便攜式紅外測溫系統(tǒng)的設計畢業(yè)設計說明書

1、 摘 要在許多疾病預防檢測中，測量溫度的人數(shù)眾多，時間緊迫。傳統(tǒng)的體溫計多采用物理原理，根據(jù)水銀隨溫度升降的熱脹冷縮的性質(zhì)，通過讀取刻度上的數(shù)值來判斷溫度。這種方法由于測量時間比較長，讀數(shù)不方便，容易受環(huán)境和人為因素的干擾等缺點，已經(jīng)不能滿足人們的測溫需求。紅外測溫系統(tǒng)為人們體檢測溫提供了快速有效的非接觸式手段，可廣泛應用于醫(yī)院、機場、海關、車站等人口密集地區(qū)的體溫檢測。本課題針對目前國內(nèi)外醫(yī)用測溫儀器的現(xiàn)狀，在查看了大批文獻資料的基礎上，提供了一種新的溫度測量方案，其以熱釋電紅外測溫技術作為參考，是一種基于單片機的熱釋電紅外測溫系統(tǒng)，采用具有spi（series peripheral int

2、erface 串行外圍接口）接口的tn系列紅外溫度傳感器來測量溫度信號，并且將測量的目標溫度數(shù)據(jù)送給單片機處理，之后送給液晶屏顯示，同時將測量出的數(shù)據(jù)通過無線藍牙傳輸?shù)绞謾C客戶端，并且利用單片機的蜂鳴器，當溫度超過某一個設定的溫度值時，就會發(fā)出警報聲。本文對系統(tǒng)設計中的每個硬件部分的功能和設計思路做出了詳細地說明，并給出了系統(tǒng)的軟件設計。方案以流程圖的方式介紹了各個功能的具體實現(xiàn)，軟件采用了c語言來編寫。紅外測溫技術與傳統(tǒng)的測溫方式相比，其具有響應時間短、可靠性比較強、測量溫度范圍廣、不易被其他環(huán)境與人為因素干擾、讀數(shù)方便、使用簡單、非接觸式測量、不易損壞等一系列優(yōu)點。另外對測溫誤差因素進行分

3、析，探討相應的抗干擾措施，最后對系統(tǒng)的進一步研究工作進行展望。關鍵詞：紅外測溫系統(tǒng)；單片機；熱釋電傳感器abstractin a lot of diseases prevention and detection , the number of measuring the temperature is numerous ,and time is pressing. traditional thermometers are always using physical principles , which are based on the nature of mercury with tempera

4、ture thermal expansion and contraction , by reading the value on the scale to determine the temperature . this method can no longer meet the needs of the people of temperature , because it spends a long time measuring temperature , and it is not convenient to read the results of measuring . infrared

5、 temperature measurement system for people to provide a fast and effective examination of non-contact methods, can be widely used to detect temperature hospitals, airports, customs, railway stations and other densely populated areas.the topic for the current status of medical thermometer at home and

6、 abroad , and in view of the large literature on the basis of providing a new temperature measurement program, which in pyroelectric infrared temperature measurement technology as a reference and is based on scm pyroelectric infrared temperature measurement system that uses tn series infrared temper

7、ature sensors with spi (series peripheral interface serial peripheral interface ) interface to measure the temperature signal and the measured data to the target temperature of single treatment, given after lcd display, while the measured data transmission via wireless bluetooth to a mobile client ,

8、 and use single-chip buzzer , when the temperature exceeds a certain temperature value is set , it will sound an alarm .in this paper, function and design ideas for each hardware system have made the detailed specification, and the software design of the system is given. solution in the form of flow

9、 chart introduces the concrete realization of each function, the software uses the c language to write . infrared temperature measurement technology is compared with the traditional way of measuring temperature, which has a series of advantages, for example , it has a short response time , reliabili

10、ty is strong , wide temperature measurement range , it can not easily be disturbed by other environmental factors and human, easy to read , easy to use, non-contact measurement , not easy damage. in addition, the measurement error factors were analyzed to explore the appropriate anti-jamming measure

11、s, the further research of the system was discussed in the end.key words: infrared temperature measurement system ; the scm ; pyroelectric sensor目 錄引言11 便攜式紅外測溫系統(tǒng)的設計背景11.1 體溫計的發(fā)展歷程11.2 本課題研究的目的與意義21.3 本論文的研究內(nèi)容22 設計任務和要求32.1 設計任務32.2 設計要求33 紅外測溫系統(tǒng)的總體方案選擇33.1 重要模塊的方案對比和選擇33.1.1顯示模塊的選擇33.1.2溫度傳感器模塊的選擇4

12、3.2 系統(tǒng)硬件總體設計方案43.3 系統(tǒng)軟件設計方案53.4 芯片介紹53.4.1主從控制器at89s5253.4.2紅外模塊組tn_973.4.3液晶顯示屏lcd160293.4.4穩(wěn)壓芯片lm7805113.4.5blk-md-hc-05藍牙模塊114 紅外測溫系統(tǒng)技術簡介124.1 溫度測量技術的概述124.2 紅外測溫原理134.3 紅外測溫方法134.4 熱釋電傳感器工作原理154.4.1熱釋電效應154.4.2探測器的選擇165 便攜式紅外測溫系統(tǒng)的硬件設計175.1 主從at89s52單片機處理模塊175.2 tn_9紅外測溫模塊接口設計185.3 液晶顯示模塊和聲光報警模塊1

13、85.4 按鍵模塊195.5 藍牙通信模塊和穩(wěn)壓電路模塊206 便攜式紅外系統(tǒng)的軟件設計216.1 主程序的設計216.2 tn_9紅外測溫模塊226.3 按鍵掃描模塊226.4 無線藍牙通信模塊237 系統(tǒng)調(diào)試與測試分析247.1 所用儀器247.2 焊接過程247.3 系統(tǒng)調(diào)試257.4 誤差分析與抗干擾設計267.4.1系統(tǒng)誤差分析267.4.2系統(tǒng)抗干擾設計277.5 系統(tǒng)性能測試277.6 減小誤差措施288 結(jié)論28謝辭29參考文獻30附錄31桂林電子科技大學信息科技學院畢業(yè)設計（論文）說明書 第31頁 共47頁引言便攜式紅外測溫系統(tǒng)是一種全新的測溫系統(tǒng)，其將紅外技術、傳感器技術與

14、微電子技術等相結(jié)合。這類溫度測量系統(tǒng)是非接觸式測量體溫系統(tǒng)，它主要是通過采集被測物體表面的輻射能量，并通過光學系統(tǒng)將其匯聚到紅外測溫探頭上，將物體的輻射能量轉(zhuǎn)換成為一個電壓信號，該電壓信號經(jīng)過放大、濾波、a/d轉(zhuǎn)換等處理后，送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理。通過單片機處理得到目標物體的溫度值，并讓溫度值以方便直觀的方式(例如數(shù)字)顯示在液晶屏上。以下各章節(jié)將會詳細的介紹便攜式紅外測溫系統(tǒng)的設計背景、總體軟硬件方案、設計過程中所用到芯片、系統(tǒng)的調(diào)試和性能分析等等。1 便攜式紅外測溫系統(tǒng)的設計背景1.1 體溫計的發(fā)展歷程溫度計也被稱為“醫(yī)療溫度計”，目前日常使用的是工作材料為水銀的溫度計。由于溫度的影響，

15、水銀液泡中會產(chǎn)生微妙的變化，而溫度計中的水銀體積會膨脹，所以管內(nèi)汞柱長度增長。由于人體的溫度在35到42之間，人體的生命機能可以正常工作，所以水銀體溫計的測溫范圍是以此為根據(jù)的，即水銀溫度計的測溫范圍是35到42攝氏度，并且又把每一度各自分為10個小等份，因此體溫計的精確度為1/10度。因為水銀溫度計能夠記錄測溫過程中管內(nèi)汞柱的長度不再產(chǎn)生任何微妙變化時的溫度，所以這類最高溫度計在測溫結(jié)束后，需要“回表”，即使管內(nèi)的水銀重新回到液泡之中，這就需要拿著體溫計的上部用力地向下猛甩。這是其它一些溫度計所沒有的特色，這也是水銀體溫計和其它液體溫度計之間最明顯的區(qū)別。在第十六世紀時，歷史以來第一支溫度計

16、誕生了，它是出自于伽利略之手。然而，操作方便、性能有效的溫度計的設計，出現(xiàn)在300年后。在溫度計成功研制出之后，在它的基礎上體溫計也成功的誕生了。德國物理學家華倫海特在借鑒溫度計的研制經(jīng)驗的基礎上，在1714年的時候，他成功研制出了水銀體溫計，這款水銀體溫計的測溫范圍是在水的冰點和人的體溫之間。水銀體溫計末端的水銀球內(nèi)儲存著水銀，當水銀受熱時，根據(jù)水銀熱脹冷縮的性質(zhì)，它會發(fā)生膨脹，并且水銀順著非常狹窄的玻璃管上升，形成水銀柱。所以即使小的溫度變化，也會引起玻璃管中水銀柱快速的上升。1742年，華倫海特又發(fā)明了測溫范圍為0100的攝氏溫標，這使體溫計的刻度實現(xiàn)了標準化。德國教授wunderlic

17、h在1868年，他發(fā)表了“疾病與體溫”一書，其中對25000例患者的溫度變化進行了詳細的記錄，由于wunderlich所用的體溫計的體積較大，所以每一次記錄溫度要花費20分鐘。被人們稱為“會說話”的溫度計，誕生于1980年左右，即膜狀液晶溫度計。用其測量體溫，在人體體溫正常時，將會呈現(xiàn)綠色；若是溫度偏低，則會呈現(xiàn)黃色；若是溫度偏高，則會呈現(xiàn)紅色。1865年，出現(xiàn)了細管內(nèi)有一狹道的測溫計，這類溫度計是將水銀貯存在細管內(nèi)，當它徹底接觸人體肌膚，由于水銀受熱擴張，汞柱快速升高到人體實際體溫的地方，體溫計被拿出后，水銀柱的長度是不會因為熱脹冷縮的性質(zhì)而下降，而水銀柱是在狹道處夾斷裂開，這樣就使狹道以上

18、的水銀部分一直持續(xù)不變，因此體溫度數(shù)也不發(fā)生任何改變，這種有實際使用價值的溫度計是由英國的阿爾伯特發(fā)明的。由于這類溫度計的現(xiàn)實意義，很快成為廣泛的臨床應用。1988年，電子呼吸脈搏體溫計的問世，讓人們可以通過遙測進行測量體溫。到目前為止，電子體溫計是最為廣泛流行使用的，這種廣受歡迎的體溫計可以概括的分為兩大種類，即實測式和預測式，并且它們都是可以通過讀取數(shù)字得出溫度值，這種溫度計使用比較方便。 紅外測溫儀在“非典”疫情期間得到廣泛使用，其可以分為兩類：耳式和前額，它們測量溫度的時間大約是1-3秒，其測量結(jié)果快速、可靠、安全、有效。利用液晶制成的溫度計，即液晶體溫計，用來測量體溫等待時

19、間很短，如測腋窩，其用的時間僅僅是4-5秒，準確、安全，但是價錢昂貴。1.2 本課題研究的目的與意義人體的體溫是人體生命活動最基本的指標，人體體溫也是判斷人體機能是否正常工作的重要標志之一。目前，日常水銀溫度計使用比較普及，水銀溫度計測量體溫的依據(jù)是：水銀受溫度影響而熱脹冷縮。用這種溫度計測溫，主要是利用讀取細管內(nèi)水銀所對應的數(shù)值，進一步確定被測物體的溫度。這類溫度計有許多的弊端：在使用時，需要和被測者接觸，并且常常需要較長時間，讓溫度計與人體皮膚充分接觸，當溫度測量結(jié)束后必須讓水銀重新回到液泡中，整個溫度計都是由玻璃包裹著，水銀在重新回到液泡中的過程極易破碎，而且水銀是有毒物品，對人體的負面

20、影響是非常強的，所以普通的溫度計有非常嚴重的安全漏洞。隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術的飛躍發(fā)展，人們對完全非接觸、高效率而有效的測量體溫技術的需求越來越迫切，傳統(tǒng)的接觸式水銀測溫計已經(jīng)不能滿足人們的需求。非接觸式的溫度計具備許多不能代替的優(yōu)勢，例如：安全、有效性高、使用方便等，已經(jīng)受到大多數(shù)的醫(yī)療行業(yè)的歡迎。在2003年，全球爆發(fā)了非典肺炎傳染性疾?。╯ars），在六年之后，全球又遭到甲型h1n1流感的襲擊，這些令人恐慌的疾病的爆發(fā)，使全球人民提高了對公共衛(wèi)生安全的要求。對于人口過于集中的場合來說，溫度快速測量是非常重要的，因此快速溫度測量和公眾的非接觸式醫(yī)用紅外測溫系統(tǒng)的研究不僅具有利益豐厚的商業(yè)價值，而

21、且它也具有重大的社會意義。1.3 本論文的研究內(nèi)容本課題便攜式紅外測溫系統(tǒng)屬于工程設計，其研究的主要目的在于設計一種操作簡便、快速測溫的紅外測溫系統(tǒng)。查找了許多關于紅外測溫的材料后，決定把熱釋電紅外測溫技能作為整個系統(tǒng)的重點，開發(fā)以at89s52單片機為基礎的便攜式非接觸的紅外溫系統(tǒng)，并且通過無線藍牙的傳送，同時實現(xiàn)手機客戶端的溫度數(shù)據(jù)的顯示和指令的發(fā)送。at89s52是此次設計所用的主處理芯片，這款芯片是美國atmel公司生產(chǎn)的。整個測溫系統(tǒng)必須具有結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便、操作簡單、可靠性高等優(yōu)點，主要研究工作如下：(1)基于對紅外知識的分析、對紅外傳感器的選擇比較和測溫方案的紅外測溫原理認識的

22、基礎上，然后再設計紅外測溫系統(tǒng)的總體方案；(2)對硬件部分進行設計，完成測量目標溫度、藍牙傳輸數(shù)據(jù)和指令、液晶顯示屏顯示實時溫度、聲光報警等部分的電路設計；(3)對軟件部分進行設計，完成模塊的初始化、目標溫度處理單元、藍牙傳送、按鍵與液晶屏顯示部分的流程圖設計和相關部分軟件的編寫； (4)對系統(tǒng)進行整機調(diào)試；(5)對系統(tǒng)進行誤差分析。2 設計任務和要求2.1 設計任務適當?shù)睦脤I(yè)基本知識，例如模擬電子技術、非電量檢測技術、c語言、數(shù)字邏輯電路、單片機原理及應用等，設計一個完整的便攜式紅外測溫系統(tǒng)，實現(xiàn)目標物體的溫度測量，并能夠顯示實時溫度。2.2 設計要求要求所設計的便攜式紅外測溫

23、系統(tǒng)具有以下功能：(1)完成對便攜式紅外測溫系統(tǒng)方案的確定及器件選擇； (2)通過控制按鈕開始測溫，并能顯示被測對象的實時溫度； (3)紅外測溫系統(tǒng)的測量溫度范圍：085，測量精度±0.8，分辨率0.02；(4)通過lcd液晶顯示相應的體溫值。3 紅外測溫系統(tǒng)的總體方案選擇本課題的設計是綜合應用了硬軟件知識的結(jié)合，每一個模塊如何設計，選擇什么芯片處理，代碼如何編寫，這些都會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生至關重要的影響，尤其是硬件模塊的選擇決定了整個系統(tǒng)運行所能達到的高度，所以對每個模塊的設計都必須要慎重，多考慮幾種方案，通過相互對比后才能選擇，這樣才能確定設計的高度，才能揚長避短。3.1 重要模塊的

24、方案對比和選擇3.1.1顯示模塊的選擇方案一：用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。由以往的實訓經(jīng)歷可知，數(shù)碼管具有低功耗、價格便宜、低電壓、使用壽命長、堅固耐用等優(yōu)點。如果用數(shù)碼管顯示需要自己搭建數(shù)碼管之間的電路，而且電路復雜，因為一個數(shù)碼管只能顯示一個符號，不能一次性顯示大量信息。如果顯示的信息量大，就需要許多數(shù)碼管，會造成占用許多資源。方案二：用液晶lcd1602顯示。液晶lcd1602的優(yōu)點：字符型液晶屏，表示字母和數(shù)字比較方便，功耗低，控制方便，體積小、薄、輕，顯示內(nèi)容豐富，字跡美觀，成本低、視覺舒適。由于考慮到本次設計需要顯示的信息比較直觀，方便查看，所以應選用顯示信息量大，人機界面友好，顯示信息的

25、可讀性比較高，讀取數(shù)據(jù)更方便的顯示屏。經(jīng)過對兩個方案的對比，所以選擇方案二，選用lcd1602作為本次設計的顯示屏。3.1.2溫度傳感器模塊的選擇方案一：采用d203s。這種熱釋電紅外線傳感器屬于開關型的傳感器，只能輸出高低兩種狀態(tài)。早在上個世紀，熱釋電紅外線傳感器已經(jīng)被普遍的使用，而且成為了一種新式的靈敏度高的探測元件。這種傳感器的特點就是不用去接觸人體，就可以測得人體的溫度。它是通過監(jiān)控人體輻射的能量的變化，并將輻射能量的改變量轉(zhuǎn)變成電壓信號輸出，由于電壓信號不穩(wěn)定，就需要電壓信號被放大和加驅(qū)動控制電路。如果采用傳感器d203s，會導致硬件會很復雜，電路容易出現(xiàn)故障，穩(wěn)定性不好。方案二：使

26、用紅外線測溫探頭(irtp)。這一系列的紅外測溫系統(tǒng)的測溫范圍是-20300，irtp的特點就是：它本身集成了信號處理電路和環(huán)境溫度補償電路；屬于多用途緊湊型的紅外線測溫探頭；不容易受環(huán)境干擾。它經(jīng)常應用于工業(yè)測溫儀，例如軸承溫度測量、微波爐、燃氣灶具等,不能用來測人體溫度。方案三：采用tn_9紅外溫度傳感器，tn_9是凌陽公司生產(chǎn)的一款溫度傳感器，傳感器本身內(nèi)部已經(jīng)集成了線性處理電路、光學系統(tǒng)電路和溫度補償電路，它是一種集成的紅外探測器，可以在采集完數(shù)據(jù)后，直接向單片機輸出數(shù)字信號，只需要1秒時間去響應、精度達到了+/-0.6、穩(wěn)定性好。由于本次設計的系統(tǒng)主要是用于測量體溫，并且要求測量精度

27、比較高，電路盡可能簡單，盡可能的達到醫(yī)用要求，因此此次的設計選擇tn_9紅外溫度傳感器。3.2 系統(tǒng)硬件總體設計方案在對各種不同的方案進行了比較，了解了各種設計方法的優(yōu)缺點后，最后選擇at89s52單片機為主處理器，tn_9作為紅外測溫模塊，lm7805作為穩(wěn)壓芯片，blk-md-hc-05作為無線藍牙模塊，lcd1602用作本系統(tǒng)的顯示部分。本課題便攜式紅外測溫系統(tǒng)的系統(tǒng)組成如圖3.1所示，主要是有單片機主控模塊、tn_9紅外模塊、液晶屏顯示輸出、聲光報警模塊、按鍵模塊、電源模塊組成的。硬件的流程是單片機主控制器通過不斷的掃描按鍵，當掃描到按鍵值要求開始測溫時，然后調(diào)用相應的指令給tn_9，

28、在完成相應的指令后，tn_9就把測量結(jié)果送往單片機，單片機主控制器處理信號后，將會把測量數(shù)值顯示到lcd1602模塊上，并且同時也將測得的實時溫度值傳送到手機客戶端，以方便進行觀測，手機客戶端可以通過藍牙向單片機發(fā)送指令，控制測溫系統(tǒng)的啟動。單片機將把實時溫度值與之前已經(jīng)設定好的溫度值比較，若滿足報警條件，則開啟聲光報警。 液晶屏顯示 單元手機客戶端無線藍牙傳輸at89s51tn_9 報警電路 電源電 路按鍵電 路 圖3.1 便攜式紅外測溫系統(tǒng)功能模塊框圖3.3 系統(tǒng)軟件設計方案根據(jù)系統(tǒng)功能的設計要求，本測溫系統(tǒng)的設計可以通過單片機實現(xiàn)，利用單片機編寫相應的軟件部分，例如實現(xiàn)掃描按鍵，溫度的檢

29、測、顯示、聲光報警、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，所以軟件部分的設計仍舊選用模塊化的設計思想。主要包括單片機模塊、顯示模塊、測溫模塊、按鍵掃描模塊、聲光報警模塊、無線藍牙傳輸模塊，把各個模塊分別予以解決，就可以達到整體的效果,模塊劃分如圖3.2所示。主程序模塊 無線藍牙傳輸液晶屏顯示聲光報警 按鍵模 塊紅外測 溫 圖3.2 紅外測溫系統(tǒng)的軟件方案設計框圖在圖3.2紅外測溫系統(tǒng)的軟件方案設計框圖中，主程序模塊主要完成系統(tǒng)初始化；tn_9模塊主要負責數(shù)據(jù)的采集和測量；按鍵模塊主要負責輸入按鍵信號，處理按鍵請求等；液晶屏顯示模塊主要負責獲取被測目標相應溫度數(shù)據(jù)；無線藍牙傳輸模塊主要負責將tn_9采集到的溫度數(shù)據(jù)，

30、經(jīng)過藍牙將其傳送到手機客戶端，進行實時觀察。3.4 芯片介紹由于本系統(tǒng)的設計用到了一些比較重要的芯片，本節(jié)將會對它們進行詳細地介紹。3.4.1主從控制器at89s52主從控制器單片機作為紅外測溫系統(tǒng)的主要處理器件和傳輸紐帶，整個測溫系統(tǒng)的性能指標由單片機決定。本溫度測溫系統(tǒng)的選擇是at89s52單片機，此類單片機是一個cmos8位微控制器。 由于用戶可以通過avr_fighter軟件就可以下載/燒錄用戶程序到單片機中，根本不需要將單片機從產(chǎn)品上拆下，因此對于一邊設計一邊探索的設計，可以隨時加以完善，這樣同時保證了設計速度，而且也降低了軟件缺陷風險。由于用戶可以直接將程序下載到單片機，觀察的運行

31、效果，所以可以不用仿真器，圖3.3為此單片機的引腳圖。 圖3.3 at89s52單片機引腳圖at89s52單片機的特點： (1)與mcs-51單片機產(chǎn)品兼容；(2)8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲器；(3)1000次擦寫周期；(4)全靜態(tài)操作：0hz-33mhz；(5)三級加密程序存儲器；(6)32個可編程i/o口線；(7)三個16位定時器/計數(shù)器；(8)8個中斷源；(9)全雙工uart串行通道；(10)低功耗空閑和掉電模式；(11)掉電后中斷可喚醒；(12)看門狗定時器；(13)雙數(shù)據(jù)指針。at89s52各引腳的功能描述如下： (1)電源和晶振：vcc：芯片正

32、常運行的電壓，+5v；gnd：地線；xtal1和xtal2：外部鐘頻信號引入引腳；(2)rst/vpd:復位引腳或者備用電源接入引腳。當vcc電源正常時，此引腳作為復位引腳，當vcc電源斷電時，此時引腳作為備用電源接入，在低功耗的情況下，使片內(nèi)ram中的數(shù)據(jù)得到保護。單片機的復位操作是由rst/vpd腳上出現(xiàn)的高電平引起的，并且高電平至少要持續(xù)2個機器周期； (3)ale/:地址鎖存/編程。作為控制信號（ale）時為輸出信號，頻率為始終振蕩頻率的1/6；作用時為輸入引腳，在eprom編程輸入編程脈沖；(4):允許程序存儲在存儲器中，是用于輸出的。頻率為時鐘振蕩頻率的1/6，用來選擇通

33、片外程序存儲器。若產(chǎn)生了尋訪片外數(shù)據(jù)存儲器的指令，那么在則在12個振蕩周期內(nèi)不會產(chǎn)生；(5)vdd/:片外程序rom有效/編程電源。作用時為輸出信號，為低電平時，片外程序rom有效，為高電平時，片內(nèi)程序rom有效。作vdd用時為電源輸入，輸入21v編程電源vpp。3.4.2紅外模塊組tn_9在本模塊的設計電路中，選擇一個性能合適的紅外測溫模塊器件十分重要。在設計過程中的紅外測溫模塊裝置的選取問題上，首先必須考慮的是元器件的下列性能因素：元器件的尺寸、測溫響應速度和時間、視場有效檢測面積、信號處理功能、元件數(shù)量、確定波長范圍、制冷方式、確定光學分辨率、光譜響應的范圍和被檢測目標物體的溫度。凌陽公

34、司生產(chǎn)的tn_9是本次紅外測溫模塊的不二選擇，它屬于集成的紅外探測器，其自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)有溫度補償電路、光學系統(tǒng)處理電路和線性處理電路，這樣我們就不需要自己去搭建溫度補償?shù)入娐罚瑥亩喕吮鞠到y(tǒng)的設計。  tn_9能夠測量的最遠距離大約為30米，測試范圍為-33220，測量回應時間大約為0.5秒，分辨率為1/16，刷新頻率為1.4hz，而且它具備spi接口，可以進行串行傳輸數(shù)據(jù)，其引腳如圖3.4所示。tn_9紅外測溫模塊 v d c g a 圖3.4 紅外測溫傳感器引腳圖在圖3.4中，v為電源引腳，電源一般引入3v或者5v電壓，一般取5v；d為數(shù)據(jù)接收引腳；c為時鐘輸

35、出引腳，一般為2khz；g為接地引腳；a為測試引腳，低電平有效。圖3.5是tn_9的spi時序圖。當clock為下降沿時，就表示data pin要接收數(shù)據(jù)。例如，在一次數(shù)據(jù)采集過程中，tn_9紅外測溫模塊需要接收5個字節(jié)的數(shù)據(jù)，tn_9紅外測溫模塊信息格式如表3.1所示：表3.1 tn_9紅外測溫模塊信息格式itemmsblsbsumcr (1)item：“l(fā)”(4ch)測量目標溫度；“f”(66h)測量環(huán)境溫度；(2)msb：8位數(shù)據(jù)，最高有效位；(3)lsb：8位數(shù)據(jù)，最低有效位；(4)sum：驗證碼，確認數(shù)據(jù)無誤時sum=item+msb+lsb；(5)cr：結(jié)束標志，當cr為0x0dh

36、時，表示成功接收完一次溫度數(shù)據(jù)。  圖3.5 tn_9模塊的時序圖紅外測溫模塊溫度值的計算： 由以上所述可知：無論紅外測溫模塊測量環(huán)境或者目標溫度，都需要滿足item為0x4ch或者0x66h并且cr為0x0dh這三個條件。溫度都按照下面的公式計算。 計算公式：  目標溫度/環(huán)境溫度=temp/16-273.15  (3.1) 其中temp是十進制數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理時，需要將其轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)據(jù)。例如十進制數(shù)據(jù)temp=9034，那么當temp轉(zhuǎn)換為十六進制時就為0x234ah，則高八位有效值msb=0x23h，低八位有效值l

37、sb=0x4ah，則測得的溫度值為9034/16-273.15=291.475。3.4.3液晶顯示屏lcd16021602lcd液晶顯示屏由于體積小、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應用于各種儀器。1602lcd模塊內(nèi)部的存儲器已經(jīng)存儲了不同的點陣字符圖形，所以表示的信息量比較大。由表3.2 lcd1602的引腳圖、圖3.6 lcd1602的讀操作時序圖、圖3.7 lcd1602的寫操作時序圖可以得知，1602lcd有以下特點：(1)讀狀態(tài)：輸入：rs=l，rw=h，e=h；輸出：d0d7=狀態(tài)字； (2)寫指令：輸入：rs=l，rw=l，d0d7=指令碼，e=高脈沖；輸出：無； (3

38、)讀數(shù)據(jù)：輸入：rs=h,rw=h,e=h；輸出：d0d7=數(shù)據(jù)；(4)寫數(shù)據(jù)：輸入：rs=h,rw=l,d0d7=數(shù)據(jù)，e=高脈沖；輸出：無。圖3.6 lcd1602讀操作時序圖3.7 lcd1602寫操作時序 表3.2 lcd1602的引腳圖 gnd液晶gnd。這是給液晶工作供電，不正常會不能正常顯示。vcc液晶vcc。這是給液晶工作供電，不正常會不能正常顯示。vo液晶對比度調(diào)整端。需要輸入一個電壓信號控制液晶的灰度。不連接或是連接不正常會不顯示。rs寄存器選擇位。1：數(shù)據(jù)寄存器；0：指令寄存器rw讀寫信號位。1：讀信號；0：寫信號en液晶使能位。1：使能液晶；0：禁止液晶操作d0數(shù)據(jù)傳輸

39、位0。d1數(shù)據(jù)傳輸位1。d2數(shù)據(jù)傳輸位2。d3數(shù)據(jù)傳輸位3。d4數(shù)據(jù)傳輸位4。d5數(shù)據(jù)傳輸位5。d6數(shù)據(jù)傳輸位6。d7數(shù)據(jù)傳輸位7。vcc背光vcc。如果連接不正常會導致液晶背光不亮，但是不影響液晶顯示，可以不連接。gnd背光gnd。如果連接不正常會導致液晶背光不亮，但是不影響液晶顯示，可以不連接。3.4.4穩(wěn)壓芯片lm7805 lm7805是三端正電源穩(wěn)壓芯片，其可以給電路提供正5v的電壓。它的封裝形式和其他78系列的穩(wěn)壓芯片一樣，是to220。因為它提供的電壓輸出是固定的，所以它被廣泛應用于電壓調(diào)節(jié)器電路。lm7805在電路中使用時基本不會損壞，這有三個原因：其一是因為其內(nèi)部電流的限制；其

40、二有散熱片用于過熱保護；其三就是lm7805得到了安全工作區(qū)的保護。使用lm7805時，要提供超過1.5a的輸出電流，則必須有足夠多的散熱片被提供給電路。利用三端穩(wěn)壓集成芯片lm7805在搭建穩(wěn)壓電源電路時，不需要使用的外圍元件。而且lm7805芯片內(nèi)部就有保護電路，例如過流和過熱。并且lm7805只有三條引腳輸出，1是輸入端,2是接地腳，3是輸出腳，圖3.8為lm7805的引腳圖。 圖3.8 lm7805的引腳圖lm7805的特點：(1) 最大輸出電流為1.5a；(2) 輸出電壓為正5v；(3) 熱過載保護；(4) 短路保護；(5) 輸出晶體管安全工作區(qū)保護。3.4.5blk-md-hc-0

41、5藍牙模塊藍牙技術是一種短距離無線通信技術，目前的藍牙產(chǎn)品的制作，參考的標準是class2標準，按功率來說，在嚴格無故障的情況下且嚴格按照標準制作的產(chǎn)品，傳輸距離可以達到30米；在有一定得障礙的情況下，它也能傳輸10米。藍牙支持的通信方式有兩種：點對點和點對多點。藍牙的無線連接取代了數(shù)據(jù)電纜，將家庭或辦公室等形成了一個微微無線設備網(wǎng)(piconet)，這些設備包括語音設備、打印機等等，若是將幾個微微網(wǎng)繼續(xù)用無線銜接起來，就可以構(gòu)成一個小型的分布式網(wǎng)絡(scatternet)，在同一個分布式網(wǎng)絡里面的設備就可以相互通信。blk-md-hc-05藍牙模塊最初是專為智能無線數(shù)據(jù)傳輸而打造的，支持sp

42、p藍牙串口協(xié)議。blk-md-hc-05藍牙模塊的核心芯片是bluecore4-ext，這款芯片的優(yōu)點就在于：可以進行嵌入式的編程，而且遵循v2.0+edr藍牙規(guī)范。blk-md-hc-05藍牙本模塊支持許多接口，例如：usb、spi等接口，而且購買成本低、與手機客戶端匹配系數(shù)高、體積小、管腳少、內(nèi)部集成度高、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點，與單片機一起搭建電路，只需少許的外圍元件，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。blk-md-hc-05藍牙模塊具有以下特點：(1) 藍牙v2.0+edr；(2) 藍牙class 2；(3) 內(nèi)置pcb射頻天線； (4) 內(nèi)置8mbit flash；(5) 支持spi編程接口； (6

43、) 支持usb,spi等接口； (7) 支持主從一體；(8) 支持軟件控制主從模塊； (9) 3.3v電源；(10) 通過reach、rohs認證。4 紅外測溫系統(tǒng)技術簡介本節(jié)主要具體介紹紅外非接觸式測溫技術的原理和熱釋電傳感器的功效特色。4.1 溫度測量技術的概述經(jīng)過一段相當長的時間，普通溫度測量技術的發(fā)展已經(jīng)相當成熟，完全超乎我們的想象。到目前為止，因為經(jīng)濟的飛躍發(fā)展，在一些特殊的場合(如高溫、強電磁場條件下、核輻射環(huán)境下或較遠距離)下需要比較特殊溫度測量技術，所以當前測溫研究的重點也在于一些特殊場合的測溫。 輻射溫度的測溫也被稱為非接觸式紅外溫度測溫，檢測元件用于輻射測溫一般有

44、兩種：熱電和光電探測器。輻射溫度測量系統(tǒng)的制作相對簡單，原理比較簡單，實現(xiàn)了大范圍的溫度測量，也可以用來檢測某一點的表面溫度；而且這種測溫系統(tǒng)可以制作成為便攜式或者固定式的，使用非常方便。它的制造成本比較低，生產(chǎn)過程簡單，不用接觸被測目標物體，就可以完成測溫過程，紅外測溫擁有反應時間短、使用簡單、不易受被測對象的干擾、耐用等長處。紅外輻射測溫也有其弊端，即在測量時物體的發(fā)射率、非零距離的接觸測溫、灰塵和水蒸汽等外界環(huán)境因素的干擾，使得測量結(jié)果會有所偏差。 在這一溫度測量模塊中最重要的是傳感器，在眾多的產(chǎn)品中，紅外溫度傳感器是最適合用來測量溫度的，因此傳感器的選取是舉足輕重的，并且不僅

45、能實現(xiàn)在某一點的溫度測量，而且也可以在大范圍測量溫度時使用。由于紅外溫度傳感器具備分辨率高、測量規(guī)模廣、反應時間短、測量精度高、操作簡單和穩(wěn)定有效等優(yōu)點，所以本設計使用的溫度測量傳感器正是紅外溫度傳感器。4.2 紅外測溫原理正如大家所知道的，黑體輻射定律是紅外測溫技術最初的測溫理念的源頭。在自然界中，所有的物體對象都可以用一個溫度來描述它們的生命機能，而且溫度高于絕對零度的物體，不停對外輻射能量。由黑體輻射定律可以得知，物體對外輻射能量的原因是有許多方面的影響因素，最重要的是波長分布和表面溫度。因此隨著物體溫度的升高，被測物體所發(fā)出的紅外輻射能力就會隨物體溫度的升高而加強。由普朗克公式得出，當

46、知道溫度t和波長時，黑體單色輻射出射度為：m(t)=c1-5expc2/t-1-1 (4.1)圖4.1是在不同溫度下的黑體光譜輻射度圖： 圖4.1 不同溫度黑體的光譜輻射度從圖4.1不同溫黑體的光譜輻射度的黑體輻射曲線可知，紅外測溫具有以下幾個特征:(1)當溫度為任意值，隨著波長的連續(xù)變化，這可能會導致黑體的光譜輻射度會發(fā)生變化，但每個曲線的連續(xù)變化，將有一個最大值；(2)隨溫度連續(xù)變化，光譜輻射度最大值所對應的波長也會產(chǎn)生變化。例如溫度升高，而其對應的波長將會減?。粶囟冉档?，而其對應的波長將會增大。這一現(xiàn)象說明溫度的連續(xù)變化，會導致波長改變。即在黑體輻射的全部波長中，當溫度改變時，長波輻射所

47、占比例也會改變；(3)溫度也會干擾黑體輻射曲線，而且與黑體輻射曲線成正比關系。即在任何給定的波長處，溫度和光譜輻射度呈現(xiàn)同步增長或下降的趨勢。4.3 紅外測溫方法紅外測溫儀的基礎是測溫原理，所以測溫原理不同，就會有不同的紅外測溫儀。在查閱了一些相關資料后，了解到紅外測溫儀的設計比較通用的方法有三種，其一是全輻射測溫法，這是一種需要測量出輻射物體的全波長，并且計算出全波長的熱輻射，才能得到物體的輻射溫度的方法；其二是亮度溫度的測量方法，若是想用這種方法來獲得亮度溫度，就必須測出在一定波長下物體的單色輻射亮度；其三是比色測溫法，這種方法是將被測對象放在兩個不同波長下，得到它們在不同波長下的單色輻射

48、亮度的比例，通過判斷這一比例和溫度變化的關系來定溫。通過翻閱亮度測溫法的介紹，知道這種測溫方法不需要環(huán)境溫度補償，并且和其他方法相比，亮度測溫法不僅發(fā)射率誤差較小，而且它的測溫精度高。然而因為亮度溫度的測量方法只適合在短波區(qū)工作，所以這一方法僅僅適用需要測量高溫的情況下。由資料顯示由于比色測溫法的光學系統(tǒng)可以小部分遮蓋，因此比色測溫法受煙霧灰塵的影響很小，所以用這種方法測溫誤差小。但是比色測溫法也有弊端，其一是工作波段必須選擇適當波段，這樣才能使波段的發(fā)射率相差比較小。綜合所有的因素，最后選擇了全輻射測溫法用作本次設計的測溫方法，去測量被測物體的溫度，這種測溫方法是在所有波長范圍內(nèi)的總輻射的基

49、礎上計算出溫度值。由于被測對象溫度約在0100之間，屬于中低溫類，眾所周知，這類被測對象波長較大，并且它們輻射出的信號小，這是紅外測溫方法選擇全輻射測溫的原因。但是全輻射測溫法的缺點在于它的測溫精度比較差，并且和其他方法相比較受物體輻射率影響也很大。全輻射測溫法的相關方法介紹如下：由普朗克公式可知，輻射溫度與檢測電壓之間的聯(lián)系如下：v=rat4=kt4 (4.2)當(4.2)式中k=ra，由實驗確定，定標時取1，(1)t被測物體的絕對溫度；(2)r探測器的靈敏度；(3)a與大氣衰減距離有關的常數(shù)；(4)輻射率；(5)斯蒂芬玻耳茲曼常數(shù)。因此，我們能夠通過檢測電壓與輻射體溫度之間的關系，進一步得

50、出被測對象的溫度。從公式(4.2)可以得出：探測器輸出信號與目標溫度的關系不是線性的，而是非線性的，v與t4之間的關系不是線性的，但是它們成正比關系，因此在得出被測對象的表面體溫之前，要進行線性化處理。只有經(jīng)過處理后可以獲得物體的表面溫度，但是需要進一步輻射率校正，才能獲得真正的溫度。 其校正式為： (4.3)公式(4.3)式中tr：輻射溫度(表觀溫度)；(t)：輻射率，取0.10.9。由于輻射信號干擾調(diào)制片，被測對象校正后表面的真實溫度與環(huán)境溫度相比，被測對象校正后的表面真實溫度偏高，因此必須做溫度補償，即最終得到實際溫度，是由真實溫度與環(huán)境溫度相加而得。4.4 熱釋電傳感器工作原理在目前的

51、市場上，有一款新型紅外傳感器，即熱釋電傳感器，其經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，目前這款傳感器在紅外檢測領域中的占有不可代替的重要性，尤其是在一些比較前沿的領域，例如工業(yè)過程自動監(jiān)控、汽車行業(yè)、食品行業(yè)、冶金行業(yè)、石油行業(yè)等等范疇領域。4.4.1熱釋電效應早在1703年左右，人們就發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象，即對晶體加熱時，當晶體受熱的溫度達到一定的上限值時，晶體的兩端將會就會因為晶體溫度的改變，而產(chǎn)生一定數(shù)量相等而電性相反的電荷。這種電極現(xiàn)象是由于晶體受熱而導致的，現(xiàn)代人們將其稱之為熱釋電效應。但是直到1965年，人們才認識到熱釋電效應的溫度靈敏性，超出了人們的想象，在室溫下就可以檢測出的溫度變化值為6

52、15;10-6。但由于各種現(xiàn)實條件的限制,所以在非接觸式測溫方法中一直沒有成功的運用此項技術。一般情況下，因為晶體長期暴露在空氣中，而晶體表面也常常附著自由電子。晶體會因為自發(fā)極化的原因而產(chǎn)生束縛電荷，而晶體上自由電子會和晶體的束縛電荷中和，因此該晶體不會表現(xiàn)出自發(fā)極化的電性。某些特殊晶體(如單晶，壓電陶瓷，高分子薄膜)的表面受到紅外線的輻射并吸收其能量使該晶體表面的溫度發(fā)生變化，并且晶體表面溫度的變化會導致晶體表面電荷的變化，熱釋電晶體表面電荷隨溫度變化的移動情況如圖4.2所示，其中(a)圖為電荷不移動時的情況，(b)圖為電荷移動時的情況。 (a) 電荷不移動的情況 (b) 電荷移動的情況圖

53、4.2 熱釋電效應圖由以上的討論可以得出：用紅外線去照射熱釋電元件時，會導致熱釋電元件的內(nèi)部極化作用發(fā)生巨大變化，而這些發(fā)生變化的部分以電荷的形式被釋放出來，運用一定的措施將這些電荷從外部取出來就可以形成傳感器的輸出電壓。由以上論述可以知道，當溫度發(fā)生改變的時候，由于熱釋電傳感器表面的電荷情況發(fā)生改變，產(chǎn)生一個電壓值輸出。一般情況下可以用陶瓷氧化物或壓電晶體元件作為制造紅外傳感器的材料，特別是熱釋電紅外傳感器，把材料元件的表面分別做成兩個電極，這樣就可以制作出最簡單的熱釋電紅外傳感器。在傳感器的溫度測量規(guī)模內(nèi)，只有溫度改變了t被檢測出時，由于熱釋電效應，會產(chǎn)生電荷q，其存在傳感器的兩個電極之間

54、，所以微弱的電壓差v就會存在在兩個電極之間。當熱釋電探測器測量到溫度變化，而改變的溫度差經(jīng)過經(jīng)光電轉(zhuǎn)換處理，它才能成為一個交流電壓信號，而且在信號處理電路中進一步對交流電壓信號進行處理。設定一些已知參數(shù)，例如被測物體的溫度為t1，測量的環(huán)境溫度為t2，被測物體輻射率為1，環(huán)境的輻射率為2，則傳感器的輸出信號可表示為：q=k1t4 1 -k2 t4 2 (4.4) 相應輸出的電壓： v=s(t4 1-t4 2) (4.5)式中的1表示被測目標輻射率；2表示目標背景輻射率；表示斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)；s是與熱釋電反應特性和被測對象表面發(fā)射率相關的參數(shù)。4.4.2探測器的選擇在市場上熱釋電傳感器是按照封裝、外形等來分類，按照不同的類型來分類，所以品種較多，例如有塑封式和金屬封裝等，而且這個塑封式和金屬封裝還可以進一步分為 立式和臥式。熱釋電傳感器還可以分為有單探測元、雙探測元等，這種分類是從熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來分的。一般常見的的熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖4.3所示，其中(1)圖為傳感器外形結(jié)構(gòu)，(2)圖為管腳名稱，d為漏極端，s為源極端，gnd為接地端。 (1) (2)圖4.3 熱釋電傳感器 人體的溫度大約是37，正常的生命機能才能運行。在體溫約為37的情況下，一般人體輻射的紅外波波長為10m左右