家居红外温度计

1、摘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。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

2、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 红外线温度传感器；非接触测量；A/D转换器；STC89C52单片机目 录目录目 录0一、引言0二、测量原理0三、总体设计03.1传感器的选择03.2信号处理芯片的选择03.3控制部分的选择03.4显示部分的选择0四、硬件电路的设计04.1设计思路04.2传感器04.3 LCD1602液晶介绍0五、总体电路图05.1原理图05.2 P

3、CB图05.3实物、测试图0六、程序设计思路0总结0参考文献0附录0LCD显示程序初始化部分0MLX90615驱动程序0延时程序0主程序0一、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

4、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

5、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。二、测量原理在自然界中，一切温度高于绝对零度（-

6、273.15°C）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。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度。 具体的来讲，是红外能量聚焦在传感器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照算法和发射率校正后转变为被测目标的温度值。三、总体设计3.1传感器的选择TS118-3传感器输出的电压只有4mV左右，电压输出太小，而单片机所能采样的电压在V级以上，因此单片机不能直接进行采样，所以必须经过

7、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。查阅资料后发现MLX90615数字式红外测温传感器内部集成了低噪声放大器，16位ADC和强大的DSP的MLX90325单元。计算所得的温度被存储在MLX90325的RAM并且分辨率可以达到0.02 ºC。此数值可以通过串行两线SMBUS兼容协

8、议获得或是器件的10位PWM格式获得。MLX90615出厂校准的标准温度范围为：环境温度为-40到85 ºC，物体温度为-40到115 ºC。MLX90615同样是集热电偶和热敏电阻于一体的红外传感器。优点，比TS118-3更简单，可以简化程序，简化电路，使得设计更简单一步。缺点：精度比不上TS118-3，且价格也不低。因此，我们这次设计就采用MLX90615传感器。3.2信号处理芯片的选择由于传感器内部含有ADC，故可以省去选择AD芯片的步骤，使得设计简化。但丝毫不影响功能的实现，已经测量的准确性。3.3控制部分的选择STC和AT是我们学过的较为常见的芯片，由于传感器和稳

9、压管的选择限制了电压需要选择同样需要35V电压的单片机，所以我想到了STC89C52。3.4显示部分的选择我们多学过的显示主要有两种方法，一种是LED数码管，另一种就是LCD液晶显示屏。由于现实的内容较多，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。而本次主要显示数字和一些字母符号，所以选择字符型显示屏。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。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字符型

10、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。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。四、硬件电路的设计4.1设计思路MLX90615数字式红外测温传感器内部集成了低噪声放大器，16位ADC和强大的DSP的MLX90325单元。计算所得的温度被存储在MLX90325的RAM并且分辨率可以达到0.02 ºC。由MLX90615红外温度传感器采集温度，并且优势在于它内部直接有ADC功能，直接能将模拟信号转换为数字信号。然后将对应的数字信号传输入单片机STC89C52

11、中，通过单片机程序处理信号，将对应的温度值显示在LCD1602上。 MLX90615红外传感器按键硬件设计的系统框图如图4-10所示。 STC89LE51LCD16024.2传感器MLX90615内部有2颗芯片，红外热电堆探测器和信号处理ASSP MLX90325，尤其是由Melexis设计的处理IR传感器输出的芯片。器件有工业标准TO-46封装形式。由于集成了低噪声放大器，16位ADC和强大的DSP的MLX90325单元，使得高度集成和高精度的温度计得以实现。计算所得的物体温度被存储在 MLX90615的RAM，分辨率为0.02 °C。此数值可通过串行两线SMBus兼容协议获或是器

12、件的10位PWM格式获得。 MLX90615出厂的标准温度范围为：环境温度为-40到85 °C，物体温度为-40到115 °C。作为标准，MLX90615出厂校准的物体发射率为1。发射率可以简单地定制为0.1到1之间， 并且不需要用黑来作为重新校准。MLX90615可用电池供电。封装中集成了可以滤除可见光和近红外辐射通量的光学滤波器（可通过长波）以提供日光免疫。MLX90615绝对最大额定值见表a，超过绝对最大额定值会造成永久性损害。在扩展周期里暴露在绝对最大额定值会影响器件的可靠性。表a ：MLX90615绝对最大额定值参数MLX90615电源电压，VDD（过压）5V电源

13、电压，VDD（工作电压）3.6V反向电压0.5V工作温度范围，TA-40到+85°C存储温度范围，TS-40到+125°CESD灵敏度（AEC Q100 002）2KVDC方向电流，SDA引脚25mADC方向电流，SDA引脚10mADC方向电流，SCL引脚10mAMLX90615引脚图 MLX90615外观图引脚名字功能VSS地。低电平接在这个引脚上。SCL两线通信协议的连续时钟输入。引脚应用弱上拉电阻（典型值300K）SDA/PWM数字输入/输出开漏NMOS。在SMBUS模式里（出厂默认）串行数据I/O。在PWM模式-PWM输出。引脚引脚应用弱上拉电阻VDD外接电源电压M

14、LX90615产品的感应元件是一款带有可感受目标红外辐射的微机械振膜晶片。Melexis的这种技术经过多年工业和汽车温度测量领域中的应用，已经得到了充分的证实。温度计中定制的信号调节芯片能够放大并数字化感应振膜上的热电偶产生的微小电压，同时芯片存储器中储存了工厂设定的刻度参数，能够用来准确的计算目标体的温度。数字形式显示的温度是完全线性的，并且会对环境温度进行补偿。高度的整合性使得MLX90615与过去红外产品相比具有更高的性价比。MLX90615的各引脚描述见表b。表b：MLX90615各引脚描述MLX90615传感器出厂都已经经过专业的黑体标定过了，在规格范围内可以直接使用。图c中LM29

15、40为了对电源起稳压作用，防止电源的波动对传感器采取信号时出现偏差。SDA及SCL选择接在P2.6和P2.7口上。图c MLX90615传感器与单片机连接图4.3 LCD1602液晶介绍模块组件内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。LCD显示屏为行和列交叉形成的点阵，以5×8点阵的字符结构模式和设置的显示字符数目，选择适宜的行数，分单屏、双屏或者多屏显示规定的字符。对于双屏或者多屏显示结构的LCD，每一显示屏结构部分，均由各自独立的使能信号E控制。列驱动器与控制器配套使用，它接收来自控制器的振荡、帧同步输出、串行输出的数据和移位及锁存脉冲，产生列交流扫描驱动信号

16、。控制器接受来自MPU的指令和数据，控制着整个模块的工作，由CGROM、CGRAM、DDRAM等字符存储域、以及与MPU和列驱动器的I/O接口、指令寄存和译码机构、地址计数器等部分组成。在控制器的控制下，模块通过数据总线DB0DB7和E、R/W、RS三个输入控制端与MPU接口。这三根控制线按照规定的时序相互协调作用，使控制器通过数据总线DB接收MPU发送来的指令和数据，从CGROM中找到欲显示字符的字符码，送入DDRAM，在LCD显示屏上与DDRAM存储单元对应的规定位置显示出该字符。控制器还可以根据MPU的指令，实现字符的显示、闪烁和移位等显示效果。端口的定义液晶各管脚端口定义如表c所示：表

17、c 管脚定义引脚符号功能1Vss电源地（GND）2Vdd电源电压（+5V）3V0LCD驱动电压（可调）4RS寄存器选择输入端，MPU选择模块内部寄存器类型信号；RS=0，当MPU进行写模块操作，指向指令寄存器；当MPU进行读模块操作，指向地址计数器；RS=1，无论MPU读操作还是写操作，均指向数据寄存器5R/W读写控制输入端，MPU选择读/写模块操作信号；6E使能信号输入端，输入MPU读/写信号，读操作高电平有效；写操作下降沿有效7DB数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道8DB数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道9DB数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道10

18、DB数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道11DB数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道12DB数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道13DB数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道14DB数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道15A背光的正端+5V16K背光的负端0VLCD1602液晶显示模块与单片机STC89C52相接五、总体电路图5.1原理图5.2 PCB图5.3实物、测试图测体温实物测环境温度六、程序设计思路单 片 机非接触式人体体温计软件结构较为简单，包含硬件电路和程序设计部分。传感器采集信号、单片机处理、LCD显示。按键扫描程序液晶显

19、示程序温度采集程序图 6-1 系统程序框图软件设计流程图如图，源程序看附录：测温程序总流程读取字节流程图总结参考文献【1】张毅刚.新编MSC-51单片机应用设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003【2】宏晶科技.STC Microcontroller Handbook，2007【3】谭浩强.C程序设计.北京：清华大学出版社，1991【4】求是科技.8051系列单片机C程序设计.北京：人民邮电出版社，2006【5】郭天祥.新概念51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社，2009【6】张洪润等.单片机应用技术教程.北京:清华大学出版社【7】夏继强. 单片机实验与实践教程. 北京：北京航空航天

20、大学出版社.2001【8】徐惠民、安德宁 单片微型计算机原理接口与应用第1版北京：北京【9】李叶紫. MCS-51单片机应用教程.北京:清华大学出版社【10】邹应金. 51系列单片机原理与实验教程.西安:西安电子科技大学出版社附录：LCD显示程序初始化部分设计程序如下：#include "1602.h"#include "delay.h"#define CHECK_BUSY#define RS_CLR RS = 0 #define RS_SET RS = 1#define RW_CLR RW = 0 #define RW_SET RW = 1 #defi

21、ne EN_CLR EN = 0#define EN_SET EN = 1#define DataPort P1 /最小系统为P1 开发板为P0/*- 判忙函数-*/ bit LCD_Check_Busy(void) #ifdef CHECK_BUSYDataPort = 0xFF; RS_CLR; RW_SET; EN_CLR; _nop_(); EN_SET; return (bit)(DataPort & 0x80);#else return 0;#endif /*- 写入命令函数- -*/ void LCD_Write_Com(unsigned char com) while(

22、LCD_Check_Busy(); /忙则等待 RS_CLR; RW_CLR; EN_SET; DataPort = com; _nop_(); EN_CLR; /*- 写入数据函数-*/ void LCD_Write_Data(unsigned char Data) while(LCD_Check_Busy(); /忙则等待 RS_SET; RW_CLR; EN_SET; DataPort = Data; _nop_(); EN_CLR; /*- 清屏函数-*/ void LCD_Clear(void) LCD_Write_Com(0x01); DelayMs(5); /*- 写入字符串函数

23、-*/ void LCD_Write_String(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *s) if (y = 0) LCD_Write_Com(0x80 + x); /表示第一行 else LCD_Write_Com(0xC0 + x); /表示第二行 while (*s) LCD_Write_Data( *s); s+; /*- 写入字符函数-*/ void LCD_Write_Char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char Data) if (y = 0) LCD_Write_C

24、om(0x80 + x); else LCD_Write_Com(0xC0 + x); LCD_Write_Data(0x30+Data); /*- 写入数字函数-*/ void LCD_Write_Num(unsigned char x,unsigned char y,unsigned int Num) if (y = 0) LCD_Write_Com(0x80 + x); else LCD_Write_Com(0xC0 + x); if(Num/1000)|(Num%1000/100)/百位LCD_Write_Data(0x30+Num%1000/100);if(Num/100)|(0x3

25、0+Num%100/10) /十位LCD_Write_Data(0x30+Num%100/10);LCD_Write_Data(0x2e);/"."if(Num/10)|(0x30+Num%10) /个位LCD_Write_Data(0x30+Num%10); /*- 初始化函数-*/ void LCD_Init(void) LCD_Write_Com(0x38); /*显示模式设置*/ DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x38); DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x38); DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x

26、38); LCD_Write_Com(0x08); /*显示关闭*/ LCD_Write_Com(0x01); /*显示清屏*/ LCD_Write_Com(0x06); /*显示光标移动设置*/ DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x0C); /*显示开及光标设置*/MLX90615驱动程序：#include<reg52.h> /#include "MLX90615.h"#include <intrins.h>#include "delay.h"sbit SCL=P26; /IIC时钟引脚定义sbit SDA=

27、P27; /IIC数据引脚定义/*延时函数1*/void delay(unsigned int k)unsigned int i,j;for(i=0;i<k;i+)for(j=0;j<121;j+); /*延时函数2*/void Delay5us() _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/*延时5毫秒*/void Delay5ms() unsigned short n = 560; while (n-);void INIT_M

28、LX90615()SCL = 1;SDA = 1;Delay5us();SCL = 0;Delay5ms();SCL = 1;DelayMs(400);/*起始信号*/void MLX90615_Start() SDA = 1; /拉高数据线 SCL = 1; /拉高时钟线 Delay5us(); /延时 SDA = 0; /产生下降沿 Delay5us(); /延时 SCL = 0; /拉低时钟线/*停止信号*/void MLX90615_Stop() SDA = 0; /拉低数据线 SCL = 1; /拉高时钟线 Delay5us(); /延时 SDA = 1; /产生上升沿 Delay5

29、us(); /延时/*发送应答信号*/void MLX90615_SendACK(bit ack) SDA = ack; /写应答信号 SCL = 1; /拉高时钟线 Delay5us(); /延时 SCL = 0; /拉低时钟线 Delay5us(); /延时/*接收应答信号*/bit MLX90615_RecvACK() SCL = 1; /拉高时钟线 Delay5us(); /延时 CY = SDA; /读应答信号 SCL = 0; /拉低时钟线 Delay5us(); /延时 return CY;/*向IIC总线发送一个字节数据*/void MLX90615_SendByte(unsi

30、gned char dat) unsigned char i; for (i=0; i<8; i+) /8位计数器 dat <<= 1; /移出数据的最高位 SDA = CY; /送数据口 SCL = 1; /拉高时钟线 Delay5us(); /延时 SCL = 0; /拉低时钟线 Delay5us(); /延时 MLX90615_RecvACK();/*从IIC总线接收一个字节数据*/unsigned char MLX90615_RecvByte() unsigned char i; unsigned char dat = 0; SDA = 1; /使能内部上拉,准备读取

31、数据, for (i=0; i<8; i+) /8位计数器 dat <<= 1; SCL = 1; /拉高时钟线 Delay5us(); /延时 dat |= SDA; /读数据 SCL = 0; /拉低时钟线 Delay5us(); /延时 return dat;unsigned int read_temp(unsigned char slave_addR, unsigned char cmdR) unsigned char DataL; unsigned char DataH; /Data packets from MLX90614 unsigned char err;

32、unsigned char SLA; /SLA = (slave_addR<<1); SLA = slave_addR; MLX90615_Start(); /起始信号 MLX90615_SendByte(SLA); /发送设备地址+写信号 MLX90615_SendByte(cmdR); /发送存储单元地址，从0开始 MLX90615_Start(); /起始信号 MLX90615_SendByte(SLA+1); /发送设备地址+读信号 DataL = MLX90615_RecvByte(); /读出寄存器数据 MLX90615_SendACK(0); DataH = MLX90615_RecvByte(); /读出寄存器数据/ MLX90615_SendACK(1); err = MLX90615_RecvByte(); / MLX90615_Stop(); /停止信号 return(DataH*256 + DataL)