关键词：智能型超声波传感器；液位传感器；控制单元；以太网数据
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1009－2374(2009)12－0032－02
一、智能型超声波传感器简介
随着科学技术的发展，超声波技术比较成熟，已广泛应用于众多领域的无损检测和无损探伤。超声波液位传感器为非接触式测量仪器，已用于石油化工、水利水电、农田灌溉、环境检测以及自来水厂、污水处理厂等众多部门的液位、水位的测量。
日前，在石油化工及建筑等域内常用的液位传感器有：旋转编码式传感器(机械式)、磁浮子接点式传感器、压电式传感器、非接触式传感器，其分辨率从毫米级到厘米级，测量范围从几十厘米到几十米。除了磁浮子接点式传感器外，其余传感器均比较适合测量范围较宽的应用场合。一般压力式和超声波传感器均带有变送器，将液位信号转变成标准的电流信号(4～20mA)。旋转编码式传感器分为机械式和光电式两种，这类传感器输出通常为并行二进制码、串行二进制码或脉冲信号。除智能型一体化传感器(压力式或超声波)外，一般没有就地显示和数字通信功能。在这些传感器中，超声波液位传感器是一种非接触式的测量仪器，在测量过程中无任何部件触及被测物质，所以无论液面是流动、波动或是有漂浮物以及有化学反应等都有应用，且与被测介质的压力、温度、密度、腐蚀性无关，适应范围广，可用于工业原料液位、河面水位等的测量。相比较各种测量方法，超声波测量方法有很多其它方法无可比拟的优点，该液位计成本低，性能稳定，测量精度高，换能器寿命长，使用方便，是非接触测量的理想仪器。
其特点如下：
1 测量精度高。
2 响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。
3 非接触测量，性能稳定可靠，对液体的物理化学性质的适应性极强，不怕酸碱等强腐蚀性液体等。
智能型超声波液位传感器是在超声波液位传感器的基础上，使用微处理器作为控制核心而研制开发的，具有传统超声波传感器所不具有的特点：
1 测量精度高。测量精度取决于智能传感器控制芯片的计数频率，通过修改计数频率可以修改测量的精度，另外，传感器的测量精度与温度有直接的关系，该智能型超声波传感器可进行温度补偿，提高了测量的精度。
2 具有诊断功能。可以设定超声波在1秒钟接收有效回收次数，若未收到该次数的有效回波，认为接收或发送系统异常，给出异常信息。
3 具有计算、补偿功能。采用一定的算法，将各次测量的结果排序，取中间的一些数值，求其平均值，并将温度值进行补偿计算。
4 具有强大的通讯功能。液位信息为数字量，将数字量转变成4～20mA模拟量输出，模拟电流量有利于传输，抗干扰能力强；将液位信息通过异步串行通讯传给上位机；以太网数据传输，实现远距离传输液位信息。
综上所述，智能型超声波传感器是将单片机、嵌入式系统引入仪表，开发出的智能型传感器，它突破了传统传感器的单一功能，具有自动测量、高精度、功能扩展容易、与外部通讯强大的功能，完全能适应工业控制体系的网络化、集成化、智能化发展的要求。
二、智能型超声波传感器的主要结构
(一)硬件构成
智能型超声波传感器主要由液位信息采集电路、控制单元、键盘输入接口电路、LCD显示接口电路及与外部通讯接口电路五部分构成。其结构原理如图1所示：
1 液位信息采集电路包括超声波发射和接收电路、温度传感器。其中温度传感器嵌入在微处理器内。
超声波发射电路主要由微分电路和驱动电路组成。CPU发出的脉冲信号经微分电路变成标准的脉冲信号，然后通过可控硅去控制600V的高压，形成高压脉冲。高压脉冲驱动超声波探头，探头把电能转换成机械能，产生超声波。超声波脉冲信号接收电路包括接收信号的限幅、放大、比较、单稳态触发等环节，形成一个窄脉冲信号。超声波传播速度受温度的影响，精确的测量需要温度补偿。在MSP430内嵌入温度传感器，利用内部热敏二极管测量温度。MSP430温度传感器所测电压v和实际温度T的关系：
V=0.00355×T+0.986
MSP430的ADC12内核是一个12位的模数转换器，能将结果存放在存储器中。该内核使用两个可编程的参考电压(VR+和vR-)定义转换的最大值和最小值。输入模拟电压的转换结果NADC满足公式：
NADC=4096×(Vin-VR-)／(VR+-VR-)
MSP430具有ADC12内嵌温度传感器，若设置ADC12的内部参考电压为2.5V，输入模拟电压的转换结果NADC满足公式：
NADC=4096×T／2.5
2 控制单元：MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年推向市场的超低功耗的混合信号处理器。该系列单片机具有16位CPU通过总线连接到存储器和模块，直接嵌入仿真处理，具有JTAG接口，能够降低功耗，降低噪声对存储器存取的影响。MSP430系列单片机包含以下主要功能部件：
(1)CPU：MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430的实时处理能力。
(2)存储器：存储程序、数据以及模块的运行控制信息，有程序存储器和数据存储器。对程序存储器访问是以字形式，而对数据可以用字和字节方式访问。其中MSP430系列单片机的程序存储器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。
(3)模块：经MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。
3 键盘输入接口电路和LCD显示接口电路构成人机交互接口电路，智能型传感器通常都有液晶显示和手动操作按钮，LCD显示器显示液位数据信息，按键输入用来选择工作模式。
4 与外部通讯接口电路主要包括三种通讯方式，即4～20mA电流环接口、异步串行通讯接口、以太网数据传输接口电路。
(1)4～20mA电流环：在要求智能传感器具有高精度的电流变送要求时，低功率、高精度的元器件的选用是研制智能传 感器不可缺少的一部分，一般情况下选用高性能数模转换器AD421。利用AD421将液位信息转变成4～20mA的模拟量。
(2)RS－232串行通讯：串行通信只需较少的端口就可以实现单片机和Pc机的通信。串行通信由两种方式：异步模式和同步模式。MSP430F44X系列都有USAHT模块来实现串行通信，使用MSP430F449的USART0模块通过RS-232串口来接收或发射数据。
(3)以太网数据传输：嵌入式以太网可以通过Ethemet将信息传输距离无限扩展，而基于底层的以太网协议是由以太网控制器来实现的。
(二)软件构成
智能型超声波液位传感器程序由三部分构成：采集液位信息程序，发射与接收超声波，测量当前温度，计算液位值；人机交互程序，包括按键处理程序和液晶显示程序；与外部通讯程序，包括异步串行通讯程序、4～20mA两线制电流变送程序和以太网数据传输程序。该软件系统设置了三种工作模式，由按键选择并引发中断，进入不同的工作模式，完成相应的功能。本系统设置3种工作模式：若按键normal按下，进入normal工作模式；若按键web按下，进入web工作模式；若按键AD eoDvert按下，进入AD eonvert模式。软件流程框图如下：
1 normal工作模式。采集液位信息，将液位值由液晶显示，采用异步串行通讯方式向上位机传送数据。
2 web工作模式。采集液位信息，将液位值由液晶显示，以太网传输数据。
3 ADconvert模式。采集液位信息，将液位值液晶显示，4～20mA电流环向上位传送信息。
主程序不是无休止的循环，通常处于休眠状态。由按键触发中断，进入中断处理程序，中断处理完毕后再次进入休眠状态。
三、结论
关键词：超声波 测距 单片机 倒车
中图分类号：TN959 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）08-0157-01
1 系统工作原理
超声波倒车系统由超声波传感器、单片机控制器和显示器等部分组成。超声波传感器将电能和超声波相互转化，实现测距，车尾的超声波传感器发送超声波遇到障碍物后，发射回来经超声波传感器接收后传给单片机控制器进行处理，得到障碍物距离交通工具的距离，将数据由送入显示器显示，能够探测0.25～2.5m范围内的障碍物，以及利用声音报警和LED发光二极管实现声光提示报警，用于提醒驾驶人员，实现轻松倒车。
1.1 超声波传感器
超声波具有的优点使得超声波在距离的测量中的应用广泛。超声波传感器将电能和超声波相互转化，采用压电材料的压电传感器是超声检测中最常用的一种传感器，当发射超声波时，将压电材料置于电场之中，它产生一定的应变，对压电材料加以交变电场，会产生交变的应变，从而产生超声振动；当接收超声波时，由于超声波的声波效果，压电材料在声波的压力作用下引起振动变形，形变可等效转换为电信号。压电晶体的谐振产生超声波，共振时，其频率为压电晶片的固有振荡频率（即中心频率）。
超声波传感器的频率特性，SZW-S40-12M发射型超声波发射传感器的升压能级中，超声波发射的中心频率为40KHz，超声声压能级最高，超声波传感器产生共振，可将超声波波长λ设为0.85cm，超声波接收传感器的频率特性类似。
1.2 超声波测量距离的原理
超声波发射后遇到障碍物反射回来送入超声波传感器，而何时反射回来无法确定，需要超声传感器一直查询检测发射回来的信号，从而计算出时间差t，代入公式S=Ct/2，求出距离S，S为超声波发射点与被测障碍物之间的距离，其中，C为声波在介质中的传输速率，t为超声波发射到超声波返回的时间间隔，超声波声速C与温度有关，温度变化不大时可认为声速是基本不变，确定声速，并测得超声波从发射到接收的时间，可求得距离。
2 系统主要构成
该系统核心采用AT89C51单片机，还包括超声波发射和接收单元、数码显示单元和声光报警单元、键盘控制单元等组成（如图1）。
2.1 超声波产生和发射单元
超声波发射单元包括超声波产生并发射，超声波传感器选用压电式，可通过软件产生超声波也可以通过硬件产生超声波。软件产生超声波充分利用软件，灵活性好，但需设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路；硬件产生超声波是利用超声波发生电路产生超声波信号，单灵活性差。软件编写脉冲发射40kHz的方波信号的程序，放大后输入给超声波传感器，通过LC振荡电路产生40KHz的超声波。
2.2 超声波接收单元
超声波接收单元中的超声波传感器与超声波发射单元中的传感器频率要相同，因而采用与发射端同型号的压电式超声波传感器。超声波传感器接收到信号后采用前置放大器对接收到的信号进行放大以及采用反馈减少失真等处理后送入单片机处理单元。
2.3 单片机处理单元
超声波发射后遇到障碍物反射回来送入超声波传感器，而何时反射回来无法确定，需要超声传感器一直查询检测发射回来的信号，从而计算出时间差t，代入公式S=Ct/2，求出距离S。在倒车的过程中，由于距离障碍物越来越近，需要将蜂鸣器的频率越来越大，蜂鸣器响的节奏越来愈快，可以在距离小于一定距离时加大蜂鸣器的声音以提醒驾驶员，同时将发光二极管的闪烁设置闪烁越来越频繁来实现光报警，单片机AT89C51需要将距离的数据及时的反馈给蜂鸣器，并通过软件实现相应功能。单片机AT89C51晶振频率为12MHz，通过端口P1.0输出40KHz方波，并将其送入超声波发射器，用于产生超声波，通过外中断检测超声波接收电路接收的超声波信号，在倒车前多次测得时间，求平均值，提高测量精度，在倒车时能够及时的显示障碍物距离，如果小于1m时报警。
2.4 数码显示电路和声光报警单元
数码显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，用于显示车尾障碍物的距离，由单片机P0.0—P0.6接LED的a～g七个笔段，P2.4～P2.7接四位8550的公共端，通过软件以动态扫描方式显示。段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管驱动，显示精度厘米。声光报警电路，当所测距离小于一定值时，通过声光报警，计算出的距离在发光二级管上显示的同时，将其与设定值（比如1m）进行比较，如小于1m，接蜂鸣器报警，否则不报警；在距离小于一定距离时，通过将发光二极管的闪烁设置闪烁越来越频繁来实现光报警。
2.5 按键控制单元
按键控制电路，通过按键控制倒车雷达的工作状态，根据是否倒车启动和停止该系统，以及通过按键实现安全距离的选择，以满足不同的需要。
2.6 程序编写
程序包括主程序、超声波发射子程序、超声波接收子程序、显示子程序。主程序调用各个子程序和中断程序实现整个系统的控制，主程序中初始化后，调用发射子程序多次，启动定时器，不停的扫描引脚INT0，如果有接收信号则进入中断子程序关闭定时器，得到时间，求得距离以及进行声光报警提示。
2.7 系统结果分析
该系统能够实现在2.5m范围内的障碍物的测距和报警，实际测试证明该系统工作稳定，系统实验结果误差分析，发射接收时间对测量精度的影响，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，必须确定接收波形的时间，对接收到的信号进行处理，如放大，这是影响测量精度的其中一个因素。本系统对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时，AT89C51单片机的12MHz时钟基准的精度为1μs，因此误差精度为1mm，声速受温度的影响，提高超声波测量精度重中之重就是获得准确的声速。
3 结语
本文给出了超声波雷达倒车系统的整个设计方案，利用AT89C51单片机、超声波传感器实现障碍物报警提示。该系统成本低、精度高，具有一定的实用价值，在日常驾驶过程中起到了良好的辅助作用。
参考文献
关键词：太阳能; 温度补偿; 超声测距; 导盲器
中图分类号：TN29-34 文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)17-0137-04
Design of Solar Ultrasonic Guide Device
WU Fei-bin, ZHANG Jin-ping, CHEN Wen-juan
(College of Physical Science and Technology, China University of Petroleum, Qingdao 266555, China)
Abstract： In order to help blind people overcome the difficulties of walking inconvenience, the design method and work principle of solar ultrasonic guide device based on single-chip microcomputer is introduced. This design includes five modules such as main control circuit, temperature compensation, voice alarm, range setting and the solar power function. Its characteristics include that the temperature compensation technique can improve the guide accuracy; the solar power module is energy-efficient which can overcome the difficulty of charging inconvenient; the intelligent alarm module can improve the use effect of guide device.
Keywords： solar energy; temperature compensation; ultrasonic distance measurement; guide device
0 引 言
为了更好地帮助盲人行走，各科研机构研制了各种电子导盲设备。传统电子导盲装置存在以下不足：使用普通电池，工作时间短，需要频繁更换电池；传感器受外界影响较大，探测精度不高；操作复杂，并且造价昂贵。
超声波［1］测距是一种非接触式检测方式，利用其可测范围广，不受光线和被测物体颜色的影响等优势，可以解决很多问题，在工业控制、勘探测量、精确定位和交通安全等领域都有广泛的应用［2-5］。目前超声测距实现方便，计算简单，容易实现实时控制，并且在测量精度［6］上能达到使用的要求，因此可以很好地使用于导盲器的研制中。
1 超声波传感器及测距的原理
超声波是指频率高于20 kHz的机械波，超声波传感器是在超声波频率内将交变的电信号转换成声音信号或者将外界声场中的声音信号转变为电信号的能量转换器件，习惯上称为超声波换能器，或是超声波探头。超声波探头材料是压电晶体或压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头，利用压电材料的压电效应来工作的，其压电效应具有可逆性。逆压电效应是将高频脉冲转换成高频机械振动，以产生超声波，可作为发射探头。正压电效应是将高频机械振动转化成高频电脉冲，可接收超声波信号，作为接收探头。
超声波测距的原理一般是回波渡越时间法，即检测从超声波发射探头发射的超声波，经空气介质的传播，与其遇到障碍物后产生回波，并被超声波接收探头接收的时间差Δt，即渡越时间，求出声源到障碍物的距离S，计算公式为：
2 实验装置与控制方法
本项目研究的太阳能超声波导盲器从功能上分为太阳能供电、语音报警、量程设置、温度检测、主控制系统等五个模块，其原理框图如图1所示。
太阳能电池板固定在导盲器支架顶端，通过驱动电路连接到可充电的镍氢电池为导盲器提供5 V直流电。超声波传感器和温度传感器固定在导盲器支架前端，分别连接到主控制电路上。使用时，先选择量程，打开开关，温度传感器检测环境温度，并将检测到的温度信号传输给单片机，单片机对超声波传播速度进行修正。在量程范围内，当超声波信号遇到障碍物时，信号被反射回来，并被超声波传感器接收。信号发射到接收的时间差与障碍物的位置有关，单片机通过分析超声波发射到返回的时间差，可以计算出障碍物的距离，并执行报警程序，语音报警声可以通过耳机接线口连接到耳机。
2.1 主控制模块
主控制模块主要由单片机进行控制，包括了超声波发射电路和超声波接收电路，由于要实现远距离测量，而超声波在空气中传播，其能量会随传播距离的增大而减小，从远距离传播回来的信号比较弱，需要经过多级信号放大。
2.1.1 超声波发射电路
发射电路主要由反向器74LS04和TCT40-1F超声波发射传感器构成，单片机P2.0端口输出的40 kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波传感器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波传感器的另一个电极。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻既可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，也可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。其原理图如图2所示。
2.1.2 超声波接收电路
超声波接收器采用与发射器相配对的TCT40-2S，将超声波调制脉冲转换为40 kHz的电压信号。集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，内置前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路等。其中前置放大器具有自动增益控制功能，可保证在超声波接收较远反射信号而输出微弱电压时，放大器有较高的增益，而在近距离输入信号强时，放大器不会过载。考虑到红外遥控常用的载波频率为38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，如图3所示。利用CX20106A接收超声波，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。
2.2 温度补偿模块
由于超声波属于声波范围, 其波速v与温度有关, 声波速度受温度影响较大。其传播速度与温度T的关系为:
增加温度传感器，检测装置工作时的温度，将接收到的温度信息传至单片机，对超声波的速度进行温度补偿,可以校正超声波的传播速度, 提高测量精确度。利用集成温度传感器 DS18B20和AT89S52单片机为主体, 可以构成一个高精度的数字温度检测系统［7］，其电路如图4所示。DS18B20温度传感器，与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测的温度值，并且可根据实际要求，通过简单的编程，实现9~12位的A/D转换。因而，使用DS18B20可使系统结构更趋简单，同时可靠性更高。
2.3 语音报警模块
普通导盲器的报警方式比较简单，或者是单一的蜂鸣器报警，或者只有语音报警，二者都存在缺陷。结合两种报警方式，设置蜂鸣器和语音芯片作为声音报警器，使用者若选用语音芯片，系统可根据距离探测的结果语音报出障碍物的距离，也可以根据需要选择蜂鸣器直接报警。在近距离模式中，可以用蜂鸣器的频率来表示距离的远近，远的时候采用低频率的蜂鸣声，近的时候采用频率高的蜂鸣声，使用者可以根据声音频率的高低快速准确地判断前方障碍物的大致距离。在远距离模式中，采用语音报警模式来表示前方障碍物的距离，语音报警模块采用的语音芯片是WT588D。
语音系统的原理框图如图5所示，分语音存储和语音播放两部分。系统利用单片机进行数据采集，经处理转换为可判断语音芯片播放哪段语音的判断信号。然后驱动耳机播放声音信号，利用WT588D VoiceChip软件可以对语音芯片进行编辑、声音录入等操作［8］。
2.4 量程设置模块
本装置预设远距、中距、近距三个量程用来控制报警的距离，系统初始报警距离为近距1 m，按中距和远距按键可分别将初始报警距离设为3 m和6 m。
2.5 太阳能供电模块
通过太阳能光伏电池发出的直流电驱动系统，并以可充电的镍氢电池作为积蓄太阳能发电板的剩余电力的设备。太阳能供电模块由太阳能电池、太阳能控制器、蓄电池和DC-DC转换器等组成，如图6所示。太阳能控制器可以控制蓄电池对太阳能的采集和储存的工作状态，并对蓄电池起到保护作用，延长蓄电池使用寿命。
3 算法设计与实验结果分析
3.1 算法设计
本装置软件的控制核心为AT89S52单片机［9］，单片机通过读取量程设置值和温度值对初始设置状态进行修改，控制发射超声波，同时启动定时器计时，为了避免接收传感器直接接受发出的超声波，可在发射超声波后设置一段延时。当超声波探测器探测到回波时，计时器停止计时，读取时间差，根据回波测距原理计算出障碍物距离，并执行报警程序［10］，程序流程图如图7所示。由于采用的是12 MHz的晶振，计数器每个计数就是1 μs，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数(即超声波来回所用的时间)按式(3)计算，即可得被测物体与测距器之间的距离S，假设温度为20 ℃，则对应声速v为344 m/s,则有:
3.2 实验结果分析
试验中选用一纸箱作为障碍物，将报警模块换为液晶显示器进行定量测量，不同气温下在同一点位置测量5个值，添加温度补偿和量程选择，得到如表1所示结果。
由此可以看出，本实验的相对误差较小，但是由于盲区的出现，所测的结果不能与标准值完全相等。并且当障碍物距离比较近时，测量精确性较高；障碍物较远时，精确性相对较低；这是由于距离较远时，超声波回波信号较弱，噪声较大，容易产生误差。
4 结 语
目前导盲器的研究较多，本实验提出的设计方案特点是以太阳能作为系统的动力来源，采用半导体数字温度传感器实现对单片机超声波测距系统的温度测量和补偿，从而对声速进行补偿，对引起测量误差的因素进行修正处理，可以提高导盲器的导盲精度及灵敏度。由于预留了单片机引脚，便于进行功能拓展，同时导盲器系统以模块化进行组装，适宜增加其他功能模块。例如可以添加GPS定位器，可以帮助盲人家属及时了解盲人的行踪，避免盲人走失。而且本设计具有操作简便、体积较小等优点,因此可以很好地应用于实际生活中。
参 考 文 献
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[关键词]无线传感器网络;定位算法;超声波测距;硬件平台
1 引 言
随着微电子技术、分布式信息处理技术、低功耗技术和无线通信等技术的飞速发展,设计低功耗多功能的无线传感器节点成为可能。传感器节点作为无线传感器网络的基本单元,其设计的优劣直接影响到整个网络的性能。本文提出了一种利用超声波测距的改进型无锚定位算法,并针对该算法,设计了一款以c8051f020和cc2430为核心器件的无线传感器节点硬件平台。
2 利用超声波测距的改进型toa无锚定位算法
现有基于距离的定位算法主要有toa、tdoa、aoa和rssi等。toa算法精度较高,但其要求整个网络的节点间保持精确的时间同步,对传感器节点的硬件和功耗提出了较高的要求。并且toa需要相当数量的锚节点来辅助未知节点进行定位。为解决这两个问题,本文借鉴超声波测距和aoa定位的思想,提出了一种利用超声波测距结合来波方向进行定位的无锚定位算法。算法利用超声波自发自收的方式解决了传统toa需要收发节点间时间同步的问题,用测得的距离结合来波方向进行定位,可以确定全网节点的相对位置关系,若需定出绝对经纬度坐标,仅需加入少量锚节点即可。
超声波传播距离有限,在空气中一般只能传播十几米到几十米,在监测区域范围较大时,节点只能与距自己较近的邻居节点测距。因此,考虑采用分簇的方式,各簇首先在自己簇内建立坐标系,对簇内节点进行定位,建立簇内节点的相对位置关系。之后,若需要在整个网络建立统一的坐标系,可利用两个簇共有的边界节点来协调相互的位置关系,完成对整个网络的定位。另外,由于超声波传播方向性较强,每个节点将配置多组超声波探头进行测距和来波方位测量,使得节点能够在360度范围内进行测距。
节点随机部署于被监测区域后,经分簇算法(例如leach)选出簇头,簇头用射频信号向周围节点发送数据包宣布自己为簇头。其他节点持续侦听,在其通信范围内选择信号强度最强的一个或两个簇头加入该簇。可以收到两个簇头广播的普通节点称为边界节点。边界节点在定位过程中将分别存储自己在两个簇中的坐标信息,它们将在整个网络统一坐标系时发挥重要的作用。
簇建立阶段完成后,簇头a通过测距在簇内挑选一个距其较远的节点b(太近的节点容易引起较大的定位误差),以a为坐标系原点,ab连线为坐标系的y轴正方向,y轴顺时针90度方向为x轴正方向建立坐标系。之后,簇头通过射频信号通知簇内节点坐标系已经建立,簇内各节点即可以a、b为锚节点,通过测量与a、b的距离进行定位。假设a(0,0),b(0,m),需要定位的节点c(x,y)到a、b距离分别为a、b。c点坐标可通过下面的方程组解出:
其中a、b和m通过超声波测距得到。可解出关于x、y的两组解。c在测量与a的距离过程中,a通过射频信号告知c是在与自己的哪个超声波探头通信,从而c点得知自己位于哪个象限。如下图所示,c与a节点的编号为2的超声波探头通信,可以得知c位于a、b确定坐标系的第一象限,即x、y为正。
基于超声波测距的簇内节点定位
3 无线传感器信息提取算法实现
3.1 传感器模块
传感器种类很多,根据所监测物理量的不同,可分为温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。目前市场上有很多不同种类、参数各异的传感器。如美国crossbow公司基于mica节点开发的一系列传感器板,采用的传感器有光敏电阻 clairex cl94l、温敏电阻ert j1vr103j、加速度传感器adxl202、磁传感器honeywell hmc1002等。在设计传感器模块时,应该根据应用要求选择参数和性能合适的传感器,并设计相应的驱动电路及信号处理电路。
3.2 无线通信模块及其与处理器模块的接口
本平台的无线通信模块核心为chipcon公司生产的cc2430无线射频芯片。cc2430是一款专门为2.4ghz ieee802.15.4/zigbee所设计的soc,具有低能耗、体积小、输出功率和收发频率可编程的优点。其最大收发速率为250kbps(2mchip/s)。cc2430其他特性还包括:硬件支持的csma/ca功能;较宽的电压支持范围(2.0v~3.6v);数字化的rssi/lqi;支持强大的dma功能;电池监测和温度感测功能;较少的电路以及强大灵活的开发工具。该芯片可用于家庭/楼宇自动化、工业控制以及低功耗无线传感器网络等应用场合。cc2430芯片采用0.18umcmos工艺生产,工作时电流损耗约为27ma;在掉电模式下仅有0.5ua的电流损耗,外部中断或rtc能唤醒系统;在待机模式下电流损耗仅为0.3ua,外部中断能唤醒系统。cc2430的休眠模式和在超短时间内转换到工作模式的特性,特别适合于那些要求电池寿命非常长的应用。
3.3 超声波测距过程
超声波测距过程如下:假设节点a需要测距。在发射端,处理器c8051f020控制节点a的8个发射探头以轮询的方式向8个方向发射超声波,若节点b某接收探头收到该轮询超声波,则延迟一个预定时间(用于抵消处理时延)用于接收探头同方向的发射探头回射超声波,并通过无线信号告知节点a自己的网内唯一id和接收到轮询超声波的接收探头的方向。a通过计算得知到节点b的距离和与自己的方位关系。在接收端,c8051f020通过p3.0、p3.1和p3.2控制8选1器件74hc4051,轮流检查接收探头中哪个收到了超声波信号。例如,探头1收到信号,在p3.0~p3.2=000时,该信号将经由8选1、可变增益放大器后进入c8051f020的比较器与预设的门限进行比较,若信号强度大于门限,则判定探头1收到超声波信号。若p3.0~p3.2从000、001变化到111仍没有检测到有信号强度大于比较器的预定门限,此时有两种操作,一种是直接判定该节点周围没有其他邻居节点,即该节点为孤点;另一种是通过降低比较器门限或增大可变增益放大器放大倍数的方法重新进行检测,以探测更远距离上的节点。需要说明的是,处理器c8051f020控制p3.0~p3.2口进行轮询检测的速度应足够快,至少要为发射端轮询速度的8倍(未收到信号直接判定孤点情况下),以便在超声波信号存在周期内能够将所有接收探头检查一遍。在未收到信号时通过降低比较器门限或增大可变增益放大器放大倍数的方法重新进行检测的情况下,p3.0~p3.2轮询速度应大于发射端轮询速度的16倍,从而在超声波信号存在周期内将所有接收探头检查两遍以上。
4 结 论
传感器节点是构成无线传感器网络的基本单元,因此,其设计对于整个网络的性能至关重要。本文首先提出了一种利用超声波测距结合来波方向的改进型toa无锚定位算法,该算法克服了传统toa需要全网节点精确时间同步和相当数量锚节点的问题。
参考文献:
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【关键词】超声波流量计;MOS场效应管驱动器;高速模拟切换开关
超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声波用于测量流体的流速有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。超声波流量计的测量方法有时差法、多普勒效应法、波束偏移法等、其中时差法的电路最为简单、使用也最为广泛。
1.时差法超声波流量计的原理
时差法超声波流量计其工作原理如图1所示。它是利用一对超声波换能器相向交替收发超声波、通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，其关系符合下面表达式：
（1）
其中：θ为声束与液体流动方向的夹角，M为声束在液体的直线传播次数，D为管道内径，Tup为声束在正方向上的传播时间，Tdown为声束在逆方向上的传播时间，ΔT=Tup-Tdown。
图1 超声波流量计测量原理
由此可见， 流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。流量Q可以表示为：
（2）
2.超声波脉冲信号激励电路
超声波信号发射的驱动方式一般有高压单脉冲信号和低压多脉冲信号两种。高压单脉冲信号用升压变压器升压到小于600Vpp的单脉冲信号，主要用于气体流速的测量。低压多脉冲信号，用驱动电路将电压转换为20～30Vpp的5～10个脉冲信号，主要用于液体流速的测量。
一个典型的双声道超声波流量计信号处理电路框图如图2所示。超声波换能器载波频率一般为500kHz，1MHz或2MHz。经过驱动电路处理，将微控制器发出的3.3V或5V脉冲信号转换为15V的脉冲信号，并经BTL电路驱动，形成峰峰值30V的脉冲信号加到超声波换能器两端。经过介质传播后，另一个超声波换能器接收到衰减后的超声波回馈信号，让后级电路进行后续处理。这里由于采用的是一体型超声波换能器，所以两个传感器在某一时刻，一个是发射传感器，一个是接收传感器，另一时刻两个传感器的作用又进行调换。所以，需要一个高速低阻的四路模拟开关进行信号的转换。
2.1 信号驱动电路
为了实现微控制器的脉冲信号电平到15V电平输出的转换，采用TC4427芯片， 这是一款双低边MOS场效应管驱动器，最大峰值输出电流为1.5A。该芯片可以将TTL或者CMOS电平信号转换为电源电压信号电平，电源电压可在4.5V到18V之间，输出延时小于40ns。
图2 信号处理框图
图3 信号驱动电路图
如图3所示：引脚1和2、3和4交替出现等幅等频脉冲信号高低电平， 输出形成一个BTL驱动电路， 频率为输入引脚的一半，幅度为30V的峰峰值脉冲信号。因为超声波换能器是一个容性负载，为了提高波形质量减小上升沿和下降沿的尖峰脉冲，加入了四个IN4148二极管和四个180Ω的分流电阻进行匹配。
2.2 信号切换和采集电路
本设计通过采用美信半导体的DG403芯片实现信号切换和采集，这是一款四路高速模拟切换开关，开关切换时导通时间只需100～150ns，关断时间只需60～100ns，导通电阻最大38Ω。
如图4所示，U13为DG403芯片，在上游超声波换能器发射脉冲波形的时候，通过OEC的通道选择，关断上游超声波换能器，导通下游超声波换能器到输出端D，通过并联一个电容进行阻抗匹配之后，经电容去波形直流电压成分送中U12频放大器MC1350进行初级放大。微控制器可测出从上游传感器发送脉冲到接收到放大后的脉冲的时间间隔Tup即为顺流传播时间。于此类似，下游超声波换能器发送脉冲，上游超声波换能器经OEC选择信号后经过匹配电容进行放大处理，可测得逆流传输时间Tdown。时间差T=Tup-Tdown。微控器根据公式即可计算得出介质的流速，并可转换为流量。
3.具体电路调试
为电路调试方便，首选固定OEC，也就是先只测某个方向的传输时间，当测试稳定后再测反方向的传输时间。两个都能测出来的时候，就可以加入定时切换两者的发射或接收状态。
首先，发射10个周期的脉冲，然后测试超声波换能器两端的电压信号。如果出现杂波较大，则需调整匹配电容的参数，直到观测到波形较好的30Vpp的10个方波脉冲信号。然后经过初级IF 放大芯片MC1350后观测接收波形，通过示波器看一般幅度较低，略有频偏。在发射脉冲信号一定时间后出现若干组回馈信号， 其中只有一组是正确的信号， 其他均为无用的干扰信号或反复折射后的信号。反向测试与上述过程类似。
4.结语
该电路已经通过仿真及电路实验，并已经应用于液体超声波流量计上， 测量实验室用自PVC管，可测得较为稳定的流量数据。该超声波电路根据选用不同的超声波换能器， 理论上可测管径为10～100cm。
参考文献
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本导盲系统主要由单片机控制电路，太阳能供电电路，以及报警装置等组成。系统的硬件结构框见图2。
1．1单片机控制电路单片机控制电路主要由单片机进行控制，包括超声波发射电路与接收电路，其电路图见图3。其中stm32f103为单片机，TVG为时间电压增益控制器，PreAmpH和PreAmpL分别为高频通道和低频通道的前置放大器，BPH和BPL分别为高低频通道带通滤波器。单片机控制电路采用收发一体式的超声波传感器。当单片机接到启动命令后，立即从I/O口发送出一串频率约为40KHz的高频信号，而后发送出一串频率约为25KHz的低频率信号，同时计时器开始计时，这两种频率的信号被功率放大后，推动超声波换能器发出两种频率的超声波。发出的超声波遇到障碍物反射后，形成回波，回波经由前置放大、带通滤波及检波后，形成高频回波脉冲和低频回波脉冲。由于高频声波先发出，对同一目标，高频回波脉冲先到达接收器，因此用高频超声波探测近距离的目标;而远处的目标由于高频超声波被空气吸收而大幅衰减，所以回波只有低频声波。回波信号传到单片机后计时器停止计时，通过发射接收超声波的时间差就可计算出障碍物的距离。由于温度对超声波传播的影响较大，因此还必须及时对声速进行修正。空气中声速与温度的关系为。因此需要在上述超声波发射接收电路中加入一个数字温度传感器Ds18B20，实时检测环境温度，并将通过传感器将测得的温度T转化为一个与其成正比的频率信号f，传至单片机处理后来修正声速，从而使测得的距离更精确。
1．2供电装置供电模块由太阳能电池板、太阳能控制器以及可充电的镍氢蓄电池等组成。将太阳能电池板置于导盲仪外部，产生的直流电为主控制电路供电，并将多余电量贮存在蓄电池中。目前常用的太阳能电池为硅太阳电池，其工作原理是:当入射光能量大于硅的禁带宽度时，会在其内部形成电子-空穴对，在结电场的作用下，大部分光生空穴被推到P区，而光生电子被推到N区。随着太阳光的不断照射，光生电子和空穴会在N区和P区不断积累，从而在两侧产生一个稳定的电位差，即光生电动势。太阳能供电模块工作框图见图4。
1．3报警装置报警装置采用HYV040语音芯片，它是一款功能强大的语音编程芯片，抗干扰能力强，性能稳定，具有自动节电控制功能，将导盲仪的所有探测距离需要播放的语音(如“前方障碍物距离为1米”)按不同结果录制好，通过语音芯片配套的语音编程软件直接下载到OTP存储器中永久储存。将经过单片机计算出的障碍物距离传至语音芯片，芯片中的程序根据检测数据的处理结果判断并选择要播放的语音段，并将声音信号送到输出端，通过扬声器来播放障碍物距离。
2软件设计
该导盲仪的软件设计主要由主程序、超声波发射接收子程序和数据处理子程序等组成，其控制核心为stm32f103单片机。单片机控制超声波传感器先发射10～16个完整波形的高频超声波，然后发射4～8个完整波形的低频超声波，并启动定时器定时，当检测到高频或低频回波时计时器停止计时，读取时间差。同时温度传感器将检测的环境温度转化成频率信号传至单片机以修正声速，从而计算出障碍物的距离。探测结果传至语音芯片，判断并选择要播放的语音段，播放障碍物距离以提醒盲人。
3声场模拟分析
超声波声场即充满超声波的空间，超声场中的声压分布可以反映超声波的声场特性。超声波某一点在某一瞬间所具有的压强与超声波声场不存在时同一位置的静态压强之差称为该点的声压。为研究不同频率的超声波传播时的超声场分布情况，用水作为传播介质，采用直径12mm的超声波换能器，利用matlab软件对不同频率的超声波声场进行仿真，得到的声压分布图见图6。从图6中可以看出，频率高的超声波辐射范围小，但声能集中在中心轴线的能力提高，测量精度高，因此适用于探测近处的物体。而频率低的超声波辐射范围广，可以到达远处目标，因此可以用来探测远处的物体。
4结论
【关键词】PIC单片机 警示装置 太阳能 全方位
1 引言
电力输配电导线（含电缆）、杆塔及户外变压装置由于其分布范围广、环境复杂，特别是架空线、塔杆、变压装置等在人员密集区或城乡结合部极易造成人员、施工机械或超高车辆的刮蹭和触电。
目前，电力塔杆、变压装置等电力系统均安装了警示标志，并且已取得了比较好的效果。但是，电力架空线路过路部分并没有任何的警示标志，基于此我们研制了电力线路架空线过路警示装置。
2 系统组成和工作原理
2.1系统安装结构
整体系统共有三组传感器检测电路组成，利用传感器的角度范围和安装工艺，避免死区的出现，达到全方位覆盖检测的效果，系统传感器安装图如图1所示。
2.2 电路系统结构
线路警示装置电路系统由太阳能及锂电池蓄电部分、光敏电阻模块，红外传感器模块、超声波传感器模块、微控制器、LED警示部分、声音报警部分、蜂鸣器报警部分和单片机控制器构成，系统结构如图2所示。
系统选用系列传感器传感器采集现场数据，微控制器PIC单片机对传感器采集过来的数据进行分析和处理，当环境中的不同变量到达或超过预警值时，微控制器智能响应不同的警示电路以提醒人或者物体远离线路。当传感器数据回复正常时，关闭报警器。达到保护线路免遭破坏和人民的生命财产安全不受到伤害。
3 系统硬件设计
系统硬件设计包括太阳能电源模块设计，超声波传感器模块设计，红外传感器模块设计等几个部分。
3.1 主控模块芯片选择
系统微控制器选用美国Microchip（微星）公司的PICl6F1503单片机。PIC单片机是一种用来开发的去控制设备的可编程集成电路，它是采用了精简指令集（RISC）结构和Harvard双总线结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机新的技术趋势。PICl6F1503单片机内置看门狗（Watchdog）定时器，提高了程序运行的可靠性。
3.2 太阳能电源模块设计
基于太阳能供电，环保节能。选择无记忆性的锂电池作为蓄电池，实现太阳能有效利用，保护环境，节约能源。 为高压，为特定环境应用报警装置不易更换电源提供了良好的解决方案。通过智能电源管理芯片，对锂电池电池短路、过充、欠充有较好的保护作用。延长了蓄电池的使用寿命，并充分保证系统稳定工作。太阳能电源模块电路图如图3所示。
3.3超声波传感器模块设计
超声波传感器：超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是指频率高于20kHz的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。超声波传感器模块设计电路图如图4所示。
3.4 红外传感器模块设计
热释电红外传感器主要是由一种高热电系数制成的探测元件，在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。有探测元件将探测并接受到的红外辐射转变成为微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出，人体辐射的红外线中心波长为9-10um，而探测元件的波长灵敏度灵敏度在0.2-20um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端装上滤光镜，这个滤光片可通过光的波长范围是7-10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其他的波长红外线由滤光片予以吸收，从而实现对人的检测作用。红外传感器模块电路如图5所示。
5 结束语
本系统把可持续利用能源太阳能以及传感器检测与报警跟工程应用良好的结合起来，为架空线路的防护提供了更好的保障，通过传感器对信号的采集，实时的对线路环境进行检测，并通过单片机软硬件的结合处理，使得系统的信号干扰更小，实验测试证明，本设计安全可靠、保护环境，节约能源，具有一定的推广价值。
参考文献
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作者单位
>> 基于STM32F103的RLC充放电系统的设计与应用 基于STM32F103的智能压力变送器研究与设计 基于STM32F103土壤墒情分析仪的设计 基于STM32F103的温室花卉自动喷灌控制系统设计 基于红外的非接触式测温仪设计 红外测温仪设计分析 基于STM32F103的433MHz频段无线数传模块的设计 基于STM32F103单片机的LED演艺灯光控制系统 阵列式红外测温仪的研制 手持式红外测温仪的研究设计 基于MSP430单片机的非接触式红外测温仪设计 一种新型红外测温仪的研究与设计 100MHz高速计数器在STM32F103系列嵌入式系统中的设计与实现 红外测温仪及其他 PET瓶多通道红外测温仪设计与实现 具有语音和多机组网功能的红外测温仪 焦炉红外测温仪用于马弗炉快速核对的可行性分析 红外测温仪在输电线路中的应用 红外测温仪在变电站巡视中的效益分析 红外线测温仪在汽车诊断中的应用 常见问题解答 当前所在位置：
关键词：STM32F103芯片；红外测温仪；红外传感器；超声波传感器
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.012
测量温度的方法可分为接触式和非接触式测温。传统的体温计主要有水银式体温计和电子式体温计两种，这两种体温计不适合大量人群的快速检测。红外测温是目前最主要的非接触式测温方式之一，不仅可以测量温度很高的、有辐射性的、高纯度的物体，而且可以测量导热性差的、小热容量的、微小的目标，以及固体、液体表面温度的测量，因而被广泛应用于各行各业[1-2]。用于体温检测的红外测温仪，其测温范围应在24.0～45.0℃，精度要求为±0.1℃。在24.0～45.0℃的范围内，外界环境温度和红外辐射距离很容易影响红外测温仪的测量精度，导致其测量误差增大，针对此缺点，本文基于STM32F103芯片设计一款红外测温仪，该红外测温仪具有环境温度补偿和距离补偿功能。
红外测温仪简介
红外测温仪是一种将红外技术与微电子技术结合起来的一种新型测温仪器，它将被测物体表面发射的红外波段辐射能量通过光学系统汇聚到红外探测原件上，使其产生一个电压信号，经过放大、模/数转换等环节处理，最后以数字形式直接在显示屏上显示温度值。目前，市场上红外测温仪种类繁多，测温范围可从大约-100℃低温到6000℃高温，响应时间从1/1000秒到秒。
红外测温仪结构组成
数字红外传感器选型
本设计红外传感器选用医用高精度数字红外传感器MLX90615ESGDAA[4-5]。它主要由环境温度传感器、红外热电堆传感器、低噪声放大器、16位模数转换器、低通滤波器和数字信号处理单元组成，在36℃～39℃的人体温度范围内的精度达到±0.1℃。环境温度传感器将环境辐射转换为电信号，红外热电堆传感器将红外辐射转化为微弱电信号，两者经低噪声放大器差分放大后送给模数转换器；模数转换器输出的数字信号经低通滤波器滤波后送入数字信号处理器，数字信号处理器对其运算处理后输出测量结果并保存在MLX90615内部RM中，通过SMBus或PWM方式可供STM32F103控制器读取。数字红外传感器电路如图2所示，红外测温仪的STM32F103控制器带有兼容SMBus的I2C总线控制器，因此，将I2C总线控制器的数据线、时钟线与数字红外传感器MLX90615的SDA、SCL相连。
超声波传感器选型
在红外测温时，被测目标尺寸应超过传感器视场的1/2，因此需传感器与被测目标距离适中。本文红外测温仪采用超声波传感器测量红外传感器与人体之间的距离，以降低距离对红外传感器的影响。
超声波测距主要采用渡越时间法，其原理为：主控单元发射一定频率的脉冲，激励超声波发射电路产生超声波，当超声波传播到两种介质的分界面时产生反射波，反射波经介质传播返回到超声波接收电路，主控单元测出超声波从发射到接收所用的时间，即可计算出超声波传感器与被测物体之间的距离：（） 22tvsd×==，
其中，d为超声波传感器与被测物体之间的距离；s为超声波从发射到接收所传播的距离；v为超声波在介质中的传播速率；t为超声波从发射到接收所用的时间。本文红外测温仪中超声波测距采用渡越时间法。
红外测温仪选用超声波传感器TCT40-T/R测量红外传感器与人体之间的距离，超声波测距电路原理如图3所示，包括发射电路和接收电路。发射电路主要由超声波发射传感器TCT40-T和反相器74HC04组成；接收电路主要由超声波接收传感器TCT40-R和CX20106A芯片组成。超声波接收传感器TCT40-R将所接收的反射的超声波信号转换成电信号，经CX20106A芯片放大、整形后输出下降沿脉冲给STM32F103控制器的外部中断端口CSBR。
环境温度传感器选型
电源电路设计
STM32F103芯片的工作电压为2.0～3.6V，为了满足系统要求，该红外测温仪采用低压差电源芯片SPX1117M3-3.3，提供稳定的3.3V电压，最大800mA的输出电流，该红外测温仪的电源电路如图5所示。SPX1117是Sipex半导体公司推出的低功耗正向电压调节器，具有高效率、小尺寸、低功耗、可替代等优点。
时钟模块与复位模块设计
STM32F103芯片的时钟模块主要有8MHz系统主时钟和32.768kHz实时时钟，当8MHz的系统主时钟信号送入STM32F103芯片后，就进入时钟发生模块，由锁相环进行倍频和同步处理，得到PCLK、UCLK、FCLK和HCLK时钟信号。其中，PCLK信号主要供给访问APB总线的外设；UCLK主要供给USB模块需要的48MHz时钟；FCLK主要供给Cortex-M3内核；HCLK供给中断控制器、USB主机模块、DMA控制器、存储器控制器和AHB总线。
该红外测温仪复位模块采用M A X 7 0 6集成复位监控芯片，MAX706芯片具有高性能、低成本的优点，它集成了手动复位输入模块、供电失败比较器、看门狗和uP复位模块，降低了系统电路的复杂度，提高了系统的准确性和可靠性。
人机交互电路设计
该红外测温仪的人机交互电路如图6所示，包含液晶显示器、按键和蜂鸣器电路。
红外测温仪的显示部分采用通用1602字符型液晶屏OCM2X16A，主要由液晶显示屏、控制器、驱动器和偏压生成电路组成，它是可以显示两行的点阵型液晶模块（每行16个字母、数字和符号）。OCM2X16A采用标准16位接口，分别是：电源地Vss；电源正极Vdd；对比度调整端VO；寄存器选择引脚RS；读写控制引脚R/W；使能端E；8个数据总线接口DB0～DB7；背光引脚LED+和LED-。OCM2X16A采用4位数据传输模式，控制端RS、R/W、E分别与STM32F103的PA14、PA15和PB3引脚相连接，高数据位DB4～DB7分别与PB4～PB7引脚相连接。
红外测温仪软件设计
红外测温仪采用ARM公司的Real View MDK集成开发环境进行软件设计，主要采用C语言进行模块化设计。红外测温仪软件设计流程如图7所示，主要包括初始化模块、液晶显示模块、按键扫描模块、环境温度测量模块、超声波测距模块、红外温度测量模块以及蜂鸣提示模块等。初始化模块完成定时器、GPIO、I2C、中断等设置；按键扫描模块检测按键是否按下，从而触发外部中断，并执行红外温度测量功能；环境温度测量模块对DS18B20传感器进行读写操作，读取数据并转化为环境温度值，完成超声波速度的环境温度补偿；超声波测距模块完成发射、接收超声波的计时以及计算超声波传播距离；红外温度测量模块按照I2C总线方式读取数字红外传感器MLX90615数据；液晶显示模块用于在液晶屏上显示人体温度值，以便于数据读取。若液晶屏上有温度值显示，则蜂鸣提示模块通过驱动蜂鸣器鸣叫来提示温度测量结束。
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