基于熱電堆紅外探測器的非接觸人體表面溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

1、目錄1 技術(shù)指標(biāo)12 設(shè)計方案及其比較12.1 設(shè)計原理12.2 設(shè)計流程圖12.3 各模塊方案設(shè)計22.3.1 TP337溫度傳感器模塊22.3.2 LM358電壓信號放大模塊42.3.3 AD轉(zhuǎn)換模塊62.3.4單片機(jī)模塊72.3.5 LED顯示模塊72.4 方案比較83 實(shí)現(xiàn)方案94 調(diào)試過程或結(jié)論94.1 調(diào)試過程94.2 結(jié)論115 心得體會116 參考文獻(xiàn)12 武漢理工大學(xué)光電技術(shù)課程設(shè)計說明書 基于熱電堆紅外探測器的非接觸人體表面溫度測量系統(tǒng)設(shè)計1 技術(shù)指標(biāo)設(shè)計一個非接觸人體表面溫度系統(tǒng)，要求：（1）通過熱電堆TP337A來探測人體表面的溫度；（2）由LED數(shù)碼管顯示測量的溫度，

2、要求顯示溫度精度能夠達(dá)到0.1；（3）可以連續(xù)測量人體表面或環(huán)境溫度。2 設(shè)計方案及其比較2.1 設(shè)計原理根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，熱電堆紅外探測器探測人體溫度系統(tǒng)主要是由單片機(jī)模塊、TP337溫度傳感器模塊、LM358電壓信號放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LED數(shù)碼管顯示模塊組成。首先TP337紅外溫度傳感器將紅外信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。由于輸出的電壓信號很微弱，所以需要用由LM358組成的運(yùn)算放大電路進(jìn)行前置放大，然后將放大的電壓信號發(fā)送至由PCF8591組成的A/D轉(zhuǎn)換電路，再將轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號送至單片機(jī)進(jìn)行處理，最后將處理的結(jié)果送至LED數(shù)碼管顯示屏進(jìn)行實(shí)時測量溫度的顯示。從而實(shí)現(xiàn)溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計。

3、2.2 設(shè)計流程圖根據(jù)設(shè)計原理，可以畫出其流程圖，見圖1。圖1 設(shè)計流程圖2.3 各模塊方案設(shè)計2.3.1 TP337溫度傳感器模塊通過查閱技術(shù)手冊可以知道TP337A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳如圖2所示。紅外測溫模塊即是TP337A的工作電路，TP337A是一種人體熱釋電傳感器，可以通過非接觸的方式檢測出物體放射出來的紅外線能量變化，并將其轉(zhuǎn)換成電信號輸出。紅外溫度傳感器的特點(diǎn)是反應(yīng)速度快、靈敏度高、準(zhǔn)確度高、測量范圍廣、使用方便，尤其非接觸式測量使紅外溫度傳感器和以紅外傳感器為核心的紅外測溫模塊、紅外測溫儀在工業(yè)現(xiàn)場、國防建設(shè)、科學(xué)研究等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。主要應(yīng)用于鐵路、車輛、石油化工、食品、醫(yī)藥、

4、塑料、橡膠、紡織、造紙、電力等行業(yè)的溫度測量、溫度檢測、設(shè)備故障的診斷。特別適用于高溫和危險場合的遠(yuǎn)距離測溫。其詳細(xì)的參數(shù)表見圖3所示。圖2 紅外探測器管腳圖圖3 紅外探測器溫度參數(shù)表紅外探測器溫度與輸出電壓的關(guān)系如圖4所示。圖4 紅外探測器溫度與輸出電壓的關(guān)系綜合以上相關(guān)資料，可以大致推測出在環(huán)境溫度為25攝氏度時，溫度與電壓大致呈線性關(guān)系，溫度大約是電壓的39000倍。紅外探測器的典型工作電路如圖5所示。圖5 紅外探測器原理圖2.3.2 LM358電壓信號放大模塊由于TP337溫度傳感器輸出的電信號非常微弱，為了我們準(zhǔn)確地測出人體溫度，我需要將信號放大，根據(jù)課設(shè)要求，采用LM358運(yùn)算放大

5、器，放大由TP337溫度傳感器輸出的電信號，其具體方案如下。方案一方案一采用LM358雙運(yùn)算放大器，內(nèi)部包括有兩個獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器。適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)，其方案一的原理圖如圖6所示。圖2 采用LM358雙運(yùn)算放大器原理圖圖6方案一原理圖 方案二方案二也采用LM358雙運(yùn)算放大器，但與方案一不同的是在兩個運(yùn)算放大器添加一電容C8，添加此電容之后便可以起到濾波，消除噪聲干擾等效果，這樣可以有效放大信號，同時又可以減少噪聲干擾，其方案二原理圖如圖7所示。圖7采用LM358雙運(yùn)算放大器原理圖方案三

6、針對方案一放大信號之后存在較多噪聲，會影響實(shí)際效果，方案二采用添加電容C8來實(shí)現(xiàn)濾波，消除噪聲干擾，為了更強(qiáng)勁地的抑制零點(diǎn)漂移以及消除噪聲干擾，所以采用差分放大電路，其原理圖如圖8所示。圖8 差分放大電路2.3.3 AD轉(zhuǎn)換模塊利用PCF8591搭建AD轉(zhuǎn)換電路。PCF8591是單片，單電源低功耗8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有4個模擬輸入，一個輸出和一個串行I2C總線接口。3個地址引腳用于編程硬件地址，允許將最多8個器件連接至I2C總線而不需要額外硬件。器件地址，控制和數(shù)據(jù)通道通過兩線雙向I2C總線傳輸。經(jīng)過放大電路后的電壓值通過AIN0輸入，SCL和SDA輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，與后續(xù)的單片機(jī)連接

7、并進(jìn)行處理。所以，我們需要采用AD0804轉(zhuǎn)換。AD0804是屬于連續(xù)漸進(jìn)式的AD轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，分辨率高，普遍被應(yīng)用于微電腦的接口設(shè)計上。對于編程來說，直接輸出八位的數(shù)字信號，利用編程，簡化程序的復(fù)雜性。其AD轉(zhuǎn)換模塊原理圖見圖9。圖9 AD0804搭建的AD轉(zhuǎn)換電路2.3.4單片機(jī)模塊選用STC89C52單片機(jī)，這是一種低功耗，高性能的CMOS位微控制器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。設(shè)計電路如圖10所示。其中，P1.0和P1.1分別用來與I2C的數(shù)據(jù)線和時鐘線相連，P0口用來控制LED顯示模塊的段選，P2

8、.5、P2.6、P2.7分別用來控制LED顯示模塊的位選端。 圖10 單片機(jī)模塊2.3.5 LED顯示模塊LED的位選使用138譯碼器，可以節(jié)約單片機(jī)引腳，段選端使用573鎖存器，因?yàn)橹苯永脝纹瑱C(jī)引腳驅(qū)動功率不夠。74LS138譯碼器的功能是把輸入的3位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，并讓對應(yīng)的輸出端輸出低電平。即，A2A1A0輸入001時，對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為1，則輸出端Y1輸出低電平，其余為高電平。當(dāng)OE端為低電平時，芯片可以工作，LE為高電平時，輸出端與輸入端相同，若LE為低電平，芯片鎖存，此時不管輸入多少，芯片始終輸出鎖存前狀態(tài)的輸出值查閱資料可知，74HC573的真值表如圖11所示。根據(jù)真值表看

9、出，當(dāng)OE端為低電平時，芯片可以工作，LE為高電平時，輸出端與輸入端相同，若LE為低電平，芯片鎖存，此時不管輸入多少，芯片始終輸出鎖存前狀態(tài)的輸出值。圖11 74HC573的真值表LED連接圖見圖12所示。 圖12 LED顯示電路2.4 方案比較對于LM358電壓信號放大模塊，方案一和方案二采用同樣的芯片，但方案二比方案一輸出的信號更準(zhǔn)確，受到外界的干很少，也很容易找出他們之間的電流電壓關(guān)系來計算放大倍數(shù)，對于方案三難度高，不容易實(shí)現(xiàn)這會給后期的調(diào)試過程帶來很大的麻煩，所以選擇方案二。3 實(shí)現(xiàn)方案如圖所示，TP337A感應(yīng)到紅外線后，轉(zhuǎn)換為電信號輸出，經(jīng)過兩級放大電路得到最終的模擬電壓信號。通

10、過模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號，并用單片機(jī)進(jìn)行處理，最后通過LED動態(tài)輸出溫度值。TP337A工作電路中的電容起到濾波的作用，濾掉信號中不穩(wěn)定的交流信號，得到穩(wěn)定的直流信號；兩級運(yùn)放電路中，根據(jù)公式可以推算出電阻的大概范圍，這些內(nèi)容在第四部分會給出詳細(xì)的敘述。根據(jù)上面的分析，最終確定的實(shí)現(xiàn)方案原理圖如圖13所示。圖13 實(shí)現(xiàn)方案的原理圖4 調(diào)試過程或結(jié)論4.1 調(diào)試過程技術(shù)要求中，要求溫度精確到0.1度，因此電壓需要放大1000倍以上，我選用了兩個100K的電阻和兩個10K的滑動變阻器，并將他們分別調(diào)節(jié)在90K和3K左右，這樣放大倍數(shù)差不多接近于1000倍，這樣才能達(dá)到課設(shè)要求。我也遇到一些困難，原

11、本以為在仿真軟件上可以正常工作，想當(dāng)然硬件電路也能運(yùn)行。然而，在檢查無語法錯誤下載到單片機(jī)后，LED并沒有顯示數(shù)字，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)是自己弄錯了138輸入的三個管腳的高低順序，輸出又只選用了低位的四個輸出，所以未能正確控制LED的位選。在改正了電路后，問題即解決，四位數(shù)碼管上有我希望的三位可以亮起，但還是沒有顯示正確的數(shù)字，反而顯示的是亂碼。檢查了一下程序，發(fā)現(xiàn)自己粗心大意在編程時沒有考慮到P0端口和段選端的順序?qū)?yīng)，所以未能正常輸出。改正程序后問題得到解決。在調(diào)節(jié)了電阻后，問題略有改善，但還是不能達(dá)到理想的狀態(tài)。后來我考慮到是濾波的問題，如果不加入電容濾波，交流信號和直流信號混合會對電路產(chǎn)生很大

12、干擾，加入電容后濾去交流信號，只留下穩(wěn)定的直流信號，問題基本得到解決，雖然數(shù)值仍有跳動，但幅度很小，一般是在0.1到0.5之間，基本可以認(rèn)為是穩(wěn)定數(shù)值。當(dāng)我把手放上去時，LED顯示為40度至50度之間，雖然有些偏高，但咨詢老師后得知，考慮到實(shí)際情況，這屬于正常范圍。其實(shí)物圖見14，15。圖14 實(shí)物圖圖15 實(shí)物圖4.2 結(jié)論本次課程設(shè)計從完成任務(wù)上來說是成功的，基本實(shí)現(xiàn)了技術(shù)要求上的所有內(nèi)容。但是還是有些不完美，比如數(shù)字顯示并不是十分穩(wěn)定，溫度值也不是那么準(zhǔn)確，與實(shí)際還是存在一定的偏差，最后咨詢老師才發(fā)現(xiàn)了問題所在，雖然問題沒能及時解決。5 心得體會熱電堆由于不是老師上課重點(diǎn)講的內(nèi)容，也不在

13、考察的范圍內(nèi)，所以我對熱電堆的工作原理并不是十分了解，更別提利用它來設(shè)計一個溫度感應(yīng)系統(tǒng)來動態(tài)顯示溫度。但是通過老師的PPT，我也學(xué)到許多知識。首先，我仔細(xì)閱讀了TP337A的技術(shù)手冊，全英文的技術(shù)手冊對自己的詞匯量也是一個巨大的挑戰(zhàn)。所幸自己還算不怎么費(fèi)力的就看完了技術(shù)手冊。了解了熱電堆的工作原理后，便是系統(tǒng)的設(shè)計了。根據(jù)老師所給提示，本次的電路可以分為五部分：紅外測溫模塊，信號放大模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，單片機(jī)處理模塊，LED顯示模塊。對于信號放大模塊，我只有一個模糊的印象，所以我把大二時的模電課本翻了出來，仔細(xì)閱讀了有關(guān)運(yùn)算放大器的章節(jié)，設(shè)計出了放大電路。接下來是AD轉(zhuǎn)換模塊，在網(wǎng)上查閱了很多資料后，結(jié)合I2C總線協(xié)議我才算是有點(diǎn)思路。設(shè)計好電路，編寫好程序，就是程序的燒錄過程。本以為自己的程序編寫的沒有什么錯誤，只要能夠正確燒錄，就能夠正常工作，沒想到問題一大堆。這讓我意識到了理論與實(shí)際的差別。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，這句話說的很對，不通過實(shí)踐，我是不能發(fā)現(xiàn)程序中存在的錯誤的。在今后的學(xué)習(xí)生活中，我也要注意實(shí)踐，不能停留在理論層面上。理論是基礎(chǔ)，但應(yīng)用才是最重要的。首先，此次課設(shè)綜合