红外式人体温度测量系统的设计论文.doc

x xx xx xx xx xx x 大大学学本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 I 摘摘 要要 传统的体温测量仪器大多是采用物理原理 大多数是根据水银等随温度升降的热 胀冷缩的性质原理设计的 通过读取刻度值来判断温度值 这种方法操作起来不太方 便 使用范围比较局限 而且测量所需要的时间较长 1 为了解决快速测量和高精度 的问题 本设计提供了一种新的温度测量方案 本系统是由 TS118 3 红外线温度传感 器 16 位双信道串行 A D 高精度放大器 AD7705 STC89C52 单片机 LCD1602 液晶 显示器 DS1302 时钟电路和报警电路等构成 从而实现了非接触式红外快速测温的目 的 它能够在较短的时间内准确测量出人体的温度 当测得的温度超出设定范围时即 自动启用报警电路进行超标报警 并且还能显示当前测温的时间 运用比较方便 功 能较多 本文对该系统提出了具体的设计方案 讨论了红外线非接触式体温测量的基本原 理 进行了方案的可行性论证 同时设计出了电路图和程序流程图并编写有程序控制 由于利用了单片机及数字控制系统的优点 使得系统的各个方面的性能得到了显著的 提高 关键词 关键词 红外线温度传感器 非接触测量 A D 转换器 STC89C52 单片机 x xx xx xx xx xx x 大大学学本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 II A A DesignDesign OfOf IR styleIR style TemperatureTemperature measuringmeasuring systemsystem Student xxx Teacher xxx Abstract Abstract Most of the conventional temperature measuring instruments is the use of physical principles most of the mercury with the temperature according to thermal expansion and contraction movements of the nature of the design principles by reading the scale value to determine the temperature this method is not very convenient to operate use of more limited and the longer time required to measure 1 In order to solve the problem of rapid measurement and high precision the design of a new temperature measurement program the system is composed of infrared temperature sensors TS118 3 16 bit dual channel serial A D precision amplifier AD7705 STC89C52 microcontroller LCD1602 LCD monitor DS1302 clock circuit and alarm circuits etc in order to achieve a rapid non contact infrared temperature measurement purposes it can be accurate in a short period of time to measure the body temperature when the measured temperature exceeds the setting range enabled automatically when the alarm circuit excessive alarm and also displays the current temperature of the time The use of more convenient more functions This article made specific to the system design discussed non contact infrared temperature measurement principle carried out the feasibility demonstration Also designed the circuit and program flow chart and to prepare a program control The use of the MCU and the advantages of digital control system makes all aspects of system performance is significantly improved KeyKey words words infrared temperature sensor non contact measurement A D converter STC89C52 MCU x xx xx xx xx xx x 大大学学本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 III 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACTABSTRACT II 1 绪绪 论论 1 1 1 引言 1 1 2 课题研究的背景和意义 1 1 3 课题研究的内容和重点 2 2 红外测温原理红外测温原理 3 2 1 人体红外测温仪的理论依据 3 2 2 人体红外测温仪的性能指标及作用 4 2 3 影响温度测量的主要因素及修正方法 4 2 4 人体红外线测温仪的特点 6 3 总体设计总体设计 8 3 1 设计方案与论证 8 3 1 1 传感器的选择 8 3 1 2 放大器的选择 8 3 1 3 显示部分的选择 8 3 2 测量原理 9 4 硬件电路的设计硬件电路的设计 10 4 1 设计思路 10 4 2 传感器 11 4 2 1 红外传感器结构 11 4 2 2 红外传感器的输出特性 11 4 2 3 环境温度补偿 12 4 3 测量电路 12 4 3 1 AD7705 简介和应用 13 4 3 2 信号处理电路 17 4 4 时钟电路 18 x xx xx xx xx xx x 大大学学本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 IV 4 4 1 DS1302 芯片介绍 18 4 4 2 DS1302 时钟信号设置模式 19 4 4 3 DS1302 与单片机之间的接口 20 4 5 控制电路 20 4 5 1 STC89C52 主要性能介绍 20 4 5 2 最小系统电路 22 4 5 3 外界时钟源电路 22 4 5 4 复位电路 23 4 6 LCD1602 液晶介绍 23 4 6 1 端口的定义 24 4 6 2 操作时序图 25 4 6 3 指令说明 25 4 7 报警电路 28 5 软件设计软件设计 29 5 1 设计思路 29 5 2 测量原理 29 5 2 1 环境温度 Tamb 的计算 29 5 2 2 目标温度 Tobj 的计算 30 5 2 3 滤波程序的设计 31 5 2 4 数据格式转换 32 5 2 5 时钟子程序 34 5 3 程序流程图 35 6 测试方法和数据分析测试方法和数据分析 36 6 1 测试方法 36 6 2 1 硬件测试 36 6 1 2 软件测试 36 6 2 数据分析 37 7 结结 论论 38 致致 谢谢 39 参考文献参考文献 40 附附 录录 1 41 附附 录录 2 54 x xx xx xx xx xx x 大大学学本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 V 附附 录录 3 55 附附 录录 4 56 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 1 1 1 绪绪 论论 1 11 1 引言引言 在临床医学中 体温是一个及其重要的生理参数 病人的体温为医生提供了极为 重要的生理状态的各种信息 传统的水银式体温计和电子式体温计是通过口腔 腋窝 直肠等直接接触体表来测量人体的平均温度 其缺点是测量时间比较长 受测量位置 的影响较大 给使用者带来诸多不便 2003 年 非典 疫情的爆发 对人体体温测量 技术提出了更高的要求 急需一种更加安全 方便 卫生的非接触测量工具进行测量 人体温度 红外辐射式体温仪应用红外线辐射测量原理实现了人体体温的非接触测量 非接触式人体体温测量是一种理想的解决方法 该测量装置不会对人体构成任何威胁 现在市场上普遍应用德国 TS118 3 表面温度测量传感器 用其进行非接触式测量的体 温仪具有精度高 成本低 安全的特点 市场应用前景广泛 在 2003 年全国防 非典 斗争中 中科院上海技术物理研究所在 863 计划高技术 成果的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究 在短时间内开发成功 了 非接触式红外测温仪 打开了国内 非接触式测量 的新篇章 但这种装置受一 定因素影响 测量结果还有待进一步进行校正 在国外 非接触式红外测温仪已经非 常先进了 自 1999 年就有很多国家致力于这方面的开发研究 到现在为止 很多国家 的产品已经达到国际先进水平 并已广泛应用于各个领域 比如 美国早在 2001 年就 颁布了有关红外测温仪的计量标准 美国雷泰公司生产的 ST 系列红外测温仪已达到了 世界领先水平 由于红外测温仪测温范围宽 除了用于人体温度检测外 还可用于电 器的红外测量 供暖的红外测量 运输汽车维修时的红外测温等各个领域 因此 它 具有广泛的开发前景 本文设计的红外快速测量人体温度的装置 是由 TS118 3 红外温度传感器 双信 道 A D 转换器 AD7705 STC89C52 单片机 LCD1602 液晶显示屏 报警和时钟电路等电 路组成 从原理的设计到方案的论证 最后到实际制作和调试 都达到了预期的效果 1 21 2 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义 红外测温技术在生产过程中 在产品质量控制和监测 设备在线故障诊断和安全 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 2 保护以及节约能源等方面发挥了重要作用 近 20 年来 非接触式红外人体测温仪在技 术上得到迅速发展 性能不断完善 功能不断增强 品种不断增多 适用范围也不断 扩大 比起接触式测温方法 红外测温有着响应时间快 非接触 使用安全及使用寿 命长等优点 非接触式红外测温仪包括便携式 在线式和扫描式三大系列 并备有各 种选件和计算机软件 每一系列中又有各种型号及规格 红外检测技术是 九五 国家科技成果重点推广项目 红外检测是一种在线监测 不停电 式高科技检测技术 它集光电成像技术 计算机技术 图像处理技术于一身 通过接收物体发出的红外线 红外辐射 将其热像显示在荧光屏上 从而准确判断物 体表面的温度分布情况 具有准确 实时 快速等优点 红外诊断技术是通过吸收这 种红外辐射能量 测出设备表面的温度及温度场的分布 从而判断设备发热情况 目 前应用红外诊断技术的测试设备比较多 如红外测温仪 红外热电视 红外热像仪等 等 像红外热电视 红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的 热像 转变 成可见光图像 使测试效果直观 灵敏度高 能检测出设备细微的热状态变化 准确 反映设备内部 外部的发热情况 可靠性高 对发现设备隐患非常有效 目前 我国 也在研发一种体积小 成本较低 又不受外界环境温度干扰的人体红外测温仪 对医 学的发展有很重大的意义 由于医学发展的需要 在很多情况下 一般的温度计己经满足不了快速而又准确 的测温要求 例如车站和机场等人口密度较大的地方进行人体温度测量 虽然现在国 外这种测温的技术都比较成熟 但是国内这方面的技术还处于发展阶段 因此 为了 适应医学发展的需要 有效地进行特殊环境下的温度测量 从而有力地控制和预防诸 如甲流 非典之类型的特殊疾病的传播 急需设计一种测温速度快 准确率高的测温 仪 针对一般的工业使用的红外测温仪的精确度不够高 我们根据这种红外线测温的 原理 通过关键器件的选择 瞄准系统的设计以及温度补偿的自动调节来提高红外线 测温仪的精确度 从而设计了一种用红外线测温系统 用于对于人员密集且流量大的 场合进行快速的人体温度测量 1 31 3 课题研究的内容和重点课题研究的内容和重点 本课题研究的是红外式人体温度测量系统 主要是通过红外传感器 TS118 3 采集 人体向外辐射的红外能量 将其转换成电压值 通过模数转换后得到对应的数字量 再由单片机对其进行相应的处理 最后得到人体的温度 用液晶显示其处理结果 另 外还增加了时钟电路 显示当前测量的时间 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 3 重点是信号传输的抗干扰 数据的处理 测量的精度要控制在 0 1 左右 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 4 2 2 红外测温原理红外测温原理 2 12 1 人体红外测温仪的理论依据人体红外测温仪的理论依据 自然界一切温度高于绝对零度 273 15 的物体 由于分子的热运动 都在不停地 向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波 其辐射能量密度与物体本身的温度关系 符合辐射定律 红外辐射原理 辐射定律 2 1 44 0 ETT 式中 为辐射的出射度数 单位 为斯蒂芬 波尔兹曼常数 E 3 W m 为物体的辐射率 为物体的温度 单位 为物体周围 824 5 67 10 W m K TK 0 T 的环境温度 单位 测量出物体所发射的 就可得出人体温度 1 KE 利用这个原理设计的温度测量仪表叫红外温度仪 这种测量不需要与被测对象接 触 因此属于非接触式测量 在不同的温度范围 被测对象发出的电磁波能量的波长 分布不同 在常温 0 100 范围 能量主要集中在中红外和远红外波长 用于不 同温度范围和用于不同测量对象的仪表 其具体的设计也不同 根据式 2 1 的原理 仪表所测得的红外辐射为 2 2 44 1212 EATT 式中 为光学常数 与仪表的具体设计结构有关 为被测对象的辐射率 A 1 为红外温度计的辐射率 为被测对象的温度 K 为红外温度计的温度 K 2 1 T 2 T 它由一个内置的温度检测元件测出 辐射率是一个用以表达物体发射电磁波能力的系数 数值由 0 至 1 0 所有真实 的物体 包括人体各部位的表面 其值都是某个低于 1 0 的数值 人体主要辐射波长 在 9 10的红外线 通过对人体自身辐射红外能量的测量 便能准确地测定人体表m 面温度 由于该波长范围内的光线不被空气所吸收 因而可利用人体辐射的红外能量 精确地测量人体表面温度 通过对人体自身辐射的红外能量的测量 便能准确地测定人体表面温度 红外温 度测量技术的最大优点是测试速度快 红外测温仪由光学系统 光电探测器 信号放 大器及信号处理 显示输出等部分组成 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 5 2 22 2 人体红外测温仪的性能指标及作用人体红外测温仪的性能指标及作用 总体上来说 测温范围 显示分辨率 精度 工作环境温度范围 重复性 相对 湿度 响应时间 电源 响应光谱 尺寸 最大值显示 重量 发射率等都是红外线 测温仪的性能指标 1 确定测温范围 测温范围是测温仪最重要的一个性能指标 每种型号的测温仪 都有自己特定的测温范围 2 确定目标尺寸 红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪 辐射比 色测温仪 对于单色测温仪 在进行测温时 被测目标面积应充满测温仪视场 否则 背景会干扰测温读数 造成误差 对于双色测温仪 其温度是由两个独立的波长带内 辐射能量的比值来确定的 3 确定距离系数 光学分辨率 距离系数由 D S 之比确定 即测温仪探头到 目标之间的距离 D 与被测目标直径之比 如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远 离目标之处 而又要测量小的目标 就应选择高光学分辨率的测温仪 光学分辨率越 高 测温仪的成本也越高 4 确定波长范围 目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对 于高反射率合金材料 有低的或变化的发射率 5 确定响应时间 响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度 定义为 到达最后读数的 95 能量所需要时间 它与光电探测器 信号处理电路及显示系统的 时间常数有 关 6 信号处理功能 鉴于离散过程 如零件生产 和连续过程不同 所以要求红外 测温仪具有多信号处理功能 如峰值保持 谷值保持 平均值 7 环境条件考虑 测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响 应予考虑并适 当解决 否则会影响测温精度甚至引起损坏 8 红外辐射测温仪的标定 红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测 目标的温度 2 32 3 影响温度测量的主要因素及修正方法影响温度测量的主要因素及修正方法 影响红外人体测温仪的因素有 测温目标大小与测温距离的关系 测量温度时的 环境因素 强光背景里目标的测量和温度输出功能 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 6 1 测温目标大小与测温距离的关系 在不同距离处 可测的目标的有效直径 D 是 不同的 因而在测量小目标时要注意目标距离 人体红外测温仪距离系数 K 的定义为 被测目标的距离 L 与被测目标的直径 D 之比 即 K L D 2 选择被测物质发射率 人体红外测温仪一般都是按黑体 发射率 1 00 分 度的 而实际上 物质的发射率都小于 1 00 因此 在需要测量目标的真实温度时 必须设置发射率值 物质发射率可从 辐射测温中有关物体发射率的数据 中查得 3 测量温度时的环境因素 测温仪所处的环境条件对测量结果有很大的影响 应 予考虑并适当解决 否则会影响测温精度 本设计中正是利用了 PM611 热释电红外线 传感器可以补偿温度起伏的作用 实现准确测温 4 强光背景里目标的测量 若被测目标有较亮背景光 特别是受太阳光或强灯直 射 则测量的准确性将受到影响 因此可用物体遮挡直射目标的强光以消除背景光干 扰 5 温度输出功能 首先模拟信号输出 0 5V 1 5V 0 10V 0 4 20 毫安 可以加入闭环控制中 其次高报警 低报警 在生产过程中要求控制温度在某个范围里 可设置高 低报警值 高报警 在高报警设置打开的情况下 当温度高于高报警值 相应的 LED 灯闪烁 蜂鸣器响 并有 AH 常开继电器接通 由于在温度测量时是在不确定的环境中进行的 所以外界环境会对测温造成一定 的影响 对测量结果产生误差 所以要对环境温度有一个修正 由 2 1 节辐射公式可得出热释电传感器的响应公式为 2 3 44 0 a VS TT 式中 为与热释电响应特性及物体表面发射率有关的常数 为物体表面温度 S 0 T 为环境温度 根据表达式 2 3 可以得到不同的标定公式 a T 1 简单关系式 即 2 4 1 4 4 0aaa V TTTK V S 式中 应用此公式所作的标定实验结果见表 1 表中数据表明 3 1 4 a a K ST a K 不仅与 有关 还与 有关 a T 0 T 2 多项式 即 2 5 1 4 4 0a V TT S 令 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 7 2 6 2 01 aa SaaTaT 取三项 其实验结果表明 要使测温仪满足一定的精度 测温时的环境温度和S 物体表面温度要在一定的范围内 如环境温度 30 物体表面温度在 180 以上时 a T 读数误差较大 由下表 2 1 可知 首先应该对物体表面温度分段定标 因为测量范围较大 所以 不同段的标定系数相差很大 实际应用中每隔 5 10 就必须标定一个系数 当采样电 压峰值落在此区间时就选择该系数 然后再根据环境温度的不同对已选出的标定系数 进行修正 达到在不同环境温度下仍然能够准确测温的目的 分析表 2 1 可知 当物体表面温度较低时 78 以下 环境温度对修正系数的影 响较大 所以对此温度范围的物体必须进行环境温度对标定系数的修正 而当物体表 面温度较高时 则修正系数基本由物体表面温度决定 这样系数就不必再依环境温度 进行校正 这就减少了标定系数的复杂性 下表为表 2 1 表表 2 12 1 不同环境温度下的标定系数不同环境温度下的标定系数 2 42 4 人体红外线测温仪的特点人体红外线测温仪的特点 人体红外测温仪是通过接收人体发射的红外线的能量的大小来测量其体温的仪器 测温仪内部的灵敏探测元件将采集的能量信息输送到微处理器中进行处理 然后转换 成温度读数显示 所以人体红外测温仪具有以下优点 1 非接触测量 它不需要接触到人体 只需在额头前方 5 厘米左右测温即可 而 标准温度 环境温度 测量值 V 系 数 Ka V 26 0 2 613 3 061 26 5 2 605 2 87934 00 27 0 2 588 2 704 26 0 2 960 17 57 26 5 2 948 17 4778 00 27 0 2 925 17 44 26 0 3 392 27 71 26 5 3 388 27 59120 00 27 0 3 384 27 48 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 8 且红外探测器只需感应人体辐射的红外线 因此 不会干扰人体 也不会为人体带来 损伤 2 测量范围广 因为人体红外测温仪是非接触式测温 所以测温仪并不处在较高 或较低的温度场中 而是工作在正常的温度或测温仪允许的条件下进行测量的 所以 测量范围比较广 3 测温速度快 即响应时间快 红外探测器中灵敏元非常灵敏 只要接收到目标 红外辐射即可在短时间内定温 4 准确度高 人体红外测温不会与普通测温一样破坏物体本身温度分布 因此测 量精度高 5 灵敏度高 只要人体温度有微小变化 辐射能量就有较大改变 易于测出 而 且使用安全及使用寿命长 6 体积小 方便携带 7 受外界环境温度干扰较小 由于本设计中所使用的红外探测器是带补偿电路 所以它可以补偿外界环境温度的高低起伏 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 9 3 3 总体设计总体设计 3 13 1 设计方案与论证设计方案与论证 3 1 13 1 1 传感器的选择传感器的选择 测量人体温度的红外传感器主要有热释电红外传感器 热电偶构成的红外传感器 和集热电偶 热敏电阻于一体的红外传感器 热释电红外传感器是通过吸收人体红外 辐射的红外线能量 通过模数转换将其转化成电压值 以便能够测量 一种是内部只 由热电偶构成的红外传感器 如 LHI778 传感器 测量的是目标物体与环境温度的差值 真实的测量目标温度是要外加环境温度补偿电路 该方法的优点是传感器价格便宜 但是电路相对复杂 不易制作 另外一种是集热电偶和热敏电阻于一体的红外传感器 如 TS118 3 该传感器的优点是精度高 电路设计简单 缺点是价格比较贵 考虑到制作的可靠性和电路的可制作性 最终选择了第二种红外温度传感器 TS118 3 3 1 23 1 2 放大器的选择放大器的选择 传感器输出的电压只有 1mV 左右 输出的电压值比较小 因此单片机不能直接进 行采样 所以必须经过放大后 单片机才能进行采样 放大器可以由单个的集成运算 放大器构成 从而达到放大的目的 缺点是这种方法产生的测量误差较大 并且数据 也不稳定 经过比较多款 A D 转换器的综合性能 最终选择了一款 16 位高精度的双通 道并且增益可调的 A D 转换器 该芯片的好处是既能起到放大的作用 又能进行模数 转换 并且带有两个输入通道 串行输出 使得电路的设计变的非常简单 3 1 33 1 3 显示部分的选择显示部分的选择 显示主要有两种方法 一种是数码管 另一种就是液晶 由于加上了时钟电路 如果用数码管显示 不仅是电路结构变得很复杂 而且看起来很凌乱 功耗较大 液 晶显示屏正好可以克服这点 显示部分看来来直观简洁 耗电量较少 8 综合电路的 结构 显示效果和耗电量等多方面因素 最终选择了 LCD1602 液晶显示屏 该显示屏 具有微功耗 体积小 显示内丰富 使用方便等诸多优点而被广泛应用 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 10 3 23 2 测量原理测量原理 自然界一切温度都是高于绝对零度 273 15 的物体 由于分子的热运动 都 在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波 其辐射能量密度与物体本身的 温度关系符合普朗克 Plank 定律 人体主要辐射波长在 9 10um 的红外线 通过对 人体自身辐射红外能量的测量 便能准确地测定人体表面温度 由于该波长范围内的 光线不被空气所吸收 因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度 人 体的红外辐射特性与它的表面温度有着十分密切的关系 因此 通过对人体自身辐射 的红外能量的测量 便能准确测量人体表面温度 红外温度测量技术的最大优点是测 试速度快 1 秒钟以内可测试完毕 由于它只接收人体对外发射的红外线 所以没有任 何其它物理和化学因素作用于人体 因此对人体无任何害处 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 11 4 4 硬件电路的设计硬件电路的设计 4 14 1 设计思路设计思路 所有的物体都会向外发射红外线 发射功率正比于物体表面温度 人体向外发射 的红外线的波长范围在 9 10um 为此我们选用了德国 HL Planartechnik 公司生产的 TS118 3 型无接触式表面温度测量传感器 将吸收到的红外线能量转换成热量 而内部 的热电容把热量成比例地转换成电压输出 输出的电压经过 A D 转换器将模拟量转变 成单片机能处理的数字量 然后通过一系列的算法运算将其换算成相对应的温度值 再传送给液晶显示屏显示 如果测量温度超过了设定的人体正常体温的上下限值 则 电路自动启动报警电路进行报警 同时根据实际需要 功能的多样性 还配备了时钟 电路显示当前的测量时间 便于测量人员记录测量的时间信息 该系统主要是由红外温度传感器 放大器 模数转换器 单片机最小系统 液晶 电路 时钟电路 键盘电路和报警电路等其它外围电路部分构成 系统框图如图 4 1 所示 STC89C52 单片机 传感器A D7705 LCD1602 DS1302 蜂鸣器 按键 图 4 1 系统框图 该系统的测量原理为 传感器探测到人体辐射红外线后 传送到 A D 7705 转换器 经放大 然后转换为数字信号后 传送到单片机 单片机对该数字信号进行采样 量 化和编码最后输送到 LCD1602 进行显示 DS1302 给单片机提供外部时钟 通过键盘电 路可以调整 LCD1602 显示的时间和设定人体温度的范围 当测量的温度超过所设定的 温度范围 则系统会自动启动报警 提醒测量着注意 由于时钟电路外带电源 所以 在单片机系统断电的时候 时钟电路仍能正常工作 满足了许多需要 RTC 的场合 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 12 4 24 2 传感器传感器 4 2 14 2 1 红外传感器结构红外传感器结构 红外传感器是红外体温计的关键部件 它是由温差热电堆和热敏电阻两部分构成 的 热电堆是用半导体集成电路 IC 工艺和微机械电子 MEMS 工艺制造的 它可 以等效为多个热电偶串联 而热电偶是由两种电子密度不同的导体相连接组成的 热 电偶有冷热两个端点 在测量物体的温度时 热端与被测物体接触 冷端与测量仪表 接触 热电偶的同种导体上会因为存在温度梯度而产生汤姆逊电动势 两种金属的连 接处会因为电子密度差而产生珀尔帖电动势 所以在热电偶的两端会产生温差电动势 在红外传感器热电堆的热端贴有热量吸收器 它用来吸收被测物体辐射的红外线并转 化为热能 通过热电堆把辐射红外线的功率转化为电信号进行测量 其外部机构如图 4 2 所示 红外温度传感器我们选用 TS118 3 TS118 3 红外温度传感器的环境温度补 偿范围为 40 100 比较适合测量体温 TS118 3 内部结构如图 4 3 所示 图 4 2 TS118 3 外部结构图 图 4 3 TS118 3 内部结构 4 2 24 2 2 红外传感器的输出特性红外传感器的输出特性 温度为 T 的物体 其单位元面积在全部波长的辐射功率可以表示为 P K T4 其中 K 是波尔兹曼常数 K 1 38 10 23J K 是物体的发射系数 在 0 1 之间 当用于红外传感器测量温度时 考虑到红外传感器热电堆另一端的环境温度 由热平衡方程 于是红外传感器其吸收的净热功率为 P K T4 0T04 其中 K 是一常数 由传感器决定 和 0分别为被测物体和传感器材料的发 射系数 T 和 T0分别是被测物体温度和传感器的环境温度 由此可得出红外传感器的 输出电压为 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 13 U S K T4 0T04 其中 S 是传感器的敏感度 V W 由传感器本身决定 由于实际传感器只测量一 定的波长范围并且其敏感度只有在一定的波长范围才可以看成是常数 所以上式可以 进一步修正为 U S K T4 0T04 由此可以看出 当环境温度一定时 红外传感器其输出电压与被测物的绝对温度 的 4 次方成线性关系 传感器的输出与被测物体的温度时单调的 即传感器的输出 量与被测物体的温度是一一对应的 由此可以通过测量传感器的输出来确定被测物体 的温度 由于环境温度时可变的 所以还要进行环境温度补偿 4 2 34 2 3 环境温度补偿环境温度补偿 热电堆输出端的电信号是反映热电偶冷热两端的温度差 也就是被测物体与热点 对冷热端的温度差 而不是反映被测物体的真实温度 因此 还要进行环境温度补偿 也就是要测出热电堆的冷端温度 环境温度补偿是通过红外传感器中负温度系数的热 敏电阻完成的 它的阻值随之温度的升高而降低 由此通过测量其阻值就可以得知环 境温度 4 34 3 测量电路测量电路 测量电路由双通道 16 位串行 A D 转换器 AD7705 构成 原理图如下图 4 4 高精度放大器A D 转换器单片机信号 图 4 4 测量电路方框图 测量电路对所探测到的信号进行放大并转换为数字信号后传送给单片机 再由单 片进行特定的处理 测量电路主要包括两个方面 一方面是热电堆信号的处理 另一方面是热敏电阻 信号的处理 热电堆输出的信号直接是电压信号 所以不需要进行其它处理 就是直 接将其信号放大处理得到使 A D 转换器能够检测分辨的电压信号就可以了 正温度系 数的热敏电阻的信号随其电阻值的变化 将电阻值的变化转换为相对应的电信号 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 14 4 3 14 3 1 AD7705AD7705 简介和应用简介和应用 在本设计中选用的 AD7705 集成模块是 AD 公司推出的 16 位 A D 转换器 可 用于测量低频模拟信号 该器件可以接受直接来自传感器的低电平的输入信号 然后 产生串行的数字输出 利用 转换技术实现了 16 位无丢失代码性能 选定的输入 信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端 片内数字滤波器处理调制器 的输出信号 通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新速率 从而对数 字滤波器的第一个陷波进行编程 2 这种器件带有增益可编程放大器 可通过软件编程来直接测量传感器输出的各种 微小信号 它包括自校准和系统校准选项 以消除器件本身或系统的增益和偏移误差 AD7705 具有分辨率高 动态范围广 自校准等特点 因而非常适合于工业控制 仪表 测量等领域 具有两个全差分输入通道 在本设计中非常实用 只需要 1 片 AD 芯片就 能满足需求 节约了硬件成本 1 AD7705 的主要特点如下 具有 16 位无丢失代码 非线性度为 0 003 增益可编程 其可调整范围为 1 128 输出数据更新率可编程 可进行自校准和系统校准 带有三线串行接口 采用 3V 或 5V 工作电压 AD7705 的引脚排列如图 4 5 所示 图 4 5 AD7705 的引脚排列 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 15 2 各引脚的功能说明如下 SCLK 串行接口时钟输入端 MCLK IN 芯片工作时钟输入 可以是晶振或外部时钟 其频率范围为 500KHz 到 5MHz MCLK OUT 时钟信号输出 当用晶振作为芯片的工作时钟时 晶振必须在 MCLK IN 和 MCLK OUT 之间 如果采用外部时钟 则 MCLK OUT 可用于输出反相时钟信号 以 作为其他芯片的时钟源 该时钟输出可以通过编程来关闭 CS 片选段 低电平有效 RESET 芯片复位端口 当该端为低电平时 芯片内的接口逻辑 自校准 数 字滤波器等均为上电状态 AIN2 为第 2 个差分输入通道的正端 AIN2 为第 2 个差分输入通道的 负端 AIN1 为第 1 个差分输入通道的正端 AIN1 为第 1 个差分输入通道的 负端 REF IN 为参考电压的正端 REFIN 为参考电压的负端 DRDY A D 转换结束标志 DOUT 转换结果输出端 DIN 串行数据输入端 3 读写时序 AD7705 可以直接与单片机进行接口 用到的数据线有片选 CS 串行时钟输入 SCLK 指令或数据输入 DIN 以及转换结果输出 DOUT 等 只有在状态信号 DRDY 指示输 出数据寄存器的数据准备就绪时 单片机才可以读取转换结果 图 4 6 和图 4 7 分别 给出了读写数据周期的时序图 9 图 4 6 AD7705 读数据时序图 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 16 图 4 7 AD7705 写数据时序图 4 片内寄存器 AD7705 内含八个寄存器 分别为通信寄存器 设置寄存器 时钟寄存器 数据寄 存器 测试寄存器 偏移寄存器 增益寄存器和空操作寄存器 其对芯片的所有操作 都必须先从写通信寄存器开始 当上电复位后 芯片的等待指令数据即被写入通信寄 存器 寄存器地址如表 4 1 所示 通信寄存器的格式如表 4 2 所示 表 4 1 AD7705 寄存器地址 RS2RS1RS0 寄存器寄存器位数 000 通信寄存器8 位 001 设置寄存器8 位 010 时钟寄存器8 位 011 数据寄存器16 位 100 测试寄存器8 位 101 无操作 110 偏移寄存器24 位 111 增益寄存器24 位 表 4 2 AD7705 通信寄存器格式 DRDYRS2RS1RS0R WSTBYCH1CH0 0 0 0 0 0 0 0 0 格式中括号内的数字为上电复位的缺省值 左边为最高位 右边为最低位 具体 说明如下 DRDY 写操作时 必须把 0 写到此位 以保证对通信寄存器写操作的顺利完 成 若将 1 写到此位 则后续的各位将不能被写入该寄存器 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 17 RS2 RS0 寄存器选择位 用于选择下次操作要访问的寄存器 常用的寄存器有 通信寄存器 000 设置寄存器 001 和数据寄存器 011 等 R W 读与写选择 用于指明下次对寄存器的操作是读还是写 STBY 等待模式 写 1 时器件处于等待或掉电状态 此时电流约为 10uA 写 0 时为正常工作模式 CH0 CH1 输入通道选择 对应关系如表 4 3 所示 表 4 3 CH1 CH0 关系对应表 CH1CH0AIN AIN 校准寄存器对 00AIN1 AIN1 寄存器对 0 01AIN2 AIN2 寄存器对 1 10AIN1 AIN1 寄存器对 0 11AIN1 AIN2 寄存器对 2 5 设置寄存器 设置寄存器也是一个 8 位寄存器 该寄存器必须先在通信寄存器中选择后才能进 行读或写 它主要用于选择工作模式和输入增益 控制字如表 4 4 所示 表 4 4 设置寄存器控制字 MD1MD0G2G1G0B UBUFFSYNC 0 0 0 0 0 0 0 1 MD1 和 MD0 为工作模式控制位 MD1 MD0 00 正常工作模式 转换器进行正常 A D 转换 MD1 MD0 01 自校准模式 一次完成零标度和满标度校准 MD1 MD0 10 零标度系统校准 零基准电压由外部提供 MD1 MD0 11 满标度系统校准 满标度电压由外部提供 G2 G0 为增益控制位 增益对照表如表 4 5 所示 表 4 5 增益对照表 G2 G1 G00 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 增益设置 1248163264128 B U 单极性 双极性选择 为 0 表示双极性工作 为 1 表示单极性工作 BUF 缓冲器控制 为 0 表示片内缓冲器短路 为 1 表示缓冲器串入通道 6 时钟寄存器 时钟寄存器是一个可读可写的 8 位寄存器 主要用于设置输出更新速率 具体控 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 18 制位如表 4 6 所示 表 4 6 时钟寄存器 ZER00ZER00ZER00CLKDISCLKDIVCLKFS1FS0 0 0 0 0 0 1 0 0 CLKDIS 主时钟禁止位 为 1 时禁止 MCLK OUT 输出 CLKDIV 时钟分频位 为 1 表示 2 分频 为 0 表示不分频 CLK 时钟选择位 当主频为 1MHz 时 CLK 置 0 7 数据寄存器 数据寄存器是一个 16 位的只读寄存器 用于存放 AD7705 的最新转换结果 4 3 24 3 2 信号处理电路信号处理电路 本设计中选用了高精度 16 位高精度 A D 转换器 其分辨率相当高 高达 76uV 所 以在转换电路中不需要用电桥 只需要用电阻串联分压就能满足要求了 采用 100K 电 阻与其串联分压 令热敏电阻的阻值为 R 电源用直流 5V 电压供电 则其电压计算公 式为 U 5 RK R 100 通过对输出电压的采样 将模拟信号转换成对应的数字信号 经过运算查表就可 得出对应的环境温度值了 10 传感器 TS118 3 和 AD7705 的具体连接电路如图 4 8 所示 图 4 8 信号处理电路图 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 19 4 44 4 时钟电路时钟电路 该系统主要功能是测量人体温度 为了使其功能的多样化 显示的丰富性 为此 另外配置了时钟控制系统 由 DS1302 芯片和外界晶振提供晶振的时钟源 外接的纽扣 电池能保证主电源掉电的情况下 时钟芯片仍然能正常工作 并保存数据 当再次启 动系统时 单片机会自动读取时钟芯片内部存储器中的最新的数据 显示当前的时间 4 4 14 4 1 DS1302DS1302 芯片介绍芯片介绍 DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟 日历和31 字节静态RAM 通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟 日历电路提供秒 分 时日 日期 月 年的信息 每月的天数和闰年的天数 可自动调整时钟操作 可通 过AM PM 指示决定采用24或12小时格式 DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串 行的方式进行通信仅需用到三个接口线 一个是RES复位 第二个是 I O 数据线 最 后一个是SCLK串行时钟 时钟中RAM的读 写数据是以一个字节或多达31个字节的字符 组方式通信DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW 3 DS1302是由DS1202改进而来增加了以下的特性 双电源管脚用于主电源和备份电 源供应Vcc1为可编程涓流充电电源 附加七个字节存储器 它广泛应用于电话传真 便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域 下面将主要的性能指标作综合 1 实时时钟具有能计算2100年之前的秒 分 时 日 日期 星期 月 年的能 力还有闰年调整的能力 2 31 8位暂存数据存储RAM 3 串行I O口方式使得管脚数量最少 4 宽范围工作电压2 0 5 5V 5 工作电流2 0V时 小于300nA 6 读 写时钟或RAM 数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送 7 8脚DIP封装或可选的8 脚SOIC 封装 根据表面装配 8 简单3线接口 9 与TTL兼容Vcc 5V 10 可选工业级温度范围 40 85 1 DS1302 管脚排列如图 4 9 所示 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 20 图 4 9 DS1302 引脚图 2 管脚描述 X1 X2 32 768KHz 晶振管脚 GND 地 RST 复位脚 I O 数据输入 输出引脚 SCLK 串行时钟输入端 Vcc1 Vcc2 电源供电管脚 4 4 24 4 2 DS1302DS1302 时钟信号设置模式时钟信号设置模式 DS1302 内部时钟寄存器设置如表 4 7 所示 表 4 7 时钟寄存器设置 x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 21 4 4 34 4 3 DS1302DS1302 与单片机之间的接口与单片机之间的接口 本系统的时钟电路采用双电源供电 5V 的主电源和 3V 的备用电源 在单片机系 统断电的时候 时钟电路仍能整成工作 满足了许多需要 RTC 的场合 因为一般情 况下这些场合是不允许时钟停走的 如图 4 10 所示 图 4 10 DS1302 与单片机的接口原理图 4 54 5 控制电路控制电路 控制电路采用 STC89C52 单片机最小系统构成 丰富的管脚足够外部电路的扩展 其性能也能满足该测量系统的基本要求 4 5 14 5 1 STC89C52STC89C52 主要性能介绍主要性能介绍 STC89C52是一种低功耗 高性能CMOS8位微控制器 具有8K在线系统可编程Flash 存储器 使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造 与工业80C51产品指令和引脚 完全兼容 片上Flash允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 在单芯片上 拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash 使STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供 高灵活 超有效的解决方案 4 STC89C52具有以下标准功能 8k字节Flash 256字节RAM 32 位I O 口线 看门狗定时器 2个数据指针 三个 16 位定时器 计数器 一个6向量2级中断结构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作 支持2种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU停止工作 允许RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM x xx xx xx xx xx x 本本科科毕毕业业设设计计 论论文文 22 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直