紅外測溫儀的設(shè)計

1、河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書1摘要為了克服傳統(tǒng)溫度計測量溫度的主要缺點需要測量者與被測目標(biāo)近距離接觸和測量不方便，在顧及儀器測量高精度前提下，以追求最低成本為原則，研制了非接觸式熱釋電紅外測溫儀，實現(xiàn)了對物體表面溫度快速準(zhǔn)確的測量。本文主要設(shè)計了紅外測溫儀的整體系統(tǒng)構(gòu)架，根據(jù)熱釋電原理，主要針對人體體溫測量進行了具體的設(shè)計開發(fā)，包括整體方案，總體電路及各單元電路的設(shè)計，軟件設(shè)計，硬件焊接及系統(tǒng)調(diào)試，并利用設(shè)計出來的紅外測溫儀在環(huán)境溫度30下對人體溫度進行了測量，對人體的溫度測量的誤差低于±0.1，提高了測量精度。紅外測溫儀的設(shè)計主要為適應(yīng)人體體溫快速無接觸測量的需要。此外還介紹

2、了熱釋電紅外傳感器的工作原理以及比較適合人體紅外檢測的熱釋電傳感器PM611的優(yōu)點和等效電路，闡述了基于熱釋電傳感器的紅外測溫儀的工作原理，討論了該系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法，簡單介紹了測溫系統(tǒng)的適用條件。關(guān)鍵詞：溫度測量 熱釋電 PM611AbstractTo decrease the limitation of traditional method of temperature measuring such as close contact between measurer and the target and inconvenience when measuring, we developed

3、 a non-contact type piezoelectric infrared thermometer, realizes fast and accurate surface temperature measurements. This article also designed the overall system architecture infrared thermometer. Then under the piezoelectric principle, aimed at human body temperature measurement for a specific des

4、ign, development including hardware, peripherals technology, SCM, and the host program . Designed by using the infrared thermometer at ambient temperature 30on the human body were measured on the human body temperature measurement error is less a ±0.1 improve the measurement accuracy. This ther

5、mometer mainly applies to no-contact, speedy body-heat measurement. This article mainly introduces operational principles of piezoelectric infrared sensor and the structure of hydroelectrically sensor PM611.It formulates the theory of the thermometer based on hydroelectrically sensor and studies how

6、 to design and implement of the systemFinally，it indicates the conditional demand of the system. Keywords: Temperature Measurement Piezoelectrically PM611目錄1 緒論11.1 選題意義11.2 紅外測溫技術(shù)的發(fā)展歷程21.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.4 設(shè)計的目的與意義42 紅外測溫儀的原理和性能分析62.1 紅外基礎(chǔ)理論62.2 紅外線測溫儀的理論依據(jù)72.3 紅外線測溫儀的性能指標(biāo)82.4 影響溫度測量的主要因素及修正方法92.5 紅外線測溫

7、儀的特點123 紅外測溫儀的硬件設(shè)計133.1 總體設(shè)計133.2 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計143.2.1 單片機的選型153.2.2 復(fù)位電路173.2.3 時鐘電路193.3 溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計193.3.1 熱釋電溫度傳感器的選型203.3.2 放大電路的設(shè)計223.3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計243.4 整體電路設(shè)計264 紅外測溫儀的軟件設(shè)計274.1 主程序設(shè)計274.2 子程序設(shè)計285 系統(tǒng)調(diào)試305.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試305.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試305.3 調(diào)試中出現(xiàn)的問題315.4 調(diào)試結(jié)果分析315.5 改進方案及推廣應(yīng)用32結(jié)束語34致謝35參考文獻36附錄1 硬件連接圖37附錄2

8、源程序381 緒論由于醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要，在很多情況下，一般的溫度計己經(jīng)滿足不了快速而又準(zhǔn)確的測溫要求，例如車站和機場等人口密度較大的地方進行人體溫度測量。雖然現(xiàn)在國外這種測溫的技術(shù)都比較成熟，但是國內(nèi)這方面的技術(shù)還處于發(fā)展階段。因此，為了適應(yīng)醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要，有效地進行特殊環(huán)境下的溫度測量，從而有力地控制和預(yù)防諸如甲流、非典之類型的特殊疾病的傳播，急需設(shè)計一種測溫速度快，準(zhǔn)確率高的測溫儀。針對一般的工業(yè)用的紅外測溫儀的精確度不夠高，我們根據(jù)這種紅外線測溫的原理，通過關(guān)鍵器件的選擇、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計以及溫度補償?shù)淖詣诱{(diào)節(jié)來提高紅外線測溫儀的精確度，設(shè)計了一種用紅外線測溫電路，用于人員密集且流量大的場合

9、進行快速的人體溫度測量。 1.1 選題意義伴隨著人們生活水平的不斷提高以及對生活質(zhì)量要求的提高，人們對自身的健康狀況越來越關(guān)注，而人體的體溫、血壓、脈搏和呼吸是鑒別人體健康狀況的重要參數(shù)，對這些生理指標(biāo)的監(jiān)控與測量則可以更好的體現(xiàn)人體自身的健康狀況，所以他們在醫(yī)療領(lǐng)域中占有十分重要的地位，也為人民的生活帶來極大的方便。本次設(shè)計主要圍繞體溫這一生理指標(biāo)展開，以AT89S52單片機為控制核心對溫度進行實時采集，開發(fā)設(shè)計紅外測溫儀的全過程，根據(jù)紅外線測溫儀的原理，通過關(guān)鍵器件的選擇以及溫度補償?shù)淖詣诱{(diào)節(jié)來提高紅外線測溫儀的精確度，設(shè)計了一種非接觸式人體體溫測試儀，用于人體體溫的快速測量。全文主要闡述

10、了非接觸式人體體溫測試儀的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件方面首先談到了系統(tǒng)的總體設(shè)計，然后分別從紅外線傳感器，運算放大器，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理，顯示部分等功能模塊進行了論述并詳細(xì)介紹了各個芯片的結(jié)構(gòu)和功能，使系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，精度高，測量安全，使用方便等特點。在軟件方面，此設(shè)計使用C語言來編寫程序代碼，具有編譯速度快，運行效率高等特點。 設(shè)計的軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個模塊作為一個子程序，根據(jù)系統(tǒng)功能劃分，程序由模塊組成，所以整個程序的編制、調(diào)試和維護都比較方便，結(jié)構(gòu)清晰，提高了可靠性和修改性，并給出了針對各個應(yīng)用模塊的設(shè)計思路和設(shè)計框架，對各部分程序進行解釋說明，從而實現(xiàn)非接觸式人體體溫的數(shù)字顯

11、示。對非接觸式測溫儀的設(shè)計是以功能性為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新性為指導(dǎo)，以實踐性為依托，具有大好的發(fā)展前景和廣泛的應(yīng)用場合。通過本次設(shè)計，希望可以為今后拓展體溫監(jiān)測應(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。 最后，文章對本次設(shè)計做出了詳細(xì)的總結(jié)。1.2 紅外測溫技術(shù)的發(fā)展歷程 紅外測溫技術(shù)在生產(chǎn)過程中，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測，設(shè)備在線故障診斷和安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。近20年來，非接觸紅外測溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴大，市場占有率逐年增長。比起接觸式測溫方法，紅外測溫有著響應(yīng)時間快、非接觸、

12、使用安全及使用壽命長等優(yōu)點。非接觸紅外測溫儀包括便攜式、在線式和掃描式三大系列，并備有各種選件和計算機軟件，每一系列中又有各種型號及規(guī)格。在不同規(guī)格的各種型號測溫儀中，正確選擇紅外測溫儀型號對用戶來說是十分重要的。紅外檢測是一種在線監(jiān)測(不停電)式高科技檢測技術(shù)，它集光電成像技術(shù)、計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一身，通過接收物體發(fā)出的紅外線(紅外輻射)，將其熱像顯示在熒光屏上，從而準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況，具有準(zhǔn)確、實時、快速等優(yōu)點。任何物體由于其自身分子的運動，不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場，俗稱“熱像”。紅外診斷技術(shù)正是通過吸收這種紅外輻射能量，測出設(shè)備表面的溫度

13、及溫度場的分布，從而判斷設(shè)備發(fā)熱情況。目前應(yīng)用紅外診技術(shù)的測試設(shè)備比較多，如紅外測溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等等。像紅外熱電視、紅外熱像儀等設(shè)備利用熱成像技術(shù)將這種看不見的“熱像”轉(zhuǎn)變成可見光圖像，使測試效果直觀，靈敏度高，能檢測出設(shè)備細(xì)微的熱狀態(tài)變化，準(zhǔn)確反映設(shè)備內(nèi)部、外部的發(fā)熱情況，可靠性高，對發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患非常有效。紅外診斷技術(shù)對電氣設(shè)備的早期故障缺陷及絕緣性能做出可靠的預(yù)測，使傳統(tǒng)電氣設(shè)備的預(yù)防性試驗維修(預(yù)防試驗是50年代引進前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn))提高到預(yù)知狀態(tài)檢修，這也是現(xiàn)代電力企業(yè)發(fā)展的方向。特別是現(xiàn)在大機組、超高電壓的發(fā)展，對電力系統(tǒng)的可靠運行，關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定，提出了越來越高的要求。

14、隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展成熟與日益完善，利用紅外狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、不接觸、不取樣、不解體，又具有準(zhǔn)確、快速、直觀等特點，實時地在線監(jiān)測和診斷電氣設(shè)備大多數(shù)故障(幾乎可以覆蓋所有電氣設(shè)備各種故障的檢測)。它備受國內(nèi)外電力行業(yè)的重視(國外70年代后期普遍應(yīng)用的一種先進狀態(tài)檢修體制)，并得到快速發(fā)展。紅外檢測技術(shù)的應(yīng)用，對提高電氣設(shè)備的可靠性與有效性，提高運行經(jīng)濟效益，降低維修成本都有很重要的意義。是目前在預(yù)知檢修領(lǐng)域中普遍推廣的一種很好手段，又能使維修水平和設(shè)備的健康水平上一個臺階。目前應(yīng)用紅外診斷技術(shù)的測試設(shè)備比較多，如紅外測溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等等。像紅外熱電視、紅外熱像儀

15、等設(shè)備利用熱成像技術(shù)將這種看不見的“熱像”轉(zhuǎn)變成可見光圖像，使測試效果直觀，靈敏度高，能檢測出設(shè)備細(xì)微的熱狀態(tài)變化，準(zhǔn)確反映設(shè)備內(nèi)部、外部的發(fā)熱情況，可靠性高，對發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患非常有效。目前，我國也在研發(fā)一種體積小，成本較低，又不受外界環(huán)境溫度干擾的人體紅外測溫儀，對醫(yī)學(xué)的發(fā)展有很重大的意義。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自從1800年英國天文學(xué)家F·W·赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射至今，紅外技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了將近兩個世紀(jì)。從那時開始，紅外輻射和紅外元件、部件的科學(xué)研究逐步發(fā)展，但發(fā)展比較緩慢，直到1940年前后才真正出現(xiàn)現(xiàn)代的紅外技術(shù)。當(dāng)時，德國研制成硫化鉛和幾種紅外透射材料，利用這些元、部件

16、制成一些軍用紅外系統(tǒng)，如高射炮用導(dǎo)向儀、海岸用船舶偵察儀、船舶探測和跟蹤系統(tǒng)，機載轟炸機探測儀和火控系統(tǒng)等等。其中有些達到實驗室試驗階段，有些已小批量生產(chǎn)，但都未來得及實際使用。此后，美國、英國、前蘇聯(lián)等國競相發(fā)展。特別是美國，大力研究紅外技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用。目前，美國將紅外技術(shù)應(yīng)用于單兵裝備、裝甲車輛、航空和航天的偵察監(jiān)視、預(yù)警、跟蹤以及武器制導(dǎo)等各個領(lǐng)域。對于紅外傳感器的全球市場，第三世界國家將比歐美更加看好。雖然歐美很多工業(yè)國家加工業(yè)廣泛，但其市場以趨向飽和；而在中國以及拉美一些新興國家和地區(qū)，隨著其經(jīng)濟的復(fù)蘇與發(fā)展，各國各地區(qū)紛紛加強工業(yè)化建設(shè)，加工廠不斷增多，紅外傳感器在該區(qū)域的銷

17、量每年以25的速度增長，并且其市場銷量還處于增長趨勢。我國的紅外檢測技術(shù)的發(fā)展起步比較晚，直到2003年非典的襲擊，我國才迅速誕生了一支專門抗擊非典的醫(yī)療儀器隊伍，特別是在紅外體溫檢測儀的研發(fā)方面取得了突出的成就。國家相關(guān)部門也在重點強調(diào)非接觸式體溫計的研發(fā)。1.4 設(shè)計的目的與意義生理參數(shù)是人體最重要、最基本的生命指標(biāo)，對危重病人進行生命指標(biāo)參數(shù)的監(jiān)測是醫(yī)務(wù)工作者及時了解病情狀況的重要手段之一，它有利于對有生命危險的傷病員進行及時有效的治療和搶救處理，完善病人的醫(yī)療護理以及研究人體對環(huán)境變化的反應(yīng)都有著重要的意義。其中體溫是人體最基本的生理參數(shù)，對于日常護理和病情檢測都是非常重要的。有許多疾

18、病都能通過體溫的變化來預(yù)測，所以體溫計在醫(yī)療領(lǐng)域中占有十分重要的地位。人體體溫測試儀應(yīng)用范圍不僅僅局限于醫(yī)學(xué)，在消防上消防員在撲火的同時也要對自己的體溫做到了解，如果體溫過高或者心率過快就要及時撤離，以免發(fā)生危險；軍事上用于部隊訓(xùn)練，必須實施隨時監(jiān)測，體溫使訓(xùn)練能夠在良好的體征下進行，提高效果。因此，在許多領(lǐng)域都需要這種測試儀對人體體溫進行精確測試。此設(shè)計的目的是在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過完成一個涉及MCS-51單片機多種資源應(yīng)用，并具有綜合功能的小目標(biāo)板的設(shè)計與編程應(yīng)用，并在進行相關(guān)課程設(shè)計基礎(chǔ)上進行的一次綜合設(shè)計。通過查閱資料，接口設(shè)計，程序設(shè)計，安裝調(diào)試，整理資料等環(huán)節(jié)，從而掌握工程設(shè)計方

19、法和組織實踐的基本技能，熟悉開展科學(xué)實踐的程序和辦法，為今后從事生產(chǎn)技術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)，學(xué)會靈活運用已經(jīng)學(xué)過的知識，并能不斷接受新的知識，大膽發(fā)明創(chuàng)造的設(shè)計理念。因此研制一套可應(yīng)用于個人家庭、方便攜帶、結(jié)構(gòu)簡單、測量速度快、實時性好的人體體溫測試儀尤為重要。人們可以足不出戶，在家中可隨時對自己生理指標(biāo)進行測試，監(jiān)測自己的身體狀況，做到提前預(yù)防，提高生命質(zhì)量。2 紅外測溫儀的原理和性能分析 本章節(jié)首先介紹紅外測溫的基礎(chǔ)理論，然后針對其理論依據(jù)進行原理剖析，還簡單介紹了紅外測溫儀的性能指標(biāo)及影響測溫的主要因素，最后給出了誤差的具體修正方法。2.1 紅外基礎(chǔ)理論 1672年，人們發(fā)現(xiàn)太陽光（白光

20、）是由各種顏色的光復(fù)合而成，同時，牛頓做出了單色光在性質(zhì)上比白色光更簡單的著名結(jié)論。使用分光棱鏡就把太陽光（白光）分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各色單色光。1800年，英國物理學(xué)家F.W.赫胥爾從熱的觀點來研究各種色光時，發(fā)現(xiàn)了紅外線。他在研究各種色光的熱量時，有意地把暗室的唯一的窗戶用暗板堵住，并在板上開了一個矩形孔，孔內(nèi)裝一個分光棱鏡。當(dāng)太陽光通過棱鏡時，便被分解為彩色光帶，并用溫度計去測量光帶中不同顏色所含的熱量。為了與環(huán)境溫度進行比較，赫胥爾用在彩色光帶附近放幾支作為比較用的溫度計來測定周圍環(huán)境溫度。試驗中，他偶然發(fā)現(xiàn)一個奇怪的現(xiàn)象：放在光帶紅光外的一支溫度計，比室內(nèi)其他溫度的批示

21、數(shù)值高。經(jīng)過反復(fù)試驗，這個所謂熱量最多的高溫區(qū)，總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。于是他宣布太陽發(fā)出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的“熱線”，這種看不見的“熱線”位于紅色光外側(cè)，叫做紅外線。紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質(zhì)，紅外線的發(fā)現(xiàn)是人類對自然認(rèn)識的一次飛躍，對研究、利用和發(fā)展紅外技術(shù)領(lǐng)域開辟了一條全新的廣闊道路。 紅外線的波長在0.76100m之間，按波長的范圍可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四類，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區(qū)域。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生自身的分子和

22、原子無規(guī)則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成電信號后，成像裝置的輸出信號就可以完全一一對應(yīng)地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經(jīng)電子系統(tǒng)處理，傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。運用這一方法，便能實現(xiàn)對目標(biāo)進行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測溫并進行分析判斷。2.2 紅外線測溫儀的理論依據(jù) 一切溫度高于絕對零度(-273.15)的物體，由于分子的熱運動，都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波。物體的紅外輻射能量的大小及其

23、按波長的分布與它的表面溫度有這十分密切的關(guān)系，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合輻射定律。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。紅外輻射原理輻射定律： （3-1）式中：為輻射出射度數(shù)，；為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，；為物體的輻射率；為物體的溫度，單位；為物體周圍的環(huán)境溫度，單位。測量出所發(fā)射的，就可得出溫度。 利用這個原理制成的溫度測量儀表叫紅外溫度儀表。這種測量不需要與被測對象接觸，因此屬于非接觸式測量。在不同的溫度范圍，對象發(fā)出的電磁波能量的波長分布不同，在常溫（0100）范圍，能量主要集中在中紅外和遠(yuǎn)紅外波長。用于不同溫度

24、范圍和用于不同測量對象的儀表，其具體的設(shè)計也不同。根據(jù)式（2.1）的原理，儀表所測得的紅外輻射為： （3-2）式中：為光學(xué)常數(shù)，與儀表的具體設(shè)計結(jié)構(gòu)有關(guān)；為被測對象的輻射率；為紅外溫度計的輻射率；為被測對象的溫度（K）；為紅外溫度計的溫度（K）；它由一個內(nèi)置的溫度檢測元件測出。輻射率是一個用以表達物體發(fā)射電磁波能力的系數(shù)，數(shù)值由0至1.0。自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體。所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，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際物體，必須引入一個與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，

25、即發(fā)射率。該系數(shù)表示實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。所有真實的物體，包括人體各部位的表面，其值都是某個低于1.0的數(shù)值。 人體主要輻射波長在910的紅外線，通過對人體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內(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量人體表面溫度。紅外溫度測量技術(shù)的最大優(yōu)點是測試速度快，幾秒以內(nèi)可測試完畢。2.3 紅外線測溫儀的性能指標(biāo)總的來說，測溫范圍、顯示分辨

26、率、精度、工作環(huán)境溫度范圍、重復(fù)性、相對濕度、響應(yīng)時間、電源、響應(yīng)光譜、尺寸、最大值顯示、重量、發(fā)射率等都是紅外線測溫儀的性能指標(biāo)。1）確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀最重要的一個性能指標(biāo)。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。 2）確定目標(biāo)尺寸：紅外測溫儀根據(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。對于單色測溫儀，在進行測溫時，被測目標(biāo)面積應(yīng)充滿測溫儀視場。否則背景會干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。 3）確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）：距離系數(shù)由D：S之比確定，即測溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與被測目標(biāo)直徑之比。如果測溫儀由于

27、環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測溫儀。光學(xué)分辨率越高，測溫儀的成本也越高。 4）確定波長范圍：目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應(yīng)波長對于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。 5）確定響應(yīng)時間：響應(yīng)時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達最后讀數(shù)的95%能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)。 6）信號處理功能：鑒于離散過程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過程不同，所以要求紅外測溫儀具有多信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。 7）環(huán)境條件考慮：測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考

28、慮并適當(dāng)解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。 8）紅外輻射測溫儀的標(biāo)定：紅外測溫儀必須經(jīng)過標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測目標(biāo)的溫度。2.4 影響溫度測量的主要因素及修正方法 影響紅外人體測溫儀的因素有： 1）測溫目標(biāo)大小與測溫距離的關(guān)系：在不同距離處，可測的目標(biāo)的有效直徑D是不同的，因而在測量小目標(biāo)時要注意目標(biāo)距離。人體紅外測溫儀距離系數(shù)K的定義為：被測目標(biāo)的距離L與被測目標(biāo)的直徑D之比，即K=L/D。 2）選擇被測物質(zhì)發(fā)射率：人體紅外測溫儀一般都是按黑體（發(fā)射率?=1.00）分度的，而實際上，物質(zhì)的發(fā)射率都小于1.00。因此，在需要測量目標(biāo)的真實溫度時，必須設(shè)置發(fā)射率值。物質(zhì)發(fā)射率可從輻射測

29、溫中有關(guān)物體發(fā)射率的數(shù)據(jù)中查得。 3）測量溫度時的環(huán)境因素：測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大的影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會影響測溫精度。本設(shè)計中正是利用了PM611熱釋電紅外線傳感器可以補償溫度起伏的作用，實現(xiàn)準(zhǔn)確測溫。 4）強光背景里目標(biāo)的測量：若被測目標(biāo)有較亮背景光（特別是受太陽光或強燈直射），則測量的準(zhǔn)確性將受到影響，因此可用物體遮擋直射目標(biāo)的強光以消除背景光干擾。 5）溫度輸出功能：首先模擬信號輸出05V，15V，010V，0/420毫安，可以加入閉環(huán)控制中。其次高報警、低報警生產(chǎn)過程中要求控制溫度在某個范圍里，可設(shè)置高，低報警值。高報警：在高報警設(shè)置打開的情況下，當(dāng)溫度高于高

30、報警值，相應(yīng)的LED燈閃爍，蜂鳴器響，并有相應(yīng)繼電器接通或斷開。 由于在溫度測量時是在不確定的環(huán)境中進行的，所以外界環(huán)境會對測溫造成一定的影響，對測量結(jié)果產(chǎn)生誤差，所以要對環(huán)境溫度有一個修正。 由2.1節(jié)輻射公式可得出熱釋電傳感器的響應(yīng)公式為： （3-3）式中：為與熱釋電響應(yīng)特性及物體表面發(fā)射率有關(guān)的常數(shù)，為物體表面溫度，為環(huán)境溫度。根據(jù)表達式（2.3）可以得到不同的標(biāo)定公式： （1）簡單關(guān)系式，即 （3-4） 式中：，應(yīng)用此公式所作的標(biāo)定實驗結(jié)果見表1，表中數(shù)據(jù)表明， 不僅與有關(guān)，還與有關(guān)。 （2）多項式，即 （3-5）令 （3-6） 在參考文獻7中，取三項，其實驗結(jié)果表明，要使測溫儀滿足一

31、定的精度，測溫時的環(huán)境溫度和物體表面溫度要在一定的范圍內(nèi)，如環(huán)境溫度=30，物體表面溫度在180以上時，讀數(shù)誤差較大。 由表2-1可知：首先應(yīng)該對物體表面溫度分段定標(biāo)，因為測量范圍較大，所以不同段的標(biāo)定系數(shù)相差很大。實際應(yīng)用中每隔510就必須標(biāo)定一個系數(shù)，當(dāng)采樣電壓峰值落在此區(qū)間時就選擇該系數(shù)。然后再根據(jù)環(huán)境溫度的不同對已選出的標(biāo)定系數(shù)進行修正，達到在不同環(huán)境溫度下仍然能夠準(zhǔn)確測溫的目的。分析表1可知，當(dāng)物體表面溫度較低時（78以下），環(huán)境溫度對修正系數(shù)的影響較大。所以對此溫度范圍的物體必須進行環(huán)境溫度對標(biāo)定系數(shù)的修正。而當(dāng)物體表面溫度較高時，則修正系數(shù)基本由物體表面溫度決定，這樣系數(shù)就不必再

32、依環(huán)境溫度進行校正，這就減少了標(biāo)定系數(shù)的復(fù)雜性。下圖為表1：表2-1 不同環(huán)境溫度下的標(biāo)定系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)溫度 （）環(huán)境溫度（）測量值（V）系 數(shù) Ka（V/） 34.00 26.0 2.613 3.061 26.5 2.605 2.879 27.0 2.588 2.704 78.00 26.0 2.960 17.57 26.5 2.948 17.47 27.0 2.925 17.44 120.00 26.0 3.392 27.71 26.5 3.388 27.59 27.0 3.384 27.482.5 紅外線測溫儀的特點 人體紅外測溫儀是通過接收人體發(fā)射的紅外線的能量的大小來測量其體溫的儀器。測溫

33、儀內(nèi)部的靈敏探測元件將采集的能量信息輸送到微處理器中進行處理，然后轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)顯示。所以人體紅外測溫儀具有以下優(yōu)點： 1）非接觸測量：它不需要接觸到人體，只需在額頭前方5厘米左右測溫即可，而且紅外探測器只需感應(yīng)人體輻射的紅外線。因此，不會干擾人體，也不會為人體帶來損傷。 2）測量范圍廣：因為人體紅外測溫儀是非接觸式測溫，所以測溫儀并不處在較高或較低的溫度場中，而是工作在正常的溫度或測溫儀允許的條件下進行測量的，所以測量范圍比較廣。 3）測溫速度快：即響應(yīng)時間快。紅外探測器中靈敏元非常靈敏，只要接收到目標(biāo)紅外輻射即可在短時間內(nèi)測溫。 4）準(zhǔn)確度高：人體紅外測溫不會與普通測溫一樣破壞物體本身溫度

34、分布，因此測量精度高。 5）靈敏度高：只要人體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測出，而且使用安全及使用壽命長。 6）體積小，方便攜帶。 7）受外界環(huán)境溫度干擾較?。河捎诒驹O(shè)計中所使用的紅外探測器是帶補償電路的，所以它可以補償外界環(huán)境溫度的高低起伏。 3 紅外測溫儀的硬件設(shè)計 紅外測溫儀是利用紅外傳感器對被測目標(biāo)時的熱輻射進行采集，通過轉(zhuǎn)換電路將紅外傳感器采集到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再將電信號通過放大電路，A/D轉(zhuǎn)換等單元電路處理后送到單片機中，最后單片機將帶有數(shù)據(jù)信息的電信號進行分析處理，將電信號轉(zhuǎn)變成與之相對應(yīng)大小的溫度值顯示輸出。其中要解決的問題有：體溫信號的非接觸測量、微弱電壓

35、信號的放大、傳感器的環(huán)境溫度補償?shù)?。其中體溫測量選用紅外熱釋傳感器PM611、LM324進行電壓放大、ADC0804進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理等功能都用AT89S52單片機實現(xiàn)，通過驅(qū)動共陰極LED數(shù)碼管進行顯示。紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出、報警電路等部分組成。3.1 總體設(shè)計在一個系統(tǒng)的硬件設(shè)計中應(yīng)選擇合適型號的單片機后，進行系統(tǒng)所需的擴展和配置。按照系統(tǒng)功能要求進行擴展和配置外圍設(shè)備。要設(shè)計合適的接口電路，系統(tǒng)的擴展和配置應(yīng)遵循以下原則：1） 盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。本次設(shè)計選取的是AT

36、89S52單片機。2）系統(tǒng)擴展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便二次開發(fā)。3）系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。4）可靠性及干擾設(shè)計是硬件設(shè)計必不可少的一部分。5）單片機外圍電路較多時，應(yīng)考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設(shè)線驅(qū)動器增強驅(qū)動能力或減少芯片功耗來降低總線負(fù)載。6）工藝設(shè)計必須考慮安裝、調(diào)試、維護的方便。由此可設(shè)計出人體紅外測溫儀系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-1所示。由圖中可以看出，紅外探測儀接收到人體發(fā)出的紅外線后，經(jīng)過溫度檢測系統(tǒng)采樣后，再在信號處理單元對所測得的信號進行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理傳送到單片機，經(jīng)單片機運

37、算后送給顯示單元顯示出溫度讀數(shù)。如果經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)大于所設(shè)置的預(yù)警數(shù)據(jù)，則蜂鳴器報警。 圖3-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖3.2 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計 圖3-2 單片機最小系統(tǒng) 單片機加上適當(dāng)?shù)耐鈬骷蛻?yīng)用程序，構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)稱為最小系統(tǒng)，最小應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計是單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)。它包括單片機的選擇、時鐘系統(tǒng)設(shè)計、復(fù)位電路設(shè)計、簡單I/O口擴展、掉電保護等，對于CHMOS單片機，還包括低功耗運行設(shè)計。AT89S52單片機的最小應(yīng)用系統(tǒng)如圖3-2所示。3.2.1 單片機的選型為了硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、便于二次開發(fā)，本次設(shè)計選取的單片機型號是AT89S52。AT89S52是一種低功耗、高性能C

38、MOS八位微控制器，具有8KB的系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。

39、 1.AT89S52的主要特點是： ·與MCS-51 單片機產(chǎn)品兼容；·8k可反復(fù)擦寫(>1000次)Flash ROM；·全靜態(tài)操作：0Hz33Hz；·三級加密程序存儲器；·32 個可編程I/O 口線； ·3個16 位定時器/計數(shù)器；·8個中斷源；·全雙工UART 串行通道；·低功耗空閑和掉電模式，掉電后中斷可喚醒；·看門狗定時器及雙數(shù)據(jù)指針；·掉電標(biāo)識和快速編程特性；2.引腳功能： AT89S52引腳圖如圖3-3所示：電源及時鐘引腳：·Vcc（40）：接+5V電源；

40、 ·Vss（20）：接地；·XTAL1（19）：接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端；·XTAL2（18）：接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的輸出端；控制引腳：·RST/VPD（9）：當(dāng)震蕩器運行時，在此引腳外加上兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位（RST）。掉電期間，此引腳可接上備用電源（VPD），以保持內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)，當(dāng)Vcc下掉到低于規(guī)定的值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)（5+0.5v）時，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源；圖3-3 AT89S52引腳圖·ALE/PROG（30）：當(dāng)訪問單片

41、機外部存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的負(fù)跳沿用于16位地址的低8位的鎖存器，ALE端仍有正脈沖信號輸出，此頻率為時鐘震蕩器頻率的1/6。ALE端可以驅(qū)動8個TTL負(fù)載。對于單片機EPROM型（8751），在EPROM編程期間，此引腳用來輸入編程脈（PROG）；·PSEN（29）：此引腳的輸出是單片機訪問外部程序存儲器的讀選通信號，在由外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期PSEN兩次有效。PSEN可以驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載；·EA/VPP（31）：當(dāng)EA保持高電平時，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器，但在PC值超過0FFFFH，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程

42、序。當(dāng)EA保持低電平時，只訪問外部程序存儲器。對于89C51，因其片內(nèi)有4KBEEPROM，故該腳接高電平。在EEPROM編程期間，VPP編程電壓為+12V或+5V。I/O口引腳： ·P0口（39-32）：雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用口，可帶8個LSTTL負(fù)載；·P1口（1-8）：8個準(zhǔn)雙向I/O口，可帶4個LSTTL負(fù)載；·P2口（21-28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口，與地址總線（高八位）復(fù)用，可帶4個LSTTL負(fù)載；·P3口（10-17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口雙功能復(fù)用。3.2.2 復(fù)位電路復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和

43、按鈕復(fù)位兩種方式，此電路系統(tǒng)采用的是上電與按鈕復(fù)位電路，如圖3-4所示。復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連的，斯密特觸發(fā)器是用來抑制噪聲的。單片機的RST引腳是復(fù)位信號的輸入端，RST引腳上保持兩個機器周期（24個時鐘周期）以上的高電平時，單片機內(nèi)部可以安全復(fù)位。圖3-4 AT89S52的上電系統(tǒng)復(fù)位電路復(fù)位后，單片機內(nèi)部各寄存器的內(nèi)容將被初始化，復(fù)位不影響片內(nèi)RAM和片外RAM中的內(nèi)容。寄存器包括程序計數(shù)器PC和特殊功能寄存器，其中（PC）=0000H。特殊功能寄存器的復(fù)位狀態(tài)見表3-1。表3-1 復(fù)位特殊功能寄存器的初始狀態(tài)SFR名稱

44、初始狀態(tài)SFR名字初始狀態(tài)ACC00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0-P3FFHSBUF不確定IPXXX00000BSCON00HIE0XX00000BPCON0XXXXXXB3.2.3 時鐘電路時鐘電路用于產(chǎn)生時鐘信號，時鐘信號是單片機內(nèi)部各種微操作的時間基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，控制器按章指令的功能產(chǎn)生一系列在時間上有一定次序的信號，控制相關(guān)的邏輯電路工作，實現(xiàn)指令的功能。如圖3-5所示： 圖3-5 外接石英晶振電路驅(qū)動器件 XTAL1和XTAL2分別為片內(nèi)反向放大器的輸入和輸出端口。該反向放大

45、器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石英晶體振蕩器和陶瓷振蕩器均可使用，如果用外部時鐘源，XTAL2應(yīng)不接。輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。電容容量范圍為30PF+/-10PF，石英晶體頻率的范圍為1.2-12MHz,常用6MHz或者12MHz。1)時鐘周期（是時鐘信號頻率fosc的倒數(shù)）時鐘周期=1/fosc2)機器周期機器周期=12*時鐘周期3)指令周期一條指令從被讀取到被執(zhí)行的整個過程所需要的時間稱為指令周期。3.3 溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計紅外測溫儀的溫度檢測系統(tǒng)可以這樣設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-6所示。圖3-6 測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

46、光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定，主要由濾光片和菲涅爾透鏡組成，以濾除514um以外的紅外線，并達到聚焦的目的。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。按下開關(guān)即可測量，每次測量結(jié)果顯示在顯示器上。當(dāng)系統(tǒng)上電時，整個電路開始工作，物體表面輻射的能量首先經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦后經(jīng)熱釋電傳感器接收，將熱輻射信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)由放大電路放大后（由外界環(huán)境導(dǎo)致的雜亂信號經(jīng)濾波器過濾后）到達A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，89S52單片機作為CPU接收經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字

47、信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)換成物體表面溫度顯示在LED顯示屏上。3.3.1 熱釋電溫度傳感器的選型本設(shè)計的探頭使用的是紅外線傳感器，它能接收人體發(fā)射出的紅外線并使之轉(zhuǎn)換成電壓信號。設(shè)計選用的是PM611單元熱釋電傳感器，它是一種專門用于非接觸式測量體溫的器件，主要接收514um之間的紅外線，其主要參數(shù)見表3-2所示。PM611外形和引腳排列如圖3-7和3-8所示。其引腳功能如下： ·1腳接+5V；·2腳為電壓輸出端；·3腳接地；表3-2 PM611傳感器的參數(shù)參數(shù)單位值條件芯片尺寸mm21.8×1.8橫隔膜尺寸mm21.4×1.4熱電偶個數(shù)60有效面

48、積mm20.7×0.7內(nèi)阻k60±30%25阻抗溫度系數(shù)%/<0.12響應(yīng)度V/W62±30%500k,1Hz響應(yīng)度溫度系數(shù)%/-0.1Typical時間常數(shù)ms25500k,1Hz,Typical工作溫度-20100存儲溫度-40120封裝形式To-5圖3-7 PM611的外形被測物體的輻射能經(jīng)過窗口和光闌聚焦在接收元件(熱電堆) 的受熱片上， 受熱片上有60只串聯(lián)的熱電偶，每只熱電偶的熱端在受熱片的中央部位圍成一圈，焊接在一起，從引線就可以得到所有電偶的熱電勢之和。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較小的熱慣性和較高的靈敏度，傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)電熱調(diào)節(jié)器進行環(huán)境溫度補償

49、。圖3-8 PM611的引腳排列這種傳感器雖是單靈敏元，由于他采用一個接收元和二個并聯(lián)的補償元串接的結(jié)構(gòu)，故也能有效地補償環(huán)境溫度起伏，振動等干擾影響。他的工作溫度是-20+100 ，特別適合測量人體的溫度。而且PM611各項指數(shù)都比較好，因此選用了它做溫度儀的探頭。其等效電路如圖3-9所示：圖3-9傳感器的內(nèi)部典型連接電路3.3.2 放大電路的設(shè)計由于傳感器探測到的人體紅外線信號較弱，當(dāng)轉(zhuǎn)化為電壓后需要通過放大器放大電壓信號。因為探測器測到的信號可能摻雜了外界環(huán)境的某些因素，所以放大電路中要加入低通濾波電路把多余的雜信號過濾掉。放大電路如圖3-10所示：圖3-10 放大部分電路傳感器輸出的信

50、號經(jīng)47 F電容耦合到第一個同相放大器，它的閉環(huán)增益為2324之間。同時第一個放大器還兼做高通濾波器，其截止頻率為0.3 Hz。第二個放大器是一個低通濾波器，其閉環(huán)增益約為1，截止頻率為7 Hz。第一個，第二個放大器分別把低于0.3Hz和高于7 Hz的信號濾掉，使輸出的信號僅是經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制的1 Hz紅外輻射信號。通過第二章的原理可知由信號轉(zhuǎn)換為電壓再轉(zhuǎn)化成溫度才顯示出來的，那么這個過程將在第三個放大器中完成。通過放大濾波的信號就輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的Vin（+）端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器會把收到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。調(diào)試：在實驗中通過調(diào)節(jié)放大器1輸出端的10K變阻器，使第三個放大器的輸出信號大小發(fā)生改變，當(dāng)最

51、后一個也就是第三個信號放大器的輸出小于5V時，可以適應(yīng)下面系列的處理，因此第三個放大器的兩個電位器用來調(diào)節(jié)最后信號輸出的大小，確保在高溫時不超過5V。3.3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計由于傳感器探測到紅外線后被放大的是模擬信號，然而需要在LED上顯示出來，所以本設(shè)計利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)這個功能。因為只用到了一個輸入信號，所以為了節(jié)省不必要的累贅，采用ADC0804把有用的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后顯示出來。ADC0804是用CMOS集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率8位，輸入電壓范圍是05V, 增加一些外部電路后，輸入模擬電壓為±5V。此芯片內(nèi)有輸出鎖存器，當(dāng)與計算機連接時，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線上，不用再加接口電路。ADC0804芯片的外引腳圖如3-11所示。引腳名稱及意