基于热电堆红外探测器的非接触人体表面温度测量系统

武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 1 基于热电堆红外探测器的非接触人体表 面温度测量系统 1 技术指标 设计一个非接触人体表面温度系统 要求 1 通过热电堆 TP337A 来探测人体表面的温度 2 由 LED 数码管显示测量的温度 要求显示温度精度能够达到 0 1 3 可以连续测量人体表面或环境温度 其整体方案如图 1 所示 图 1 系统硬件设计原理图 红外线测温模块 电压信号放大模块 A D 转换模块 单片机 ST89C52 模块 LED 数码管显示模块 武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 2 2 设计方案及其比较 通过技术指标中的硬件设计的原理 及设计要求 提出了以下三种设计方案 2 1 方案一 采用 TPS333 热电堆设计电路 热反应堆和放大部分 如图 2 所示 由于热电堆直接 测量产生的电压范围只有几毫伏到几十毫伏 无法由 A D 转换芯片 PTCF8591 直接处理 需要经过放大处理 又因为需要将电压信号放大一千倍 如果采用一级放大会出现零点 漂移等一系列的问题 且放大信号有很强的干扰 所以选择了两级放大 2 2 方 案 二 在调试方案一时 电路仍然出现了不稳定的现象 零飘等现象仍然存在一些 说明电 路仍然不稳定 为此在方案一的基础的上提出了方案二 如图 3 方案一与方案的二的区 别在于在两级放大电路的中间加了一个电容 其作用是消除零飘 滤波等一系列作用 图 3 方案三红外与放大模块的设计 图 2 方案一红外与放大模块的设计 图 3 方案二红外与放大模块的设计 武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 3 2 3 方案三 为了更强劲的抑制零点漂移和抑噪声与干扰的能力 方案三在放大部分采用的是差 分放大电路 如图 4 所示 图 4 方案三放大电路模块 图 3 方案二红外与放大模块的设计 武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 4 3 实现方案 3 1 电路原理 通过将三种方案进行对比 得出方案二电路的性能更加稳定 且电路简单 所以实 现方案采用方案二 实现的电路图如图 3 所示 对于热电堆部分 因为红外温度测量技 术的最大的优点是测量速度快 1 秒内就可测试完毕 由于它只接受人体对外发射的红外 辐射 没有任何其他物理和化学因数作用于人体 所以对人体无任何伤害 在方案中采 用的是 TPS333 热电堆 由于热电堆直接测量产生的电压范围只有几毫伏到几十毫伏 无 法由 A D 转换芯片 PTCF8591 直接处理 需要经过放大处理 又因为需要将电压信号放 大一千倍 如果采用一级放大会出现零点漂移等一系列的问题 且放大信号有很强的干 扰 所以选择了两级放大 在两级放大电路的中间加入一个电容为了的使电路更加稳定 起滤波的作用 其放大的倍数为 系统的硬件由单片机模块 TPS 333 温度传感器 5 4 6 7 模块 LM358 电压信号放大器模块 A D 转换模块 LED 数码管显示模块 硬件的设计 流程是 TPS 333 红外温度传感器将红外信号转换为电压信号 由于输出的电压信号很微 弱 所以采用 LM358 组成的运算放大器进行前置放大 然后将放大的电压信号发送到由 PCF8591 组成的 A D 转换电路 再将转换后得到的数字信号送至单片机进行处理 最后 将处理后的结果送至 LCD 数码管显示屏进行实时温度的显示 3 2 电路元件的选择 表 1 实验所用器件 器件型号数量 电阻 7 热电堆TPS333 1 单片机STC89C52 1 A D 转换PTCF8591 1 LED 数码管 1 放大器LM3582 导线 若干 武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 5 在实现方案中所用到的电路板如图 5 3 3 热电堆模块 热电堆红外探测器 TPS333 如图 6 所示 图 6 热电堆实物图 热电堆的背部视图及其引脚如图 7 图 5 电路板 武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 6 图 7 热电堆的背部视图及其引脚图 其热电堆的电路图如图 8 所示 图 8 红外测温模块的电路图 武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 7 3 4 电压信号放大模块 由于热电堆直接测量产生的电压范围只有几毫伏到几十毫伏 无法由 A D 转换芯片 PTCF8591 直接处理 需要经过放大处理 又因为需要将电压信号放大一千倍 如果采用 一级放大会出现零点漂移等一系列的问题 且放大信号有很强的干扰 所以选择了两级 放大 在两级放大电路的中间加入一个电容为了的使电路更加稳定 起滤波的作用 其电 路图如图 9 所示 3 5A D 转换模块 单片机 ST89C52 模块与 LED 数码管显示模块 设计中 采用的是开发板包含的 A D 转换模块 如果外接 A D 转换模块 由于干扰 的影响会得到信号的不稳定 LED 数码管采用的是共阴极的数码管 单片机 ST89C52 则 用于程序的载入 3 5 电路连线实物图 通过理论分析设计 最终得到了理想的电路图 其连线如图 10 所示 图 9 放大器模块电路图 武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 8 图 10 电路实物图 4 调试过程及结论 当电路连接成功后 接下来便是调试 载入程序后 遇到了一下的几种问题 问题 1 在进行第一次程序载入的时候 电路没有反应 经过反复的检查 发现电阻连接错误 导致电路连接的不成功 问题 2 在载入程序后 数码管显示的数字乱码 经过检查发现 在单片机导出的线中 将段选的线接反了 问题 3 电路板成功运行后发现将手放上去 数码管显示的数据变化幅度不大 经检查发现 电路的放大倍数过小 改正了以上问题后 得到了理想的结果 如图 11 12 所示 武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 9 图 11 室温下的布线图 图 12 人体温度测量的布线图 5 心得体会 热电堆的设计很接近生活 因为体温计是人们日常生活的必需品 而传统的一些体 温测量计测量时间长 读数不精确 且本身材料又不是很符合大众需要 如水银温度计 不仅易碎而且里面的水银有毒 而且每次使用都还必须仔细的消毒 而一些新型的温度 计 如一些电子温度计 但是也有测温时间长的弊端 而这次设计的基于热电堆红外探 武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 10 测器的非接触人体表面温度测量正好可以弥补这些弊端 它的灵敏度高测量时间也短 很是符合大众的需求 本次光电实验充分的结合了本学期所学的光电技术的知识及单片 知识的运用 让我们将理论知识与实践有了更完美的结合 让我们对光电技术这门课程 有了更全面的认识与掌握 在设计中运用到了数电的知识 也让我们对数电的知识也有 了一定的复习作用 在接电路图的时候 因为线路过多 也很考验我们个细心 也锻炼 我们独立自主的能力 本次课设全是我一人独立自主完成的 让我在独立设计方面的能力有了进一步的提 高 实验过程中遇到了很多的麻烦 如线接反了 电阻接漏了 或者在计算放大倍数的 时候计算出错 导致最终的结果的放大倍数过小 LED 数码管显示不灵敏 但最终也都 得到了自己想要的结果 但是这次实验中涉及到的单片机方面的程序还是不是很熟悉 基本上都是查阅书籍或者百度得来的 但是这也属于我自己的劳动成果吧 对这次实验 我感到很满意 让我学会了很多的东西 美中不足的是觉得自己的基本功太差 还需呀 好好弥补 6 参考文献 1 杨应平 胡昌奎 胡靖华等 光电技术 机械工业出版社 2014 2 郭天祥 新概念 51 单片机 C 语言教程 电子工业出版社 2007 7 附录 include define uchar unsigned char define uint unsigned int define PCF8591 0 x90 define N 11 void delayms uint bit write 0 sbit dula P1 0 武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 11 sbit SCL P2 1 sbit SDA P2 0 uchar table1 0 xfc 0 x60 0 xda 0 xf2 0 x66 0 xb6 0 xbe 0 xe0 0 xfe 0 xf6 uchar table2 0 xfd 0 x61 0 xdb 0 xf3 0 x67 0 xb7 0 xbf 0 xe1 0 xff 0 xf7 uchar num ge shi bai void delay void start SDA 1 delay SCL 1 delay SDA 0 delay void stop SDA 0 delay SCL 1 delay SDA 1 delay void respons 武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 12 uchar i SCL 1 delay while SDA 1 SCL 0 delay void init SDA 1 delay SCL 1 delay uchar read byte uchar i k SCL 0 delay SDA 1 delay for i 0 i 8 i SCL 1 delay k k 1 SDA SCL 0 武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 13 delay return k void write byte uchar date uchar i temp temp date for i 0 i 8 i temp temp 0 i for j 110 j 0 j 武汉理工大学 光电技术 课程设计说明书 17 目录 1