智能电子体温计论文智能电子体温计论文

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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 25μ 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 100μ 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, D\A 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 1μ A,及温度系数为 1μ 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 1μ A。即 温度系数为 1μ 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 ; 2^4; E=; 2^6; 2^7; 30=; 3^7; 3^6; 3^5; 1=; 2=; 3=; 4=; 3^3; 3^4; 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 2^0; 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 { ; ; } }
编号:20160911155428357    类型:共享资源    大小:349.50KB    格式:DOC    上传时间:2016-09-11
  
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