紅外測溫語音播報溫度儀

查安琪，王書凡，曾亮，於敏睿

（安徽三聯學院，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行反饋。不會像傳統測溫儀器一樣易被外界溫度干擾導致被測溫度不準，不穩定等缺點。這個溫度儀充分發揮了其自身優勢，穩定性高，方便，快速，同時測得環境溫度以及被測溫度，還可設置溫度報警值，當被測溫度達到預設報警值，則系統會自動報警播報蜂鳴器會發出刺耳的叫聲。在當前新冠疫情期間，人為接觸感染風險較高時間段，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 紅外測溫語音播報溫度儀的發展前景

紅外測溫儀逐漸廣泛應用于各個領域，各個行業，從國防事業到工業應用再到人們的日常生活中，方便效率高成本低的優勢使得紅外測溫在市場上有著極大的需求。尤其在當前新冠疫情期間，溫度測量是防疫最基本的一關，非接觸式測溫有效地避免了人員接觸，更加安全，應用于人員密集流動性大的場所甚好，比如檢票處、學校門口、超市、廣場等地方，有效地減輕了防疫人員的負擔以及感染的風險。

2 紅外測溫語音播報溫度儀設計

2.1 紅外測溫語音播報溫度儀的硬件設計

該系統主要有89C52 單片機、1602 液晶顯示器、紅外非接觸溫度檢測電路、按鍵電路、蜂鳴器報警電路等組成。系統設計概括圖如圖1 所示。

圖1 紅外測溫語音播報溫度儀系統原理圖

2.1.1 STC89C52 單片機的選擇

本次設計系統不需要復雜的功能實現，對數據處理方面要求不高且在成本方面看運用STC89C52 單片機最為合理。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 字節程序存儲空間，512 字節數據存儲空間，內帶4k字節存儲空間，可直接使用串口下載，具有可編程Flash 存儲器8k 基礎等優點。在單個芯片上，擁有8 位CPU 和在系統可編程Flash，從而使得STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超高效的解決方案[1]。

如圖2 所示，是單片機最小系統組成，由復位、時鐘、電源電路組成，單片機便能正常工作。VCC 與GND 為單片機電源引腳為單片機提供充足的電源。復位電路主要由按鍵S1、電解電容EC1 和電阻R1 組成，實現手動按鍵復位功能和自動復位功能。當系統復位按鍵接口收集到兩個高信號以后進行手動復位，實現手動按鍵復位功能；當系統探測到電壓從低電位升至高地位，一段時間以后，系統便能與接地形成一條通路，自動地將高電平降低，從而使得單片機的地位降低，從而實現了自動復位功能。有控制的數字電路需要有個時鐘電路自動發出時間，使得控制芯片正常工作。運用晶振以及電容的組合，電容幫助晶振起振是數字控制器正常工作的重要因素。

圖2 系統整體原理圖

2.1.2 實現非接觸式測溫效果

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，該設計測量范圍廣，既可以測量靜態物體的溫度，也可以測量運動中的物體，高效準確，適用于很多人為無法直接測量的高溫測量環境。當前，新冠疫情嚴重管控時期，發燒是主要病理反應，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計[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℃。因為集成了放大器低噪聲，17 位ADC 和有效的DSP 對實現高精度對溫度計奠定了基礎。在0℃～+50℃溫度范圍內，Ta 和To 精度可以達到0.5℃，精確度極高。SMBus 兼容數字接口能快速讀取溫度數值并且建立傳感器網絡，SCL 時鐘端與SDA 數據端分別接單片機引腳，5V 的電壓能大大節省能源消耗。

（2）1602 液晶顯示模塊電路設計

顯示器有很多種選擇，比如LED 數碼管、LCD 液晶顯示。雖然LED 數碼管使用時單片機口線少，價格適中，但是本系統要求顯示的數據較多，使用此數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驅動，可以用來顯示大量數據、文字和圖形，能夠顯示清晰多樣的多位數數據，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，只要將對應的信號送到相對應的管腳就能顯示出數值。然而字符顯示是根據需要顯示。本系統設計采用的就是其中的一種字符型顯示。系統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、顯示內容豐富簡單等優點，而且不需要外加電路來使其驅動，現如今液晶模塊電路也日漸應用在單片機實驗中。LCD1602 顯示屏上可以顯示2 行、16 個漢字[3]。

（3）按鍵設計

按鍵設計相當于一個電子開關，用手指按下即接通，松開即斷開。主要通過按壓按鍵內部的金屬彈片受到外部壓力彈動來實現開關的接通或斷開。在此系統中，按鍵可作為輸入，將人為與自動相結合，起紐帶作用。按鍵單片機控制引腳默認為高電平，當按下去時，就相關引腳就變為低電平，從而實現了手動輸入。

（4）蜂鳴器設計

蜂鳴器可實現報警電路，電路簡單，穩定有效，成本低，可很直接地反映出結果。采用有源蜂鳴器模塊，利用三極管來驅動，單片機控制引腳為低電平時便會發出蜂鳴聲，反之仍成立。當所測溫度高于預設的溫度值（報警值）時，蜂鳴器會發出鳴叫聲報警，當溫度低于預設值時便不會鳴叫。

（5）語音播報電路設計

采用YF017 語音芯片進行語音播報，輸出低電平則正常工作播報溫度，當保持高電平時則處于待機中。當所測溫度值高于預設值，則語音播報異常時的溫度，以示提醒。當所測溫度低于預設值時，則播報當前正常溫度。

2.1.3 系統實現功能詳細操作

（1）液晶1602 實時顯示被檢測時的環境溫度值和被測物體溫度值，顯示中第一行E 環境溫度，第二行O 物體溫度。

（2）可以通過不同按鍵設置溫度的報警值，如果MLX90614 檢測到的溫度高于報警值，則蜂鳴器將會發出刺耳的聲音，反之，蜂鳴器不報警。

（3）按鍵播報當前測量溫度值是否正常。

2.2 紅外測溫語音播報溫度儀的軟件設計

想充分發揮硬件設計的功能，那軟件設計也是至關重要的一步。因為整個程序較為復雜，計算量較大，需要很多浮點數計算。所以采用C 語言來編寫。對于大多數51 系列的單片機，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點：

（1）不需要了解處理器的指令集，也不必了解存儲器結構。

（2）寄存器分配和尋址方式由編譯器進行管理，編程時不需要考慮存儲器的地址和數據類型等細節。

（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鍵字和操作函數。

（5）與使用匯編語言相比，程序的開發和調試時間大幅縮短。

（6）C 語言的庫文件提供了許多標準的例程。

（7）通過C 語言可實現模塊化編程技術，從而可將已編制好的程序加到 新程序中。

本設計中單片機開發環境是Keil μVision4，Keil μVision4 開發軟件是目前51 系列單片機系統的主流程序開發軟件，Keil μVision4 是STC 公司推出最新一代關于51 系列單片機處理器的編譯、連接和調試集成環境。可以降低開發周期，從而減少很多成本。其中Keil μVision4 有以下特點：

（1）Keil μVision4 軟件同時支持WINXP 和WIN7 等多種操作系統，提供了豐富的庫函數和功能強大的開發工具。

（2）Keil μVision4 可以完成從編輯、編譯、到連接、調試的一套開發流程。

（3）Keil μVision4 C51 在Keil C51 的基礎上，增加了很多新的功能。如Keil μVision4 更加增強了對內核微控制器的開發支持，并對Keil C51 的開發形式和開發界面進行相應的改進。

在Keil μVision4 開發環境下，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備，在51 系列智能產品研發過程中得到了廣泛使用，性能高，是目前51 系列單片機控制系統研發中不可缺少的一部分。通過PL2303 串口燒寫模塊實現對單片機程序的燒寫。PL2303 串口燒寫模塊使用USB 接口，解決了筆記本電腦用戶對STC 系列單片機的程序燒寫問題，而且下載器低價格、高性能，是開發 STC 系列單片機的首選優秀工具。如圖3 所示。

圖3 系統運行流程圖

2.3 紅外測溫語音播報溫度儀的實驗數據

如圖4 所示，當前環境溫度為10.5℃，被測溫度為18.1℃，報警值設置為37℃。因為被測溫度低于報警值所以語音播報正常溫度以及蜂鳴器沒有發出聲音，當前處于安全狀態。當把報警值調到18℃以下，蜂鳴器就會發出刺耳的報警聲及其語音播報溫度異常以及被測溫度數值。用被利用水溫控制溫度的毛巾作為被測物體，環境溫度也用水溫來控制（冰塊或者加熱）。

表1 紅外測溫數據分析

圖4 實驗測試結果圖

3 設計難點

本系統主要依靠紅外測溫模塊為核心的非接觸式紅外測溫。實踐系統焊接時注意的問題有很多，焊接時要注意正負極的焊接以及焊點間不可相連到。可以用萬用表正負極間是否短路等較嚴重的電源問題，來保證焊接環節沒有問題。該系統軟件程序較為復雜，調試時很多時候功能不能完全體現，較為復雜的程序調試時容易出錯，需要不斷調試，反復進行，使得所有功能均能滿足。

4 總結

紅外測溫語音播報溫度適用于很多人多的地方，運用廣泛。能通過復雜的設計研究制作出如此有用幫助社會的系統，是創新方面的很大一步提高。該系統運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，還可以用在工廠領域。比如化學行業中，煉廠在常規的預防維護工作中，用來檢測受熱面集結碳的比例；又如在玻璃行業，產品處于動態中，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。應用普遍，高效解決了很多難題。