自動(dòng)化儀表課程設(shè)計(jì)

1、自動(dòng)化儀表大作業(yè)題目：非接處式溫度儀專業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)：姓名： 學(xué)號(hào): 一、引言 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，新材料、新工藝的運(yùn)用，各式各樣的體溫 計(jì)陸續(xù)出現(xiàn)， 探測(cè)方式不斷改進(jìn)。 國(guó)內(nèi)外體溫計(jì)的發(fā)展大致分為三個(gè) 階段。第一階段是常見的玻璃水銀體溫計(jì)，第二階段是電子體溫計(jì)， 如今應(yīng)用最為廣泛的是非接觸式紅外體溫計(jì)， 國(guó)家相關(guān)部門也在重點(diǎn) 強(qiáng)調(diào)非接觸式體溫計(jì)的研發(fā)， 并且紅外體溫檢測(cè)儀的研發(fā)方面取得了 突出的成就。水銀體溫計(jì)雖然價(jià)格便宜但是有諸多弊端： 首先，水銀體溫計(jì)遇 熱或安置不當(dāng)，體溫計(jì)容易破裂。其次，人體接觸水銀后會(huì)中毒，中 毒癥狀是惡心、頭痛、腹瀉、脫發(fā)等，嚴(yán)重者會(huì)造成血液凝固。因?yàn)?水銀有劇毒

2、，一旦它污染了水源或食物，可以對(duì)人的腎臟、肺等造成 極大的傷害，水銀也能加速人神經(jīng)系統(tǒng)退變。最后，采用水銀體溫計(jì) 測(cè)溫需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間(5min 10min),使用不便。電子體溫計(jì)是采用熱敏電阻測(cè)量溫度的， 電子體溫計(jì)能快速準(zhǔn)確 地測(cè)量人體溫度，與傳統(tǒng)的水銀玻璃體溫計(jì)相比，具有讀數(shù)方便、測(cè) 量精度高、能記憶并有蜂鳴提示的優(yōu)點(diǎn)， 尤其是電子體溫計(jì)不含水銀， 對(duì)人體及周圍環(huán)境無害，特別適合于家庭、醫(yī)院等場(chǎng)合使用。但采用 電子體溫計(jì)測(cè)溫也需要較長(zhǎng)的時(shí)間， 并且適用范圍窄， 同樣使用不便。非接觸式紅外體溫計(jì)是根據(jù)黑體輻射原理通過測(cè)量人體輻射的 紅外線而測(cè)量溫度的。 它用的紅外傳感器只是吸收人體輻射的紅

3、外線 而不向人體發(fā)射任何射線，它采用的是被動(dòng)式且非接觸式的測(cè)量方 式，因此紅外體溫計(jì)不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生輻射傷害且價(jià)格低，體積小，實(shí) 現(xiàn)了體溫的快速準(zhǔn)確測(cè)量，具有穩(wěn)定性好，精度高，測(cè)量安全，使用 方便等特點(diǎn)。非接觸式人體體溫測(cè)試儀的設(shè)計(jì)技術(shù)目前已經(jīng)達(dá)到成熟，本文詳 細(xì)的介紹在國(guó)內(nèi)外已有技術(shù)的基礎(chǔ)上， 此設(shè)計(jì)開發(fā)的全過程。 此設(shè)計(jì) 涉及單片機(jī)， 傳感器等諸多方面的知識(shí)， 主攻方向在于溫度的采集和 處理，達(dá)到體溫能夠準(zhǔn)確顯示的預(yù)期效果二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外紅外線技術(shù)在 19 世紀(jì)并發(fā)展至今，已經(jīng)有很多專利項(xiàng)目和 大量科研成果。 美國(guó)和日本幾乎壟斷了紅外線技術(shù)產(chǎn)品的專利。 由于 紅外線技術(shù)我國(guó)起步比較晚，

4、 而且相關(guān)部件比較昂貴， 對(duì)我們?cè)谏a(chǎn) 生活中普及還有很長(zhǎng)的一段路要走。 所以我們要把紅外檢測(cè)技術(shù)利用 到我們實(shí)際生活當(dāng)中去，利用我們能利用的知識(shí)去改進(jìn)我們的生活。紅外線是近年來興起的高端技術(shù)，對(duì)紅外線設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究， 對(duì)今后生產(chǎn)生活有積極的影響。體溫計(jì)是人們?nèi)粘Ｉ钪械谋貍溆?品，尤其在 SARS 和 H1N1 等流行期間，體溫計(jì)幾乎成成為了衡量 感染者與未感染者的測(cè)量?jī)x器， 還有對(duì)于一些供電設(shè)備的檢查， 非接 觸發(fā)熱物體溫度的測(cè)量等應(yīng)用場(chǎng)合， 在本文以下內(nèi)容中我要結(jié)合單片 機(jī)，運(yùn)用紅外線原理去設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的紅外體溫儀器的方案。 通過方案論證，選擇出最佳的方案并進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作。對(duì)非接

5、觸式測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)是以功能性為基礎(chǔ)， 以創(chuàng)新性為指導(dǎo)， 以 實(shí)踐性為依托， 具有大好的發(fā)展前景和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。 通過本次設(shè) 計(jì)，希望可以為今后拓展體溫監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域提供新的思路和方法， 在 醫(yī)學(xué)、體育、消防、軍事訓(xùn)練、等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫方式以不能滿足現(xiàn) 代一些領(lǐng)域的測(cè)溫需求， 對(duì)非接觸、遠(yuǎn)距離測(cè)溫技術(shù)的需求越來越大。 本紅外測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)也正是基于此。三、整體設(shè)計(jì)方案3.1.1 研究步驟及方法1、基于本課題的研究，首先了解紅外線研究背景，發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)在 存在的主要問題，對(duì)研究課題的基本內(nèi)容、目的、和意義有所了解。2、學(xué)習(xí)紅外線體溫傳感原理。一切

6、溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射 能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面 溫度有著十分密切的關(guān)系。 因此，通過對(duì)物體自身輻射的紅外能量的 測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度， 這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的 客觀基礎(chǔ)。黑體輻射定律： 黑體是一種理想化的輻射體， 它吸收所有波長(zhǎng)的輻射 能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為 1。應(yīng)該指出，自 然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī) 律，在理論研究中必須選擇合適的模型， 這就是普朗克提出的體腔輻 射的量子化振子模型， 從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律， 即以波長(zhǎng) 表示的黑體光譜輻射度， 這是

7、一切紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)， 故稱黑體 輻射定律。物體發(fā)射率對(duì)輻射測(cè)溫的影響： 自然界中存在的實(shí)際物體， 幾乎都不 是黑體。所有實(shí)際物體的輻射量除依賴于輻射波長(zhǎng)及物體的溫度之 外，還與構(gòu)成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán) 境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實(shí)際物體， 必須引入一個(gè)與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)， 即發(fā)射率。 該 系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度， 其值在零和小于 1 的數(shù)值之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了 任何物體的紅外輻射特性。影響發(fā)射率的主要因紗在：材料種類、表 面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等。當(dāng)用紅外輻射測(cè)

8、溫儀測(cè)量目標(biāo)的溫度時(shí)首先要測(cè)量出目標(biāo)在其波段 范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測(cè)溫儀計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度， 用公式可表達(dá)為：(1-1)式中E輻射出射度，單位是 W/m3 ;3斯蒂芬一波爾茲曼常數(shù)，5.67x10-8W/(m2?K4);物體的輻射率；T物體的溫度(K);To物體周圍的環(huán)境溫度(K);人體主要輻射波長(zhǎng)在910 m的紅外線，通過對(duì)人體自身輻射紅外 能量的測(cè)量， 便能準(zhǔn)確地測(cè)定人體表面溫度。 由于該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光 線不被空氣所吸收， 因而可利用人體輻射的紅外能量精確地測(cè)量人體 表面溫度， 便能準(zhǔn)確地測(cè)定人體表面溫度。 紅外溫度測(cè)量技術(shù)的最大 優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試速度快， 1 秒鐘以內(nèi)可測(cè)試完畢。由于它

9、只接收人體對(duì)外 發(fā)射的紅外輻射， 沒有任何其它物理和化學(xué)因素作用于人體， 所以對(duì) 人體無任何害。3、學(xué)習(xí) K60 單片機(jī)的原理與應(yīng)用，并上機(jī)編試程序。4、通過軟硬件來實(shí)現(xiàn)紅外體溫測(cè)試。5 、通過長(zhǎng)時(shí)間的更改與測(cè)試，得出最終精確的結(jié)果與結(jié)論。3.1.2 內(nèi)容結(jié)構(gòu)及安排全文主要闡述了非接觸式人體體溫測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)和軟件 設(shè)計(jì)。硬件方面首先談到了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)， 然后分別從紅外線傳感 器，運(yùn)算放大器， A/D 轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理，顯示部分等功能模塊進(jìn)行了 論述并詳細(xì)介紹了各個(gè)芯片的結(jié)構(gòu)和功能， 使系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好， 精 度高，測(cè)量安全，使用方便等特點(diǎn)。在軟件方面，此設(shè)計(jì)使用 C 語 言來編寫程序代碼，

10、具有編譯速度快，運(yùn)行效率高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的軟 件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)， 每個(gè)模塊作為一個(gè)子程序， 根據(jù)系統(tǒng)功能劃 分，程序由模塊組成，所以整個(gè)程序的編制、 調(diào)試和維護(hù)都比較方便， 結(jié)構(gòu)清晰， 提高了可靠性和修改性， 并給出了針對(duì)各個(gè)應(yīng)用模塊的設(shè) 計(jì)思路和設(shè)計(jì)框架， 對(duì)各部分程序進(jìn)行解釋說明， 從而實(shí)現(xiàn)非接觸式 人體體溫的顯示以及附加報(bào)警電路等外圍擴(kuò)展。3.2 系統(tǒng)器件描述3.2.1 主控芯片 K60 介紹本設(shè)計(jì)主控系統(tǒng)采用 MK60N512VMD100 （K60 ）控制器，其 含有豐富的功能模塊。 該控制器是 Kinetis 系列的一款 32 位單片機(jī)， Kinetis 是低功耗可擴(kuò)展和在工業(yè)上使

11、用混合信號(hào) ARM ? Cortex ? -M4 系列 MCU 的最好的組合。 K60 系列 MCU 具有 IEEE1588 以太 網(wǎng)、全速和高速 USB2.0 OTG 、硬件解碼能力和干預(yù)發(fā) 現(xiàn)能力。芯片從帶有 256KBflash 的 100 引腳的 LQFP 封裝到 1MBflash 的 256 引腳的 MAPBGA 封裝，具有豐富的電路、通信、 定時(shí)器和控制外圍電路。高容量的 K60 系列帶有一個(gè)可選擇的單精 度浮點(diǎn)處理單元、 NAND 控制單元和 DRAM 控制器。我們摘要 k60 一些優(yōu)點(diǎn)如下：1、內(nèi)核：ARM Cortex-M4 內(nèi)核提供 1.25 DMIPS / MHz 的 D

12、SP 指令 高達(dá)32位的DMA，同時(shí)盡可能減小CPU干預(yù)。提供 50MHz、72MHz 禾口 100MHz 幾種 CPU 頻率（120MHz 和 150MHz 在 kinetis 可用）。2、超低功耗： 10 種低功耗操作模式通過優(yōu)化外設(shè)執(zhí)行和喚醒時(shí)間來延長(zhǎng) 電池壽命。為了增加低功耗的靈活性，增加了低漏喚醒單元、低功耗定 時(shí)器和低功耗 RTC。業(yè)界領(lǐng)先的快速換醒時(shí)間。3、內(nèi)存：從 32 KB 閃存/ 8 KB 的 RAM 可擴(kuò)展為 1 MB 閃存/128 KB 的 RAM 。同時(shí)使空白的獨(dú)立閃存執(zhí)行代碼和固件更新。4、混合模擬信號(hào)：快速，高精度16位ADC、12位DAC、可編程增益放大器、 高

13、速比較器和內(nèi)部參考電壓。 降低降低系統(tǒng)成本同時(shí)具有強(qiáng)大的信號(hào) 調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)換和分析能力。5、系統(tǒng)具有中斷功能的 GPIO 可以承受 5V ，寬工作電壓范圍在 1.71V 至 3.6V 的閃存可編程下降至 1.71 V 的全功能閃存和模擬外設(shè)。環(huán)境工作溫度范圍從 -40 C 到 105 C322紅外溫度采集OTP-538UOTP-538U 是一個(gè)典型的TO-46熱電堆傳感器。具116種 熱電偶元素，該傳感器是由浮動(dòng)微膜元件具有積極直徑的系列熱電偶 微米和涂黑表面吸收的熱紅外輻射組成，誘使其在輸出端電壓的響 應(yīng)。該傳感器芯片的制作是一個(gè)獨(dú)特的前表面微細(xì)加工技術(shù)，從而導(dǎo)致更小的尺寸和更快的反應(yīng)環(huán)境溫度變

14、化。OTP-538U熱電堆傳感器提供接近約翰遜噪聲性能，它可以通 過計(jì)算其串聯(lián)的熱敏電阻來反應(yīng)溫度值。OTP-538U 有四個(gè)引腳，分別為 VCC、GND、V+、V-，VCC 為供電電壓，穩(wěn)壓為5V電壓，V+、V-分別為輸出，由于此系統(tǒng)首 要是測(cè)試人體溫度，人體溫度大于 35度，故我們暫不需要負(fù)電壓顯 示，因此將V-接地，引腳特性為地，即與 GND相連，只需將V+電 壓放大即可。下一步整合好電路，緊接著測(cè)量更為寬泛的溫度。傳感器特性參數(shù)特性最小適中最大單位輸出0.771.44mV靈敏度7085100V/W相對(duì)敏感度0.100.110.12%/K敏感區(qū)域545gm熱敏電阻506580KQ相對(duì)電阻

15、0.09%/K響應(yīng)時(shí)間16ms噪聲283236n W/Hz1/2噪聲功率0.280.360.48n W/Hz1/2溫度特性曲線在25 C -40 C線性關(guān)系相當(dāng)好，這也是次設(shè)計(jì)選用 此元件的一個(gè)重要原因。3.2.3 負(fù)電轉(zhuǎn)換芯片 TPS6040 介紹芯片 TPS6040 可以將正電壓轉(zhuǎn)換為其對(duì)應(yīng)的負(fù)電壓，此芯片 輸入電壓范圍從1.6 V至5.5 V，輸出-5v，可提供的最大輸出電流 60 毫安的典型轉(zhuǎn)換效率大于 90%以上的寬輸出電流范圍。此設(shè)計(jì)主 要是為放大器供負(fù)電，理論上 LM324 地線引腳接地即可，但是由于 此接法不成功，不能實(shí)現(xiàn)電壓的放大，故將接地端接入負(fù)電，正常工 作。3.3.1

16、正電平轉(zhuǎn)換 LM1117 介紹LM1117 是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在 1.2V 輸 出，負(fù)載電流為 800mA 時(shí)為 1.2V， LM1117 有可調(diào)電壓的版本， 通過2個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)1.2513.8V輸出電壓范圍。另外還有 5 個(gè)固定電壓輸出(1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V)的型號(hào)。我們 選用的是此類型是 +5v 轉(zhuǎn)+3.3 ，來為單片機(jī)供電。3.3.2 顯示部分常用顯示器件有LED數(shù)碼管顯示器，CRT顯示器以及LCD液 晶顯示器等。本次實(shí)驗(yàn)我們采用 OLED 顯示屏。OLED ( Organic Light Emitting Display)即有機(jī)發(fā)光顯示器,

17、在手機(jī) LCD 上屬于新型產(chǎn)品 ,被稱譽(yù)為“夢(mèng)幻顯示器” 。 OLED 顯 示技術(shù)與傳統(tǒng)的 LCD 顯示方式不同，無需背光燈，采用非常薄的有 機(jī)材料涂層和玻璃基板，當(dāng)有電流通過時(shí)，這些有機(jī)材料就會(huì)發(fā)光。 而且 OLED 顯示屏幕可以做得更輕更薄， 可視角度更大， 并且能夠顯 著的節(jié)省耗電量。四、相關(guān)設(shè)計(jì)原理圖由于k60核心板所占區(qū)域面積較大，且自帶 ADC轉(zhuǎn)換，故ADC 轉(zhuǎn)換電路等在此省略。+5v轉(zhuǎn)3.3vLM1117典型電路接法R1VOl TVREF x (1 + R7/R1 )+JAR I xY 尸 丄工= _ - u圖2.兒甲訂沱溝：丨|_斥圖4-1+5v轉(zhuǎn)-5v 負(fù)電轉(zhuǎn)換芯片TPS60401II_|h圖4-2OLED顯示電路103H 2HI g心I工I5；r和104tttom -IZJFtT 門 1 占Mi再民曇VGKO TTRT?UPLT NVHATV J3RI -I- 占邑 vi?lRSOUS LKN 2 eS_EJ/LiwJWIJLJORJ