单片机AT89C51红外测温仪.doc

第一章绪论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，它通过将被测物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器件上，使其产生一个电压信号，该信号经过放大、滤波、模/数转换后送到微控制器中进行温度补偿与数据处理，最后将目标温度值以数字形式显示在显示屏上。本章对国内外医用红外测温仪的发展现状及趋势作了介绍，同时对本课题研究的目的与意义，主要内容及创新点做了说明。 1.1 医用红外测温仪现状 红外测温仪在工业领域广泛应用，但由于医用红外测温仪的特殊要求，直到 1986年 T Shinozaki等才首次应用热电堆探测器制成了耳道式红外体温计，用来测量人体鼓膜的温度。虽然热电堆所做的仪器在响应速度、精度等方面都能达到较高的要求，但它有很大的局限性，如信号强度小，非线性，电损耗大，仪器重，成本高。由于热释电探测器具有响应速度快、光谱响应宽、工作频率宽、灵敏度与波长无关等优点。1989年以来，热释电耳道式测温仪已成功的用于体温测量， 1991年以后该产品已遍及欧美市场。我国在这方面的起步较晚。2003年，由中科院物理研究所王树铎教授研制的“非接触、口腔式红外线电子体温仪”才获得专利授权。在此之前，完全不与人体接触、又满足医疗测量精度要求的体温计还没有面世。即使是上述两种体温测量仪，由于其自身的特点，不适合对大流量人群的快速检测。耳道式体温测量仪在测量的时候需将探头插进人的耳道内，而“非接触、口腔式红外线电子体温仪”在测温时需对准人的口腔，且其远距离测温容易受外界环境温度的影响，导致测量精度的下降。由于上述两种红外体温测量仪的这些特点，制约了它们在公共场合的应用。1.2 本课题研究的目的与意义随着医疗技术的快速发展，人们对非接触、快速有效测温技术的需求越来越大，传统的接触式人体测温仪已经不能满足现代医用领域的测温需求。红外测温仪具有安全、可靠、非接触、快速、准确、方便、寿命长等方面不可替代的优势，已被越来越多的医疗行业认识和接受。 2003年我国遭受非典型肺炎传染性疾病(SARS)，2009年全球甲型 H1N1流感的肆虐，这些事件的发生，使人们越来越注重公共卫生安全。非接触、高精度医用红外测温仪的研究，对于公共场合、大流量人群的快速检测具有重要的意义，它不仅具有巨大的商业价值，而且具有重大的社会价值。 1.3 本论文的研究内容本课题研究的主要内容是设计一种可用于医疗领域的高性能的红外测温仪。在查阅了大量国内外文献的基础上，以热释电红外测温仪现阶段的技术作为参考，提出并研制了一种基于 51单片机的高性能热释电红外测温仪。课题采用美国 ATMEL公司的 AT89C51作为主处理芯片，设计的红外测温仪具有配置简单、扩展方便、可靠性高的特点，本课题主要研究工作如下：1. 在测温系统原理和测温方案分析的基本上，进行总体方案框图的设计。 2. 对硬件部分进行设计，完成光学系统，放大电路单元对微弱信号的提取，环境温度测量单元等部分的电路设计。 3. 对软件部分进行设计，完成模块的初始化、环境温度处理单元、 A/D转换、键盘与显示部分的流程图设计和相关部分软件的编写。 4. 对系统进行仿真整机调试。 5. 对红外测温仪进行标定。 6. 对系统进行误差分析与抗干扰设计。第二章系统测温原理本章主要介绍辐射测温的原理和 DS18B20环境温度采集的原理，并对热释电传感器的功能特性作了概括性说明。 2.1 辐射测温原理红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体向外辐射能量的大小及其波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。黑体处于温度 T时，在波长为 处的单色辐射出射度由普朗克公式确定，即：黑体辐射出射度由斯蒂芬-玻尔兹曼定律确定，即：其中C1 = 3.741810 -16W .m2 称为第一辐射常数；C 2=1.4388 1010-2 m. K 称为第二辐射常数； = 5.670108 J /m2 s K 4为斯忒藩玻耳兹曼常数；表示波长；T 表示热力学温度。由于实际物体并非黑体，所以实际物体的辐射度还需要在上式中乘上物体的辐射度常数，即： 表示物体的辐射出射度，因此对于进入红外测温光学系统的光线，经过探测器的光电转换后，其电压为：式中的K 与探测器的灵敏度，系统中光谱的透过率等有关，由实验时确定。2.2 传感器DS18B20 介绍DS18B20 温度传感器是美国DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912 位的数字值读数方式。1. DS18B20 性能特点DS18B20 的主要性能特点如下：(1) 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；(2) 可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V；(3) 温度以9 或12 位数字；(4) 负电压特性，电源极性接反时，不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2. DS18B20 内部结构DS18B20 采用3 脚PR-35 封装或8 脚SOIC 封装，内部结构框图如图2.1 所示。图2.1 DS18B20 内部结构框图DS18B20 主要由4 部分组成：64 位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH 和TL、配置寄存器。ROM 中的64 位序列号是出厂前被光刻好的， 64位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位(地址：28H)是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8 位则是前面 56 位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。 ROM 的作用是使每一个DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20 的目的。DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM 和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM 的结构为9 字节的存储器，如表2.1 所示。表2.1 高速暂存RAM 的结构头2 个字节包含测得的温度信息，第3 和第4 字节为TH 和TL 的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5 字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。3. DS18B20 的测温原理DS18B20 中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2 的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的一个基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，计数器1 和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。减法计数器1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1 的预置值减到0 时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1 的预置将重新被装入。减法计数器1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数。如此循环直到减法计数器计数到0 时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值达到被测温度值。2.3 热释电传感器工作原理热释电器件是一种近十几年发展起来的新型红外传感器，在红外检测领域中占有越来越重要的地位，广泛用于红外测温、红外报警、工业过程自动监控、光谱分析、红外摄像和空间技术等诸多方面。1. 热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。早在1703 年左右人类就发现了热释电效应，在1965 年查明这种效应对温度具有极高的灵敏度，在室温附近可以检测出610-6的温度变化值。但由于种种条件的限制，以及无法克服来源不明的准直流噪声干扰，一直未能成功地把该技术用于非接触式测温。通常晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电性不能表现出来。某些晶体(如：PZT，LiTaO3，PVFZ)的表面接受了红外线的辐射能量，其表面产生温度变化，随着温度的上升或下降，这些物质表面上就会产生电荷的变化，热释电晶体表面电荷随温度变化的移动情况如图2.2 所示，其中(a)图为电荷不移动时的情况，(b)图为电荷移动时的情况。图 2.2 热释电效应图可见，当红外线照射热释电元件时，其内部极化作用发生很大的变化，其变化部分作为电荷释放出，从外部取出该电荷就变成传感器的输出电压。由此可见，热释电传感器只有在温度变化时才有输出电压。热释电红外传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有T 的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷Q，即在两电极之间产生微弱电压V。热释电探测器检测到变化的温度，经光电转换后，变成一个交流电压信号供信号处理电路进行处理。由式2.4 可知，设被测目标的温度为T1，环境温度为T2，被测目标辐射率为1，环境的辐射率为2，则传感器的输出信号可表示为：相应的输出电压：式中的1表示被测目标辐射率；2表示目标背景辐射率； 表示斯蒂芬-玻耳兹曼常数； S 为热释电响应特性及物体表面发射率有关的常数。2. 探测器的选择热释电传感器的品种较多，从封装、外形来分，有塑封式和金属封装(立式和卧式的)等。从内部结构分，有单探测元、双探测元、四探测元等。典型的热释电传感器结构图如图2.3 所示，其中(a)图为传感器外形结构，(b)图为管脚名称，D为漏极端，S 为源极端，GND 为接地端。图2.3 热释电传感器人体的体温约为 37，辐射最多的红外线波长是10m 左右，RE200B 对714m 范围波长比较灵敏，它能无接触地检测人体运动时辐射出的红外线并转换成电信号输出，故本系统采用RE200B 热释电红外探测器。RE200B 是由菲涅耳透镜、热释电红外传感器及电子电路组成的一种光电检测装置，RE200B 采用双灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。其内部采用了2 个热释电元件PZT 板，PZT 板表面吸收红外线，并在受光面的内外各自安装取出电荷的一对电极，能敏感的捕捉到被测物体或光源，具有很高的灵敏度。2 个受光电极反向串联，可有效地防止背景波动以及干扰光照射时的误动作对传感器的影响。当2 个受光电极同时受到红外线照射时，输出电压相互抵消而无输出，只有当人体移动时才有电压的输出。RE200B芯片的主要性能如表2.5 所示，表中特性指标是在源极电阻 Rs=47K条件下测定的。表2.5 RE200B 主要性能第三章系统硬件设计本章主要介绍了系统硬件电路的总体设计方案，并针对硬件单元的设计要求，对所需元器件进行了选择。3.1 系统硬件整体设计红外测温仪的系统组成如图 3.1 所示，主要由光学系统、光电转换、信号处理、显示输出等部分组成。光学系统完成视场大小的确定，热释电探测器用来将聚焦在探测器上的红外能量转换成电信号，经过放大、滤波后进行模数转换，并送至单片机进行信号处理，液晶显示单元显示出被测目标的温度值。图3.1 系统功能模块框图3.2 光学系统设计红外测温仪光学系统的作用是重新改善光束的分布，更有效地利用光能。红外光学系统的使用可大大提高灵敏面上的照度，从而提高仪器的信噪比，增大系统的探测能力。对测量特定目标的光学系统设计，首先考虑的是工作波段，因工作波段取决于被测目标的发射特性和辐射传递通路中介质的特性。工作波段是影响光学设计和光电转换的首要因素，考虑到人体皮肤的辐射波长主要在2.515m 之间，峰值波长在9.5m 处，其中814m 波段辐射能占人体总辐射能的46%。同时大气对814m 之间的红外线透过率较高，吸收相对较少。因而确定测温仪的工作波段在814m 之间。光学部分选择透射式红外光学系统，同时为了减小光学系统的光能损失，选择单透镜作为物镜。1. 透镜成像公式透镜的成像公式虽然简单，但与透镜的结构和材料有关，具有一定程度的不严格性。在图3.2 中，设从空气中(近似真空)距透镜为u 的点O 发出的一条光线图3.2 透镜成像示意图射向透镜，由于透镜的折射作用，经 A、B 两点后，成像在I 点上。I 点至透镜的距离为v。ClA 和C2B 分别为透镜的曲率半径r1 和r2。角度1212 分别为此条光线进入透镜和从透镜射出时的入射角和折射角。yl、y2 分别为A 点、B 点至光轴的距离，由折射定律可得式3.1 中n 为透镜材料对空气的折射率。假定角度1212 都很小，则它们的正弦值可表示成它们的弧度值。同时假定透镜非常薄，则A 点B 点至光轴的距离可认为是相等的，且等于它们所对应的弧长，由此可得令 则式中焦f 为透镜的焦距，式3.3 和式3.4 即为常用的透镜成像公式。2. 透镜参数的确定选择直径为 20 mm，焦距为40 mm 的锗透镜作为物镜，以便透过910m 的人体红外辐射。红外探测器放在透镜的焦点处，孔径光阑安装在焦距前方10 mm处，以消除杂散光的影响。由下面的公式可计算出孔径D 约等于5 mm。式3.5 中 是透镜的通光孔径，是像距，等于40 mm， a 是孔径光阑到探测器的距离，光学系统的结构如图3.3 所示。图3.3 光学系统结构图3.3 信号处理电路设计3.3.1 信号放大电路当光信号经过热释电传感器后，就变为交变的脉冲信号，热释电传感器接收到的人体辐射信号很微弱， 只有微伏或纳微伏数量级，故需要放大后才能进行信号处理。本系统把信号的放大电路分为前置放大电路和后级放大电路进行处理，前置放大器必须是高增益和低噪声的，高增益是用来把微弱信号放大到一定电平，以便进一步再做处理，低噪声是为了保持尽可能高的信噪比。放大电路采用低失调精密运算放大芯片LM358，其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，系统的信号放大电路如图3.4 所示。图3.4 热释电测温放大电路放大器电路采用集成运放LM358，其特点是低失调、低噪声、低漂移，广泛用于精密仪器放大器、传感放大器等场合。红外传感信号由LM358 的管脚3 端口进入放大电路，图中电容C9 用于滤除信号中的直流信号，电路中阻值为500K 的可调电位器Rv1，用来对传感器输出信号的增益进行调节。管脚7 端口将放大后的红外传感信号送往信号采集电路单元进行模数转换。3.3.2 信号采集电路经放大电路放大后的模拟电信号需要转换成数字信号后才能送入单片机进行数据处理，系统数据采集选用TLC549 集成芯片进行A/D 转换。1. TLC549 的性能参数TLC549 是8 位串行A/D 芯片，可与单片机通过I/O CLOCK、CS、DATA OUT口线进行串行通信。TLC549 既有4MHz 的片内系统时钟，转换时间最长为17s，允许最高转换速度达40000 次/s，总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗为6mW。TLC549 可按比例量程校准转换范围，其VREF-接地时，(VREF+)-(VREF-)1V，可用于较小信号的采样，36V 的供电范围，TLC549 的内部框图如图3.5 所示。图3.5 TLC549 内部框图2. TLC549 的工作原理TLC549 带有片内系统时钟，该时钟与I/O CLOCK 是独立工作的，无需特殊速度和相位匹配。当CS为高时，数据DATA OUT 处于高阻态，此时I/O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用TLC549 时，共用I/O CLOCK，以减少A/D 转换时的I/O 控制端口。分析 TLC549 的工作时序得到：(1) 将CS置低。内部电路在测得CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)输出到DATA OUT 端上。(2) 前四个I/O CLOCK 周期的下降沿依次移出第2、3、4 和第5 位(D6、D5、D4、D3)，片上采样保持电路在第4 个I/O CLOCK 下降沿开始采样模拟输入。(3) 接下来的3 个I/O CLOCK 周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)转换位。(4) 最后，片上采样保持电路在第8 个I/O CLOCK 周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)转换位。保持功能将持续4 个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D 转换。第8 个I/O CLOCK 后，CS必须为高，或I/O CLOCK保持低电平，这种状态需要维持36 个内部系统时钟周期以等待转换工作的完成。如果CS为低时I/O CLOCK 上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器将与器件的I/O时序失去同步；若CS为高时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。在36 个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤(1)(4)，可重新启动一次新的A/D 转换，与此同时，正在进行的转换终止，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。3. TLC549 与单片机的接口电路TLC549 与单片机通过I/O CLOCK、CS、DATA OUT 3 个引脚串行连接。该器件有1 个模拟输入端口AIN，三态数据串行输出接口可方便与微处理器或外围设备相连。TLC549 仅仅使用输入/输出时钟(I/O CLOCK)和片选信号( CS)控制数据，与51 单片机的接口电路如图3.6 所示。图3.6TLC549 与单片机的接口电路3.3.3 环境温度补偿电路由于热释电传感器测量的是人体与环境的辐射能量差，因此需要在信号处理电路中增加环境温度的检测电路。系统采用集成温度传感器DS18B20 进行环境温度的检测，DS18B20 采用电源供电方式，与单片机的接口电路如图3.7 所示。图 3.7DS18B20 与单片机的接口电路DS18B20 的1 脚接地，2 脚作为信号线，3 脚接电源。当DS18B20 处于写存储器操作和温度转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10s。P1 口内部自带上拉电阻，总线上不需要外加上拉电阻。采集信号DQ 由P1.0 口送入单片机，经过单片机分析处理，转换成相应大小的温度数值。3.4 单片机外围电路系统采用美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能8 位单片机AT89C51 作为控制器。其片内含4KB 字节的快速可擦写的只读存储器(FPEROMFlashProgrammable and Erasable Read Only Memory)和128 字节的随机存取存储器(RAM)，片内置8 位中央处理器(CPU)和Flash 存储单元，AT89C51 的管脚如图3.8，图3.8 AT89C51 的管脚图单片机需要一定的外接电路才能正常工作，本系统中单片机的外接电路主要包括以下几部分电路。1. 复位电路当 AT89C51 单片机的RESET 引脚引入高电平并保持两个机器周期时，单片机内部就执行复位操作。若该引脚一直保持高电平，单片机就处于循环复位状态。采用上电与按键均有效的电路，复位电路如图3.9 所示。图3.9 复位电路按健复位电路是上电手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重启单片机电源，就可以实现复位。2. 时钟电路任何一个微控制器系统都为时序电路，需要一个时钟信号才能工作。本系统采用外部晶体振荡器来为系统提供时钟，晶体振荡器的时钟频率为11.0592MHz，时钟电路如图3.10 所示图3.10 时钟电路3. 键盘电路键盘电路由四个点动式开关构成，分别送入单片机的P1.3、P1.4、P3.2、P3.3。开始时P1.3、P1.4、P3.2、P3.3 口的电位都处于高电位，此时显示屏显示当前环境温度。当按下控制P3.2、P3.4 的开关立即就会显示人体上限温度和下限温度值。如果发现设置的温度上下限过高或过低，再点击控制P3.2、P3.3 的开关就会将温度上下限所设置的温度降低或升高。当需要显示环境温度的时候，点击控制P1.3的开关。当测量人体温度时，将透镜对准离人体额头部位，点击控制P1.4 的开关就可以显示人体温度。键盘与单片机的接口电路如图3.11 所示图3.11 温度控制键4. 报警电路报警发声命令由 P3.7 口输出，当红外传感器所探测的人体温度低于或高于所设置的温度上下限值时，扬声器就会发出持续数秒的报警声。与单片机的接口电路如图3.12 所示。图3.12 报警电路5. 显示电路显示器采用字符型液晶显示芯片 SMC1602，可以用来同时显示被测目标和环境温度的值。SMC1602 在温度显示方面相比较于LED 数码管，其电路连接简单而且观察方便，内置160 个不同的点阵字符图形，可以显示2 行16 个字符，采用标准的16 脚接口，其中D0D7 为8 位双向三态I/O 口， VSS 为电源地，VDD 为电源正极，接+5V 电源电压。VL 为液晶显示器对比度调整端，当接正电源时对比度最高，负电源时对比度最低，对比度的大小通过一个10K 电位器来控制，BLKA，BLKK 端口为背光引脚，BLKA 接正电极、BLKK 接地时，点亮背光。SMC1602与单片机的连接电路如图3.13 所示。图3.13 LCD 显示电路RS 为寄存器选择引脚，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。R/W 为读写控制引脚，高电平时进行读操作，低电平时候进行写操作。E 为使能端，当其由正电平跳变成低电平时，模块开始工作。第四章 系统软件设计本章主要介绍了系统软件的设计方案，对环境测温、红外测温、显示单元的程序设计做了详细叙述。4.1 系统软件总体设计红外测温系统的软件设计采用模块化的设计思想，把一个复杂的软件设计分成几个相对简单的部分予以解决13。因为本论文完成的功能是测温，所以对温度数据接收及显示部分的程序设计做了详细叙述，而对其它程序做了简要的介绍，系统软件总体设计框图如图4.1 所示。图4.1 系统软件总体框图4.2 系统主程序设计软件是整个红外测温系统的核心，是一个完整的系统不可缺少的一部分。在设计中需要考虑到系统软件的低功耗设计、软件的运行效率以及软件的开发效率、可维护性及易升级性。单片机软件设计采用循环系统设计，应用程序是一个无限循环，循环中调用相应的函数完成相应的功能。对于红外测温系统，其系统软件主要是完成测温系统的硬件控制功能。当启动红外测温仪时，测温程序无限循环的对探测器的输出信号进行采样，当过一段时间无操作时自动关闭红外测温仪以降低功耗。本系统软件设计所需要完成的功能主要包括以下几个方面。1. 对环境温度检测的控制。2. 对目标数据采样的控制。3. 通过软件算法对数据进行处理和环境温度的补偿。4. 处理后的数据送到 LCD 进行显示。5. 通过按键进行参数的输入与温度转换显示。为了提高系统的开发效率和软件的性能，整个红外测温系统的程序采用C 语言编程方式，程序在执行过程中，首先通过初始化程序完成系统的初始化过程，然后跳转到应用程序。4.3 温度补偿程序设计系统采用集成温度传感器 DS18B20 进行环境温度的检测，DS18B20 单线通信功能是分时完成的，有严格的时隙概念，读写时序很重要。系统对DS18B20 的各种操作按协议进行，DS18B20 的一线工作协议流程是：初始化ROM 操作指令存储器操作指令数据传输，DS18B20 测量环境温度的程序流程图如图4.2所示。图4.2 DS18B20 程序流程图DS18B20 工作时序包括：初始化时序，写时序，读时序1. DS18B20 初始化时序主机首先发出一个480960s 的低电平脉冲，然后释放总线变为高电平，并在随后的480s 时间内对总线进行检测。如果有低电平出现说明总线上有器件已做出应答，没有低电平出现，说明总线上无器件应答。作为从器件DS18B20在一上电后就一直在检测总线上是否有480960s 的低电平出现。若有，在总线转为高电平后等待1560s 后将总线电平拉低60240s做出响应存在脉冲，告诉主机本器件已做好准备，若没有检测到就一直检测等待。2. 对 DS18B20 的写操作写周期最少为60s，最长不超过120s。写周期一开始作为主机先把总线拉低1s 表示写周期开始。随后若主机想写0，则继续拉低电平最少60s直至写周期结束，然后释放总线为高电平。若主机想写1，在一开始拉低总线电平1s 后就释放总线为高电平，一直到写周期结束。而作为从机的DS18B20 则在检测到总线被拉底后等待15s，然后从15s 到45s 开始对总线采样，在采样期内总线为高电平则为1，若采样期内总线为低电平则为0。3. 对 DS18B20 的读操作读数据时序也分为读0 时序和读1 时序两个过程，读时隙是从主机把单总线拉低之后，在1s 之后就得释放单总线为高电平，以让DS18B20 把数据传输到单总线上。DS18B20 在检测到总线被拉低1s 后，便开始送出数据，若是要送出0 就把总线拉为低电平直到读周期结束。若要送出1 则释放总线为高电平。主机在一开始拉低总线1s 后释放总线，然后在包括前面的拉低总线电平1s 在内的15s 时间内完成对总线进行采样检测，采样期内总线为低电平则确认为0。采样期内总线为高电平则确认为1，完成一个读时序过程，至少需要60s 才能完成。DS18B20 单线通信功能是分时完成的，有严格的时隙概念，如果出现序列混乱，1-WIRE 器件将不响应主机，因此读写时序很重要，系统对DS18B20 的各种操作必须按协议进行。4.4 数据采集程序设计人体的红外信号经热释电红外传感器转变为相应的电信号，电信号经过模数转换后才能送入单片机进行数据处理。数据采集程序设计主要对放大处理后的电信号进行A/D 转换，选择TLC549 集成芯片进行A/D 转换。由于探测器响应时间和电路处理部分的延时，系统需要不停地对目标信号进行循环检测，当检测到最大信号时，才能测得准确的温度，因此系统使用循环程序，数据采样的程序流程图如图4.3 所示。图 4.3 数据采集流程图转换电压计算公式为：由于TLC549 的参考电压为5V，A/D 转换精度为8 位，所以当测量得到环境温度时，由式2.6 和式4.2 计算即可得到人体温度。4.5 显示与键盘程序设计1. LCD 显示程序设计SMCl602 显示屏可显示2 行16 个字符，当测温时，显示3 位被测数据，可精确到0.1，SMCl602 的基本操作时序为：(1) 读状态：输入：RS=L，RW=H，E=H； 输出：D0D7=状态字(2) 写指令：输入：RS=L，RW=L，D0D7 为指令码，E=高脉冲；输出：无(3) 读数据：输入：RS=H，RW=H，E=H；输出：D0D7=数据(4) 写数据：输入：RS=H，RW=L，D0D7=数据，E=高脉冲；输出：无软件设计中另外一个需要注意的是注意时序的配合，在写操作时，首先应设置RS、R/W 的状态。然后再设置数据，最后产生E 信号的脉冲，读完以后再将E、Rs、R/V 信号复位，SMC1602 液晶显示的程序流程图如图4.4 所示。图4.4 LCD 显示流程图当开机后，系统首先对LCD 进行初始化设定，SMCl602 液晶显示模块是使能显示器件，所以在每条指令之前需要确认模块的忙标志，如果其为低电平，则表示不忙，否则失效。另外，由于写入显示地址时要求数据位的最高位恒定为高电平，显示字符的实际地址应为实际地址+(80H)。2. 键盘扫描程序设计键盘共有6 个按键，分别为开机键、复位键、温度上下限设置键、环境温度显示键、人体温度显示键。当按下开机按键后，首先定义相应的键盘控制引脚为输入模式。当有键按下时，被按下的引脚为低电平；当没有按键按下时，引脚状态为高电平。通过判断引脚状态的电平就可确定是否有按键被按下，键盘的扫描程序流程图如图4.5 所示。图 4.5 键盘扫描流程图通常按键所用开关为机械弹性开关，在按键闭合和断开的瞬间均伴随着一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为510ms。本系统采用软件方法消抖，当单片机响应键盘中断后，首先进入按键延时程序，当有一按键按下时，软件延时10ms 后再判断键状态，如果仍有键按下的状态，则确认该按键按下，否则作为按键抖动处理，从而消除了抖动的影响。第五章系统性能检测5.1 系统性能测试红外测温仪只有经过严格定标后才能用于人体体温测量，系统通过数据测试，修正程序中的算法参数，提高测温仪的精确度。关于定标，设计中采用了自身定标的方式，即采样后的数据用数理统计学中的“相关分析方法”，求出红外测温仪接收到的红外辐射信号和被测对象的温度之间的具体函数关系。根据这种函数关系可以对它进行温度的定标，并且运用新的红外测温方法避开了辐射率修正的困难，但是仍然有一定的误差。在现有设计的基础上采用黑体炉进行标定，根据替代法原理，用准确度高的“标准仪器”来对红外测温仪做现场性测试、校准。以便提高红外测温仪的准确度。1. 测量环境室温环境 2630，检测设备为标准黑体炉，黑体空腔发射率为0.995，测量单位： 。2. 测量内容使用标定后的红外测温仪与水银体温计对人体和水进行距离和分组温度测试，统计测量对比结果。红外测温仪测量人体温度时，将光学系统对准人的额头进行测量，且保证额头无汗水，因有汗水会降低测温精度。3. 测量结果(1) 使用水银体温计测量到某人体温36.8和水温40.0，在不同测量距离内，使用标定后的红外测温仪测量上述人体温度和水温，将测量后的温度结果进行统计，统计结果如表5.1 所示。表5.1 测温距离对比表由表5.1 可知，在不同距离内使用红外测温仪测量，发现红外测温仪的测温精度随测温距离的增加而下降。为了保证红外测温仪的测温精度，测温距离控制在615cm 范围内。(2) 在615cm 范围内，使用红外测温仪和水银体温计对水温以分组测量的方式确定红外测温仪的测温精度，测量统计结果如表5.2 所示。表5.2 水温测试对比表(3) 在615cm 范围内，使用红外测温仪和水银体温计对人体温度进行分组测量的方式进一步确定红外测温仪的测温精度，测量统计结果如表5.3 所示。表5.3 体温测试对比表由表5.2 和5.3 可知，红外测温仪可取代水银体温计进行温度测量，但由于测量环境与时间的局限性，本系统测温数据有待进一步采集，更好的修正程序参数，使红外测温仪的测温精度符合人体的测温要求，达到医用水平的标准。5.2 误差分析与抗干扰设计红外测温仪为非接触式测温系统，因而其误差的来源是多种多样的。为了减少误差对系统的干扰，提高测温系统的可靠性，系统必须进行抗干扰设计。1. 系统误差分析除了前面所提到测温距离、环境因素可以影响系统的精度外，其它的一些因素也会影响到红外测温仪的测量精度。(1) 光学系统造成的色差、球差以及像的畸变，镜头的污染等直接影响红外辐射能量进入红外测温系统，在一定程度上会影响红外测温仪的测量精度。(2) 黑体是理想的物理模型，试验中所使用的标准黑体炉空腔发射率为0.995，而不是1，存在一定的误差。(3) 系统在进行数据计算时，由于单片机精度的限制和计算中的取舍问题，造成了测得的实际数据与原始数据存在一定的偏差。(4) 大多数有机物和涂有油漆或氧化的表面具有0.95 的发射率，人体的皮肤，其辐射率为0.98。常用的低价位红外测温仪采用了周定的0.95 的发射率，发射率不同会对测温带来一定的影响。2. 系统抗干扰设计针对上述红外系统的误差，采用一定的措施加以改进，以减小系统的测温误差，提高系统的测量精度18。(1) 采用反射性能优而吸收系数又比较小的反射材料，减小非近轴光线带来的误差和球差，同时保持光学平面的清洁。(2) 采用发射率尽可能高的标准仪器进行温度定标，尽量多采集一些数据，取其平均值作为定标值，以降低定标误差。(3) 软件设计时，采用循环系统测量参数，求其参数最大值，从而得到更精确的算法，以减小系统的取舍误差。(4) 由于本课题主要针对人体测温，故人体的发射率取为0.98，环境的发射率取0.95。第六章 总结热释电红外测温仪是根据热释电效应而制成的一种新型的红外测温仪，它具有不需制冷、能在室温下工作、抗干扰能力强、灵敏度高、光谱响应宽、性价比高等优点。由于它在这些方面突出的优点，使得其近年来发展十分迅速，获得了广泛的应用。本文在辐射测温的基础上，采用热释电传感器，结合单片机芯片高性能，低功耗和低成本的优点，开发了一个适用于医疗的热释电红外测温仪，课题采用PHILIPS 公司的性能优越的AT89C51 作为主处理器，简化了硬件电路的设计，增强了系统的处理能力，主要完成了以下工作。1. 光学系统部分，针对人体额头测温，优化了测温电路，红外传感器前置一个菲涅耳透镜来控制红外测温仪的视场，同时滤除部分干扰光的影响。2. 信号处理方面采用两级放大的方式对传感器输出的微弱信号进行放大、滤波、去噪声处理；使用单总线器件对环境温度采集，优化了硬件电路。3. 软件设计部分，设计了程序的流程图和使用C 语言对程序进行编写，系统结构灵活，采用模块化设计，便于维护和扩展。4. 对系统中存在的一些干扰和影响进行了详细的分析，并给出了相应的解决措施。本文设计的热释电红外测温仪达到了非接触式、快速测温的目标，但仍有一些不足之处，比如A/D 转换的精度不是很高，系统整体处于测试阶段，离实用化还有很大的差距。所以在今后的工作中，还要不断的学习充电，掌握更多的技能。争取能够在此基础上设计出更先进、功能更强大、结构更简单的智能化仪器。参考文献1 齐文娟. 发射率对红外测温精度的影响D. 长春:长春理工大学, 2006, 3. 2 戴景明. 辐射测温的发展现状与展望J. 自动化技术与应用, 2004, (3): 1-5.3 张德云, 张玉华. 红外测温仪探热的质量保证J. 中国国境卫生检疫杂志. 2003, 26(5):271-274.4 蒋凯, 叶树明等. 高精度医用红外测温仪的开发J. 计算机工程, 2004, 30(23): 168-171.5 安毓英, 刘继芳, 李庆辉. 光电子技术M. 北京: 电子工业出版社, 2010.6 王庆有. 光电传感器应用技术M. 北京: 机械工业出版社, 2007.7 苗玉杰. 医用红外测温仪的研究D. 燕山大学硕士学位论文, 2004.8 石顺祥, 王学恩. 物理光学与应用光学M. 西安电子科技大学出版社,2008.9 刘福杰, 王浩静, 范立东. 红外测温仪原理及其在应用中注意的问题J. 现代仪器. 2007,4: 50-5210 柳刚, 黄竹邻. 非接触式红外测温仪的研制J. 光电子技术与信息, 2005, 11 曾强, 舒芳誉. 红外测温仪工作原理及误差分析J. 传感器世界, 2007, 2: 3212 于永. 51 单片机C 语言常用模块与综合系统设计实例精讲M. 北京: 电子工业出版社,2008.13 白延敏. 51 单片机典型系统开发实例精讲M.北京: 电子工业出版社, 200914 徐玮, 徐富军, 沈建良. 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