基于AT89C51 的体温智能手表设计

张笑语，张曼婷，徐东卓

（安徽三联学院 电子电气工程学院，安徽 合肥 230601）

0 引言

新冠疫情期间,每个学生每天都需要测量体温,而传统的体温测量仪器虽然能满足需要,但测量精度不高且携带不方便。 如水银体温计在测温时必须保证初始温度在36 ℃以下,且等待时间较长,易破损；电子体温计容易受到环境、周围温度和人体神经元的调控水平等因素影响,准确度较低,无法准确测量。

针对疫情防控的常态化,本文构想设计了一款便携式体温智能手表。 在穿戴时,可以自动测量温度并显示,当体温超过正常温度时会自动报警。 该手表将测温元件融入其中,能够显示温度以及电子钟,且把人体散发的热量转化为电能为手表提供电源,无须摘下手表进行充电［1］。

1 总体设计

该系统的设计如图1 所示。 其中,检测模块用来将人体散发的热量进行收集并转化为电能存储在电源模块中为单片机供电。 同时,检测模块将测量出来的人体温度经过A/D 转换器转换后送入到单片机中处理显示。 若检测到的人体温度过高,则报警器发出报警,提醒人们注意。

图1 系统设计

1.1 检测模块的设计

温度测量元件采用热电偶传感器,在测量时不需要外加电源,可以直接将被测量体温转换成热电势［2］。

热电偶工作原理是当两种不同成分的均质导体相互接触后形成回路,直接测温端叫测量端(热端),接线端子端叫参考端(冷端)［3］。 当两端存在温差时,就会在回路中产生电流,则两端之间就会存在Seebeck 热电势,即塞贝克效应(Seebeck effect)。 热电效应回路中产生的热电势主要由两部分组成:温差电势和接触电势。温差电势是在同一材料的导体两端因温度不同而产生的热电势,如图2 所示。 接触电势则是在两种不同导体的接触面之间产生的。

图2 温差电势

根据物理学理论推导,回路中的总电势EAB(T,T0) 为:

公式1 中A,B 分别代表不同材料；σ为汤姆逊系数,表示两端温度变化1 ℃时所产生的温差电势；K 为玻尔茨曼常数；T,T0分别为热端和冷端温度；e 为电子电荷量；NAT,NBT,NAT0,NBT0分别为导体A,B 在温度T,T0时的自由电子密度。

从式(1)中,可以看出回路的总电势不仅与材料有关,而且与两端温度有关。 当材料确定之后,则总电势只与温度有关,即总电势EAB(T,T0) 与温度成单值函数关系。

在实际测温中,将两种不同材料的某一端焊接在一起,即为热端如图3 中的接点1；而另一端经导线与温度指示仪表连接,即为冷端如图3 中的接点2；热端和冷端输出的是无源的电压差信号,测温时热端放置在被测的温场中,冷端则处在某一恒定温度下。

图3 热电偶测温配置

本文中选择T 型热电偶测量。 T 型热电偶主要用于测量低温且线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,温度近似线性和复制性好,传热快,稳定性和均匀性较好,价格相对便宜。

1.2 电源模块的设计

电源模块是利用两种塞贝克系数不同的材料制作而成的微型温差发电电路。 将一个P 型温差电元件和一个N 型温差电元件在热端用金属导体电极连接起来,在其冷端分别连接冷端电极,就构成一个温差电单体或单偶。 在温差电单体的热面输入热流,电单体热端和冷端之间建立了温差,则将会有电流流经电路,如图4 所示。

图4 温差发电电路

1.3 控制模块的设计

控制系统模块主要采用的是AT89C51 作为微处理单元进行控制。 AT89C51 是一种低功耗、高性能、COMS 八位微处理器,片内有4 k 字节在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器,能重复写入/擦除1 000 次,数据保存时间为10 年［4］。

AT89C51 可构成单片机最小应用系统,不仅缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低系统的成本；还可提供三级程序存储器加密,提供方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。 P0 口是数据总线口,只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作,如图5 所示。

图5 AT89C51 引脚

本系统中,热电偶传感器将所测得的热电势经过A/D 转换后获取温差电势,发送到AT89C51 单片机上,通过处理后,将热端温度在LED 点阵屏上显示出来,并且实现电子时钟的功能。 当热端温度超过

37.3 ℃,触发蜂鸣器实现报警功能。

1.4 显示模块的设计

LED 点阵屏作为一种现代电子媒体,具有灵活的显示面积(可任意分割和拼装)、高亮度、长寿命、数字化、实时性等特点,应用非常广泛。

从图6 中可以看出,其实点阵LED 点亮原理还是很简单的。 在图中大方框外侧是点阵LED 的引脚号,左侧的8 个引脚是接的内部LED 的共阳极,上侧的8 个引脚接的是内部LED 的共阴极。 若把9 脚置成高电平、13 脚置成低电平,左上角的那个LED 小灯就会被点亮。

图6 LED 点阵

1.5 报警电路的设计

报警电路采用蜂鸣器,通过单片机系统软件编程设计超过37.3 ℃实现蜂鸣报警。

蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。 判断有源蜂鸣器和无源蜂鸣器可以用万用表电阻档Rxl 档测试:用黑表笔接蜂鸣器“+”引脚,红表笔在另一引脚上来回触碰。 如果触发出咔咔声且电阻只有8 Ω(或16 Ω)是无源蜂鸣器；如果能发出持续声音且电阻在几百欧以上的,是有源蜂鸣器。 这里的有源、无源不是指电源,而是指震荡源,即有源蜂鸣器内部带震荡源,所以只要一通电就会发出声音。 而无源内部不带震荡源,若用直流信号无法令其鸣叫,必须用2～5 K 的方波去驱动。

因为单片机的电流无法驱动蜂鸣器,所以需要增加一个三极管进行电流放大,如图7 所示。

图7 报警电路

2 社会效益分析

随着现在人们的工作和生活节奏不断加快,健身时间、健身场所、健身方式等很难固定。 近年来,迅速发展的智能设备通过对用户工作、生活轨迹、规律的统计数据(如智能手机、智能手环等)及体征指标,有针对性地帮助用户解决个性化需求,逐渐成为引爆人们消费的新热点。 随着信息化时代的普及,智能手表因其特性,面向的消费群体也逐渐变化,特别受到中青年、老年人的欢迎。 数据显示,2020 年我国智能手表出货量达到2 591 万台,约占到全年智能穿戴设备总出货的24.3%。 智能手表的应用价值在于它结合了当前大数据时代带来的便捷功能,进一步升级最新技术,让这些技术更好地融入个人生活,实时地检测人体状况,为人们的健康研究提供一系列的建议和规划。

在疫情之下,人们对于健康的需求激增,可穿戴设备市场随之热销,部分产品甚至出现供不应求的现象。 数据显示,2020 年第三季度,全球可穿戴设备出货量达1.253亿台,同比增长35.1%。 国内市场方面,2020 年第三季度,中国可穿戴设备出货量3 293 万台,同比增长15.3%。

随着智能手表市场逐渐成熟,新产品/新技术/行业动态通常由关注者向普通人群扩展,各大品牌开始重视并培育数码产品、关注圈层,进而跨圈传播。 由于目前智能手表与手机的功能重合度较高,因此探索健康监测以外的功能成为行业未来发展的重点。 而在当今疫情愈加常态化,体温测量随处可见的情况下,本设计构想的体温智能手表会更加方便,适应当前市场的需要和趋势,能够激发消费者兴趣,并切合消费者使用条件和社会环境状况。

3 结语

本手表可以很好地帮助疫情防控。 在疫情防控逐渐常态化的情况下,本手表在测量温度时都会比传统测量更方便快捷,因为它有着更快了解、更准测量的优点。 虽然本设计与其他手表相比,成本较高,技术相对于市面上的智能设备来说还未成熟,系统设计也不是很完善,但目前市场上并无此类可穿戴、无须供电的测温设备,市场空间较大。