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DesignofInfraredHumanBodyTemperatureDetectionDeviceBasedonSingleChipMicrocomputer============================================Abstract:Inordertosolvetheproblemoftraditionaltemperaturemeasurementspeedslowanddifficulttouseinhighpopulationdensity,thispaperintroducesthedesignofafastinfraredhumanbodytemperaturedetectiondevice,thedeviceusingnon-contactmeasurementmethod,canquicklyandaccuratelymeasurethetemperatureofthehumanbody,andonindividualbodytemperatureanomalieswithidentificationandalarmfunction.Themeasuringdevicemainlycomprisesaninfraredsensor,ananalogdigitalconversioncircuit,asignalanalysisandprocessingcircuit,adigitaltubedisplaycircuitandanabnormalalarmsystem.ThisdesignunderthecontrolofAT89C51.Firstofall,thetps334infraredtemperaturesensortodetectthehumanbodytemperature,thenchoosetheAD7705digitaltoanalogconversion,andthenthesignalprocessingmethodformeasuring,finallythroughtheLCDintuitivedisplayoutputdata,performthemeasurementtask.Theexperimentshowsthatthesystemcanrealizenoncontacthumanbodytemperaturemeasurementandabnormalalarmfunction,andhasthecharacteristicsofhightemperaturemeasurementspeed,highsensitivity,convenientoperationandsoon,ithascertainapplicationvalue.Keywords:InfraredTemperatureSensor;FastCheck;A/DSwitch;DecodingDisplay;ExceededAlarm目录1引言 11.1研究背景 11.2基于单片机的红外快速人体温度检测装置的研究意义 11.3本文主要研究内容 22基于单片机的红外快速人体温度检测装置的设计框架 22.1设计思路 22.2方案比较 22.3利用红外测温的优点 43红外测温系统设计与工作原理 53.1红外测温系统组成 53.2单元电路的设计 53.2.1传感器选用 53.2.2信号处理电路设计 63.2.3译码显示电路设计 143.2.4报警电路 153.2.5电源电路的设计 163.3系统的工作原理 164软件设计 184.1软件设计流程图 184.2热敏电阻测量温度算法设计 184.3程序设计 185总结 20参考文献 211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。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，。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1模拟电路处理电路图图2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9～10μm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。图3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]。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4处理电路框图(一).A/D转换电路（1）AD7705具有以下特点：①具有16位无丢失代码；②非线性度约为0.003%；③输出数据更新率能够编程；④具有增益可编程功能，它的调整范围为1～128；⑤带有三线串行接口；⑥可进行自校准和系统校准；⑦功耗低。（2）图5为AD7705的引脚图，各引脚的主要功能如下：图5AD7705的引脚排列图①SCLK：时钟输入端。②MCLKIN：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。③MCLKOUT：输出时钟信号端。④/CS：片选端，低电平有效。⑤/RESET：芯片复位端口。⑥AIN2（-）：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。⑦AIN1（-）：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。⑧REFIN（-）：参考电压的负端；REFIN（+）：参考电压的正端。⑨DRDY：模数转换结束的标志，高电平有效。⑩DIN：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。MSBMSBLSBSCLKDOUT图6AD7705转换器读数据时序图CSSSCLKCSSSCLKDINMSBLSBt18图7AD7705转换器写数据时序图表1AD7705的寄存器地址表表2AD7705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。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3CH1，CH0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4寄存器控制字MD1和MD0是对工作模式进行选择的控制位。转换器进行正常A/D转换，正常工作模式。零标度系统校准。10自校准模式。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5时钟寄存器的整体控制位CLK：时钟选择位。CLKDIV：时钟分频位。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所示是其主要性能参数与管脚排列。表6管脚性能参数图8AT89C51排列引脚图（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：①．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7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8RS1，RS0对寄存器的选择②．通用寄存器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9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。图10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。图11蜂鸣器报警电路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。11234C40.33uFC50.1uFVin1GND2Vout37805C6100PFC70.1uF+5v220V图12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：AC220V交流变压器交流变压器整流器滤波器稳压电路市网电压图13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。图14程序流程图4.2程序设计本设计程序可分为主程序，A/D转换读取程序，延时程序，LED显示程序和报警程序等几个部分，图14为主流程图。表9A/D转换器读数与环境温度的对应关系5总结本设计对基于单片机的红外快速检测人体温度测量装置进行了设计与开发，该新型的红外体温计能够有效避免了国内传统的体温计存在的测量时间长、需要解除人体和测量误差大的缺点，因此拥有广阔的发展和应用前景，具有重要社会意义。单片机具有成本低、易开发学习等优点，它的这些特点为本设计的大规模使用创造了有利条件，非接触快速准确测温是未来体温测量技术的发展方向，同时也正是利用单片机的特点，我们才基于51单片机开发了红外快速检测人体温度的数字测温计。通过测试