基于熱電堆紅外探測器的非接觸人體表面溫度的測量

1、1 .技術(shù)指標12 .設(shè)計方案及其比較12.1 方案一12.2 方案二22.3 方案三22.4 方案比較33 .實現(xiàn)方案33.1 器件說明33.1.1 TPS337A熱電堆說明33.1.2 LM358運算放大器說明43.1.3 PCF8591A/D轉(zhuǎn)換器說明53.1.4 74LS138譯碼器與74HC57醐存器說明63.2 最終實現(xiàn)方案83.2.1 實現(xiàn)方案電路圖83.2.2 方案設(shè)計原理及思路94 .調(diào)試過程及結(jié)論164.1 電路實物的連接164.2 調(diào)試結(jié)果展示174.3 調(diào)試結(jié)論185 .心得體會錯誤！未定義書簽。6 .參考文獻18基于熱電堆紅外探測器的非接觸人體表面溫度的測量1 .技術(shù)

2、指標設(shè)計一個非接觸人體表面溫度系統(tǒng)，要求：1 .通過熱電堆TPS337A來探測人體表面的溫度；2 .由LED數(shù)碼管顯示測量的溫度，要求顯示溫度精度能夠達到0.1C；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 方案一通過TPS337A檢測人體紅外波產(chǎn)生溫差電動勢，將環(huán)境溫度與檢測到的人體溫度分為兩路電壓信號，完成環(huán)境溫度的補償。再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字信號發(fā)送到單片機輸出，最后通過LED數(shù)碼管顯示。放大器采用AD620運算放大器以及LM358運算放大器。具體電路圖如圖1所示圖1方案一電路圖信號采集電路有兩部分組成：體溫信號放大電路和環(huán)境溫度信號處理電路。體溫信號放大電路

3、是由儀用放大器AD620和參考電壓電路組成；環(huán)境溫度信號處理電路是由運算放大器LM358構(gòu)成的電壓跟隨器組成。三路輸出信號其中最上方為放大后的熱電堆電壓信號，也就是將要處理的體溫信號，中間為參考電壓，最下方為環(huán)境溫度信號。2.2 方案二通過TPS337A檢測人體紅外波產(chǎn)生溫差電動勢，直接將輸出電壓通過放大器輸出電壓信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字信號發(fā)送到單片機輸出，最后通過LED數(shù)碼管顯示c放大器采用AD620運算放大器。具體電路圖如圖2所示圖2方案二電路圖運算放大器AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1至1000。止匕外，AD620采用8弓I腳

4、SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立式設(shè)計，并且功耗較低（最大電源電流僅1.3mA）,因此非常適合電池供電的便攜式（或遠程）應(yīng)用，其工作電壓為4.6V36V或±2.3V±18V。兩路電壓信號分別連接A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入。2.3 方案三通過TPS337A檢測人體紅外波產(chǎn)生溫差電動勢,直接將輸出電壓通過兩級放大器輸出電壓信號，消除零點漂移，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字信號發(fā)送到單片機輸出，最后通過LED數(shù)碼管顯示。放大器采用LM358運算放大器。具體電路圖如圖3所示。圖3方案三電路圖運算放大器LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬

5、的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。具單電源為330V,雙電源為士1.5±15V,而且它的輸出電壓擺幅比較大，很適合于電池供電。2.4 方案比較方案一中將環(huán)境溫度與人體體表溫度補償，考慮比較充分全面，但是在實際的操作過程中較為繁瑣，可視為理想方案。方案二中采用AD620運算放大器，電壓輸出信號有兩路，但此后通過A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入有兩路輸入，則在代碼的編寫方面較為繁瑣。方案三中采用LM358運算放大器，兩級放大消除了零點漂移是的輸出電壓信號更為穩(wěn)定，而且放大倍數(shù)通過電阻直接計算確定，輸出信號只有一路，直接連接到A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入口。整個電路相對較為簡單，而且整體效率也很高，是很好

6、的實行方案。綜上所述，方案三可作為最后的實現(xiàn)方案，可在其基礎(chǔ)上進行調(diào)試。3 .實現(xiàn)方案3.1 器件說明3.1.1 TPS337A熱電堆說明熱電堆TPS337A的管腳圖如圖4所示。2腳與4腳之間為熱敏電阻，1腳與3腳輸出電壓，其中3腳和4腳接地。熱電堆TPS337A的電壓與溫度對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。Pinassignment&description2thermistorpin4thermistorpin(GND)1thermopileoutputpin(+)3thermopileoutputpin(-)BACKSIDEVIEWTbtitemperature。£口一3覆方>-

7、HdlnQ圖5熱電堆電壓-溫度曲線3.1.2 LM358運算放大器說明LM358是雙運算放大器。內(nèi)部包括兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合用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)。LM358芯片引腳圖如圖6所示。圖6LM358芯片引腳圖3.1.3 PCF8591A/D轉(zhuǎn)換器說明PCF8591是單片、單電源低功耗8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有四個模擬輸入、一個模擬輸出和一個串行I2C總線接口。3個地址引腳A0、A1和A2用于變成硬件地址。器件的地址、控制和數(shù)據(jù)通過兩線雙向I2C總線傳輸。PCF8591芯片管腳圖如圖7所

8、示。AINO1AIN12AIN23AIN34網(wǎng)VDD15AOUTHVREF13AGNDPCF8591PA0512EXTA1611oscA27VssEIIOSCL9SDA圖7PCF8591芯片管腳圖I2C總線系統(tǒng)中每一片PCF8591通過發(fā)送有效地址到該器件來激活。該地址包括固定部分和可編程部分?？删幊滩糠直仨毟鶕?jù)引腳A0、A1、A2來設(shè)置。地址字節(jié)的最后一位是用于設(shè)置以后數(shù)據(jù)傳輸方向的讀/寫位。PCF8591的地址設(shè)置如圖8所示rrisbfixedpartprogrammablepart1001A2A1A0R麗圖8PCF8591地址設(shè)置發(fā)送到PCF8591的第二個字節(jié)將被存儲在控制寄存器，用于

9、控制器件功能。其控制字設(shè)置如圖9所示。CONTROLBVT&ALFTO-INCRCMEJNITFLAO：(activeIT1)ThreellTTerentialinputs.AIIND仁O八3iAIIN2AmN3S.ir>yedl9111ddidTer&ntialcFirjnincz-lQcJh5inoeiiiAJZKd-|*4ann&l00n<mnri與l1ctiariiFUBl2cFlifirin&l9DODIIOchannelOcihannel1亡IhNIfliihelJ2irzJhininiRl3kcxjrsingie-end'i&a

10、mp;dinputsAIZ口AIIN1AIMSAIIN3channelDc:|-njrndiil1(LUliklluCIUIC-out口LitUEZCivtJ-if1)jMMAILOOUEzIINHUTRROCRAMMIHG：AIINDAliN1AIIN2c:|-n-iridil5AIINDAIIM1cnarmei1圖9控制字設(shè)置3.1.4 74LS138譯碼器與74HC573鎖存器說明對于74LS138譯碼器，當(dāng)一個選通端（E1）為高電平，另兩個選通端（/E2）和（/E3）為低電平時，可將地址端（A0、A1、A2）的二進制編碼在Y0至Y7對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。比如：A2A1A0=110時

11、，則Y6輸出端輸出低電平信號。74LS138譯碼器芯片引腳圖如圖10所示(PDIPtSOIC)TOPVIEWO12-3,17DaaaigifeynmGVCC¥0西Y1(VT)Y2(V5)Y3(對Y4網(wǎng)Y5g¥6(Y$J圖1074LS138芯片管腳圖74LS138譯碼器真值表如表1所示表174LS138譯碼器真值表輸入輸出E1/E2/E3A2A1A0/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y6/Y7HLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHHLLHLHHHHHHLHHHLLHHLH

12、HHHHHLHHLLHHHHHHHHHHL對于74HC573鎖存器，當(dāng)使能（G）為高時，Q輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。74HC573鎖存器芯片引腳圖如圖11所示圖1174HC573芯片管腳圖74HC573鎖存器真值表如表2所示表274HC573鎖存器真值表/OELEDQLHHHLHLLLLXQ03.2最終實現(xiàn)方案3.2.1 實現(xiàn)方案電路圖熱電堆輸出的電壓信號經(jīng)過LM358運算放大器放大后直接輸出到PCF8591的輸入端，通過單片機的程序代碼把將電壓模擬信號轉(zhuǎn)換過來的數(shù)字信號獲取通過LED數(shù)碼管輸出。在輸出時，位選通過74LS138譯碼器將2位轉(zhuǎn)換為

13、4為二進制，段選通過74HC573鎖存器所存輸出，其使能端可通過單片機的一個輸出口直接加以控制，決定是輸入數(shù)據(jù)還是鎖存數(shù)據(jù)。實現(xiàn)方案的電路圖如圖12所示。圖12實現(xiàn)方案電路圖3.2.2 方案設(shè)計原理及思路整個設(shè)計思路模塊如圖13所示。紅外線測溫模塊電壓信號放大模塊A/D轉(zhuǎn)換模塊單片機模塊LED數(shù)碼管顯示圖13設(shè)計思路模塊1 .紅外測溫模塊在自然界中的任何物體，只要高于絕對零度(273.15C),由于分子的熱運動，都向外輻射電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克定律。如果將一物體加熱，我們將觀測到單位時間發(fā)出輻射能的多少及輻射能波長的分布，都與物體溫度有關(guān)，把這種輻射稱為熱輻射，人

14、體溫度約為310K,在此溫度下，主要輻射的電磁波為波長在9-10Hm的紅外線。通過測量人體自身輻射的紅外能量，便可以較為精確地測得人體體表溫度。熱電堆TPS337A通過感測人體輻射的電磁波而產(chǎn)生了相應(yīng)的電動勢，通過對該電動勢的測量，即可將電壓信號還原為溫度信號，從而檢測出人體體表溫度。2 .電壓信號放大模塊通過圖5紅外探測器溫度與輸出電壓關(guān)系可知，在人體溫度范圍內(nèi)，探測器的輸出電壓基本與溫度成正比，另外可以看出探測器的輸出電壓比較小，只有幾百uV,這樣我們必須將輸出信號進行放大以后才能顯示。所以我們設(shè)計了電壓的兩級放大，可將熱電堆輸出電壓放大1000倍。放大倍數(shù)計算公式如下：A=(R5/R41

15、)*(R7/R61)3 .A/D轉(zhuǎn)換模塊由圖8地址設(shè)置可知，當(dāng)A0、A1、A2均接地時，執(zhí)行寫操作，該地址為0x90。由圖9控制字設(shè)置可知，模擬輸入為1與自動增量為0,采用單通道輸入以及輸入通道為AIN0時，控制字應(yīng)設(shè)置為01000000,即0x40。4 .單片機模塊將單片機的P2.0與P2.1兩個接口并聯(lián)到I2C總線中，SCL用于時鐘信號，SDA用于數(shù)據(jù)信號。實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換芯片到單片機的數(shù)據(jù)傳輸。具體的單片機代碼如下。#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#definePCF85910x90#

16、defineN11voiddelayms(uint);bitwrite=0;sbitdula=P1A0;/4空制鎖存器使能端sbitSCL=P2A1；/時鐘信號sbitSDA=P2A0；數(shù)據(jù)信號uchartable1=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6;/不帶小數(shù)點數(shù)碼管顯示uchartable2=0xfd,0x61,0xdb,0xf3,0x67,0xb7,0xbf,0xe1,0xff,0xf7;/帶小數(shù)點數(shù)碼管顯示ucharnum,ge,shi,bai;voiddelay()/延時4-5個微秒;voidstart()/開始SDA

17、=1;delay();SCL=1;delay();SDA=0;SCL處于高電平器件SDA下降沿啟動信號delay();voidstop()/停止SDA=0;delay();SCL=1;delay();SDA=1;SCL處于高電平器件SDA上升沿停止信號delay();voidrespons()/應(yīng)答uchari;SCL=1;delay();while(SDA=1)&&(i<255)i+;當(dāng)一段時間過后沒有收到從機的應(yīng)答則主器件默認從器件已經(jīng)收到數(shù)據(jù)SCL=0;delay();)voidinit()/初始化SDA=1;delay();SCL=1;delay();)uchar

18、read_byte(J/讀一個字節(jié)數(shù)據(jù)uchari,k;SCL=0;delay();SDA=1;delay();for(i=0;i<8;i+)SCL=1;delay();k=(k<<1)|SDA;/先左移一位，冉在最低位接受當(dāng)前位SCL=0;delay();)returnk;voidwrite_byte(uchardate)/寫一字節(jié)數(shù)據(jù)(uchari,temp;temp=date;for(i=0;i<8;i+)(temp=temp<<1;/左移一位移出的一位在CY中SCL=0;/只有在scl=0時sda能變化值delay();SDA=CY;delay();

19、SCL=1;delay();SCL=0;delay();SDA=1;delay();voidwrite_add(ucharcontrol,uchardate/向芯片的任意地址寫一字節(jié)的數(shù)據(jù)(start();write_byte(0x90);/10010000前四位固定為1001接下來三位A2、A1、A0為地址選擇，本次電路設(shè)計為000最后一位是寫所以為低電平respons();write_byte(control);respons();write_byte(date);respons();stop();)ucharread_add(ucharcontrol/向芯片的任意地址讀一字節(jié)的數(shù)據(jù)(uc

20、hardate;start();write_byte(0x90);respons();write_byte(control);respons();start();write_byte(0x91);/把最后一位變成1,讀respons();date=read_byte();stop();returndate;)voiddisplay(ucharge,ucharshi,ucharbai)(P0=0;dula=1;/鎖存器使能端打開P0=table1bai;dula=0;/鎖存器使能端關(guān)閉，數(shù)據(jù)鎖存P1=0x40;/位選最高位delayms(10);P0=0;dula=1;P0=table2shi;dula=0;P1=0x20;/位選個位delayms(10);P0=0;dula=0;P0=table1ge;dula=1;P1=0x00;/位選最低位delayms(10);voidmain()ucharA1,A2,A3;init();while(1)num中display(A1,A2,A3);num=read_add(0x40);/讀出的數(shù)據(jù)保存到A3=(num+250)/100;/十位A2=(