智能电子体温计论文

1 智能体温计 （ 摘要 ： 本智能体温计采用 为核心器件实现对 系统的 自动控制 ，采用双单片机串行处理结构。外界温度经 成温度传感器 采集， 温度变化转换为线性电压信号， 再经 由 成高精度低 温 漂的 放大电路 处理后，作为 模拟输入信号，由成 A D 转换 ，得到 8 位的数字信号送入单片机 1（ 单片机 1 将采集到 温度值在 码管上显示出来， 也通过串口通信将温度信号传到单片 2（ 此外温度预制，报警电路模块 功能也由单片机 1 完成 。单片机 2 完成温 度值的 语音播放 功能 。通过系统的设计与实现说明本设计方案切实可以，能够完成题目所要求的基本功能部分，并留有相应的接口，为完成扩展功能打下基础。 关键字：单片机 一、 主要模块的 方案论证与比较 1、 温度传感器的选择 方案一 ： 采用 热敏电阻 。 热敏电阻 价格便宜， 对温度灵敏， 原理简单， 但线性度不好，如不进行线性补偿， 对于本设计归一化输出的要求， 难于达到 设计精度 ；如要对非线性进行补偿 ， 则电路结构复杂，难于调整。 故不采用。 方案 二 ： 采用热电偶。 热电偶 在测温范围 内 热电性质稳定，不随时间变化而变化，电阻温度系数小，导电率高，比热小，但热电偶一般体积较大，使用不方便，价格相对较高。作为一个智能体温计的温度传感器，要求体积小，使用方便，便于携带，故此方案不合适。 方案三 ：采用集成温度传感器。集成温度传感器一般且有具有线性好、精度高、灵敏度高、体积小、使用方便等优点。根据实验室现有材料可选取 测温范围为 +150，能满足本设计的 0 50 度测量要求。根据相关技术资料： 性电流输出为 1 A/K,正比于绝对温度； 电源电压范围为 4V 30V，并可承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 该方案能完全满足此设计的要求，故采用此方案。 2、 A D 转换器的选择 方案一 ：选用 数字量位数可设成 8 位也可以设为 12 位，且无需外接 钟，转换时间达到 25 s，输出模拟电压可以是单极性的 0 10V 或 0 20V，也可以是双极性的 ± 5V 或 ± 10V 之间。 度高， 但与 8 位的单片机接口较复杂，且价格昂贵，考虑到体温计是对温度的测量，其响应时间的 要求不高。故不选用此方案。 2 方案二 ：选用 类芯片比较适合于低速测量仪器，适用于精度高，速度要求不高的系统设计中。 输出为动态扫描 ，与单片机的接口较复杂。且它的满量程输入为 2V 电压，如在本设计中使用要进行衰减，较难保证转换精度。 方案 三 ： 选用 字量是 8 位，转换时间为 100 s，输入模拟电压为单极性的 0 5V。由于本设计的要求精度不是很高， 以达到要求，故 选用此方案。 3、 语音提示模块 方案一： 通过 A/D 转换器、单片机，存储器， DA 转换器实现声音信号的采样、处理、存储和实现。首先将声音信号放大，通过 换器采样将 语音 模 拟 信号 转 换成数字信号，并由单片机和处理存放到存储器中，实现录音操作。在录 、 放音过程中由单片机控制 D/存储器中的数据转化成声音信号。此方案安装调试复杂，集成度低。 方案二 ： 采用 音录 放集成电路 。这是一种永久记忆型语音录放电路，录音时间为 60S，可重复录放 10 万次。该芯片采用多电平直 接模拟量存储专利技术，每个采样值可直接存储在片内单个 元中，因此能够非常真实、自然地再现语 音、音乐、音调和效果声。此 外， 省去了 A/D 和 D/A 转换器。其集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和 480K 字节的 部 储单元均匀分为 600 行，有 600个地址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的地址分辨率为 100 可按最小段长为单位来任意组合分段。因此，选择方案二。 二、 总 系统 设计 方案 1、总系统方案设计描述： 根据题目要求，将系统 分为若干模块，以单片机为核心，完成多项功能。 图 1 系统框 图 系统框图 如图 1， 采集的外部温度信号转换成相应的电压，再经过 放放大后作为 模拟输入信号， 此模拟信号转换成数字信号，通过并口送入到单片机 1。单片机 1 把这些信号处理后通过 码管显示出来。同时单片机 1 3 还处理按键、报警模块。 单片机 1 把温度值通过串行通信传送给单片机 2，控制语音芯片报出相对应的温度值。 2、系统电路 原理图 图 2 系 统电路 原理 图 如图 2 所示，该电路主要由电源电路，温度 检测 、放大电路， A D 转换电路，双单片机串行通信电路， 按键输入、报警电路， 数码管 扫描 显示电路以及语音 芯片 电路组成 。 123456 B 1:比赛y:300121422001322001222002V+5 3 4 5 6 7a b c d e f 2+502246722467467221 3 5 730011223344556674P/K+V+5V+520 21 22 23 24 25 26+5014K+5+5 三、 主要电路设计与参数计算 1、电源电路模块 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 3 0- M a y - 20 0 7 S he e t o f F i l e : D : 比赛 比赛 .d r a w n B y:C 2 10 A N S 4 C 2 20 C 2 30 + C 2 02 20 0 U+ C 1 92 20 0 2 20 V+ C 1 82 20 0 1V 5 7 90 51 32V 3 7 81 21 32V 4 7 80 51234 I D G E 1+ 12 V+ 5 3 电源电路 图 如图 3 所示， 220V 交流电经变压器市降压、桥式整流、电容滤波后由 7812、 7805、7905 三端集成稳压管分别得到 12V、 +5V、 压。给整个电路供电。 2、温度检测、放大 模块 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 3 0- M a y - 20 0 7 S he e t o f F i l e : D : 比赛 比赛 .d r a w n B y:0 00 5 90+ 12 223467O P 3- 5 V+ 12 V+ 12 1S V R 11 0K+ 12 v+ 12 度检 测 、放大 电路 图 如 图 4 所示，温度检测、放大电路 主要器件 的 作 用： 压跟随器 ； 压跟随器 ； 分放大电路 ； 度传感器 ； 位调整 。 （ 1） 介 电流输出型的半导体温度感测组件，主要特性如下 ： 150 )。 5 +4V+30V)。 包装与等效电路如图 4 所示，是 金属外壳包装。他是两端子的半导体温度感测组件，另有一端子是外壳接脚，可接地以减少噪声干扰。 同一个随温度而改变输出电 流的定电流源，输出电流与外壳的 开 氏 (K)温度成正比。 开 氏温度与摄氏温度的单位相等， 0等于 100等于 温度为 0时， 输出电流是 。而温度为 100时，输出电流是 。温度每升高 1，输出电流增加 1 A，及温度系数为 1 A/。 图 5 装与等效电路图 （ 2） 、 图 2 温度检测、放大电路原理 温度增加 1时，其输出电流会增加 1 A。即 温度系数为 1 A/。所以在 T( )时的电流 )为 /1011 ，而温度每变化 1时， 电压变化是为 /1010/1 ，表示温度每增加 1， 增加 10 0时 已经有电压存在，其值为 3 302 ，则 T( )时 /10022 ， 。 如图 3 所示， 成差动放大器，电压增益为 52010012 零位调整 的电压值，由差动放大器的公式 1212 可得知，若调整 1 的电压为 0时，差动放大器的输出 0V。也就是说，若温度是在 0至 50之间，则差动放大器的输出电压是在 0V 至 5V 之间，亦即每 输出代表温度上升 1 。 与 设计 要求 相符合 。 3、 A/D 转换模块 如图 6： 从放大电路传送过来的模拟信号转变成数字信号，并行传送给单片机的 ，让单片机处理。 6 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 3 0- M a y - 20 0 7 S he e t o f F i l e : D : 比赛 比赛 .d r a w n B y:E A / V S E T 012I N T 11301P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E E / 89 S 5 2 026A I 127A I 228A I 31A I 42A I 53A I 64A I 75C L A R F +12R E F 1212 - 2202 - 3192 - 4182 - 582 - 6152 - 7142 - 817E O C 08 0 905 A/D 转换电路 图 4、温度设制、显示及报警电路模块 如图 7：通过按键可以事先设定报警温度值，当显示的温 度值超过设定的温度值时，单片机就会从 发出一连串脉冲，驱动蜂鸣器发出报警声。 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 3 0- M a y - 20 0 7 S he e t o f F i l e : D : 比赛 比赛 .d r a w n B y:E A / V S E T 012I N T 11301P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E E / 89 S 5 251 21 21 219181716151213141234567 2 A M B E R C P+ 5 Z Z E 1 4 温度设制、显示及报警电路图 5、串行通信模块 如图 8 所示，单片机 1 把温度值发送数据到单片机 2,单片机 2 接收数据并控制语音芯片报出当前的温度值。 7 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 3 0- M a y - 20 0 7 S he e t o f F i l e : D : 比赛 比赛 .d r a w n B y:E A / V S E T 012I N T 11301P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E E / 89 S 5 2E A / V S E T 012I N T 11301P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E E / 89 S 5 2图 8 串行通信电路图 6、 语音 播放 模块 语音播放模块 如图 9 所示。 主要由单片机 语音芯片 成。 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 2 9- M a y - 20 0 7 S he e t o f F i l e : D : 比赛 比赛 .d r a w n B y:A 0 / M 01A 1 / M 12A 2 / M 23A 3 / M 34A 4 / M 45A 5 / M 56A 6 / M 67 +14P / L A O U A I C R E D 2 56 0L S 12 2 2 2 0 1M I 5 70 7 / V S E T 012I N T 11301P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E E / 89 S 5 2+ 5 *8+ 5 录音、放音 电路 图 （ 1） 录音、放音简介 如图 9 所示，首先通过麦克风向语音芯片 入“ 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10，点，度”等音符。当单片机 2 接收到单片机串行发 送过来的温度值时，就会自动地去寻找相对应音符的地址，并把这些音符通过扬声器 播放出来。 （ 2） 介 28 脚 的 件封装， 如图 10. 8 图 10 脚图 各引脚功能如下： 1 7： 0 6 地址 /模式选择 ； 8 10： 入地址线 ； 11： N 辅助输入 ； 12、 13 ： 字地和模拟地 14、 15 ： . 16 ： 拟信号电源正极 17、 18： M 克风输入端和输入参考端 19 、 动增益控制 20、 21 N、 拟信号输入和输出 22、 出 23 、 选（低电平允许芯片工作） 24 、 片低功耗状态控制 25 、 放音结束信号输出 26、 部时钟 27、 P/R 录 /放控制选择 28 、 字信号电源正极 （ 3） 芯片 工作原理 10 个地址输入端 址能力可达 1024 位，地址空间为 0 1023。其分配情况是：地址 0 299 作为分段用，地址 600 767 未使用，地址 768 1023 为工作模式选择（即 为高）。 2500 系列的地址线有两种用途，一是作为工作模式控制，二是作为分段录放音的起始段地址。当最高位地址（ 为高电平时（即地址 9 768 1023），地址端 作为工作模式选择端 应 7 种工作模式。当 9 任一位为低或都为低时（即地址 0 599），只要在分段录 /放音操作前（不少于 300地址 值，操作就从 该地址开始。 480K 的 为 600 个信息段，每段 800 个字节。作为一个整体单位进行寻址和控制，应给每个信息段分配一个供外部控制的地址，而不是对每个字节进行寻址，否则至少需要 19 个地址端口。这样，大大减少了信息检索所需要的地址线。对较长的语音信号可以跨越多个信息段进行录音，不受内部存储信息段的限制，且内部的信息段址会自动增加。在每个语音段的尾部自动增加一个结束标志 合放音时，通过检测 每个信息段的录放音时间等于总时间除 以 600。如 总时间为 60s，则每个信息段的录放音时间为 100总时间为 120s，则每个信息段的时间为 200此可以利用该时间长度作为一个段地址，通过单片机定时器的计时平行地映射信息段的地址，从而得到每段录音的起始地址。这样，就需要设置一个地址计数器。一般录音从 0 地址开始，首先通过 它赋给 后通过单片机控制 动录音，同时启动单片机的定时器开始计时，每到一个信息段的时间，就给地址计数加 1。当单片机停止控制 时停止定时器计时。此时地 址计数器的值即为该段语音的未地址，加 1 即为下一段语音的首地址，并将它存在 ，为下一将放音提供的地址信息。通过 该地址赋给 可录制下一段语音。依次下去，即可在录制完所有语音段的同时得到各段的起始地址。如果不是从 0 地址开始的语音段，只需将初始地址赋给 上地址计数器的值，即可得到语音段的末地址。这里不用同时保存各语音段的起始地址和结束地址，因为各个段是相邻的，前一段的末地址加 1 即是本段的起始地址，且每个语音段的结尾均有 志，并可发出中断。放音时利用它和保存在 各语音段的起始地址即可按任意顺序组合各个语音段。 （ 4） 硬件电路设计 件选用录音时间为 60s 的 件，以单片机为处理机，外接控制每个语音段录音开始与停止按键，外部存储器 于保存每个语音首地址。 外围电路及其与单片机连接的硬件电路如图 9 所示。 接口部分包含输入地址线 选 选中 芯片低功耗状态控制 放音控制选择 P/R（ P/R=0 为录音； P/R=1 为放音）、录放音结束信号输出 它作为 部中断 0 的输入信号，放音时通过它告知本语音段结束，便于单片机立即播放另一个语音段 。 （ 5） 本方法的特点 能进行在系统现场录音，随录随放，修改语音方便。 10 修改录音内容时，可以从其中任意一段开始，修改其后的所有录音内容，不必从第一段开始全部修改。这对一些需要厂家固定一些语音段的系统很有好处，将固定的语音段放置在前面的段落中，允许用户录制的放在后面，用户修改录音内容时只需修改后面的语音段即可，不影响厂家录制的语音。 分段灵活。单片 分 1 600 个段，若多片级联还可更多；各个录音段的 长度任意，只要总录音时间在所用器件的总时间之内即可。 四、 系统软件设计 1、 系统程序 流程图 图 11 单片机 1 程序 主 流程图 图 12 单片机 2 程序 主 流程图 如图 11： 单片机 1 为主机，负责温度显示、按键扫描、 转换、串行发送数据给单片机 2。 以定时器定时 1定时 100 次 即 1 秒钟 就启动 A/D 转换、 转换，串行发送 2 进制数给单片机 2。 如图 12、 13 所示： 单片机 2 为从机，只负责接收数据 并播报温度 ， 以 时器定时 ,结合延时程序定时 1分钟，使 每 1分钟更新一次语音音素地址，即每 1分钟 更新 一次温度值 ，并在中断 程序 处理过程度中报一次温度。 11 图 13 单片机 2 的 断程序流程图 五 、 系统 测 试 1、硬件测试 （ 1） 单元模 块 的测试 （ A） 电源测试：用数字万用表电压档测量各三端稳压管输出的电压值是否正常。 测试相关测试点，三路电压正常。电源设计成功。 （ B） 温度采集模 块 的测试 ： 调节温度变化，测试点的电压值是否有相对应的改变。 当温度变化时，测试点的电压与温度之间的线性关系比较好，如表 1 所示，达到设计要求。 （ C） A D 转换模 块 的测试 ：当输 入为 0V 和 5V 以及中间若干电压输入时 ，测试 A/测试发现当输入为 0V 时， 输出为 00H，为 +5V 时为 0输入为 ，输出为 0试结果表明 A D 转换的功能完全实现。 （ D）语音播放模快的测试 ：通过拨码开关人工给语音芯片选地址，测试不同的地址是否有不同的发音，以检验语音是否正 确 录入 及能否正常播放 。 根据设定，将 12 个语音信号分别放到指定的行地址上，当按相应的行地址拨开关给 ，能够正常播放设定的12 个语音，说明语音芯片的录用存贮工作成功。接入系统，编程 输出相应的 行地址， 明语音播放模快的硬件设计可行。 （ 2） 系统整体 测试 测 试方法 以水温代替人的体温，用一根水银温度计与所制作的体温计探头（捆绑）同时接触被测热水的同一点。 （ A）准备一杯 0 摄氏度的冰水混合物和一杯热水。从 0 度开始记录测试点的电压值与 12 温度计对比较。记完一个数后，往杯中加热水， 这样，每测一次，记录一次数据，再加一次热水，这样使水温渐渐升高， 一直测到水温为 50 摄氏度。 测试结果如表 1 所示，说明 数码管显示的数值是否与测试点所测值 在误差允许范围内是成 归一化关系 的。 （ B）检测水温高于 50 摄氏度时测试点的电压值。看是否为 5V。 结果显示为 +5V，说明保护电路可行。 2、软件 测试 将各功能子程序进行 系统进行软件仿真，全部通过，再进行硬件仿真，也能全部实现所要求实现的功能。 （ 1） 数码管显示的测试： 把放大器的输出连接到 输入端， 单片机相连接，观察数码管显示的数值是否 与 测试点所测 值成归一化关系 。 （ 2） 双机串行通信的测试： 从主机发送一个 8 位的二进制数，用示波器观察从机是否接收到。 3、 硬件与软件的联机测 试 根据前面的测试，说明 系统设计的软、硬件设计基本取得成功。将 把程序 经编译、 下载到 相应的 片中， 构建电路测试， 比较 数码管 显示的数值 与温度计 的值 和 测试 点的值。 整体测试结果如表 1 所示。 六 、测试数据及实验结果 1 测试数据 按照前述的测试方法，取得到测试结果如表 1 所示。 如表 1 数码显示与测试点电压随温度变化的关系 温度值（摄氏度） 数码管显示值 测试点电压值 （ V） 0 测试 结果分析 13 根据上述测试结果，此系统的设计基本取得成功。智能体温计在测试温度方面有一定的成效，测试误差较小， 显示的误差与实际的温度值误差在 内， 在功能上达到了赛题的要求。 3 心得与体会 通过本次设计，深深感到理论与实践之间的差距。在学习单片课程时，很多知识点在理论完全理解了，但到具体的电路设计与实现中，会出现很多一时无法理解的现象，要通过不断的通过强化自身的实践动手能力的培养， 才能用理论来指导实践，通过实践来进一步深入理解理论。 七 结束语 本设计完成了以下功能： （ 1）温度信号的采集与归一化处理； （ 2） A D 转换； （ 3）温度值的显示， 显示的误差与实际的温度值误差在 内； （ 4）语音播报温度与声音报警功能。 参考文献 1 全国大学生电子设计竞赛组委会 北京：北京理工大学出版社， 2003 年第 1 版 . 2 王港元 南昌：江西科学技术出版社 3 第一版 3 谢自美 验·测试 中科技大学出版社 第二版 . 4 胡汉才 北京：清华大学出版社。 一版 . 5 由集成温度传感器 成的多温度测试系统 子技术应用 期 . 14 附录： /* 智能体温计 程序 _主机 y : : */ #0=0, 1, 2, 3 0 / 4, 5, 6, 7, 8, 9, =0 /预设 /换结果 =0 / 显示缓冲区 =0 /十进制 转换存放区 ; 24; E=; 26; 27; 30=; 37; 36; 35; 1=; 2=; 3=; 4=; 33; 34; 17=; /小数点 */ /*函数声明 /*/ t); CD( 15 /*/ /*按键蜂鸣函数 /*/ j,k; j=26;j>0; k=254;k>0; ; /*/ /*蜂鸣报警 /*/ j,k; j=100;j>0; k=254;k>0; ; /关蜂鸣器 /*/ /*延时 1数 /*/ t) j,k; j=0;) /报警值检测 ; if(=) if(>) ; if(=) if(>) ; /*/ /*键盘扫描函数 /*/ m; 1=0) /置键 m=0;m #=0 /十进制 转换存放区 /3=0,0 /0,1,2,3,4,5, /6,7,8,9,十 ,点 ,度 存放地址 3=00 /0,1,2,3,4,5, /6,7,8,9,十 ,点 ,度 存放地址 ; /"X 十 X 点 X 度 " /存放接收的 换数据 /1 分钟计时 20; D=; E=; i; * /*十进制 转换函数 /*/ CD( =(1); /十位 1); 0); =(1); /个位 1); 0; =(1); /小数位 /*/ /*语音芯片报温度函数 /*调用一次报告一次温度 /*/ /; _; _; 21 ; /节电控制端接低电平 ,正常工作 i=0;i<6;i+) n=0; P0=i;/ ; /开始播放 _; _; ; 0); _; _; /*/ /*主函数 /*/ 0 / 定时器 1 工作于方式 2,8 位自动重载模式 , /用于产生波特率 工作与方式 1,用于 1s 定时 0 / 波特率为 1000 0 0 / 设定串行口工作方式 0 / 波特率不倍增 ; /清除接收中断标志 1; / 开总中断 ; /开 断 ; /开串口中断 ; /优先级 ; /启动 1; / 启动定时器 1 ) ; =; =0=; =0=; =0 /*/ 22 /*串口中断服务程序 /*/ ; ; /*/ /*断服务程序 /*/ /10时 ; 12000) /一分钟 ; ;