《非接触式红外红线测温系统设计》8700字（论文）

非接触式红外红线测温系统设计摘要体温是人类一项非常重要的基本生理特征，不仅能够反映一个人健康情况，还能反映一个人的日常生活状态。大部分疾病的发生都会引起体温的变化，这些变化中以体温的升高为主，也就是们常说的发烧，比如2003年爆发的SARS病毒，2009年席卷全球的甲型HN1流感病毒，以及2020年年初的“新型冠状肺炎”等等，体温的测量从测量方法上可以分成接触式、非接触式两类，非接触式体温计在进行测量体温时，不易造成交叉性感染，而且测温速度较快，不影响物体本身的温度场等等优点，特别是在今年年初时用于排查“新型冠状肺炎”起到了非常大的作用。本文主要是通过研究大量参考文献和红外测温的基础理论知识，指在设计一款具有非接触式红外红线测温系统，主要进行以下工作和研究:首先，本文较为详细的介绍了红外测温技术在国内外研究现状和发展，还分析了接触式测温计和非接触式测温仪的优缺点，还描述了红外测温技术的应用领域和发展方向，按照红外测温系统的功能需求进行分析，给出了技术指标和总体技术方案。其次，在硬件方面首先使用MLX红外测温模块的MLX90614ESF模块作为红外测温传感器，采用LCD1602液晶的LCD1602型号作为温度显示器，蜂鸣器作为温度报警器，同时使用了无极性电容、极性电容、下载口2.54排针、蓝白电位器、直插三极管，还使用了1K和10K的定值电阻，电路方面采用了AD转换电路，OLED显示电路，微控制器外围电路，温度报警电路，USB供电电路等。最后，在软件设计方面，自主设计了红外测温系统的总体软件流程图和各个模块的软件，使用最小二乘法进行多项式拟合得出目标温度与红外热电堆信号和热敏电阻信号的对应关系，使用C语言在VisualStudio平台上完成了上位机程序的编写，该系统在功能上可以实现测温距离，环境温度以及环境湿度的误差补偿功能，高温报警。关键词：红外测温，神经网络，传感器，体温目录1绪论 11.1研究背景和目的 11.2测温技术国内外研究进展 11.2.1测温技术国内外研究进展 11.2.2非接触式测温国内外研究进展 21.2.3红外测温技术国内外研究趋势 22系统总体设计方案 42.1系统概述 42.2控制系统设计 42.3本章小结 53控制系统的硬件设计 63.1核心控制模块 63.2GY-906MLX90614ESF非接触式红外测温模块电路设计 73.3蜂鸣测温报警模块 83.4液晶显示模块 83.5键盘控制模块 93.65V电源电路模块 93.7本章小结 104控制系统的软件设计 114.1系统软件设计总体思路 114.2主程序设计 114.3红外测温模块程序设计 134.4蜂鸣测温报警模块程序设计 134.5液晶显示模块程序设计 134.6键盘控制模块程序设计 144.7本章小结 145控制系统调试 15结论与展望 16参考文献 18附录A系统电路原理图 20附录B系统电路PCB图 2附录C系统源程序 2附录D主要参考文献的题录及摘要 附录E外文文献原文及翻译

1绪论1.1研究背景和目的虽然标准的医疗上的汞准针和电子温度计都非常准确，但它们不符合快速测量的要求，也不容易产生进来污染的危险。近年来，由于夫妻之间没什么接触，他们的时间不多，敏感度也高，所以常常用红外线温度计。现在一般的红外温度计有红外耳温度计、红外额头温度计和红外温度计。用耳温红外级别，感应器应该瞄准耳膜。如果操作不正确，则测得的温度将不准确。红外额头温度计的电流精度受环境温度和距离的影响，并且电流精度不够高。精度高，但价格昂贵。测量温度的方法可以分为接触式和非接触式两大类，水银温度计属于接触式温度测量，尽管它测量出来的是真实温度，但是这种方法存在着诸多缺点，水银温度计的外壁很容易被破坏从而造成泄露，造成人员汞中毒和环境污染，同时水银温度计测量过程极为耗时，同时需要医生以肉眼仔细地进行观察，这种情况易造成测量误差，水银温度计所造成的交叉也是一个不好解决的问题。还有接触式测温在接触物体时对物体本身的温度场会产生影响，造成测温误差。正是因为有着诸多缺点，欧盟国家已经禁止水银温度计的销售和使用。近年来随着国内爆发了大规模传染病如SARS，禽流感，猪流感以及最近的新型冠状病毒所带来的肺炎，非接触式体温测量仪越来越多地投入到市场进行使用，这种方法避免了与人体的直接接触，可以对大量人群进行快速测量，有效地遏制了流行病的传播，提高了对疾病的检测能力。到现在为止经常可以见到的红外测温产品主要有耳温测量仪，额温测量仪、红外热像仪、红外照相机等等，尽管红外测温仪在精度上和可靠性上存在一定的不足，不一定能够查出每一个患者，但应对大规模流行病时依然不失为是一个快速检查的手段，具有重要的研究意义。1.2测温技术国内外研究进展1.2.1测温技术国内外研究进展国外现在红外测温系统相对较为发达，其中主要以美国、日本、德国等发达国家为主。军工类红外测温系统研究较深的有美国Honeywell和休斯公司，商业类有日本横河电机、日本三菱电器、瑞典AGA红外系统工程公司和HGH红外系统工程公司。美国休斯和和日本三菱电气的产品主要体现的目标有：•以量化温度测试温度测量•详细信息加工和影像诊断•比较图片•画面的储存和恢复、登记;截至2006年，中国有132万家制造公司，例如15,000家冶金公司，超过30万家食品制造公司，7万家电子设备制造公司和36,800家机械设备制造公司。是用于过程控制的红外热像仪可以显着提高企业的产品质量。例如，大型制造公司中有10％配备了红外热像仪，而每个公司都配备了红外热像仪。市场总需求将达到13.2万个单位，按10万元（现价为15万元）的单价，可能达到132亿元。1.2.2非接触式测温国内外研究进展温度计有两种主要的方法。其中一种是用于计算外界接触温度的方法，主要是电参数随温度变化。另一个穿过表面的温度计则是温度计，它的准确度主要体现在热辐射的反射下，这也限制了日常使用外界温度计的能力。外线温度检测的另一个方法是"无触温度检测"摄影师或红外线感应器通常被用作与隐形感应器不同的测测元件。为了确定物体的表面温度，因此可以对其进行记录和组合。获得自己的红外辐射能量的方法。因此，非接触式红外测温将更有意义，未来的应用前景将非常广阔，这将为未来的生活和生产带来更多的便利。因此，非接触式红外测温仪的使用很重要。探索更重要，应该投入更多的精力来实现人类生活的更大福祉和便利。1.2.3红外测技术国内外研究趋势1.红外热像仪现如今行业发展概况红外热像仪广泛用于经济的各个领域，例如电力，消防安全，工业和安全。近年来，热像仪行业的发展表现出以下特点：（1）红外热像的高速发展期

图1-12003-2006年全球民用红外热像仪市场销售额（2）中国红外测温仪的发展空间周一晚上，在建设中“2006年11月11日，中国技术工程标准化协会通过了“探测外部事件识别方法的红外热成像”项目。驱动摄影机在建设规范。差不多有100,000个开发商正在全国发展。如果每一家公司都装了红外摄像机，总市场需求将达到100,000单位。一般来说要2万元的话，市面上的销售额可能会达到204亿元。

截至2006年，中国有132万家制造公司，例如15,000家冶金公司，超过30万家食品制造公司，7万家电子设备制造公司和36,800家机械设备制造公司。是用于过程控制的红外热像仪可以显着提高企业的产品质量。例如，大型制造公司中有10％配备了红外热像仪，而每个公司都配备了红外热像仪。市场总需求将达到13.2万个单位，按10万元（现价为15万元）的单价，可能达到132亿元。（3）中国红外测温仪的研究和开发能力有了很大的提高红外热像仪的研究与开发涉及光学，电子，计算机，物理，图像处理，新材料和机械等许多领域，这是极其困难的。近年来，红外摄像机制造商通过引进人才，进行技术研究和增加投资，在开发红外摄像机和新型红外产品的核心组件（探测器等）方面取得了长足的进步。我国红外热像仪的研发能力有了很大提高。

2控制系统总体设计2.1系统概述由前文以及关内外红外测温研究结果可得，该红外测温系统可分为硬件采集部分和软件分析两部分。其中硬件采集主要由红外测温传感器采集外界温度，在经过软件分析后传输到液晶显示模块进行温度的显示。软件部分是将硬件所采集到的信号进行处理加工,可通过调节温度测将范围在温度超过设定温度阈值是会产生报警，从而做到温度监控的作用。本系统由STC89C52单片机、lcd1602液晶、MLX90614ESF红外非接触温度检测、按键、蜂鸣器报警及电源组成。1、液晶实时显示MLX90614ESF检测的环境温度值和被测物体温度值，显示中E环境温度，O物体温度。2、可以通过按键设置温度的阈值，如果检测到的物体温度高于设置的阈值，则蜂鸣器报警，否则，蜂鸣器不报警。3、测量距离一般在传感器上面1-2cm左右，不要紧贴着传感器或者测量距离过远。2.2控制系统设计本设计采用的是模块化设计，是将总模块划分为很多个不同功能的小模块，其中包括红外测温模块、蜂鸣测温报警模块、液晶显示模块以及键盘控制模块。控制系统的总思路如下图：单片机单片机液晶显示电源传感器键盘蜂鸣报警图2-1控制系统总体设计图红外测温系统工作原理：接通电源，本系统运行后，红外测温传感器探测所测物体温度，可通过键盘模块调节所检测的最大温度，传感器将被测物体的温度信息测出后传输带到单片机内部进行信息处理，然后在传输到液晶显示模块，显示出被测物体的温度值，当被测物体温度高于设定的温度阈值时单片机会传输信号给蜂鸣报警模块，此时蜂鸣报警器开始工作，提示被测物体温度过高。2.3本章小结本章内容主要对红外测温的系统进行总体和分块进行简单的介绍。运用的设计思路时化整为零，将总模块划分为许多小模块进行分类工作，其中包含的部分有红外测温模块，蜂鸣报警模块，液晶显示模块和键盘控制模块。其次还介绍了这几大模块各自的功能以及所产生的作用，红外测温模块主要起到测量被测物体温度的功能，蜂鸣报警模块起到监测和提醒的作用，液晶显示模块起到的时显示被测物体温度的做用，键盘控制模块起到的是调节温度阈值的作用，从而保证温度的正常监控和报警。

3控制系统的硬件设计3.1核心控制模块本设计核心控制系统采用的是STC89C52芯片。主要原因是这种单片机是真的便宜，这让出自贫困家庭的我也能接受，另外一个原因则是STC89C52芯片操作简单。P1P1.0VccP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RST/VPDP0.7P3.0/RXDEA/VppP3.1/TXDALE/PROGP3.2/INT0PSENP3.3/INT1P2.7P3.4/T0P2.6P3.5/T1P2.5P3.6/WRP2.4P3.7/RDP2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.012345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221图3-1单片机引脚图STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89C52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。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。单片机最小系统包括电源供电电路，晶振电路和按键复位电路，其中电源电路主要就是给整个系统供电的（图3-2a），晶振电路（图3-2b）就是提供频率的，按键复位电路（图3-3c）就是回复初始状态。(a)(b)(c)图3-2单片机最小系统原理图3.2GY-906MLX90614ESF非接触式红外测温模块电路设计MLX90614是一款非接触式温度测量的红外温度计。TO-39封装内集成了对红外灵敏的热电堆探测器芯片和信号处理ASSP（专用集成电路）芯片。图3-3传感器实物图用户可以将输出配置为PWM格式。作为标准，将PWM格式配置成10位来连续传送测量温度。测量温度范围为0-200℃，分辨率是0.5℃。本传感器体积小，成本低，易集成。模块接口（1）VCC接5V（2）GND接GND（3）SCL时钟端，接单片机引脚（4）SDA数据端，接单片机引脚模块接口原理图如下图所示。图3-4传感器接口电路原理图3.3蜂鸣报警模块有源和是电子和的综合结构。本系统使用的报警模块为主动5V模块。该电路由9012晶体管控制。只要单片机的控制销很低，夏季就会发出警报，否则就不会发出警报。它可以由单片机控制，单片机控制矩形波形和模态之和。这是一个具有保护作用的极限电流电阻。图3-5蜂鸣报警器电路原理图3.4LED液晶显示模块液晶显示器有两种类型:地面显示和字符显示。此字段应以与LED显示相同的方式显示，前提是将相应的信号发送到适当的显示引脚。字符显示用于在需要时显示基本字符。此设计应以字符显示。lcd1602应使用作为系统输出信息的指示器。与传统的LED显示器相比，LCD模块具有体积小、能耗低、显示内容丰富等优点，不需要外部控制开关。液晶显示模块是目前单片机应用设计中使用最广泛的显示模块。LCD1602主要技术参数中有：显示的容量：16×2个字符；芯片的工作电压：5V±0.5V;工作电流为2.0mA（额定电压为5.0V）；模块的最佳工作时的电压为5.0V；字符的尺寸：2.95×4.35（W×H）mm。LCD1602采用标准的14脚，其中第一、第二引脚分别为地线和火线；第三引脚为LED显示调整；第四引脚为寄存器选择；第五引脚为读写信号线；第六引脚为使能端；第七～十四引脚为八位双向数据线；第十五～十六引脚为空脚。图3-6LED液晶显示模块电路原理图3.5键盘控制模块触摸屏是按键产品分类的产品，相当于电子开关。开关可以通过轻按按钮打开。当按钮被释放时，开关被关闭。实施原则是主要原则。连接和分离可以通过按下按钮上的金属碎片和施加冲击来实现。在这个系统中，密钥作为系统的输入，在人机交互中起着决定性的作用。默认情况下，密钥的单片机控制销很高。按下按钮后，相应的单片机铅笔将被放下。然后手动输入系统。注意按钮的数量是可变的。电路图如下图所示。图3-7键盘控制模块电路原理图3.65V电源电路模块系统采用5V直流电源作为总电源，为整个系统供电，电路简单稳定。直流电源插座可直接连接到USB电源电缆上，一端可连接到直流电源插座上，另一端可连接到USB电脑、充电宝等5V电源上。电阻作为系统位置指示器，是1K的电阻，作为功率限制器，保护LED灯不被过度燃烧。SW是一个自动锁定开关。按下开关后，红灯亮起，系统电源为5v直流电压输出。当开关重新启动时，红灯熄灭，系统电源没有5V输出电源。图3-85V电源电路原理图3.2本章小结本章内容主要介绍了红外测温系统的一些硬件设备参数和各个模块的电路原理图，表3-1是对该章内容各数据的一个整理：表3-1系统技术指标参数名称指标工作波段（um）5~14测温范围(℃)0~200绝对精度(℃)5供电电压(V)5环境温度(℃)5~35灵敏度(V/W)65反应时间(S)1分辨率(℃)0.1显示尺寸(W×Hmm)2.95×4.35重量(g)120

4控制系统的软件设计4.1系统软件设计总体思路一个完整的控制系统必须由硬件系统和软件系统组成。为了充分发挥系统的设计功能，需要一个支持硬件平台的软件程序，即在微控制器中编程的程序。整体控制系统软件设计思路如下图4-1。主主程序温度读取子程序液晶显示子程序键盘扫描子程序蜂鸣报警子程序图4-1系统软件设计思维导图以此循环所有模块的程序和子程序，完成控制系统的软件部分操作，该系统软件设计思维导图见图4-1。4.2主程序设计由于整个程序比较复杂，且计算量较大，用到了较多的浮点数计算，所以程序的编写采用了C语言。对于51系列中的大多数单片机，与使用汇编语言相比，使用高级语言(如c语言)具有以下优点:不需要知道处理器命令集或存储结构。记录和寻址由编译器管理器执行。编程不需要考虑存储地址、数据类型和其他细节。为特定操作选择变量的组合提高了程序的可读性。可以使用更接近人类思维的关键字和操作功能。它们类似于汇编语言的使用。另一方面，开发和调试程序的时间大大缩短。C语言库文件提供了许多标准例程。模块化编程技术可以用C语言实现，这样编程的程序就可以添加到新程序中。C语言非常便携和流行。C语言编译器适用于几乎所有的目标系统。完成的项目可能很简单，C语言相对于汇编语言是功能性和结构化的。它在性能、可读性、可移植性和可维护性方面具有明显的优势，并且易于学习和使用。图4-2主程序设计流程图在主程序中，通过定时器中断定时每20ms对传感器进行一次数据采集，采集完成的数据将在液晶显示屏上进行显示。同时，会将所采温度数据与设置的温度值进行对比以确认红外测温是否达到设定值，达到设定值时会有蜂鸣报警。通过键盘按钮可以对设置值进行修改。主程序设计如图4-2所示，单片机上电后，对定时器中断和液晶显示初始化设置。设置完成后，对定时器中断函数返回的定时20ms标志进行判断，只有改标志为1时，才会采集传感器温度值并显示，判断是否达到设定值；同时主程序会对键盘进行扫描，判断是否需要修改设置值。4.3红外测温模块程序设计红外测温模块采用IIC通讯协议，由于单片机没有相应的接口无法直接与改模块进行通讯。故在红外测温模块的程序中，需要对改协议中的起始信号和终止信号进行一定的模拟后，才可以使单片机读取传感器采集的数据图4-3红外测温模块程序设计流程图红外测温模块所采集的温度包括环境温度和物体温度两部分，其中环境温度是指传感器当前所处环境的温度，物体温度是指所测物体（目标物体）的温度。单片机上电后，传感器按照程序采集环境温度和物体温度，温度包括整数和小数两部分，采集的温度会通过主程序进行处理显示。4.4蜂鸣报警器模块程序设计蜂鸣为有源蜂鸣，通电后自动按照内置电路进行震荡蜂鸣。蜂鸣报警模块程序设计在图4-2中主要根据物体温度和设置值的对比决定是否启动，当物体温度大于设置值时，启动蜂鸣报警；当物体温度小于或等于设置值时，停止蜂鸣报警。4.5液晶显示模块程序设计液晶显示主要为主程序对传感器采集数据完成后的数值进行显示，程序设计如图4-4流程图所示。在单片机启动后，先对液晶显示进行初始化，设置其显示模式。初始化完成后检测当前液晶是否处于忙信号状态，只有为非忙信号状态时，才能对液晶显示模块进行指令和数据设置。通过写指令可以对液晶显示的模式进行更改，通过写数据可以对液晶显示的显示内容进行更改。图4-4液晶显示模块程序设计流程图4.6键盘控制模块程序设计键盘模块主要有两个按键组成，在图4-2中，用于对设置值的修改，由单片机主程序进行键盘扫描按键状态。当主程序扫描到按键按动时，会通过主程序对设置值进行加减以修改数值。4.7本章小结本章结合控制系统的硬件设计对每一个硬件模块进行了程序上设计，针对所选模块按照硬件参数进行了详细说明并按照其严格进行程序设计。通过在Proteus上进行硬件和程序的仿真检验程序设计的合理性，调试修改完善程序。经仿真，改程序设计合理，可以达到控制系统设计需求。5控制系统调试前面几章主要介绍了红外测温系统国内外发展状况以及发展前景，同时还介绍了我自己研究的红外测温系统的硬件模块以及各模块软件程序，俗话说：是骡子是马先拉出来遛一遛，下面我就将所研究红外测温系统的一些实测数据和实物演示。表5-1实测数据表序号测量距离（cm）环境温度（℃）实际温度（℃）红外温度（℃）121736.235.8221937.236.932.51736.335.742.51936.936.5531736.935.2631937.536.3从表5-1中的数据可知，本设计所测温度的准确性与测量距离环境温度都有一定的关系，当环境温度不变时测量距离越大，所测温度误差越大，当环境温度不变时测量距离小，所测温度误差越小。除了测量距离对所测物温度体有替啶影响外，环境温度对被测物体的实际温度也有一定的影响。当测量距离不变时，环境温度越高，被测物体的红外测量温度偏高，环境温度越低，被测物体的红外测量温度偏低。（b）图5-1实物调试图在环境为26.5℃下。对人体手指进行测温，手指距红外测温传感器约2cm，测量结果如图5-1（b）所示为36.6℃。

结论与展望1本文工作总结本文设计的是一款利用红外测温的温度计，可以非接触的测量人的体温。总结本文，全文主要完成了以下内容：1.通过阅读和阅读大量文献并学习有关红外测温的基本理论，掌握设计的基本知识，了解国内外红外测温技术的发展现状和趋势2.结合相关理论和实际需求，完成了高精度红外测温系统的总体方案，并提出了具体的实现方案。3.根据系统各个模块的要求，系统需要微控制器，红外传感器，放大器AD转换器，激光测距模块，环境温度测量模块，环境湿度测量模块，显示模块和无线通信模块。随身携带组件的选择。2后续工作展望本文开发的红外测温系统通过正确设计误差分析电路和算法校正，有效提高了测温精度。但是，由于研究深度和知识水平等多种因素的限制，系统上仍然存在许多不足和不足之处需要改进，主要体现在这些因素上。（1）本文使用的神经网络算法模型需要大量的数据进行训练。由于时间和实验条件的原因，获得的实验数据相对有限，训练网络的准确性不是很好。将来我们可以做更多的事情。通过实验获得相关的实验数据进行训练。同时，所有实验都是在实验室条件下进行的，与实际应用场景相距甚远，因此有必要深入研究特定场景的使用以进行进一步研究。（2）当前正在编写的C语言程序可以实现每个模块的正常运行，但是总体代码效率不高，需要进一步优化。（3）本文使用的算法是有限的，引入其他类型的算法可能会产生更好的结果。

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