)時顯示被檢測時的環(huán)境溫度值和被測物體溫度值，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 檢測到的溫度高于報(bào)警值，則蜂鳴器將會發(fā)出刺耳的聲音，反之，蜂鳴器不報(bào)警。

（3）按鍵播報(bào)當(dāng)前測量溫度值是否正常。

2.2 紅外測溫語音播報(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€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。對于大多數(shù)51 系列的單片機(jī)，使用C 語言這樣的高級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，編程時不需要考慮存儲器的地址和數(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)了對內(nèi)核微控制器的開發(fā)支持，并對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STC 系列單片機(jī)的程序燒寫問題，而且下載器低價格、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℃，被測溫度為18.1℃，報(bào)警值設(shè)置為37℃。因?yàn)楸粶y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)溫度異常以及被測溫度數(shù)值。用被利用水溫控制溫度的毛巾作為被測物體，環(huán)境溫度也用水溫來控制（冰塊或者加熱）。

表1 紅外測溫?cái)?shù)據(jù)分析

圖4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果圖

3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

本系統(tǒng)主要依靠紅外測溫模塊為核心的非接觸式紅外測溫。實(shí)踐系統(tǒng)焊接時注意的問題有很多，焊接時要注意正負(fù)極的焊接以及焊點(diǎn)間不可相連到?？梢杂萌f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)試時很多時候功能不能完全體現(xiàn)，較為復(fù)雜的程序調(diào)試時容易出錯，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，用來檢測受熱面集結(jié)碳的比例；又如在玻璃行業(yè)，產(chǎn)品處于動態(tài)中，要加熱到很高溫度，這時紅外測溫儀就可以用來測量爐中溫度。應(yīng)用普遍，高效解決了很多難題。