红外温度计详解

2016 届本科毕业设计 基于单片机的红外人体温度检测装置设计 院 系 名 称物理与电子信息学院 专 业 名 称电子信息科学与技术 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 完 成 时 间2016 年 5 月 6 日 毕业设计 论文 I 基于单片机的红外人体温度检测装置设计 指导教师 摘 要 为了有效解决传统体温测量速度慢 难以在高密度人群中使用的难题 本文 设计了一种红外快速人体温度检测装置 该装置采用非接触式测量方法 能够快速 准确测量人体温度 并对体温异常的个体具有识别和报警提醒功能 该测量装置主 要包括红外传感器 模数转换电路 信号分析与处理电路 数码管显示电路和异常 报警系统 本设计在 AT89C51 单片机的控制下 首先采用 TPS334 红外温度器检测 人体温度 接着选用 AD7705 完成数模转换 单片机读取数据后通过查表计算出温 度 最后通过 LCD 直观的显示输出数据 完成测量任务 经实验表明 该系统能够 实现非接触式人体温度测量及异常报警功能 并且具有测温速度快 灵敏度高 操 作便捷等特点 具有一定的应用价值 关键词 红外温度传感器 A D 转换器 AT89C51 单片机 TPS334 红外温度传感器 Design of Infrared Human Body Temperature Detection Device Based on Single Chip Microcomputer Abstract In order to solve the problem of traditional temperature measurement speed slow and difficult to use in high population density this paper introduces the design of a fast infrared human body temperature detection device the device using non contact measurement method can quickly and accurately measure the temperature of the human body and on individual body temperature anomalies with identification and alarm function The measuring device mainly comprises an infrared sensor an analog digital conversion circuit a signal analysis and processing circuit a digital tube display circuit and an abnormal alarm system This design under the control of AT89C51 First of all the tps334 infrared temperature sensor to detect the human body temperature then choose the AD7705 digital to analog conversion and then the signal processing method for measuring finally through the LCD intuitive display output data perform the measurement task The experiment shows that the system can realize non contact human body temperature measurement and abnormal alarm function and has the characteristics of high temperature measurement speed high sensitivity convenient operation and so on it has certain application value Keywords Infrared Temperature Sensor Fast Check A D Switch Decoding Display Exceeded Alarm 毕业设计 论文 II 目录 1 引言 1 1 1 研究背景 1 1 2 基于单片机的红外快速人体温度检测装置的研究意义 1 1 3 本文主要研究内容 2 2 基于单片机的红外快速人体温度检测装置的设计框架 2 毕业设计 论文 III 2 1 设计思路 2 2 2 方案比较 2 2 3 利用红外测温的优点 4 3 红外测温系统设计与工作原理 5 3 1 红外测温系统组成 5 3 2 单元电路的设计 5 3 2 1 传感器选用 5 3 2 2 信号处理电路设计 6 3 2 3 译码显示电路设计 14 3 2 4 报警电路 15 3 2 5 电源电路的设计 16 3 3 系统的工作原理 16 4 软件设计 18 4 1 软件设计流程图 18 4 2 热敏电阻测量温度算法设计 18 4 3 程序设计 18 5 总结 20 参考文献 21 毕业设计 论文 1 1 引言 1 1 研究背景 当下 国内依然大量使用传统的玻璃液体温度计 接触人体式医用电子温度计 等插入人体内部或放于腋下 通过采取人体温度的接触传导进而测出人体体温 由 于接触式体温计在采集过程中需要温度的传导 因此其最明显的缺点就是测量体温 速度慢 水银温度计还具有易损坏 读取体温相对困难的特点 其损坏之后 温度 计内含有的汞会对环境造成严重影响 尤其对于儿童使用该类体温计则更为不便 针对传统体温计存在的问题 一种新的 非接触的 基于单片机的体温测量装 置能够有效克服这些困难 它具有测温快 非接触和易读数等优点 是未来体温测 量设备的发展方向 它的大规模使用能够有效解决公共场合 汽车站 火车站 机 场等 难以对每位乘客一一测体温的难题 对公共场所和防御控制传播疾病具有重 要意义 红外人体温度测量装置是由红外采集模块 模数转换模块 体温的译码显示模 块 基于 51 单片机的信息处理模块和超温报警模块这几部分组成 此系统的核心是 单片机信息处理模块 关键是红外采集模块 精确的红外采集量是最终体温精确测 量的前提 该系统的处理流程为 利用红外传感器 1 采集人体散发的红外能量 红外传感 器先将这些能量转换为模拟电信号 再利用模数转换电路把传感器采集到的模拟信 号转换成数字信号 数字信号被送入单片机处理 2 3 4 最后将处理结果显示在显示 器上 并根据情况控制报警电路 国外对于非接触式红外测温仪 5 的研究已经持续了很多年 取得了一些重要成 果 1 2 基于单片机的红外快速人体温度检测装置的研究意义 随着人们生活水平的提高 传统的体温测量方式已经不能满足人们的需求 具 有准确 快速 直观特点的红外线测温仪的研究具有重要的应用价值 近年来 非 接触式红外测温仪得到了快速的发展 它的功能和性能都有很大程度的提升 种类 也越来越多 用户群越来越大 适用范围也越来越广 毕业设计 论文 2 本设计利用 AT89C51 单片机的进行控制 首先采用 TPS334 红外温度器检测人体 温度 接着选用 AD7705 完成数模转换 单片机读取数据后通过查表计算出温度 判 断温度是否过高 如果过高则报警器进行报警 最后通过 LCD 直观的显示输出数据 完成测量任务 这次自己手动设计与开发红外快速检测人体温度装置 7 不仅提高了我的动手 设计能力 也通过对这次的设计 我学习到了硬件软件的开发的基本流程和对单片 机进一步的认识并且还有了一定的掌控此次开发设计过程的技术能力 也让我们平 时在学校学习的知识与实际应用结合起来 为以后的为工作打下铺了一条道路 1 3 本文主要研究内容 本文第一节阐述了红外人体温度检测装置的研究背景及意义 还有国内外研究 状况 第二章根据设计目标设计了几种实现方案 并根据实际情况选取了最为合理 的设计方案 第三章设计了红外温度的硬件实现电路 选取了合适的电器原件 第 四章根据需求设计了流程图和硬件电路编写了程序 并进行了仿真调试 第五章对 本文工作进行了总结 2 基于单片机的红外快速人体温度检测装置的设计框架 2 1 设计思路 本设计的目的是寻找一种快速测量人体温度的一种新的装置 该装置能够非接 触 快速准确测量体温 为了实现该设计 我们设计了两种不同的方案 通过两种 方案的对比来选择一种更为合适的方案 2 2 方案比较 方案 1 模拟电路的处理方法 模拟电路的处理方法是利用放大器将热电堆和热敏电阻的信号放大后进行对比 然后计算出它所对应的模拟电信号 再将该模拟电信号转换为相应的温度值 其原 理图如图1所示 研究表明 在一定的温度范围内 Ro和是常数 4 00 TRR 根据以上公式能够看出 通过调整放大器放大倍数 能够使得输出信号只与被 毕业设计 论文 3 测对象温度的4 次方具有线性关系 从而去除环境温度造成的输入影响 进而确 定出物体的温度 正因为如此 虽然它具有灵活性好 能够通过调节放大倍数来适合不同物体的 温度测量 但模拟处理方法测得的温度精度不高 并不能达到设计的要求 方案2 数字电路的处理法 数字电路的处理方法原理是 首先将热电堆和热敏电阻的信号转换成模拟电信 号 通过大器放大后 利用A D转换将模拟信号转数字信号 然后由单片机获取该 数据在利用写好的程序在单片机内部计算处理 从而得到被测物体的温度值 该数字电路的处理方法的测量精度较高 它的精度主要受到传感器的性能和 A D转换的位数的影响 图2为该数字处理法的框图 两种方案比较与论证结果 方案 1 的测量精度不高 一般只是用在要求不高的工业生产方面 它并不适用于人 体体温的测量 方案 2 采用数字电路的处理方法 放大器对模拟信号放大之后 A D 转换器的分辨率得到明显的提升 它的精确度可以达到0 1 度 完全能够适用 于人体体温的测量 图图1 1 模拟电路处理电路图模拟电路处理电路图 毕业设计 论文 4 图图 2 2 数字电路处理方框图数字电路处理方框图 2 4 红外测温的特点 1 非接触测量 直接通过被测物体散发出来的红外能量进行测量 避免了接触 测量的不便 2 测温速度快 也就是相应速度快 只要测量到目标的红外辐射就可以在短 时间内测出温度 3 测量范围广 它的测量值能够达到负几十度到三千多度范围 4 准确度高 红外测温并不会由于跟被测对象温度场的接触而改变被测温度 因此具有更高的精确度 5 灵敏度高 红外传感器能够感受到细微的辐射能量变化 因此它的灵敏度极 高 6 安全 相较于接触式测温仪 红外线测温仪能够安全地获取难以靠近的目标 的温度 避免了测温人员处于极端恶劣的环境中 进而保障了其人生安全 2 4 系统测量原理 研究表明 自然界中的一切物体 只要它的温度高于绝对零度 273 15oC 那 么就会产生分子的热运动现象 随着分子的热运动 能量会以电磁波的形式不断地 辐射出来 普朗克 Plank 定律 8 能够很好的描述物体本身的温度与辐射能量密度 之间的关联关系 人类作为一种恒温动物 其温度远远超过绝对零度 人体辐射红外线波长大致 在 9 10 m 之间 我们就是利用人体向外辐射红外线的原理进行设计 通过测量人 体自身辐射的红外能量 获得人体表面体温 3 红外测温系统设计与工作原理 3 1 红外测温系统组成 本文所设计的基于单片机的红外人体温度检测装置主要由 AT89C51 单片机 红外温度传感器 TPS334 显示模块 A D 转换器 AD7705 报警电路构成 9 元件 连接电路如图 3 所示 毕业设计 论文 5 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 9 9 U3 DPY 8 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 9 9 U2 DPY 8 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 9 9 U1 DPY 8 Q3 NPN Q2 NPN Q1 NPN VCC R4 10k R2 10k R3 10kR6 100k VCC B1 SPEAKER R7 1k SCLK 1 MCLK IN 2 MCLK OUT 3 CS 4 REST 5 AIN2 6 AIN1 8 GND 16 VDD 15 DIN 14 DOUT 13 DRDY 12 AIN2 11 REF IN 10 REF IN 9 AIN1 7 U5 AD7705 VCC 1 2 3 4 JP 12M CRYSTAL C1 30p C2 30p C3 10u R1 10k VCC VCC EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 20 GND 40 U4 AT89C51 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 9 9 U8 DPY 8 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 Q4 R5 10K Q6 PNP 1 2 3 4 C4 0 33uF C5 0 1uF Vin 1 GND 2 Vout 3 7805 C6 100PF C7 0 1uF 5v 220V 图图 3 3 红外人体测温系统的整体电路连接图红外人体测温系统的整体电路连接图 3 2 单元电路的设计 3 2 1 传感器选用 1 红外传感器的结构 红外传感器 10 是红外人体测温装置的核心部件 它主要由温差热电堆和热敏电 阻两部分组成 热电堆相当于通过串联多个热电偶构成 两种具有不同电子密度的导体相连能 够构成热电偶 热电偶有热 冷两个端 当进行温度测量时 冷端与测量仪表相接 触 热端与被测物体相接触 为了将被测物体辐射的红外线转化为热能 将热量吸收器贴在红外传感器的热 电堆热端 利用该方法将物体辐射出的红外线转化为电信号 我们选用TPS334作为 红外温度传感器 2 环境温度补偿 由于我们热电堆输出的热电堆冷热两端的温度差的模拟信号 它并不能直接反 应出被测物体的实际温度 因此我们需要对其进行环境温度的补偿 利用负温度系 数的热敏电阻进行环境温度补偿 随着温度的升高其阻值会降低 通过测量它的阻 值得知环境温度 13 毕业设计 论文 6 3 2 2 信号处理电路设计 信号的处理主要通过单片机读取数字化后的温度测量值 通过单片机内容程序 进行计算分析得到 4 位数码管来显示人体温度 11 12 图 4 为其框图 图图 4 4 处理电路框图处理电路框图 一 A D 转换电路 1 AD7705具有以下特点 具有16 位无丢失代码 非线性度约为0 003 输出数据更新率能够编程 具有增益可编程功能 它的调整范围为1 128 带有三线串行接口 可进行自校准和系统校准 功耗低 2 图5为AD7705的引脚图 各引脚的主要功能如下 图图5 5 AD7705AD7705的引脚排列图的引脚排列图 SCLK 时钟输入端 MCLK IN 芯片进行工作的时钟输入 它的频率范围是500KHz 5MHz 它可 以连接外部时钟或者外部晶振 毕业设计 论文 7 MCLK OUT 输出时钟信号端 CS 片选端 低电平有效 RESET 芯片复位端口 AIN2 表示第2个差分输入通道的负端 AIN2 表示第2个差分输入 通道的正端 AIN1 表示是第1个差分输入通道的负端 AIN1 表示是第1个差分 输入通道的正端 REF IN 参考电压的负端 REF IN 参考电压的正端 DRDY 模数转换结束的标志 高电平有效 DIN 串行数据输入端口 DOUT 转换结果输出端口 3 读写时序 可以直接利用单片机与AD7705进行连接 连接时用到的数据端口有串行时钟输 入SCLK 片选 CS 转换结果输出DOUT以及指令或数据输入DIN等 图6和图7为读 写数据周期时序图的原理 4 片内寄存器 表1表示寄存器地址 表2表示通信寄存器格式 AD7705芯片含有八个寄存器 当复位或上电后 就将待指令数据写入通信寄存器芯片 MSBLSB SCLK DOUT 图图6 6 AD7705AD7705转换器读数据时序图转换器读数据时序图 毕业设计 论文 8 CS S SCLK DIN MSBLSB t18 图图7 7 AD7705AD7705转换器写数据时序图转换器写数据时序图 表表 1 1 AD7705AD7705 的的寄存器地址表寄存器地址表 表表2 2 AD7705AD7705的通信寄存器控制的通信寄存器控制 上电复位的缺省值是括号内的数字 它的高位为左边 低位是右边 具体说明 如下 DRDY 进行写操作时 该位必须置零 RS2 RS0 寄存器功能的选择位 R W 读与写的功能选择端 用来存储下次的读写操作 毕业设计 论文 9 STBY 等待模式 CH0 CH1 控制输入通道的选择 其对应关系如表3所示 表表3 3 CH1CH1 CH0CH0的关系对应表的关系对应表 5 设置寄存器 它是一个8位寄存器 主要对选择输入增益和工作模式进行控制 控制字如表4 所示 表表4 4 寄存器控制字寄存器控制字 MD1和MD0是对工作模式进行选择的控制位 00 转换器进行正常A D转换 正常工作模式 01 零标度系统校准 10 自校准模式 11 满标度系统校准 G2 G0 是增益控制位 BUF 缓冲器控制 B U 单极性 双极性选择 6 时钟寄存器 时钟寄存器的功能是用于设置输出更新速率 其具体控制位如表5所示 表表5 5 时钟寄存器的整体控制位时钟寄存器的整体控制位 CLK 时钟选择位 CLKDIV 时钟分频位 毕业设计 论文 10 CLKDIS 主时钟禁止位 二 单片机中央处理 1 单片机 将内存 ROM EPROM RAM 各种输入输出接口 并行 I O 口 计数器 定时器 串行口等 和中央处理器 CPU 集成在一块硅片上 这样的具有一台计 算机的功能的芯片 被称为单片微型计算机 2 COMS 51 单片机的基本组成 由 Intel 公司生产 COMS 51 单片机是一个单片机系列的名称 很多单片机都属 于该系列 如 8751 8031 8051 等 他们的基本组成和基本功能是相似的 它主 要由以下几部分组成 一个微处理器 片内程序存储器 片内数据存储器 RAM 两个定时器 计数器 4 个 8 位并行 I O 接口 P0 P3 1 个全双工的 UART 的串行 I O 口 片内振荡器和时钟产生电路 5 个中断源的中断控制系统 3 COMS 51 单片机内部结构 51 单片机的主要构成单元是存储器 I O 接口 和中央处理 控制器和运算器 又组成了中央处理器 8051 有 4 个可以作为输入 输出的 8 位并行接口 可以位寻址 运算器包括两个 8 位暂存器 8 位算术运算可以通过逻辑运算单元 ALU 进行 一个 8 位的累加器 ACC 寄存器 B 和程序状态寄存器 PSW 等组成 存储器又由程序存储器 ROM 和数 据存储器 RAM 组成 都可以扩展到 64KB 4 AT89C51 介绍 美国 ATMEL 公司生产的 AT89C51 是具有低电压 高性能的特性 表 6 和图 8 毕业设计 论文 11 所示是其主要性能参数与管脚排列 表表 6 6 管脚性能参数管脚性能参数 图图8 8 AT89C51AT89C51排列引脚图排列引脚图 毕业设计 论文 12 5 寄存器 AT89C51 单片机有专用寄存器和通用寄存器的两大类寄存器构成 专用寄存器 A B 寄存器 利用 B 寄存器来存放操作数 在其它的操作指令中 B 寄存器被当做 RAM 中 的一个单元来使用 B 累加器 ACC 累加器 A 是 CPU 中使用最频繁的寄存器 它是一个 8 位寄存器 累加器 A 或 AB 寄存器存储加 减 乘 除运算的结果 C 程序计数器 PC 程序计数器 PC 有自动加 1 的功能 是一个 16 位的专用寄存器 用于存放下一 条要执行的指令地址 保持一台计算机有序执行程序的关键性寄存器是 PC D 程序状态字 PSW 程序状态字用来存程序状态信息 它是一个 8 位寄存器 表 7 表示其各位定义 表表 7 7 程序状态字的各位定义程序状态字的各位定义 FO 由用户定义 的状态标志 AC 辅助进位标志 CY 进位标志 AS1 RS0 寄存器区选择控制位 1 和 0 表 8 表示 RS1 RS2 对寄存器区的选 择 表表 8 8 RS1RS1 RS0RS0 对寄存器的选择对寄存器的选择 通用寄存器 毕业设计 论文 13 AT89C51 共有 32 个通用寄存器 都是 8 位寄存器 分成 4 个区 每个区有 8 个寄存器 由程序状态字中的 RS1 RS0 两个操作位来控制 4 个寄存器区的选择 三 时钟电路 时钟电路是单片机运行不可或缺的 AT89C51单片机的内部含内有一个高增益 的反向放大器 其引脚分别由XTAL2和XTAL1接入 振荡电路有内部和外部两种接 入方式 图9为其具体接法 图图9 9 振荡电路振荡电路 四 复位电路 单片机在运行过程中不可避免的会出现异常运行状况 影响单片机正常运行的 因素很多 可以总结为内因和外因两种因素 由于异常状况会严重影响系统的性能 因此我们需要控制如何在出现异常之后重新恢复正常运行 基于该目的 我们设计 了复位电路来避免这种情况的发生 3 2 3 译码显示电路设计 译码显示电路图如图10所示 毕业设计 论文 14 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 9 9 U3 DPY 8 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 9 9 U2 DPY 8 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 9 9 U1 DPY 8 Q3 NPN Q2 NPN Q1 NPN VCC R5 10k R2 10k R3 10k VCC EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 20 GND 40 U4 AT89C51 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 9 9 U8 DPY 8 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 Q4 R10 10K 图图1010 显示电路图显示电路图 3 2 4 报警电路 蜂鸣器使用方便 简单 是理想的报警元件 我们选用蜂鸣器作为报警器件 图11是其具体电路图 B1 SPEAKER R8 1k VCC VCC EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 20 GND 40 U4 AT89C51 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 Q6 PNP 图图1111 蜂鸣器报警电路蜂鸣器报警电路 毕业设计 论文 15 3 2 5 电源电路的设计 一 电源电路原理图 为了方便红外体温计的携带 本设计设计了电池供电模式 同时为了方便携带 设计了充电电路 图 12 为充电电路原理图 1 2 3 4 C4 0 33uF C5 0 1uF Vin 1 GND 2 Vout 3 7805 C6 100PF C7 0 1uF 5v 220V 图图1212 充电电源电路原理图充电电源电路原理图 二 电源的技术指标 电源的输出电压 DC 5V 电源的输入电压 AC 220V 交流变压器整流器滤波器稳压电路市网电压 图图 1313 电源电路设计框图电源电路设计框图 3 3 系统的工作原理 当红外温度传感器检测到被测物体散发的红外线后 将红外信号转换为温度信 号 再将温度将其转换为微弱的电信号 14 利用A D模数转换器的将其转换为单片 机可识别计算的数字信号 得到热电堆电压原始数据 单片机利用本身的计算功能 根据烧录的程序进行计算 计算得出被测人体的 温度 4 软件设计 4 1 软件设计流程图 软件设计采用模块化设计 实现不同功能的程序写为不同的函数 在程序运行 过程中根据不同的情况调用不同的函数 具体的程序流程图如图14所示 毕