色彩識(shí)別裝置

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上我們這次選擇了兩道題：題目九：色彩識(shí)別裝置設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)裝置，對(duì)30cm左右的一張有色紙，裝置能夠在自然光或者輔助光配合下，識(shí)別出有色紙的顏色，并用漢字顯示出來。裝置的識(shí)別效果的衡量，以與肉眼識(shí)別吻合為佳。題目分析本題要求設(shè)計(jì)一個(gè)色彩識(shí)別裝置，該裝置能夠在自然光或者輔助光源的配合下，識(shí)別出一定距離（30cm）內(nèi)的有色紙的顏色，并可以在屏幕上將識(shí)別結(jié)果用漢字顯示出，顏色的承載體是紙張，顏色環(huán)境相對(duì)簡單，色彩的辨別以人眼識(shí)別的為準(zhǔn)（非CIE色度學(xué)顏色），可采用ColorChecker 卡24種顏色作為參照標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)方案鑒于模塊化設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的優(yōu)越性，我們將該系統(tǒng)分為

2、以下4個(gè)模塊：主要實(shí)現(xiàn)方式有以下幾種方案一：采用非晶硅彩色傳感器，經(jīng)信號(hào)處理電路處理后，利用微處理器（單片機(jī)）作為控制器，外接顯示器輸出測量結(jié)果。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖如下：標(biāo)準(zhǔn)光源濾波濾波濾波8155有色紙非晶硅方案二：利用CCD/CMOS傳感器，將采集的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)，通過軟件進(jìn)行分析，在屏幕上輸出結(jié)果，典型的方案是將數(shù)碼相機(jī)（或者攝像頭）采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過軟件Matlab編寫模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序進(jìn)行分析?？驁D如下：色樣CCDCMOS光源濾波圖像處理模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出方案三：選用Photo sensor顏色信號(hào)進(jìn)行提取和采集,采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高速并行模數(shù)轉(zhuǎn)換模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換,嵌入

3、式系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,完成篩選和分揀工作,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示：方案四：利用可編程彩色光到頻率的傳感器TCS230進(jìn)行信號(hào)的收集與處理，單片機(jī)SPCE061A進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，并將結(jié)果通過顯示輸出電路輸出。方案比較方案一是目前常用的，顏色傳感器通常是在獨(dú)立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過修正的紅綠藍(lán)濾光片，然后對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，輸出的是模擬信號(hào)，需要A/D電路進(jìn)行采樣、轉(zhuǎn)換，才能被微處理器識(shí)別，增加了電路的復(fù)雜性，存在較大誤差，影響了識(shí)別效果。方案二的識(shí)別精度較高，但涉及圖像處理，算法復(fù)雜，軟件開銷大，硬件成本高。方案三具有檢測速度快，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但同樣其成本高，算法復(fù)雜，一般用于專業(yè)領(lǐng)域。方

4、案四給出了一種基于數(shù)字顏色傳感器TCS230和16位單片機(jī)SPEC061A及LCD顯示的顏色識(shí)別系統(tǒng)。TCS230是美國TAOS公司推出的一款可編程光頻率轉(zhuǎn)換傳感器，這種傳感器輸出和入射光基色分量成正比的頻率信號(hào)，能夠和微處理器直接接口，因此可以簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。本組成員對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的知識(shí)儲(chǔ)備不是很足，對(duì)于方案一中的光學(xué)系統(tǒng)把握不是很大，再加上方案一中涉及較多模擬電路，穩(wěn)定性不高，調(diào)試時(shí)間長，精度不如集成系統(tǒng)，另外方案二和方案三的成本明顯偏高，技術(shù)復(fù)雜，因此我們選擇了方案四，即采用TCS230顏色傳感器用作系統(tǒng)的信號(hào)采集和處理，通過單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理后輸出到LCD顯示器。當(dāng)然，對(duì)于方案四我們還有

5、許多問題亟待解決，比如我們對(duì)單片機(jī)還不是很了解，對(duì)匯編語言，微機(jī)接口等方面的知識(shí)還需要完善，但我們擁有極強(qiáng)的求知欲望和學(xué)習(xí)能力，在可以預(yù)見的將來，我們會(huì)將所欠缺的知識(shí)補(bǔ)上。系統(tǒng)的原理分析：TCS230 將光電二極管陣列、電流/ 頻率轉(zhuǎn)換器和紅綠藍(lán)三基色濾光器集成為一體。在由64 個(gè)光電二極管組成的光敏陣列中,各有16 個(gè)光電二極管分別用于轉(zhuǎn)換彩色光中的紅、綠、藍(lán)基色成分,剩余16 個(gè)光電二極管不帶顏色濾波器,可接受所有光色信息。這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的,能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性,從而增加顏色識(shí)別的精確度;另一方面,相同顏色的16 個(gè)光電二極管是并聯(lián)連接的,均勻分布在二極

6、管陣列中,可以消除顏色的位置誤差。圖1 是TCS230 的外部引腳和內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)示意圖,當(dāng)入射光投到TCS230 上時(shí),通過基色選擇信號(hào)( S 2 , S 3 ) 組合即可在OU T 引腳上獲得頻率和相應(yīng)基色含量成正比的方波信號(hào)輸出, 因此可通過測量方波頻率計(jì)算出三基色數(shù)據(jù),從而得知被測顏色。TCS230 的典型輸出頻率范圍為2 Hz 500 kHz ,通過輸出頻率定標(biāo)選擇信號(hào)( S 0 , S 1 ) ,可使該器件適應(yīng)量程不同的頻率測量裝置。表1 為TCS230 控制信號(hào)S 0 、S 1 、S 2和S 3 的組合選擇功能。在多個(gè)TCS230 器件應(yīng)用場合,OE引腳信號(hào)可用作器件的片選。硬件設(shè)

7、計(jì)在單片機(jī)的選擇上，我們遇到了一點(diǎn)困難，小組內(nèi)成員對(duì)單片機(jī)知識(shí)儲(chǔ)備不夠，無法準(zhǔn)確選擇恰當(dāng)功能性能的單片機(jī)，在參考相關(guān)文獻(xiàn)資料后，我們選擇了集成度較高，功能較全面的16 位單片機(jī)SPCE061A（其實(shí)在初期的查資料過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了其他更多的單片機(jī)，比如：MCS-51、SPCA563B、AT89S52等等，它們也許更適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但它們的功能單一，外圍借口復(fù)雜，需要其它的配套電路，考慮到設(shè)計(jì)的難度，我們并沒有選擇它們），在此單片機(jī)的選擇上更多的是從設(shè)計(jì)的方便上考慮的，沒有更全面的考慮到成本功耗等方面的因素。因此我們小組成員今后還需要學(xué)習(xí)一些單片機(jī)的知識(shí)。SPECE061A是Sunplus公

8、司的16位單片機(jī)，具有豐富的可編程資源，包括32K字內(nèi)嵌Flash儲(chǔ)存器（這是我們選擇它的原因之一，大容量儲(chǔ)存器，減少了外圍儲(chǔ)存器及其電路的設(shè)計(jì)）、強(qiáng)大的中斷系統(tǒng)、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、2個(gè)16位通用I/O端口IOA和IOB，以及同步串行設(shè)備接口和異步UART接口等。圖中TCS230 的S0 、S1 、S2 、S3 分別接SPCE061A 單片機(jī)I/ O 口的IOB5 、IOB6 、IOB3 和IOB4 ,由此控制選擇輸出頻率定標(biāo)參數(shù)和輸出基色信號(hào),TCS230 的輸出方波信號(hào)(OU T) 頻率通過IOB2 測量。如圖2 所示,SPCE061A 中的IOB2 除了通常的輸入/ 輸出端口功能

9、外, 還可以用作SPCE061A 內(nèi)部16 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器TimerA 時(shí)鐘源A 的外部計(jì)數(shù)脈沖輸入EXT1 。因此,若在TimerB 定時(shí)時(shí)間到時(shí)讀取TimerA 計(jì)數(shù)器的值,就可以分別計(jì)算出TCS230 的3種基色信號(hào)輸出頻率,進(jìn)而確定紅、綠、藍(lán)基色值和相應(yīng)合成顏色。題目要求將檢測結(jié)果用漢字輸出，普通的LED數(shù)碼管顯然滿足不了要求，因此在這一部分我們選擇了點(diǎn)陣LCD顯示器。然而，通過單片機(jī)顯示漢字也存在很多難題。首先，單片機(jī)資源有限，我們不能為了顯示漢字占用太多的資源；其次，漢字存儲(chǔ)讀取比較繁瑣，使用不方便；第三，漢字占用空間太多（如16點(diǎn)陣，每個(gè)漢字就需32字節(jié)），因而通常把漢字庫放在

10、EEPROM里，需要顯示某個(gè)漢字時(shí)，先算出它的區(qū)位碼，再求出點(diǎn)陣起始位置，從EEPROM中順序調(diào)出該字的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，存在緩沖區(qū)里，最后依次送往LCD顯示，描出該字。這與LCD顯示方式有一定差別?？紤]到本系統(tǒng)用到的漢字資源有限，我們可以預(yù)先將用到的漢字符號(hào)等進(jìn)行編碼，編成一個(gè)文本文件，用一段小程序做出相應(yīng)小的漢字庫，這個(gè)小字庫的漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)取自于一般漢字庫。再經(jīng)過轉(zhuǎn)換和調(diào)整，得到新的漢字庫，最后把新字庫固化在EEPROM中。單片機(jī)只需按序號(hào)讀出 點(diǎn)陣字節(jié)，送往LCD即可顯示所需漢字。減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，去除了繁瑣的查找內(nèi)碼、求起始位置、轉(zhuǎn)換、調(diào)整等工作，提高系統(tǒng)可靠性。然而，即使是這樣，也是對(duì)我們

11、的巨大挑戰(zhàn)，由于沒有任何經(jīng)驗(yàn)可循，并且時(shí)間倉促，我們最終放棄了這一想法，但這一方案是可行的，且實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較低。我們今后需要在這方面填補(bǔ)知識(shí)的盲區(qū)。最終我們選擇了LCM12832ZK（見右圖）作為系統(tǒng)的輸出設(shè)備。LCM12832ZK 顯示內(nèi)容128x32 點(diǎn)陣，內(nèi)帶 8000 多GB1、2 中文漢字字庫，集成了顯示控制器 ST7920，（這是我們看重它的主要原因，集成了字庫，簡化了字庫及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)），但缺點(diǎn)也是顯而易見的，成本偏高，且功能發(fā)揮不完全。以下是LCM12832ZK的管腳說明： 系統(tǒng)接線圖可以參見圖2。顏色識(shí)別的原理三原色的感應(yīng)原理：通常所看到的物體的顏色，實(shí)際上是物體表面吸收了

12、照射到它上面的白光( 日光) 中的一部分有色成分， 而反射出的另一部分有色光在人眼中的反應(yīng)。白色是由各種頻率的可見光混合在一起構(gòu)成的， 也就是說白光中包含著各種顏色的色光( 如紅R 、黃Y 、綠G 、青V 、藍(lán)B 、紫P)。根據(jù)德國物理學(xué)家赫姆霍茲(Helinholtz)的三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色( 紅、綠、藍(lán))混合而成的。TCS230 識(shí)別顏色的原理：由上面的三原色感應(yīng)原理可知，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測試物體的顏色。對(duì)于T C S 2 3 0 來說，當(dāng)選定一個(gè)顏色濾波器時(shí)，它只允許某種特定的原色通過，阻止其它原色的通過。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時(shí)，入

13、射光中只有紅色可以通過，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng)；同理，選擇其它的濾波器，就可以得到藍(lán)色光和綠色光的光強(qiáng)。通過這三個(gè)值，就可以分析投射到T C S 2 3 0 傳感器上的光的顏色。白平衡和顏色識(shí)別原理：白平衡就是告訴系統(tǒng)什么是白色。從理論上講，白色是由等量的紅色、綠色和藍(lán)色混合而成的； 但實(shí)際上，白色中的三原色并不完全相等，并且對(duì)于TCS230 的光傳感器來說， 它對(duì)這三種基本色的敏感性是不相同的，導(dǎo)致T C S 2 3 0 的R G B 輸出并不相等，因此在測試前必須進(jìn)行白平衡調(diào)整，使得TCS230 對(duì)所檢測的“白色”中的三原色是相等的。進(jìn)行白平衡調(diào)整是為后續(xù)的顏色識(shí)別

14、作準(zhǔn)備。在本裝置中，白平衡調(diào)整的具體步驟和方法如下：將空的試管放置在傳感器的上方，試管的上方放置一個(gè)白色的光源， 使入射光能夠穿過試管照射到TCS230 上；根據(jù)前面所介紹的方法，依次選通紅色、綠色和藍(lán)色濾波器， 分別測得紅色、綠色和藍(lán)色的值， 然后就可計(jì)算出需要的三個(gè)調(diào)整參數(shù)。當(dāng)用TCS230 識(shí)別顏色時(shí)，就用這三個(gè)參數(shù)對(duì)所測顏色的R 、G 和B 進(jìn)行調(diào)整。這里有兩種方法來計(jì)算調(diào)整參數(shù)：依次選通三種顏色的濾波器， 然后對(duì)T C S 2 3 0的輸出脈沖依次進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到255 時(shí)停止計(jì)數(shù)，分別計(jì)算每個(gè)通道所用的時(shí)間。這些時(shí)間對(duì)應(yīng)于實(shí)際測試時(shí)T C S 2 3 0 每種濾波器所采用的時(shí)間基

15、準(zhǔn)， 在這段時(shí)間內(nèi)所測得的脈沖數(shù)就是所對(duì)應(yīng)的R 、G 和B 的值。設(shè)置定時(shí)器為一固定時(shí)間(例如10ms) ，然后選通三種顏色的濾波器， 計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)T C S 2 3 0 的輸出脈沖數(shù)， 計(jì)算出一個(gè)比例因子，通過這個(gè)比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)? 5 5 。在實(shí)際測試時(shí)，使用同樣的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，把測得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子， 然后就可以得到所對(duì)應(yīng)的R 、G 和B 的值。根據(jù)顏色識(shí)別原理，我們涉及了該顏色辨別儀系統(tǒng)軟件的程序結(jié)構(gòu)如圖4 所示。理論上白色由等量的紅、綠、藍(lán)色混合而成,實(shí)際上白色中的這三基色成分并不相等,且顏色傳感器TCS230 對(duì)紅、綠、藍(lán)三基色的靈敏度也是不同的,這使得T

16、CS230 對(duì)白色的三基色輸出不相同。因此,在實(shí)際顏色檢測之前應(yīng)進(jìn)行白平衡調(diào)整,即先通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)白色的測量來確定對(duì)紅、綠、藍(lán)基色的3 個(gè)調(diào)整參數(shù),以使得TCS230 對(duì)白色中三基色的測量相等,如此確定的調(diào)整參數(shù)即可用來對(duì)實(shí)際測量值進(jìn)行標(biāo)定。白平衡后由KEY鍵啟動(dòng)顏色識(shí)別過程,其流程如圖5所示,在分別測得相應(yīng)入射光R、G、B 分量的3 個(gè)頻率計(jì)數(shù)值后進(jìn)行標(biāo)定數(shù)據(jù)處理,繼而通過預(yù)設(shè)的顏色數(shù)據(jù)表進(jìn)行顏色匹配識(shí)別。軟件設(shè)計(jì)流程圖圖4顏色辨別儀系統(tǒng)軟件的主程序結(jié)構(gòu)但由于沒有單片機(jī)的開發(fā)板以及水平和時(shí)間的限制，我們并沒有能將詳細(xì)的系統(tǒng)程序?qū)懗鰜?，僅僅畫出了系統(tǒng)框圖，今后我們需要在這一方面多下工夫。結(jié)果處理與

17、校正顏色的測量準(zhǔn)確度受很多因素的影響，如照明光譜特征及光源方位、物體的發(fā)射特性、觀測位置、及傳感器光譜響應(yīng)性能等，測量過程中的環(huán)境因素變化也會(huì)造成測量誤差。在本設(shè)計(jì)中要求被測紙張是不透明的（若透光性比較好，可以在紙張后面加一張不透明標(biāo)準(zhǔn)白板），且輔助光源與有色紙成45度角，探測器與紙張相距30CM左右，且垂直于有色紙，這樣才能保證測量的精度。在系統(tǒng)實(shí)際使用前還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，由于沒有把實(shí)物制作出來，我們沒法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測校正，我們僅僅寫出了校正及檢測的方法?？梢詫⒄`差作為一個(gè)整體考慮，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)先用顏色校正中常用的標(biāo)準(zhǔn)24色卡（ColorChecker色卡），對(duì)其中每一種顏色的RGB進(jìn)行測

18、量得到一個(gè)3*24的矩陣M，而24色的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)RGB也是已知的，也可構(gòu)成一個(gè)3*24的矩陣S，由此可以求出校正矩陣C，由下式可以到S=CM，即C=SM-1然后使用C矩陣在系統(tǒng)中對(duì)TCS230的實(shí)測顏色值進(jìn)行校正處理，從而提高了系統(tǒng)對(duì)顏色的識(shí)別精度。系統(tǒng)存在的問題及改進(jìn)這樣的設(shè)計(jì)還是有很多地方是可以改進(jìn)的，比如我們在設(shè)計(jì)中沒有考慮系統(tǒng)的供電和功耗問題，另外SPECE061A還支持語音輸出，可以在系統(tǒng)中再加裝語音輸出模塊，但這就需要額外的儲(chǔ)存空間，需要外接大容量的Flash或者EPROM，但作為系統(tǒng)的擴(kuò)展是可行的，并且充分利用了SPECE061A的功能。當(dāng)然，從成本的考慮上，我們也可選擇更常見的更

19、便宜的單片機(jī)MSC-51，在顯示模塊，我們也可以選擇成本更低的64*16點(diǎn)陣不帶字庫的顯示器，只是這樣增加了設(shè)計(jì)的難度，時(shí)間上也不允許。題目三：能快速測溫的體溫計(jì)設(shè)計(jì)要求能夠方便嬰幼兒使用，價(jià)格合適的快速體溫計(jì)。測溫時(shí)間小于30s，誤差小于±0.2。題目分析溫度計(jì)的使用對(duì)象是嬰兒，這要求我們在選擇設(shè)計(jì)方案時(shí)要考慮嬰兒的特點(diǎn)：好動(dòng)，沒有意識(shí)，對(duì)材料敏感度高等等。即測量方式上要注意嬰兒的特點(diǎn)，其次是溫度計(jì)的測量時(shí)間（<30s）和測量精度(0.2)，同時(shí)我們還得考慮溫度計(jì)的一般特點(diǎn)：便攜、使用方便、操作簡單、成本低廉等。設(shè)計(jì)方案和前面一道題一樣，我們首先給出系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)框圖如下：由

20、于每一模塊都有很多可實(shí)現(xiàn)的方案，我們對(duì)每一模塊進(jìn)行分析。對(duì)于溫度檢測部分我們通過查閱資料總結(jié)出以下幾個(gè)方案：方案一： 采用熱電偶, 熱電偶由兩個(gè)焊接在一起的異金屬導(dǎo)線所組成。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩種金屬的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成。通過將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度并測量該電壓, 便可推斷出檢測結(jié)點(diǎn)的溫度。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬, 且體積小。但是, 它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺點(diǎn)。方案二： 采用NTC，熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的, 是低成本溫度傳感器, 是線性最差的溫度傳感器, 通常將兩個(gè)熱敏電阻組合起來使用

21、, 以使輸出具有較好的線性。熱敏電阻可靠性差、測量精度準(zhǔn)確度低, 且必須經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能由微處理器進(jìn)行處理。普通的熱敏電阻可在有限的工作溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出上佳的穩(wěn)定性、而在較寬的溫度范圍內(nèi)工作時(shí)則表現(xiàn)出中等水平的穩(wěn)定性。方案三 ：采用單線數(shù)字溫度傳感器。例如DS18B20，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn), 特別適合于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測控系統(tǒng), 可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理, 而且每片DS18B20都有唯一的產(chǎn)品號(hào)并可存入其ROM中, 以便在構(gòu)成大型溫度測控系統(tǒng)時(shí)在單線上掛接任意多個(gè)這樣的芯片。從DS18B20芯片讀出或?qū)懭胄畔H需一根端

22、口線, 其讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線, 該總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電, 而無需額外電源。此外DS18B20還能夠提供9位溫度讀數(shù)。方案四 采用紅外溫度傳感器。紅外傳感器是紅外體溫計(jì)的關(guān)鍵部件，它是由溫差熱電堆和熱敏電阻兩部分構(gòu)成的。熱電堆是用半導(dǎo)體集成電路工藝和微機(jī)械子工藝制造的，它可以等效為多個(gè)熱電偶串聯(lián)組成的。而熱電偶是由兩種電子密度不同的導(dǎo)體相連接組成的。熱電偶有冷熱兩個(gè)端點(diǎn)。在測量物體溫度時(shí)，熱端與被測物體接觸，冷端與測量儀表接觸。熱電偶的同種導(dǎo)體上會(huì)因?yàn)榇嬖跍囟忍甓榷a(chǎn)生一種電動(dòng)勢，兩種金屬的連接處會(huì)因?yàn)殡娮用芏炔疃a(chǎn)生另一種電動(dòng)勢，所以在熱電偶的兩端會(huì)產(chǎn)生溫差

23、電動(dòng)勢在紅外傳感器熱電堆的熱端貼有熱量吸收器，它用來吸收被測物體輻射的紅外線并轉(zhuǎn)化為熱能。通過熱電堆把輻射紅外線的功率轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測量。紅外傳感器的內(nèi)部示意圖如下所示：從檢測部分得到的信號(hào)很微弱，因此需要進(jìn)行信號(hào)放大。對(duì)于信號(hào)處理部分同樣也有很多方案，常用的高精度放大電路有許多，在此我們僅列出一種用OPA2111和INA106組合做成放大電路，如下圖所示：INA106OPA2111假定運(yùn)算放大器均為理想的，電路分析下：設(shè)流過的電流為，則于是： 對(duì)于INA106：將3端接地，則輸出將2端接地，則輸出：根據(jù)疊加定理，有：當(dāng)時(shí)調(diào)節(jié)R7,R5,R1,R2,R3的值就可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。其中OPA21

24、11（左）和INA106（右）管腳圖如下：對(duì)于數(shù)據(jù)處理部分我們有這樣兩種方案：如果溫度檢測部分能夠直接輸出數(shù)字量，我們就將其直接接到單片機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；如果溫度檢測部分的輸出量是模擬量，我們就必須進(jìn)行信號(hào)的放大，濾波，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)里進(jìn)行處理。對(duì)于最后的LCD顯示模塊，由于系統(tǒng)最終的顯示結(jié)果僅僅是數(shù)字，那么我們著重考慮的就是成本問題了，幾個(gè)簡單的數(shù)碼管加上譯碼器就可以解決系統(tǒng)的輸出方案比較以及最后方案的確定從溫度檢測的四個(gè)方案來看，我們可以將體溫計(jì)分成接觸式和非接觸式，顯然使用前三種方法來檢測的體溫計(jì)是接觸式的，它們必須與人體的某些部位接觸較長時(shí)間才能比較準(zhǔn)確的測量出人體的體溫

25、，但是題目要求方便嬰幼兒使用，考慮到嬰兒的好動(dòng)性以及對(duì)材料的敏感性，我們在溫度檢測方面使用第四種方案，也就是紅外溫度傳感器檢測溫度，這是一種非接觸式的溫度檢測方法，測量時(shí)間短，一般在數(shù)秒內(nèi)就能顯示結(jié)果，這種方案非常符合題目方便嬰幼兒使用的要求，而且成本較前三種方案也沒有明顯的偏高。而在數(shù)據(jù)處理方面，由于溫度傳感器輸出的都是模擬量，我們需要進(jìn)行一定的信號(hào)放大，濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，再考慮到體溫計(jì)需要的測量范圍并不是很寬，溫度傳感器的測量精度完全能符合要求，我們采用PerklinElmer Optoelectronics的TPS334紅外傳感器，此紅外傳感器有兩路輸出，分別是熱電堆輸出端和熱敏電阻輸出

26、端，兩個(gè)端口輸出的都是電壓信號(hào)，其中熱電堆輸出端的電壓信號(hào)反應(yīng)熱電偶冷熱兩端的溫度差，也就是被測物體與熱電堆冷端溫度差，熱敏電阻輸出端的電信號(hào)反應(yīng)的是環(huán)境溫度，也就是熱電堆冷端溫度差，我們將這兩路電信號(hào)送到ADC中，然后送到單片機(jī)中，經(jīng)單片機(jī)查表分別得出熱電堆的兩端溫差和環(huán)境溫度，將兩值相加就得到了物體真實(shí)的溫度，然后我們把結(jié)果通過LED輸出。ADC我們選用CIRRUS LOGIC公司生產(chǎn)的CS5521/23（如右圖），它是一款16位高精度串行A/D芯片。該芯片內(nèi)集成了一個(gè)儀表放大器、一個(gè)可編程增益放大器、多路開關(guān)、數(shù)字濾波器、自校正和系統(tǒng)校正電路。通過簡單的串行連接，CS5521/23便可放

27、方便地由MCU控制，以實(shí)現(xiàn)多通道高精度的A/D轉(zhuǎn)換，簡化了放大電路，而且價(jià)格低廉，節(jié)省了設(shè)計(jì)成本。單片機(jī)我們選用的是TI公司生產(chǎn)的MSP430（右下圖）系列單片機(jī)。MSP430 系列是一個(gè) 16 位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，具有 Flash 存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點(diǎn)。具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為 125 ns 。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。 MSP430 系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請求將它喚醒只用 6us 。經(jīng)數(shù)字化的溫度信號(hào)，送到單片機(jī)進(jìn)行查表處理。對(duì)于紅外體溫計(jì)，其對(duì)溫度的刻度要求就會(huì)