红外测温技术设计方案

红外测温技术设计方案第一章绪论课题研究的目的和意义随着科技的快速发展和医疗技术的需要，测温技术也在不断地提高和改进。众所周知，体温是一个重要的人体生理参数，不仅是人体生命活动的基本特征,而且也是观测人体机能是否正常运行的重要指标之一。如果能及时知道一个人的体温，也许就能知道这个人的生理参数是否正常运行。所以，体温计无论是日常生活还是临床医疗，都是必不可少的测量器具。传统的体温计主要是水银式体温计，通过储存在水银球的水银受热膨胀，然后读取刻度值来判断温度的高低。但是这种温度计测量时间长、准确度低，在遇热或者放置不当时，容易破裂使水银泄露，造成人体接触中毒、污染环境。面对这种传统体温计的不利因素，不仅给人们传达错误的信息，而且还有害健康。因此，需要研究出一种新型的测温技术，改变传统体温计的测温方法，不仅能够方便、快捷、准确的测出人体的温度，而且对人体和环境没有伤害。利用高科技和不懈的努力，人们终于研究设计出一种新型的测温仪一一红外线测温仪。这种新型的测温仪是利用人体发出特定波段的红外线来测量人体的温度，采用高精度的红外温度传感器，能够快速准确的测出人体的平均温度,从而解决了传统体温计的弊端，使测温技术更高效、更快捷。红外测温技术不仅可以对个人实现快速、准确的测温，而且可以在大规模的检疫站，大流量的人群实现快速测量。不仅节省了时间，也绐人们带来了方便。现在，红外测温仪已经被广泛的应用于各个领域，也发挥着越来越大的作用0红外测温技术的发展概况红外线的最早研究是在1800年开始的，首先是英国物理学家F・W•赫胥尔从热的角度来研究各种色光时，发现了红外线。自从赫胥尔发现红外线至今,红外线技术的发展历经了近两个世纪，从那时起，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。当时，德国研制出硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，例如高射炮用导航仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统、机载轰炸机探测仪和火控系统等等。此后，美国、英国和前联等国竞相发展，特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。半个世纪以来，随着光学技术和半导体技术的发展，红外检测技术也日趋完善，其中红外测温技术也形成了完整的理论并成功地应用于医学、农业和工业等领域。然而，我国的红外线技术的研究工作是在新中国成立后才开展的。首先研究的是波段工作在的硫化铅红外探测器，数年之后又相继研究钛酸铅等热电探测器，并得到了一定的应用。改革开放以来，红外技术的研究得到了迅速的发展，开展了从单元、线列到红外线平面的探测器研究工作。上世纪90年代中期，我国研制出第一台热像仪，其技术性能与国外水平相当，为我国红外技术的升级换代起到了重要的作用。目前我国研制出的热像仪，可以满足军队武器系统的各种性能需要。另外，在民用领域各种红外测温仪、红外热像仪、星载红外遥感仪等，也逐渐研制成功，逐渐发展成熟，在日常生活中得到了充分的应用。在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的要求。在产品加工行业，一些需要对温度进行远距离监测的地方，都离不开温度传感器，既实现了远距离监测，也可以及时的进行调控。在食品行业，红外温度可以在不被污染的的情况下实现食物温度的监测和控制，鉴于这种优点，红外温度传感器在食品加工方面别受欢迎。在医疗方面，红外测温技术主要应用于人体温度的测量，对人体机能是否正常运行实时监控。随着红外测温技术的发展和应用，一种新型的红外技术一一智能数字红外传感技术正在悄然兴起。这种智能传感器置微处理器，能够实现传感器与控制单元的双向通信，具有小型化、数字通信、维护简单等优点，因此，应用普遍而且易被接受。随着红外传感器的体积越来越小、价格逐渐降低，在食品、采暖空调和汽车等领域也有了新的应用。例如在食品烘烤机、理发吹风机上，都有红外温度传感器，用来检测温度是否过热，以便决定下一步该怎么操作，是停止加热将食物从烘烤机中取出，或是使吹风机冷却等。现在红外测温技术已经被人们普遍应用，其中红外测温仪是红外技术的一个重要应用，它是利用人体发出的红外线来测量出人体的平均温度。这种测温仪采用的是高精度的红外温度传感器和微电子技术，它能够快速、准确、方便的测出人体的平均温度，不仅方便、快捷，而且解决了传统体温计易碎和水银污染等问题。同时，给医疗方面也带来了很大的方便。第二章红外测温仪的测温原理2.1红外测温的基础理论在自然界中，所有温度高于绝对零度（-273.15。0的物体，由于自身分子的热运动，都在不停的向周围空间辐射包括红外波段在的电磁波，而且通过一定的设备室可以检测到这些不同波段的电磁波的。不同波段的电磁波，它的能量也是不同的。物体的红外辐射能量大小和波长的分布与它表面的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线能量的测量，就可以准确的测出物体表面的温度。这也就是我们所说的红外测温理论的依据基础。红外线是电磁波谱中的一部分，而且这一波段正好位于可见光和微波之间。根据普朗克辐射定律：凡是绝对温度大于零度的物体都会向外辐射电磁波，物体的辐射强度与温度及表面辐射能力有关，辐射的电磁波与物体温度密切相关。在电磁波波谱中，我们通常把人眼可以直接感知的0.4〜0.76口小波段的电磁波称为可见光波段，把波长在0.76〜600Hm波段的电磁波称为红外波段。近年来，红外线技术已经成为一门发展迅速的新兴学科，它已经广泛应用于生产、科研、加工、军事、医疗、美容等领域。波长10km"10000km1mm"1kmlunrinim0.Inm^lnm0.Inin以后名称声波无线电波红外线可见光紫外线X射线2.1电磁波波谱图1、辐射的光谱分布规律一一普朗克辐射定律：一个绝对温度为T(K)的黑体，单位面积表面在波长入附近单位波长间隔向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度)MX,T与波长入、温度T满足下列关系：出」土(产口) (2-1)式中G、C2分别为第一、第二辐射常数。普朗克辐射定律是所有单位计算红外辐射的基础。2、斯忒藩(德)一波尔兹曼(奥)(Stefan—Boltzmann)定律：物体的总辐射率，即单位面积发射总功率与黑体温度的四次方及材料表面的发射率成正比。其数学表示如下：W=。£丁 (2-2)其中,a=5.67X108w/m2•K\为Stefan—Boltzmann常数，e为材料表面发射率。此定律表明：凡是温度高于开氏零度的物体都会自发的向外发射红外热辐射，同时黑体单位面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且，只要温度有较小变化时，都会使物体发射的辐射功率发生很大的变化。因此，只要能够探测到黑体单位表面积发射的总辐射功率，就可以确定该黑体的温度。3、辐射的空间分布规律一朗伯余弦定律：所谓的郎波余弦定律，就是黑体在任何方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比：L)=Cocoso (2-3)此定律表明：黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检测时应尽可能选择在被测表面法线方向最大值的cos。倍。4、基尔霍夫辐射定律与发射定律：实验证明，物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与该物体的材料性质及表面状态等因素有关。我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，即可把黑体的基本定律应用于实际物体的红外温度测量。而这个辐射系数就是常说的发射率，或称之为比辐射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在大于0和小于1的数值区间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因素有：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。因此，利用在同温度下实际物体与黑体的辐射度之比来表示该物体的一种特性，可以称之为实际物体的发射率，也叫全发射率，用£表示。数学表示为£=M/Mo (2-4)式中：M为实际物体的辐射度，Mo为相同条件下黑体的辐射度。基尔霍夫定律揭示了热平衡下物体的辐射与吸收的关系，指出一个好的吸收体也是一个好的辐射体。可以用以下公式表达：(2-5)由此可看出，任何处于热平衡下的物体吸收率等于发射率，即物体的吸收本领越大发射本领也就越大。为了减少测量物体的温度误差，去除环境温度因素的影响，所以修正的红外辐射定律如下：E二。e(To'-17) (2-6)式中：E为辐射出射度数，单位W/m；。为斯蒂芬-波尔兹曼常数，5.67X10W(m2•K1)；e为物体的辐射率；T°为物体的温度，单位K；Ta为物体周围的环境温度，单位K；只要测量出所发射的E的值，就可计算出对应的温度。利用这个原理我们可以制成红外测温仪。这种测量技术不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测温。在不同的温度围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温(0、100。0围，能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度围和不同测量对象的测温仪器，其具体的设计也不同。根据式(2-6)的原理，仪器所测得的红外辐射为：E=A0£I£2(To-T?)(2-7)式中：A为光学常数，与仪器的具体设计结构有关；J为被测对象的辐射率；£2为红外温度计的辐射率；T。为被测对象的温度(K)；「为红外温度计的温度(K)；它由一个置的温度检测元件测出。所有的物体，包括人体各部位的表面，其e值都是某个大于。而且小于1的数值。其中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。光学系统汇聚其视场的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学元件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大电路和信号处理电路，按照仪器相关的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。当用红外辐射测温仪测量目标的温度时,首先要测量出目标在其波段围的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。2.2红外测温传感器的测温特点某些晶体材料，当其受热时温度升高，在晶体两端产生数量相等符号相反的电荷；晶体冷却，产生的电荷符号则与温度升高时相反。这种由于热变化产生的电极化现象称作热释电效应。红外感应源通常采用热电堆元件，这种元件在接收到人体红外辐射时，由于自身温度变化，产生电荷或电势差，再利用一定的电路将该电信号进行放大处理就可以得出要测量物体的温度值。其中温差电堆由若干热电偶串联组成，热电偶传感器测定温度与输出电压的关系的测温点在接收到红外辐射能量后温度升高，因为“塞贝克效应”而产生热电动势，其输出电压和测定点的温度近似成正比例关系，这是红外温度传感器测量体温所依据的基础。同时为减少太等可见光对传感器的影响，在传感器的前面要加上滤光片，只让红外光通过。滤光片的波长可通过下式计算：入=2898/T°式中：X(nm)是波长，T(K)是绝对温度。人体的正常温度取为37℃,则T=310K；入=9.35日小。通常选用波长为6〜14口m的光学滤光片，其带通特性有利于温度的测量。(1)远距离和非接触测量：红外测温不需要与被测物体接触，可远距离测量，它特别适合于高速运动物体、旋转体、带电体和高温高压下物体的温度测量。同时也适合用于人体温度的测量。(2)响应速度快：红外测温不像常规温度计那样，需要与被测量物体接触以达到热平衡状态才能得到正确的温度数据。它只要接收到目标的红外辐射即可测量，其响应速度在毫秒甚至微秒数量级。(3)灵敏度高：因为物体温度的微小变化会引起辐射功率的较大变化，容易被红外测温传感器探测，所以红外测温的可测温差很小，可达零点零几摄氏度。(4)准确度高：红外测温是非接触测量，不破坏物体本身的温度分布，因此所测温度相对较为准确。(5)测温围广：测温围可从负几十摄氏度到正几千摄氏度。3本章小结本章主要阐述了红外线测温的一些基础理论和红外测温传感器的测温特点。红外测温可以说是人类发现红外线后的一个重要应用，其中红外线人体测温仪更是医学测量上的重要发明。随着科学技术的不断发展，红外线人体测温技术已经非常成熟了，不仅精准、灵敏，而且方便使用和测量。现在越来越多的这种测温产品供消费者选购，也越来越多的人们接触和了解到红外测温技术的方便和快捷之处。而且，红外测温仪应经应用在重大疾病的检测检疫中，特别是流动性大和密集的人群聚集地，不仅测温速度快而且方便快捷，能够及时发现病情，及时得到治疗。第三章总体方案设计和选择1设计方案分析本课题是关于便携式人体测温仪的设计与研究，因为研究方向是利用人体发射出的红外线来测量人体的温度，所以从红外线测温的原理来测量人体的温度，并且要考虑系统的便携性。常见的红外人体测温仪主要有两种：一种是红外耳温计，另一种是红外额温计；这两种形式的红外体温计各有自己的优缺点0其中红外耳温计是一种专门用于测量鼓膜温度的温度计，通过红外导波管将由鼓膜发射的红外辐射能传送到热电堆等热探测器，将红外辐射能量转换为电能后进行电信号处理得到人体温度信息。由于鼓膜的温度稳定，且可以直接体现人体部核心温度，因此当使用方确时耳温计的示数可以作为医学确认。但缺点是由于对使用者提出较高的要求，且使用一次性的探头盖，增加了后期的使用成本。而红外额温计主要是通过测量人体的体表（额头等）红外辐射，经过信号处理后得到人体的温度信息。其优点是完全无需与人体接触（真正意义上的无接触测量），这就意味着无需使用一次性的探头盖，从而节约使用成本和避免人群交叉感染。但由于人体的体表温度很容易受到各种因素（温度、湿度、人体体表的洁净度等）的影响，比如在寒冷的冬天人体的体表温度比核心温度要低得多，而在炎热的夏天则情况相反。这样测量得出的温度数据不能反映出人体温度的真实信息，而且这些因素的影响是不确定的，因此难以通过合适的温度补偿来消除误差。所以在现实应用中，通常红外额温计是用于体温的初步判断。这两种红外测温仪实际上应用的原理和部结构是基本一致的，只是两者有一些细微的差别而已。红外额温计使用起来比较方便，而且可以大规模测量，比较方便、快捷，但准确性容易受环境因素的影响。红外耳温计的使用方式使得它具有较高的准确性，但对于操作起来比较繁琐，需要每次都更换探头，而且对于大量的测量不太现实。所以，整体来说还是选择红外额温计，操作起来比较方便，而且还适合大规模检疫中使用。综上所述，本设计采用测量额头温度的方案，即设计一个红外额温计。经过初步分析可以得知，整个系统可以划分为几个大模块，红外测温模块、单片机处理模块、外围电路（输入按键、LCD等）模块和电源模块。其中为了提高系统的便携性，电源模块采取电池供电的方式。所要设计的系统的几个基本要求和指标如下所示：（1）利用人体红外辐射的原理来测量体温，即采用红外温度传感器；（2）体温测量的准确度要高；（3）系统采用电池供电，且功耗要低；（4）系统响应速度要快，要在「2s完成测温；（5）要使用简单，有良好的人机界面；（6）总体成本（硬件成本、设计时间成本等）要低。3.2方案的选择方案一：在该方案里，系统可以分为模拟红外温度传感器（含环境温度测量）模块、放大电路模块、AD转换电路模块、MCU主控模块、按键模块、蜂鸣器模块、LCD模块和电源模块（如图3.1所示）。所谓的模拟传感器就是传感器的输出量是模拟量，而不是可以直接进行数据处理的数字量，所以它需要通过信号放大和AD转换等处理后才能传输给单片机进行相关的处理。图3-1方案一的方框图首先模拟红外温度传感器接收人体发出的红外线，经过放大电路把接收到的红外信号放大，再经过转换电路转换后转换成电信号，输出对应的电压值，传感器同时通过温度传感器测量环境温度/传感器温度。这两个红外温度传感器的输出量通过放大电路和AD转换电路的处理后传输到MCU模块进行相关的处理计算，最后通过LCD模块显示相应的人体温度。方案二：在本方案中采用模块化的设计思想。它的硬件结构由STC89c51单片机模块,红外测温模块，电源模块，键盘模块和LED显示模块组成。STC89c51单片机是本系统的控制中心，它负责控制启动温度测量、接收测量数据、计算温度值、并根据取得的键值控制显示过程；红外测温模块负责温度数据的采集、测量，并将采集到的数据通过数据端口传送给STC89c51单片机;通过键盘模块可以方便地进行测温及各种操作;LED显示模块把测量的温度值直观地显示给观测者；电源模块负责本红外测温仪电源的供应。此红外测温仪系统的硬件结构框图如图3-2所示图3-2方案二的系统框图方案对比和选择：对于方案一，模拟传感器的成本相对要低，而且整个系统设计的自由度相对要高一些，但是也使得系统电路变得更为复杂。例如集成运放电路要用到双电源供电，这就使得电源模块的设计变得复杂、功耗变大和效率变得更低，这对于使用电池供电的便携式系统是不利的。同时在软件设计方面，要涉及到滤波处理、温度线性校准处理和黑体校定等，这使得设计工作量大大增加。而且对于开发者的开发环境要求较高，不适合作为毕业设计的课题研究。在方案二中，采用的是模块化的设计思路，设计起来比较方便，更容易理解。而且采用STC89c51单片机控制，由单片机构成控制核心部分，更便于实现控制，而且电路设计比较简单，焊接也比较简单。适合作为毕业设计的研究对象，虽然成本有点高，但是实用性和稳定性更好。综上所述，通过对比和筛选，方案二更适合作为此次设计课题的研究设计方案。3.3总体方案设计经过论证对比，选择了方案二的设计。基于STC89c51单片机的红外测温仪的硬件设计采用目前使用比较广泛的模块化设计思想，将整个系统分成五大模块：单片机处理模块、红外测温模块、电源模块、报警模块和LCD显示模块。通过划分模块的方法，可以把一个复杂的问题分割成几个相对容易解决的问题,分别予以解决，大大简化了设计的难度。其中红外测温传感器采用的是TN系列的高敏感测温产品一一TN90U这是一个接收和检测装置与一体的集成块，具有灵敏度高、精度高、低功耗的特点。3.4本章小结这一章主要分析了课题的设计要求和基本指标，初步确定红外测温的设计方向。然后对两种不同的方案进行了对比和分析，最后决定使用第二个方案作为该课题的最终方案。在该方案里，整个系统从硬件上可以分成五个子模块：分别是单片机处理模块、红外测温模块、电源模块、报警模块和LCD显示模块。第四章系统硬件设计4.1单片机处理模块该红外测温仪是以STC89c51单片机为核心控制器件的测温设备，此单片机模块的工作原理：加载相应程序的STC89c51单片机把红外测温模块传来的数据加以处理，送LED显示屏显示。单片机处理模块的电路原理图如图4-1所示:c-8550ccV9rT16TTT.T-1Q-9XTr^TTTr在3aAVccPO.OP0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.701234567・•••・•••111*1*1*1*1*1*11ppppppppRST-VPDP3.3flNTlPSEMP3.4ATOP3.5/T1P2.7P3.6/WRP2.6P3.7而P2.5P2.4XTAL2P2.3XTAL1P2.2P2.1GMP2.0P3.0/RXDEx¥VPPP3.1/TXDP3.2OT0ALDTOBGSTC89C51l=p-=?39一181920G14DBL?gRd图4-1单片机处理模块电路图VCCII 1» JS2二三濡Y1JL0KY1GbIDGNDC530pF图4-2单片机复位和时钟电路图其复位电路和时钟电路如图4-2所示，本单片机处理模块是通过开关手动复位的，只要在RST引脚出现大于10nls的高电平，单片机就进入复位状态，这样做的目的是便于根据实际情况而选择是否复位温度测量数据。而此仪器的震荡电路选用的是晶体震荡电路，其具体电路如图4-1左边下部分。采用晶体震荡电路的原因是因为它的频率稳定性好，而这正是本红外测温仪非常重要的技术要求。单片机作为红外测温仪的核心控制部件，它关系到整个仪器的性能指标，能否实现测温功能起着关键作用，因此它的选择是非常重要的。本测温仪选择的STC89C51RC单片机,下面是STC89c51RC单片机相关资料信息：STC89c51RC单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本部集成MAX810专用复位电路。STC89C51RC系列单片机具有在系统可编程（ISP）特性，这样可以省去购买通用编程器，单片机在用户系统上即可下载/烧录用户程序，无须将单片机从生产好的产品上拆下。对于一些尚未定型的设计可以一边设计一边完善，加快了设计速度，减少了一些软件缺陷风险。由于可以在用户的目标系统上将程序直接下载进单片机看运行结果，故无须仿真器。下图4-3是此单片机的引脚图：

PL。仃

pi.i/r234567RST/VFD2345670123,4567O.0.0.0.0.O.0.0.PPPPPPPPP3.3/INT1PSENP3.4rroP3.5/T1P2.7P3.6通P2.6P3.7而P2.50123,4567O.0.0.0.0.O.0.0.PPPPPPPPP3.3/INT1PSENP3.4rroP3.5/T1P2.7P3.6通P2.6P3.7而P2.5P2.4XTAL2P2.3XTAL1P2.2P2.1GiidP2.0P3.CWEEA/VPPP3.DTXD P3.2flNT0AL&FROG201219STC85C51一、STC89c51RC单片机的特点:.增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU；工作电压：8v-5.5v；.工作频率围：0-40MHZ,相当于普通8051的0〜80MHz,实际工作频率可达48MHz；.4k的Flash程序存储器；.片上集成512字节RAM；.ISP/IAP,无须专用编程器/仿真器；.通用I/O口，复位后：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O□用时需加上拉电阻;.EEPROM功能;.看门狗；.部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省略复位电路）；.共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；.超低功耗，正常工作模式，典型功耗2mA；掉电模式，典型功耗0.5uA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序；.2个数据指针；.通用异步串行口（UATR）,还可用定时器软件实现多个UATR；.工作温度围：0—75℃/—40〜+85℃；.封装形式：PDIP-40/PLCC-44/PQFP-44。二、STC89c51各引脚的功能描述如下:（1）电源和晶振：Vcc一一运行和程序校验时加的电压；Vss——接地；XTAL1一一输入到振荡器的反向放大器；XTAL2一一反向放大器输出，输入到部时钟发生器。）RST：单片机的上电复位或掉电保护端；）ALE：地址锁存有效信号输出端；）PSEN：片外程序存储器读选通信号输出端。

4.2红外测温模块此设计的红外测温模块使用TN901,可以不用接触被测物体，解决了传统测温中需要接触的问题，具有回应速度快，测量精度高，测量围广等优点。它通过红外温度传感器扫描被测物体，并把相应的红外辐射数据通过PL3、P1.4和PL5□传送给单片机模块，由单片机读取信息，通过LCD显示出来。红外测温模块电路图如图所示：P25432P254321VCC_TTN_DataTN-9TNACK|GND图4-4红外测温电路模块面对众多的红外检测器件产品，在设计中选择合适的红外检测器件已成为一个重要问题。在设计过程中选择红外线检测器件时，首先考虑的是器件的以下性能因素：光谱响应围、响应速度、有效检测面积、元件数量、制冷方式和检测目标的温度。本红外测温仪选用了凌阳公司生产的型号为TN9的红外探测器作为测温模块，它是一种集成的红外探测器，部有温度补偿电路和线性处理电路，因此简化了本系统的设计。电路图并不复杂，对于设计研究也不是很难，比较容易理解、易懂。它的测量距离大约为1米，测量回应时间大约为0.5秒。而且它具备SPI接口，可以很方便地与单片机(MCU)传输数据。其相关资料如下:一、红外测温传感器的引脚介绍：图4-5红外测温传感器引脚图红外测温传感器引脚图如图4-5所示，其中V为电源引脚VCC,VCC一般为3V到5V之间的电压，一般取3.3V；D为数据接收引脚，没有数据接收时D为高电平；C为2KHzclock输出引脚；G为接地引脚；A为测温启动信号引脚，低电平有效。二、红外测温模块的时序红外测温模块的时序图如图4-6,在CLOCK的下降沿时接收数据。（例：如果一次温度测量需接收5个字节的数据，这5个字节中：Item为0x4c表示测量目标温度，为0x6c表示测量环境温度；MSB为接收温度的高八位数据；LSB为接收温度的低八位数据；Sum为验证码，接收正确时Sum=Item+MSB+LSB；CR为结束标志，当CR为OxodH时表示完成一次温度数据接收。）

时钟0 1 2 3 4 5 6 7 0 1时钟0 1 2 3 4 5 6 7 0 1图4-6红外测温时序图红外测温模块温度值的计算方法：以上面为例：无论是测量环境温度还是目标温度，只要检测到Item为0x4cH或者0x66H同时检测到CR为OxOdH,他们的温度的计算方法都相同。计算公式：目标温度/环境温度=Temp/16-273.15其中Temp为十进制，当把它转换成十六进制的高八位为MSB,低八位为LSB；比如MSB为0xl4H,LSB为0x2Ah,则Temp十六进制时为0xl42aH,十进制时为5162,则测得的温度值为5162/16-273.15=39.475℃O3电源模块电源是组成一个系统必不可少的部分，任何一个系统没有电源都是无常运行。本次课题设计所要求的供电电源为5V电源，既要求满足单片机供电电源，而且必须满足红外测温模块和LCD显示模块，保障系统的正常运行。STC89C51的核共电为5V,而此红外测温仪系统的红外测温模块和LED显示模块的共电电压都可为5V,所以通过此电源模块后，将外部输入电压转换成5V的单片机工作电压，以保障红外测温系统的正常运行。这样就不需要多电源供电，简化了电路设计，更方便于操作和焊接，还能满足系统的需求。系统的电源电路如下图所示：图4-7电源电路4.4报警模块该模块的电路设计简单，整个模块由两部分组成：一个三极管和一个蜂鸣器组成。三极管的基极与单片机的P2.0口相连接，蜂鸣器连接在三极管的发射极。电路图如下图所示：.6.5.43.2J。2.ZZ2.ZzZppppppPCC

V.6.5.43.2J。2.ZZ2.ZzZppppppPCC

V图4-8报警电路原理图蜂鸣器在此电路中的主要作用是在测量人体温度时提供报警帮助。当人体温度高于单片机程序设定的37.5（时，单片机会输出信号，通过三极管传送到蜂鸣器发出报警声音。该部分电路设计简单，易懂、易操作，而且从使用者的角度来说，更具有人性化的设计，方便使用者操作和读书。5LCD显示模块液晶显示器以其功耗小、体积小、显示容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。在本设计采用的是字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的LCD1602液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，这里以常用的2行16个字的1602液晶模块来介绍它的使用和编程方法。1602采用标准的16脚接口，其中：第3脚：VEE为液晶显示器对比度调整端；第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据；第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令;第7〜14脚：DO〜D7为8位双向数据线；第15〜16脚：空脚。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，表2是DM-162的部显示地址。表21602的部显示地址12345678910111213141516序号0000000000000000第一行0123456789ABCDEF4444444444444444第二行0123456789ABCDEF1602液晶模块部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。在软件中设置温度的代码是：30.0℃(00110011B,00110000B,00101110B,00110000B,01000011B)；37.0℃(00110011B,00110111B,00101110B,00110000B,01000011B)；60℃(00110110B,00110000B,01000011B)。LCD1602液晶显示模块可以直接和单片机STC89c51接口连接，液晶显示的D0~D7八个双向端口接STC89c51单片机的P0口的P0.0~P0.7,单片机的P0口可以作为通用的输入，输出端口使用。此时，若要驱动NMOS或其他拉电流负载时，需外接上拉电阻，才能使该位高电平有效，所以中间接10K的排阻，来决定显示器高低点位，是否要显示。由于VEE端接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，对比度过低会使屏幕模糊不清，所以使用时可以通过一个10K的电位器来调整它的对比度°LCD1602的RS寄存器选择端口接单片机的P2.5口，通过软件程序中对此端口的设置来决定选择的寄存器。液晶显示的RW端口直接接单片机的P2.6口，高电平时对输入的数字信号进行读数，使能E端接单片机的P2.7口，使能端由高电平到低电平时开始执行命令，把读数显示出来。LCD显示电路原理图如下图所示：

LCD1液晶-LCD1602LCD1602INC-ULCD1液晶-LCD1602LCD1602INC-U笛

QOAU笆【笆aQOFOiEm寸9b9NuOs告白笆笆①如内缶©>>苗苗㈤aaaaaaaGNB图4-9LCD显示电路原理图此部分电路设计与其他设计方法相比比较大的有点就是读数准确。通过一个电位器调节LCD的显示屏幕的对比度，使屏幕画面显示更清晰，不会产生模糊的感觉，更容易读出数据。特别是对那些视力不是很好地使用者来说，更大的方便了读数，使设计更具合理化、人性化。第五章系统软件设计本红外测温系统的软件设计采用模块化的设计思想，这样可以把一个复杂的软件设计分成几个相对简单的部分分别予以解决。因为此次设计要完成的功能是测温，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，而对其它各模块做了相应简要的介绍。主程序模块设计当红外测温仪接通电源时，STC89c51单片机自动复位，开始运行该程序。该程序首先对STC89c51初始化。然后给出开机显示，接着判断是否有键输入，若没有键输入，则继续判断；若有键输入，则判断是否是红外测温。若不是就返回开机显示，是则进行红外测温，接收数据，并将计算的温度值显示出来，如果是环境温度就通过数码管前四位显示，则目标温度用数码管后四位显示，并等待结束测温命令。再判定是否结束温度测量，若没有则继续测温，若收到结束命令则返回开机显示，重新判断。具体工作的流程图如下图5T：计数器清零图5.1主程序流程图

图5-2中断子程序流程图主控部分就是一个判断过程，是开始温度测量还是停止温度测量，绐开机界面一个指令，让其进行下一步操作。中断子程序部分是在单片机接收到测温信号之后，把数据发送给LCD显示器，由LCD把温度数据显示出来。当LCD接收到数据之后，单片机将发送中断指令，让红外测温模块停止接收红外信号。红外测温程序模块该红外测温模块的数据输出信号和脉冲信号分别接单片机P1.3,P1.4口，测温控制端接P1.5口。它的程序流尹皿共5-3所示，此模块首先定义一个字I开始I符型数组用于存放读取到的一帧数寸启动测温，读取数据，数据是在脉冲的下降沿一位一位传送的。把五个字节数据都读完后判断第一个字节是否为0x4c或0x66并且第五个字节为OxOd,若是则计算温度值返回，否则继续读取数据。图5-3红外测温流程图LCD显示程序模块在该模块中，LCD采用的是液晶LCD1602显示器，直接与单片机相连接，不需要增加其他保护电路。通过程序由单片机控制，当单片机接收到测温数据时,传送给LCD,最后把示数显示在显示屏上。完成一次读数，程序执行一次结束。当再有测温数据传送过来时，屏幕清屏，重新显示温度值。LCD程序模块流程图如下图所示：结束图5-3LCD程序模块流程图第六章系统调试与分析6.1红外测温系统调试和分析本课题是关于便携式红外人体测温仪的设计。为了提高测温的准确性，该系统采用了额温计的设计方案。由于整个系统（软件和硬件）采取了模块化的设计思想，因此在很大程度上提高了调试系统的便易性。首先把系统硬件的各个模块（电源模块、红外测温模块等）都焊接好，然后逐个地检测每个模块是否有元器件焊接错误，是否有虚焊、漏焊、短路等情况出现。当这些工作都完成后这，就可以把已经编译好的软件程序通过AVRstudio（JTAG模式）下载到本系统采用的的主控芯片一STC89c51单片机里。虽然系统软件部分可以通过编译软件的编译，但这仅仅是语法上的检测，具体运行效果还是要取决于调试的结果。由于本系统的软件也是采用模块化的编程方式，所以它也可以像硬件那样进行分模块进行调试。例如，我们可以先把其它模块屏蔽，然后测试LCD模块是否能显示各种需要显示的容，然后再逐一调试单片机控制模块和红外测温模块。必须保证每一个模块都是正确的，能够实现预期的功能。系统的硬件和软件都基本通过了电路测试和基本功能调试后，就可以进入最后的人体温度测量调试了。因为缺少相应的测试和校准设备，所以无法对该系统的准确度进行系统地测试和评估。因此，在这里只能采用与水银式体温计的测量结果进行对比和分析。由于此系统是测量人体额头的温度，水银体温计主要是测量人体腋下的温度，而事实上人体不同部位的温度是不一致的，如表6.1所示：表6T人体不同部位的正常体温对比表身体部位额温肛温□温液温正常体温35.9~37.636.6〜3835.5〜37.534.8~37.3水银体温计自其发明以来，在医学界里就一直作为标准的人体测温工具，所以这次的设计一一便携式红外人体测温仪就以水银体温计的测量值作为温度调校基准。所以，只要系统基本达到水银式体温计的精度水平即可。但我们从表6.1中的数据可以得知：在测试条件相同的情况下，人体额头温度平均要比腋下温度高出0.5(左右，因此两者的测量数据是有一定偏差的。所以，在两者进行数据对比时，有零点几摄氏度的差值是合理的。只要红外人体测温仪测量的体温数据减去一个差值(大约为0.5(),得到的结果接近水银体温计测得的数据，我们就可以认为它所测的数据是准确的。人的体温随一天中不同的时间而发生着不同的变化，同时也受其它外部条件的影响，比如年龄、性别、环境温度以及湿度等的影响。所以，在不同的环境里、不同的时间段，测的同一个人的体温也是不相同的。以下是人体正常额温的参考数据：

表6.2人体正常额温的参考数据年龄组别正常额闻（C）0〜2岁36.4〜38.03〜10岁36.1〜37.811〜65岁35.9~37.665岁以上35.8~37.5在本次测量调试中，温度采集分两种形式进行采集，一种是用水银式体温计采集，另一种是用红外人体测温仪采集。其中水银体温计是测量人体腋下的温度，红外人体测温仪是测量人体额头的温度。测量过程中，除测温的方式不同外，其它因素全部相同（环境温度、湿度、同一时间段、同一人体等等）。经过多次测量后，我们可以得到多组的体温数据，以下是其中一组数据的图表：表6-3水银体温计的测量数值测量次数12345678910温度值（°C）36.836.936.936.836.736.936.836.836.936.8表6-4红外测温仪的测量数值测量次数12345678910温度值（℃）37.337.137.237.337.237.137.437.237.237.0由上述测量温度值表我们可以得知：水银体温计所测量出同一人体的体温数值相对比较稳定，其误差在±0.1℃左右；而红外测温仪由于其灵敏度高、容易受环境因素影响，所以测量的温度值误差会偏大一些，其误差在±0.2~0.3（左右。水银体温计所测得的人体温度的平均值大约是36.8（,而红外测温仪所测得的人体温度的平均值大约是37.2C,两者相差0.4（。这是由于人体耳道的平均温度要比腋下的平均温度更高一些，因此两者的平均值存在差值是正常的。通过以上两组数值的对比发现：此次的红外测温仪的设计还是成功地，基本上实现了人体温度的测量。虽然存在误差，但是都是在允许的围，是可以不计的，能够作为测量人体平均温度的测温仪使用。6.2本章小结本章主要讲述了便携式红外人体测温仪的调试和测量结果分析。通过调试和结果分析，我们可以看出，红外测温仪基本上实现了预期的结果，基本上可以准确测出人体的平均温度。在此，本系统（便携式红外人体测温仪）实现了设计方案所提出的功能和要求，真正做到了与水银体温计的精度相当，而且拥有许多水银体温计所没有的优点：安全、快捷、方便等。其实，这次课题设计虽然成功了，但是还有很多的不足需要在今后的研究中一步一步地去完善。比如，在红外测温模块，接收到的红外线有来自周围环境中的其它物体发出的，这样就会使测的数据偏大或者偏小，造成误差。针对这种误差。就需要我们研究出一种可以过滤掉环境中的红外线的测温设备，或者是可以降低环境温度的影响的测温模块。我相信，在以后的努力研究中，一定会突破难关，走向成功的。第七章总结与展望众所周知，体温是人体生命活动的基本特征，也是观测人体机能是否正常的一个重要指标。所以体温计无论是在日常生活保健和还是临床诊断上，都是必不可少的计量器具。虽然传统的水银体温计价格低廉、精度高，但也有许多弊端：不易读数，水银对人体有害，易产生污染等等。随着科技的发展和现代医疗技术的需要，测温技术也在不断地改进和提高，通过努力研究，人们研究出了红外线人体测温仪，它是利用人体发出的特定波段的红外线来测量出人体温度的。这种红外测温仪无论是在大规模的检疫中，还是在日常保健、临床医疗中都发挥了重要的作用。本次课题设计是根据人们生活和医疗上的需要而研究和设计的，该论文首先讲述了此课题的研究目的和意义，以及在中外的一些研究成果和达到的水平阶段。然后分析了红外测温原理，主要是弄明白温度传感器的原理以及它的一些特点。接下来就要进行方案的设计了，首先是分析所确定的几种方案的设计特点和方法，其次是对两种不同的方案进行对比和分析，最后是确定使用第二个设计方案作为最终设计方案。在该设计方案的整个系统中，从硬件设计上可以分为五个子模块：单片机处理模块、红外测温模块、电源模块、报警模块和LCD显示模块。硬件设计是一个系统实现功能的前提条件。从软件上可以分为三个程序模块：主控程序模块、红外测温模块和显示程序模块，这是系统实现功能的核心部分，控制着整个系统的正常运行。然后就是实物的焊接，在这一块最要注意的问题就是元器件的焊接，一定要保证每个元件焊接都非常准确,而且不能有虚焊、漏焊、错焊的情况出现。我们已经在多次的课程设计中掌握了焊接的技术要领，相信不会出现错误的情况。最后就是系统的调试和分析了，这一步主要是测试产品的功能是否都能实现，都是正确的。红外人体测温仪的研究成功不仅绐人们带来了极大的方便，而且也绐科研带来了很大的研究价值和使用价值。红外人体测温仪给人们带来的使用价值是无法估量的，它的使用价值必定超过它的研究价值。红外人体测温仪已经越来越多的被人们所使用，在各个方面都有所应用。无论是日常生活、临床医疗、食品加工、工业生产等等，都已经被广泛应用。正是红外测温仪的广泛应用才显示出它的绝对优点和特色，与其他类型的测温计有着不可比拟的优势。我们接触最多的，也是最了解的测温计就是传统的水银式体温计。这种水银式体温计的工作原理是液体的热涨冷缩性质，当体温计遇热时，储存在体温计下端的水银球的水银会受热膨胀，沿着玻璃管往上升，达到一定高度停止，然后根据玻璃管上的刻度读数。这样就会使测温时间长、不易读数，而且还容易破碎、造成水银污染。我们都知道水印是有毒的，如果不慎人口，会使人体水银中毒，产生严重的后果。但是，这种新型的红外测温仪就避免了这些弊端，不仅容易读数、测量时间段，只需要0.5s的时间，而且还不容易破碎、无污染、测量携带方便、操作简单。由此可以看出，红外测温仪比传统的水银体温计更适合使用，现在已经可以完全取代水银体温计了。虽然，红外测温仪的成本更高一些，从几十块钱到几百块钱不等，但是它的灵敏度高、测量围广、测量方便。目前的红外测温仪的最高精度一般在±0.2(,还不能达到水银体温计的±0.1(的偏差。所以，在测量的精准度方面还需要进一步的设计研究，这就要求我们要不断的突破自己，不断地创新。在不久的将来可以研究出可以避开被测物体周围的环境温度的影响，准确的显示人体的温度。就是把周围环境温度隔离开而不被检测到，从而避免了环境温度的影响，实现人体的准确测温。这种设计出来的红外测温仪可以达到世界级的顶尖水平，最高精度应该可以达到±0.05(,完全的取代其它类型的测温设备。但随着科技的快速发展，红外线人体测温仪也在不断地改进中。相信在不久未来，红外线人体测温仪可以更稳定、更精准、更廉价，从而可以完全取代传统的水银温度计。在本次毕业设计中，我首先要感我的指导老师齐仁龙老师，由于他孜孜不倦的指导，在做设计的过程不断的询问和提供无私的帮助，才有了我今天的设计成果。他对待工作认真、严谨细致、一丝不苟的作风.，一直是我工作和学习中的榜样，他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。当我遇到难点的时候，我首先想到的是我的指导老师，他对待学生就像对待自己的亲人一样，总是很认真、很细心的给与指导和帮助。对每一个学生的询问总是细心的的绐予讲解、指导，帮助我们开拓研究思路、精心点拨、热忱鼓励。对自己的学生耐心之极，很令人钦佩，是优秀的师德，也是我们学习的榜样，更是我们在以后的学习和工作中应该做到的一个准则。其次，我要感那些给与我帮助的同学和老师，是你们给与的无私帮助才让我走向成功。如果没有你们提供的帮助，我也可能顺利的完成设计，是你们让我懂得了团结的重要性。一个成功者，在他的背后都有一些默默给与帮助的人群，少了他们的帮助也不会走向成功地。在此，我重的对你们说声：，你们！参考文献[1]建中.单片机原理及应用[M].电子科技大学，2009.[2]由富恩，存芳，付乐勇.辐射测温仪原理及其检定[M].：中国计量，1990.[3]沙占友.集成传感器应用[M].：中国地理，2005.[4]周继明，江世明.传感技术与应用[M].中南大学，2005.[5]裒继俊，董培芝.中国红外产品与应用[M].长城出版杜，2004.[6]高魁明，植.红外理论与技术[M].：东北工学院，1989.[7]庄春生，杰，宏伟.新型智能电子体温计的研究[J].科学，2004年第22卷第6期.[8]曾强，舒芳誉，清华.红外测温仪一工作原理及误差分析[J].传感器世界，2007(2).[9]欣荣，戴景民.环境温度对红外辐射式体温计读数的影响[J].计量学报，2002(1).[10]国彦，宋平.红外温度计测量体温方法探讨.仪表技术，2003年第3期.附录一：设计总体电路图“外测温VCC

LJT上C3TIOuF琳9VIT[>GNDC530pFPOWER工19PLOTPl.LTVccPl.2POOPl.3P0.1Pl.4P0.2Pl.5P03Pl.6P0.4pi7P05P0.6RSTXTDP0.7P3.0RXDP3.1TXDEAXYPP3.2I5JTdALEFROGP33INT1P3.4T0PSENP3.5T1P3.6。P，7P2.6P3.7RDP2.5P2.4XTAL2P2.3XTAL1P2.2P2.1GndP，020STC89C51LCD1GND.|||-vccl R-Jv 4ih589101112Sa 1314 |vcc30_£GNDVCCl 13Ipc S VcS55OGNDVCCRWElDBO2DB1;DB2gDB3'JDB4DB5DB6DB7BGVCCBGGNI值品・LCD1602附录二：实物连接图oecccococccc050ccereccco附录三：PCB图附录四：元器件清单名称型号/规格数量备注单片机STC89C511电阻R10K1电容G10Mf1电阻C230pf1LCD显示屏16021温度模块TN9011三极管B5501电位器10K2晶振12MHz1蜂鸣器普通1脚座DIP401排座40引脚2开关M轻触开关1开关K?自锁开关1插座DC0051万用板9X151电池盒普通1附录五：程序编写SdefinecharunsignedcharSdefineunitunsignedintSinclude<reg52.h>floatTemp；floatTempeh,Mb-temp；Sinclude<TN9.h>Sinclude<LCD.h>sbitK二P「2；sbitLR=Pl'O；sbitLG=PIT；voidmain()(Init_LCD()；LR=1；LG=0；while(K—1)；Init_T()；while(1)(LR=~LR；TN_IRACK_UN()；TN_IRACK_EN()；TN_GetData(0x4c)；MBTemp=Temp；LR=~LR；TN_IRACK_UN()；TN_IRACK_EN()；TN_GetData(0x66)；HJTemp=Temp；Display(MBTemp,HJTemp)；)sbitTN_ACK=Pr3；sbitTN_Clk=Pr4；sbitTN_Data=Pr5；ucharReadData[5]；voidTN_IRACK_EN(void)(TN_ACK=0；)voidTN_IRACK_UN(void)(TN_ACK=1；)intTN_ReadData(void)；voidTN_ReadData(ucharFlag)uchari,j,k；bitBitState=O；for(k=0；k<7；k++)(for(j=0；j<5；j++)(for(i=0；i<8；i++)(while(TN_Clk)；BitState=TN_Data；ReadData[j]=ReadDatafj]<<l；ReadData[j]=ReadDatafj]IBitState；while(!TN_Clk)；})if(ReadData[O]==Flag)k二8；)TN_IRACK_UN()；)voidTN_GetData(ucharX)(TN_ReadData(X)；Temp二(ReadData[1]<<8)ReadData[2]；Temp=(float)Temp/16.00-273.15；)sbitrs=P27；sbitlcden=P2*6；ucharcodetable。□="Welcometothe”；ucharcodetablel[]=wTN9System”；ucharcodetable2[]="TargetT：00.0Cw；ucharcodetable3[]=wMilieuT：00.0C"；voiddelay_LCD(uintz)(uintx,y；for(x=z；x>0；x)for(y=110；y>0；y-)；)voidwrite_(uchar)(rs=0；lcden=0；P0二；delay_LCD(l)；lcden=l；delay_LCD(l)；lcden=0；)voidwrite_date(uchardate)(rs=l；lcden=0；P0=date；delay_LCD(l)；lcden=l；delay_LCD(l)；lcden=0；)voidInit_LCD()(ucharnum；lcden=0；write_(0x38)；write_(0x0c)；write_(0x06)；write_(0x01)；write_(0x80)；write_(0x01)；write_(0x80)；for(num=0；num<16；num++)(write_date(tableO[num])；)write_(0x80+0x40)；for(num=0；num<16；num++)(write_date(ta