红外测温仪的设计（附源程序）及红外光语音通信系统设计报告

目录1绪论 11.1选题意义 11.2红外测温技术的发展历程 21.3设计的目的与意义 42红外测温仪的原理和性能分析 62.1红外基础理论 62.2红外线测温仪的理论依据 72.3红外线测温仪的性能指标 82.4影响温度测量的主要因素及修正方法 92.5红外线测温仪的特点 123红外测温仪的硬件设计 133.1总体设计 133.2单片机最小系统的设计 143.2.1单片机的选型 153.2.2复位电路 173.2.3时钟电路 193.3温度检测系统设计 193.3.1热释电温度传感器的选型 203.3.2放大电路的设计 223.3.3模数转换电路的设计 243.4整体电路设计 264红外测温仪的软件设计 274.1主程序设计 274.2子程序设计 285系统调试 305.1系统硬件调试 305.2系统软件调试 305.3调试中出现的问题 315.4调试结果分析 315.5改进方案及推广应用 32结束语 34致谢 35参考文献 36附录1硬件连接图 37附录2源程序 38PAGEPAGE16PAGE11绪论由于医学发展的需要，在很多情况下，一般的温度计己经满足不了快速而又准确的测温要求，例如车站和机场等人口密度较大的地方进行人体温度测量。虽然现在国外这种测温的技术都比较成熟，但是国内这方面的技术还处于发展阶段。因此，为了适应医学发展的需要，有效地进行特殊环境下的温度测量，从而有力地控制和预防诸如甲流、非典之类型的特殊疾病的传播，急需设计一种测温速度快，准确率高的测温仪。针对一般的工业用的红外测温仪的精确度不够高，我们根据这种红外线测温的原理，通过关键器件的选择、瞄准系统的设计以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的精确度，设计了一种用红外线测温电路，用于人员密集且流量大的场合进行快速的人体温度测量。1.1选题意义伴随着人们生活水平的不断提高以及对生活质量要求的提高，人们对自身的健康状况越来越关注，而人体的体温、血压、脉搏和呼吸是鉴别人体健康状况的重要参数，对这些生理指标的监控与测量则可以更好的体现人体自身的健康状况，所以他们在医疗领域中占有十分重要的地位，也为人民的生活带来极大的方便。本次设计主要围绕体温这一生理指标展开，以AT89S52单片机为控制核心对温度进行实时采集，开发设计红外测温仪的全过程，根据红外线测温仪的原理，通过关键器件的选择以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的精确度，设计了一种非接触式人体体温测试仪，用于人体体温的快速测量。全文主要阐述了非接触式人体体温测试仪的硬件设计和软件设计。硬件方面首先谈到了系统的总体设计，然后分别从红外线传感器，运算放大器，A/D转换，数据处理，显示部分等功能模块进行了论述并详细介绍了各个芯片的结构和功能，使系统具有稳定性好，精度高，测量安全，使用方便等特点。在软件方面，此设计使用C语言来编写程序代码，具有编译速度快，运行效率高等特点。设计的软件部分采用模块化结构，每个模块作为一个子程序，根据系统功能划分，程序由模块组成，所以整个程序的编制、调试和维护都比较方便，结构清晰，提高了可靠性和修改性，并给出了针对各个应用模块的设计思路和设计框架，对各部分程序进行解释说明，从而实现非接触式人体体温的数字显示。对非接触式测温仪的设计是以功能性为基础，以创新性为指导，以实践性为依托，具有大好的发展前景和广泛的应用场合。通过本次设计，希望可以为今后拓展体温监测应用领域提供新的思路和方法，在医学、体育、消防、军事训练、等领域得到更广泛的应用。最后，文章对本次设计做出了详细的总结。1.2红外测温技术的发展历程红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。比起接触式测温方法，红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。非接触红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。在不同规格的各种型号测温仪中，正确选择红外测温仪型号对用户来说是十分重要的。

红外检测是一种在线监测(不停电)式高科技检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，通过接收物体发出的红外线(红外辐射)，将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况，具有准确、实时、快速等优点。任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况。目前应用红外诊技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。

目前应用红外诊断技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。目前，我国也在研发一种体积小，成本较低，又不受外界环境温度干扰的人体红外测温仪，对医学的发展有很重大的意义。1.3设计的目的与意义生理参数是人体最重要、最基本的生命指标，对危重病人进行生命指标参数的监测是医务工作者及时了解病情状况的重要手段之一，它有利于对有生命危险的伤病员进行及时有效的治疗和抢救处理，完善病人的医疗护理以及研究人体对环境变化的反应都有着重要的意义。其中体温是人体最基本的生理参数，对于日常护理和病情检测都是非常重要的。有许多疾病都能通过体温的变化来预测，所以体温计在医疗领域中占有十分重要的地位。人体体温测试仪应用范围不仅仅局限于医学，在消防上消防员在扑火的同时也要对自己的体温做到了解，如果体温过高或者心率过快就要及时撤离，以免发生危险；军事上用于部队训练，必须实施随时监测，体温使训练能够在良好的体征下进行，提高效果。因此，在许多领域都需要这种测试仪对人体体温进行精确测试。此设计的目的是在理论学习的基础上，通过完成一个涉及MCS-51单片机多种资源应用，并具有综合功能的小目标板的设计与编程应用，并在进行相关课程设计基础上进行的一次综合设计。2红外测温仪的原理和性能分析本章节首先介绍红外测温的基础理论，然后针对其理论依据进行原理剖析，还简单介绍了红外测温仪的性能指标及影响测温的主要因素，最后给出了误差的具体修正方法。2.1红外基础理论1672年，人们发现太阳光（白光）是由各种颜色的光复合而成，同时，牛顿做出了单色光在性质上比白色光更简单的著名结论。使用分光棱镜就把太阳光（白光）分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光。1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了红外线。他在研究各种色光的热量时，有意地把暗室的唯一的窗户用暗板堵住，并在板上开了一个矩形孔，孔内装一个分光棱镜。当太阳光通过棱镜时，便被分解为彩色光带，并用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。为了与环境温度进行比较，赫胥尔用在彩色光带附近放几支作为比较用的温度计来测定周围环境温度。试验中，他偶然发现一个奇怪的现象：放在光带红光外的一支温度计，比室内其他温度的批示数值高。经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。

红外线的波长在0.76～100μm之间，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。

温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。2.2红外线测温仪的理论依据一切温度高于绝对零度(-273.15℃)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。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这十分密切的关系，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。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，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。红外辐射原理—辐射定律：（3-1）式中：为辐射出射度数，；为斯蒂芬―波尔兹曼常数，；为物体的辐射率；为物体的温度，单位；为物体周围的环境温度，单位。测量出所发射的，就可得出温度。利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度仪表。这种测量不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测量。在不同的温度范围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0～100℃）范围，能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪表，其具体的设计也不同。根据式（2.1）的原理，仪表所测得的红外辐射为：（3-2）式中：为光学常数，与仪表的具体设计结构有关；为被测对象的辐射率；为红外温度计的辐射率；为被测对象的温度（K）；为红外温度计的温度（K）；它由一个内置的温度检测元件测出。辐射率是一个用以表达物体发射电磁波能力的系数，数值由0至1.0。自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。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纱在：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。所有真实的物体，包括人体各部位的表面，其值都是某个低于1.0的数值。人体主要辐射波长在9~10的红外线，通过对人体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。红外温度测量技术的最大优点是测试速度快，几秒以内可测试完毕。2.3红外线测温仪的性能指标总的来说，测温范围、显示分辨率、精度、工作环境温度范围、重复性、相对湿度、响应时间、电源、响应光谱、尺寸、最大值显示、重量、发射率等都是红外线测温仪的性能指标。1）确定测温范围：测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。2）确定目标尺寸：红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。否则背景会干扰测温读数，造成误差。对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。3）确定距离系数（光学分辨率）：距离系数由D：S之比确定，即测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径之比。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。光学分辨率越高，测温仪的成本也越高。4）确定波长范围：目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。5）确定响应时间：响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的95%能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。6）信号处理功能：鉴于离散过程（如零件生产）和连续过程不同，所以要求红外测温仪具有多信号处理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。7）环境条件考虑：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度甚至引起损坏。8）红外辐射测温仪的标定：红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。2.4影响温度测量的主要因素及修正方法影响红外人体测温仪的因素有：1）测温目标大小与测温距离的关系：在不同距离处，可测的目标的有效直径D是不同的，因而在测量小目标时要注意目标距离。人体红外测温仪距离系数K的定义为：被测目标的距离L与被测目标的直径D之比，即K=L/D。2）选择被测物质发射率：人体红外测温仪一般都是按黑体（发射率?=1.00）分度的，而实际上，物质的发射率都小于1.00。因此，在需要测量目标的真实温度时，必须设置发射率值。物质发射率可从《辐射测温中有关物体发射率的数据》中查得。3）测量温度时的环境因素：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大的影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度。本设计中正是利用了PM611热释电红外线传感器可以补偿温度起伏的作用，实现准确测温。4）强光背景里目标的测量：若被测目标有较亮背景光（特别是受太阳光或强灯直射），则测量的准确性将受到影响，因此可用物体遮挡直射目标的强光以消除背景光干扰。5）温度输出功能：首先模拟信号输出——0～5V，1～5V，0～10V，0/4～20毫安，可以加入闭环控制中。其次高报警、低报警─生产过程中要求控制温度在某个范围里，可设置高，低报警值。高报警：在高报警设置打开的情况下，当温度高于高报警值，相应的LED灯闪烁，蜂鸣器响，并有相应继电器接通或断开。由于在温度测量时是在不确定的环境中进行的，所以外界环境会对测温造成一定的影响，对测量结果产生误差，所以要对环境温度有一个修正。由2.1节辐射公式可得出热释电传感器的响应公式为：（3-3）式中：为与热释电响应特性及物体表面发射率有关的常数，为物体表面温度，为环境温度。根据表达式（2.3）可以得到不同的标定公式：（1）简单关系式，即（3-4）式中：，应用此公式所作的标定实验结果见表1，表中数据表明，不仅与有关，还与有关。（2）多项式，即（3-5）令（3-6）在参考文献[7]中，取三项，其实验结果表明，要使测温仪满足一定的精度，测温时的环境温度和物体表面温度要在一定的范围内，如环境温度=30℃，物体表面温度在180℃以上时，读数误差较大。由表2-1可知：首先应该对物体表面温度分段定标，因为测量范围较大，所以不同段的标定系数相差很大。实际应用中每隔5~10℃就必须标定一个系数，当采样电压峰值落在此区间时就选择该系数。然后再根据环境温度的不同对已选出的标定系数进行修正，达到在不同环境温度下仍然能够准确测温的目的。分析表1可知，当物体表面温度较低时（78℃以下），环境温度对修正系数的影响较大。所以对此温度范围的物体必须进行环境温度对标定系数的修正。而当物体表面温度较高时，则修正系数基本由物体表面温度决定，这样系数就不必再依环境温度进行校正，这就减少了标定系数的复杂性。下图为表1：表2-1不同环境温度下的标定系数标准温度（℃）环境温度（℃）测量值（V）系数Ka（V/℃）34.0026.02.6133.06126.52.6052.87927.02.5882.70478.0026.02.96017.5726.52.94817.4727.02.92517.44120.0026.03.39227.7126.53.38827.5927.03.38427.482.5红外线测温仪的特点人体红外测温仪是通过接收人体发射的红外线的能量的大小来测量其体温的仪器。测温仪内部的灵敏探测元件将采集的能量信息输送到微处理器中进行处理，然后转换成温度读数显示。所以人体红外测温仪具有以下优点：1）非接触测量：它不需要接触到人体，只需在额头前方5厘米左右测温即可，而且红外探测器只需感应人体辐射的红外线。因此，不会干扰人体，也不会为人体带来损伤。2）测量范围广：因为人体红外测温仪是非接触式测温，所以测温仪并不处在较高或较低的温度场中，而是工作在正常的温度或测温仪允许的条件下进行测量的，所以测量范围比较广。3）测温速度快：即响应时间快。红外探测器中灵敏元非常灵敏，只要接收到目标红外辐射即可在短时间内测温。4）准确度高：人体红外测温不会与普通测温一样破坏物体本身温度分布，因此测量精度高。5）灵敏度高：只要人体温度有微小变化，辐射能量就有较大改变，易于测出，而且使用安全及使用寿命长。6）体积小，方便携带。7）受外界环境温度干扰较小：由于本设计中所使用的红外探测器是带补偿电路的，所以它可以补偿外界环境温度的高低起伏。3红外测温仪的硬件设计红外测温仪是利用红外传感器对被测目标时的热辐射进行采集，通过转换电路将红外传感器采集到的光信号转换成电信号，再将电信号通过放大电路，A/D转换等单元电路处理后送到单片机中，最后单片机将带有数据信息的电信号进行分析处理，将电信号转变成与之相对应大小的温度值显示输出。其中要解决的问题有：体温信号的非接触测量、微弱电压信号的放大、传感器的环境温度补偿等。其中体温测量选用红外热释传感器PM611、LM324进行电压放大、ADC0804进行模数转换，系统控制及数据处理等功能都用AT89S52单片机实现，通过驱动共阴极LED数码管进行显示。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、报警电路等部分组成。3.1总体设计在一个系统的硬件设计中应选择合适型号的单片机后，进行系统所需的扩展和配置。按照系统功能要求进行扩展和配置外围设备。要设计合适的接口电路，系统的扩展和配置应遵循以下原则：尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。本次设计选取的是AT89S52单片机。2）系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便二次开发。3）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。4）可靠性及干扰设计是硬件设计必不可少的一部分。5）单片机外围电路较多时，应考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。6）工艺设计必须考虑安装、调试、维护的方便。由此可设计出人体红外测温仪系统的总体结构框图，如图3-1所示。由图中可以看出，红外探测仪接收到人体发出的红外线后，经过温度检测系统采样后，再在信号处理单元对所测得的信号进行放大、滤波、模数转换处理传送到单片机，经单片机运算后送给显示单元显示出温度读数。如果经过处理后的数据大于所设置的预警数据，则蜂鸣器报警。图3-1系统总体结构框图3.2单片机最小系统的设计图3-2单片机最小系统单片机加上适当的外围器件和应用程序，构成的应用系统称为最小系统，最小应用系统的设计是单片机应用系统的设计基础。它包括单片机的选择、时钟系统设计、复位电路设计、简单I/O口扩展、掉电保护等，对于CHMOS单片机，还包括低功耗运行设计。AT89S52单片机的最小应用系统如图3-2所示。3.2.1单片机的选型为了硬件系统的标准化、模块化、便于二次开发，本次设计选取的单片机型号是AT89S52。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8KB的系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。1.AT89S52的主要特点是：·与MCS-51单片机产品兼容；·8k可反复擦写(>1000次)FlashROM；

·全静态操作：0Hz～33Hz；

·三级加密程序存储器；

·32个可编程I/O口线；

·3个16位定时器/计数器；

·8个中断源；

·全双工UART串行通道；

·低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒；

·看门狗定时器及双数据指针；

·掉电标识和快速编程特性；2.引脚功能：AT89S52引脚图如图3-3所示：电源及时钟引脚：·Vcc（40）：接+5V电源；·Vss（20）：接地；·XTAL1（19）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端；·XTAL2（18）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部接至内部反相放大器的输出端；控制引脚：·RST/VPD（9）：当震荡器运行时，在此引脚外加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。掉电期间，此引脚可接上备用电源（VPD），以保持内部RAM的数据，当Vcc下掉到低于规定的值，而VPD在其规定的电压范围内（5+0.5v）时，VPD就向内部RAM提供备用电源；图3-3AT89S52引脚图·ALE/PROG（30）：当访问单片机外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的负跳沿用于16位地址的低8位的锁存器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟震荡器频率的1/6。ALE端可以驱动8个TTL负载。对于单片机EPROM型（8751），在EPROM编程期间，此引脚用来输入编程脉（PROG）；·PSEN（29）：此引脚的输出是单片机访问外部程序存储器的读选通信号，在由外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN两次有效。PSEN可以驱动8个LSTTL负载；·EA/VPP（31）：当EA保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在PC值超过0FFFFH，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，只访问外部程序存储器。对于89C51，因其片内有4KBEEPROM，故该脚接高电平。在EEPROM编程期间，VPP编程电压为+12V或+5V。I/O口引脚：·P0口（39-32）：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可带8个LSTTL负载；·P1口（1-8）：8个准双向I/O口，可带4个LSTTL负载；·P2口（21-28）：8位准双向I/O口，与地址总线（高八位）复用，可带4个LSTTL负载；·P3口（10-17）：8位准双向I/O口双功能复用。3.2.2复位电路复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，如图3-4所示。复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连的，斯密特触发器是用来抑制噪声的。单片机的RST引脚是复位信号的输入端，RST引脚上保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，单片机内部可以安全复位。图3-4AT89S52的上电系统复位电路复位后，单片机内部各寄存器的内容将被初始化，复位不影响片内RAM和片外RAM中的内容。寄存器包括程序计数器PC和特殊功能寄存器，其中（PC）=0000H。特殊功能寄存器的复位状态见表3-1。表3-1复位特殊功能寄存器的初始状态SFR名称初始状态SFR名字初始状态ACC00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0-P3FFHSBUF不确定IPXXX00000BSCON00HIE0XX00000BPCON0XXXXXXB3.2.3时钟电路时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准，在此基础上，控制器按章指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号，控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。如图3-5所示： 图3-5外接石英晶振电路驱动器件XTAL1和XTAL2分别为片内反向放大器的输入和输出端口。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石英晶体振荡器和陶瓷振荡器均可使用，如果用外部时钟源，XTAL2应不接。输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。电容容量范围为30PF+/-10PF，石英晶体频率的范围为1.2-12MHz,常用6MHz或者12MHz。1)时钟周期（是时钟信号频率fosc的倒数）时钟周期=1/fosc2)机器周期机器周期=12*时钟周期3)指令周期一条指令从被读取到被执行的整个过程所需要的时间称为指令周期。3.3温度检测系统设计红外测温仪的温度检测系统可以这样设计结构框图，如图3-6所示。图3-6测温系统结构框图光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定，主要由滤光片和菲涅尔透镜组成，以滤除5~14um以外的红外线，并达到聚焦的目的。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。按下开关即可测量，每次测量结果显示在显示器上。当系统上电时，整个电路开始工作，物体表面辐射的能量首先经过光学系统聚焦后经热释电传感器接收，将热辐射信号转化为电信号，经由放大电路放大后（由外界环境导致的杂乱信号经滤波器过滤后）到达A/D模数转换器，89S52单片机作为CPU接收经A/D转换后的数字信号，经数据处理后转换成物体表面温度显示在LED显示屏上。3.3.1热释电温度传感器的选型本设计的探头使用的是红外线传感器，它能接收人体发射出的红外线并使之转换成电压信号。设计选用的是PM611单元热释电传感器，它是一种专门用于非接触式测量体温的器件，主要接收5~14um之间的红外线，其主要参数见表3-2所示。PM611外形和引脚排列如图3-7和3-8所示。其引脚功能如下：·1脚接+5V；·2脚为电压输出端；·3脚接地；表3-2PM611传感器的参数参数单位值条件芯片尺寸mm21.8×1.8——横隔膜尺寸mm21.4×1.4——热电偶个数——60——有效面积mm20.7×0.7——内阻kΩ60±30%@25℃阻抗温度系数%/℃<0.12——响应度V/W62±30%500k,1Hz响应度温度系数%/℃-0.1Typical时间常数ms25500k,1Hz,Typical工作温度℃-20～100——存储温度℃-40～120——封装形式——To-5—— 图3-7PM611的外形被测物体的辐射能经过窗口和光阑聚焦在接收元件(热电堆)的受热片上，受热片上有60只串联的热电偶，每只热电偶的热端在受热片的中央部位围成一圈，焊接在一起，从引线就可以得到所有电偶的热电势之和。这种结构设计具有较小的热惯性和较高的灵敏度，传感器采用负温度系数电热调节器进行环境温度补偿。图3-8PM611的引脚排列这种传感器虽是单灵敏元，由于他采用一个接收元和二个并联的补偿元串接的结构，故也能有效地补偿环境温度起伏，振动等干扰影响。他的工作温度是-20℃——+100℃，特别适合测量人体的温度。而且PM611各项指数都比较好，因此选用了它做温度仪的探头。其等效电路如图3-9所示：图3-9传感器的内部典型连接电路3.3.2放大电路的设计由于传感器探测到的人体红外线信号较弱，当转化为电压后需要通过放大器放大电压信号。因为探测器测到的信号可能掺杂了外界环境的某些因素，所以放大电路中要加入低通滤波电路把多余的杂信号过滤掉。放大电路如图3-10所示：图3-10放大部分电路传感器输出的信号经47μF电容耦合到第一个同相放大器，它的闭环增益为23～24之间。同时第一个放大器还兼做高通滤波器，其截止频率为0.3Hz。第二个放大器是一个低通滤波器，其闭环增益约为1，截止频率为7Hz。第一个，第二个放大器分别把低于0.3Hz和高于7Hz的信号滤掉，使输出的信号仅是经过调制器调制的1Hz红外辐射信号。通过第二章的原理可知由信号转换为电压再转化成温度才显示出来的，那么这个过程将在第三个放大器中完成。通过放大滤波的信号就输入到模数转换器的Vin（+）端，模数转换器会把收到的信号进行模数转换。调试：在实验中通过调节放大器1输出端的10KΩ变阻器，使第三个放大器的输出信号大小发生改变，当最后一个也就是第三个信号放大器的输出小于5V时，可以适应下面系列的处理，因此第三个放大器的两个电位器用来调节最后信号输出的大小，确保在高温时不超过5V。3.3.3模数转换电路的设计 由于传感器探测到红外线后被放大的是模拟信号，然而需要在LED上显示出来，所以本设计利用模数转换器来实现这个功能。因为只用到了一个输入信号，所以为了节省不必要的累赘，采用ADC0804把有用的模拟信号转换成数字信号，最后显示出来。ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。分辨率8位，输入电压范围是0~5V,增加一些外部电路后，输入模拟电压为±5V。此芯片内有输出锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，不用再加接口电路。ADC0804芯片的外引脚图如3-11所示。引脚名称及意义如表3-3所示：表3-3ADC0804引脚名称及意义引脚名称功能信号方向有效电平备注Vin（+）接模拟信号输入——单极性Vin（-）接模拟信号输入——双极性D0~D7数据输出输出————AGND接模拟信号地输入低——DGND接数字信号地输入低——CLKIN时钟脉冲输入——外电路提供CLKR外接电阻输出——与CLKIN端配合CS片选信号端输入低——WR写信号输入低启动转换RD读信号输入低读取转换结果INTR转换结束输出低——Vcc电源输入高——Vref基准电压输入——表征输入信号范围图3-11为ADC0804的引脚排列图：图3-11ADC0804引脚图A/D模数转换电路连接图如下图3-12：图3-12ADC0804模数转换电路本设计采用了CLKR端口和CLKIN端口配合，芯片本身产生时钟脉冲的方法，A/D转换器Vin（+）端口接收到经处理过的模拟信号在内部进行模数转换，片选端口CS和WR写信号输入端口同为低电平时启动转换，因为0804内部有输出锁存器，转换后的数字信号存在锁存器里，当CS、RD同为低电平时，可以读取转换输出的数字信号，由A/D模数转换器的D0~D7端输出，接入AT89S52单片机的P0口的P0.0~P0.7，经过程序烧制显示到LED显示屏上。3.4整体电路设计 本设计采用AT89S52系列单片机进行数据的采集存储和处理。由于信号只有一个输入，为了避免不必要的消耗，本设计A/D转换器采用的是ADC0804。芯片的CLKIN端和CLKR端配合可以由芯片自身产生时钟脉冲。测量物体表面辐射能量的热释电传感器选用的是尼赛拉传感器有限公司的PM611型热释电传感器，它有效调节外界环境的温度起伏影响，显示器采用4片8位LED数码管。图3-13红外测温仪电路电路的主要功能是将热释电传感器接收的红外辐射能量转换可为供A/D转换器接受的电信号。LED数码管由P1口驱动，并由AT89S52单片机通过软件控制显示物体表面的温度。通过软件程序编制可以实现三位有效数字的显示(100度以下显示两位整数和一位小数，100度以上显示三位整数)上图3-13是整个设计的电路连接图。 4红外测温仪的软件设计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范围内的红外辐射量然，后由测温仪计算出被测目标的温度。4.1主程序设计设计的思路是首先初始化系统，然后显示子程序，开始测温后复位各个端口，摁下开关，接通电源，确定打开电源后A/D模数转换器Vin（+）输入端读取经过放大滤波计算后的数据进行模数转换，CS片选端、WR写入端同时设置成低电平，当芯片自身产生一个脉冲时，启动转换。然后A/D转换器的CS、RD同时为低电平0时读取转换输出的数据，转换后的数据存入模数转换器自身的锁存器里，由输出端口D0~D7输入到单片机的P0口中。读取三次数据，满三次后读数正确的写入单片机EEPROM存储器。同时计数器加1，继续读取下一组数据。如果读数满三次后数据不正确，则要对单片机进行清零，复位后重新测量读数。中断子程序设置INT0为外部中断，中断后对EEPROM里的数据进行读取，然后通过液晶屏显示出来，读取时要对数据进行一个判断，AT89C51单片机的P3口除了是多功能I/O口外还是第二功能口，它的第二功能是作为控制端口使用的，所以本设计用P3.0串行口输入端来控制报警系统，如果数据大于37.0℃，则蜂鸣器报警。显示温度的范围是30~60℃，当所测温度高于下限或者上限温度时，报警系统报警。执行完一次子命令后运行中断信号，子程序返回。主程序流程图如图4-1所示。主程序主要实现以下功能：1）开机或复位时能自动初始化设备，引导程序正确执行。2）开机或复位之后启动A/D转换，对环境温度进行采样，并在显示器上显示当前环境温度。3）保持环境温度显示的同时，对覆盖热释电探测器视场的物体表面的红外辐射进行转换和采样，并比较各采样值，直到采样值为热释电探测器响应的峰值电压为止。 外部中断外部中断0初始化显示子程序复位读取数据写入EEPROM（超过37.0度）计数器加1计数器清零数据正确满三次启动键打开结束NYYNY开始N图4-1主程序流程图4.2子程序设计如图4-2是软件设计部分的中断子程序流程图，主要实现以下功能：1）A/D采样子程序完成对热释电传感器放大电路输出信号的采样。要实现准确测温就必须得到输出信号的峰值，但在实际电路中，由于探测器响应延时不尽相同，且电路的延时也很难准确计算，所以要准确采集到峰值是十分困难的。为此，我们只有对输出信号不断地进行采样，并比较各样值，取其中的最大者作为峰值的近似值2）数据处理子程序完成对采样值的计算处理。中间又经过了ADC0804数模转换器将结果转换为可供LED显示的代码。3）读取温度时超过预警温度，蜂鸣器报警，没超过直接显示所测温度。4）显示子程序完成最后的温度显示。 读取指令读取指令读取EEPROM（超过37度）报警发送数据LED显示中断返回YN外部中断入口图4-2中断子程序流程图5系统调试在硬件焊接与软件编程完成后，需要对其进行调试，以保证硬件与软件连接成系统后能够达到设计要求。系统调试是系统开发最重要的环节之一，系统成型后能否正常工作，主要取决于系统调试是否成功。5.1系统硬件调试绘制完成原理图之后，根据原理图焊接电路板。焊接完成后，首先目测焊点是有虚焊或漏焊现象，再用万用表测量各个芯片间连接和电源与地间的连接是否正确，由于本次设计需要用排线将主板和副版连接起来，这就涉及到引脚连接的问题，所以要把主板芯片引脚与副版芯片引脚直接用万用表测量，观察是否接通，然后上电测量，要十分注意芯片是否发热。系统硬件调试方法如下：对印刷电路板质量检查、测试，是否同印刷制电路板图一致。对所用的元器件质量检查。两者无误后进行下一步。2）按照印刷电路板上的器件名称、表识焊接好各个元器件。3）采用万用表、示波器、信号发生器等一般调试工具和测试软件对硬件电路电气性能测试，看是否能正常工作。5.2系统软件调试软件调试采用模块化调试方法，每一模块逐一调试，然后再将所有模块组合一起，进行整体调试。软件的调试主要有语法错误和逻辑错误两类。语法错误可直接修改，逻辑错误则需进行单步调试，看程序是否按逻辑顺序进行，然后写入到芯片内，查看程序运行效果，反复调试。系统软件调试方法如下：软件在各个子程序模块调试都正确后，再将相互有关系的模块逐块组合起来加以调试，以解决在程序模块连接中可能出现的逻辑错误。2）对所有程序模块的整体组合调试是在与系统联机后进行的。5.3调试中出现的问题硬件调试过程中发现，无论输入为多少，数码管显示数据均不变。经多次测量各芯片管脚的输入值发现，A/D采集并未实现，即有输入电压但并没输出，经测量研究发现供电电源没有采用稳压电源供电，将LM336连入其中，测试即正确。由于本系统的编译采用汇编语言，故要注意文件的扩展名为.ASM，错误的使用了.C以致无法运行；注意自定义符号不要与伪指令重复，程序调试中发现HD7279的串行数据输入/输出的符号与伪指令DATA重复了，将其改为DAT即正确；还有一些逻辑错误，经仔细研究分析，修改后无误。5.4调试结果分析经过硬件调试和软件调试无误后，将两者结合进行最终调试，经过多次修改后，成功显示温度值，其测量数据如下表5-1所示。从调试结果中可以看出，测量温度值与理论温度值并不是完全吻合，即存在一定的误差，误差的存在有时是不可避免的，而有时却是可以通过一些方法来减少误差的存在，要使测量准确可靠，必须减少误差。此设计采取了小数点后第二位四舍五入的方法来减小一定的误差，但并没有完全消除，此系统误差主要来源于以下几个方面：1）由于实验理论在计算上存在着近似性，方法上难以完善，因此理论温度值并不是真实温度值，而只是非常接近于真实温度的值，故存在一定的误差。2）实验仪器灵敏度和分辨能力有局限性，而且芯片本身存在非线性化误差。3）驱动电源为220±10%V，基准电源不稳，造成输入输出的误差。4）周围环境不稳定，每次测量时限不统一都会造成测量误差。表5-1测量数据电位器给定电压(V)显示温度值(℃)理论温度值(℃) 误差(℃)2.1032.4012.50236.50536.70236.9002.90137.50037.8993.20338.40238.70339.00439.30439.60140.240.00.24.00040.80041.40042.00042.242.00.25.5改进方案及推广应用由于普通红外测温仪只限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部和存在障碍物时的温度，所以可以在其检测头部加一段光导纤维，并在其前端装一个小视角的透镜，这样被测物体的辐射能经过透镜到光导纤维内部。在光导纤维里面经过多次反射传至检测器。因为光纤可以自由弯曲，使辐射能自由转向，这就解决了物体内部温度的测量问题，可以测量有障碍物挡住的角落等地方的温度。由于SARS和H1NI甲流的出现(其相似并发病症状之——发烧)，这样，红外测温仪就用于人体温度的测量和大量人群的初步筛检。但是非接触式人体红外测温仪测量的是表体温度而非精确体温，所以有关人体表面温度和传统的用体温计测得的腋下温度之间的相关性还正在研究之中，且发表的相关文章少之又少。到目前为止，还没有任何结论性的证据表明，其中一种温度可以可靠地、一致性地表示为另一种温度。本文通过研究部分受试人员的温度测试结果发现：手持式红外侧温仪所测得的人体表面温度与体温(腋下温度)相比较，其温差因人体个体差异而一致性较差。从本设计试验结果来看，如果将温差判据确定为2℃-4℃时，将仍然有35%左右的人员漏查和不必要的进一步待查。而按照现在一些相关单位暂时提出的红外测温值修正1℃-3℃，那么可能漏查的人员更多！基于普朗克辐射理论的红外非接触测温技术，由于被测物体均非物理惫义上的黑体(发射率ε=1),而是灰体(发射率ε(λ,R,……)<1)，而被测物体的发射率ε(λ,R,……)与辐射波长λ，辐射物体表面粗糙度R，被测物体的材料等有关，因而其测温的准确度受到限制。相对于工业用途的红外测温来讲，人体表面的红外测温因每个人的个体差异较大(诸如人体自身对周围环境温度的适应调节能力，皮肤状况，化妆，出汗，肤色等)，因而很难准确地(标准体温计的准确度为±0.15℃)地给出人体温度。结束语本次设计的主要内容是利用单片机和传感器完成人体体温的非接触式测量。该系统主要应用在人们的日常生活中，对人们了解自身的健康状况至关重要。整个系统的设计简洁，准确，快速，方便。设计的核心部分选用AT89S52芯片和PM611红外温度传感器。另外，软件程序的设计包括数据采集程序，A/D转换程序，显示程序等。目前，整个程序设计已完成并调试成功，整个装置基本达到预期效果。但还有不足之处，LED显示不是很稳定，精度也不是很高，需要进一步的调试。本设计采用额头为测量部位，由于探头对准内额头，测量的影响因素较少。其突出优点是：控制简单，显示直观，运用数码管显示，合理的利用了传感器的特性进行了一次实践，但由于试验条件和个人能力的限制，本系统还有待进一步的完善，如：测量值的存储，根据时间、年龄、性别等不同来设定发热温度进行语音提醒；当在一定时间内无测量则自动关闭等功能，使该系统功能更加强大。我国是世界第一人口大国，随着国民对医疗卫生要求的不断提高，医疗电子类产品的需求量不断增大，产品具有广阔的市场前景。希望有志之士投入到医疗电子的研发中去，提高我国医疗电子类产品的实力。致谢经过将近一个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导老师的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的。我要在这里对他们表示深深的谢意！首先感谢我的指导老师——刘世林老师，感谢刘老师对本论文从选题、构思、资料收集到最后定稿的各个环节给予细心的指引和教导，使我对本次设计有了深刻的认识，并最终得以完成毕业论文，同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多关于单片机和传感器方面的知识，实验技能有了很大的提高。其次要感谢和我一起作毕业设计的同学们，他们在本次设计中勤奋工作，克服了许多困难来完成此次毕业设计。因为有了他们的努力工作，此次设计的完成才会如此顺利。最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢！参考文献那彦.电子及通信毕业设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.程玉兰.红外诊断实用技术[M].北京：机械工业出版社，2002.赵全利，肖兴达.单片机原理及应用教程(第二版)[M].北京：机械工业出版社，2008.彭承琳.生物医学传感器原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2000.何希才.传感器及其应用实例[M].北京：机械工业出版社，2004.黄贤武，郑筱霞.传感器实际应用电路设计[M].成都：电子科技大学出版社，1997.何志彪，黄光，易新建.热释电红外测温方程的研究[J].红外技术，1999.陈继述.红外探测器[M].北京：国防工业出版社，1986.胡乾斌，李光斌，李玲.单片微型计算机原理与应用[M].武汉：华中理工大学出版社，1997.柳刚，黄竹邻，周昊，王双保，易新建.非接触式红外研制[M].光电子科技与信息，2005.陈永甫.红外探测与控制电路[M].北京：人民邮电出版社，2004：290-320.何希才.传感器及其应用电路[M].北京：电子工业出版社，2001：7—46，177—191.马殿阁.多路红外温度监测仪[J].电子测量技术，1993(3)：55—56.刘瑞新.单片机原理及应用教程[M].北京：机械工业出版社，2005.7.《无线电》杂志社.无线制作精汇[M].北京：人民邮电出版社，2005.赵亮.单片机Ｃ语言编程与实例[M].北京：人民邮电出版社，2003.阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.5.谢嘉奎.电子线路――非线性部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，附录2源程序#include<at89x51.h>//头文件#include<absacc.h>#include<ctype.h>#include<math.h>#include<stdio.h>#include<string.h>#include<PM611.h> //测温头文件#include<LCD1602.h> //显示头文件sbitupalarm=P3^0; //上限温度报警信号sbitdc_motor_run=P2^6; //超过上限温度,报警bitup_one,down_one; //加1和减1标志bitalarm_up_flag; //上限报警设置标志bitset_temper_flag; //设置控制标志温度标志bitalarm_switch; //报警开关bitset_temper_dot_flag;unsignedcharuser_temper=37; //用户标定温度 unsignedcharTH=30,TL=20,RS=0x3f;//上限温度50,下限20,分辨率10位,也就是0.25摄氏度unsignedunsignedchart[2],*pt; //用来存放温度值,测温程序就是通过这个数组与主函数通信的unsignedcharTempBuffer1[17]={0x2b,0x20,0x30,0x30,0x2e,0x30,0x30,0x20, 0x53,0x45,0x2b,0x20,0x30,0x30,0x2e,0x30,'\0'}; //显示实时温度,上电时显示+00.00SET+00unsignedcharTempBuffer0[17]={0x54,0x48,0x3a,0x2b,0x20,0x30,0x30,0x20, 0x54,0x4c,0x3a,0x2b,0x20,0x30,0x30,0x20,'\0'}; //显示温度上下限,上电时显示TH:+00TL:+00unsignedcharcodedotcode[4]={0,25,50,75};因显示分辨率为0.25,但小数运算比较麻烦,故采用查表的方法*再将表值分离出十位和个位后送到十分位和百分位********************/voidsounddelay();voidtempsound();/***********用户设定温度转换为LED显示数据***************功能:将用户设定温度user_temper,分离出符号位,百、十、个位 并将它们转化为ACSII码,送到液晶显示缓冲区voiduser_temper_LED(unsignedchartemper){ TempBuffer1[10]=0x2b; //0x2B为"+"的ASCII码 TempBuffer1[11]=temper/100+0x30; //分离出temper的百十个位 if(TempBuffer1[11]==0x30)TempBuffer1[11]=0xfe;//百位数消隐 TempBuffer1[12]=(temper%100)/10+0x30; //分离出十位 TempBuffer1[13]=(temper%100)%10+0x30; //分离出个位 TempBuffer1[15]=user_dot_temper+0x30;}/***************温度转换为LED显示数据*************功能:将报警温度,分离出符号位,百、十、个位,并将它们转化为ACSII码,送到液晶显示缓冲区voidalarm_LCD(unsignedcharTH,unsignedcharTL) {TempBuffer0[3]=0x2b; //0x2B为"+"的ASCII码if(TL>0x7f)elseTempBuffer0[11]=0x2b; //0x2B为"+"的ASCII码TempBuffer0[4]=TH/100+0x30; //分离出TH的百十个位if(TempBuffer0[4]==0x30)TempBuffer0[4]=0xfe;//百位数消隐TempBuffer0[5]=(TH%100)/10+0x30; //分离出十位TempBuffer0[6]=(TH%100)%10+0x30; //分离出个位TempBuffer0[12]=TL/100+0x30; //分离出TL的百十个位if(TempBuffer0[12]==0x30)TempBuffer0[12]=0xfe;//百位数消隐TempBuffer0[13]=(TL%100)/10+0x30; //分离出十位TempBuffer0[14]=(TL%100)%10+0x30; //分离出个位}/**********温度转换为LED显示数据*****************功能:将两个字节的温度值,分离出符号位,整数及小数 并将它们转化为ACSII码,送到液晶显示缓冲区voidtemper_LCD(void) {unsignedcharx=0x00,y=0x00;t[0]=*pt;pt++;t[1]=*pt;}elseTempBuffer1[0]=0x2b; //0xfe为变"+"的ASCII码t[1]<<=4; //将高字节左移4位t[1]=t[1]&0x70; //取出高字节的3个有效数字位x=t[0]; //将t[0]暂存到X,因为取小数部分还要用到它x>>=4; //右移4位x=x&0x0f; //和前面两句就是取出t[0]的高四位,t[0]的低四位代表小数 t[1