基于热电堆红外探测器的非接触人体表面温度测量系统设计

目录1技术指标.............................................................................................................................12设计方案及其比较.............................................................................................................12.1设计原理..................................................................................................................12.2设计流程图..............................................................................................................12.3各模块方案设计......................................................................................................22.3.1TP337温度传感器模块................................................................................22.3.2LM358电压信号放大模块...........................................................................42.3.3AD转换模块.................................................................................................62.3.4单片机模块....................................................................................................72.3.5LED显示模块...............................................................................................72.4方案比较..................................................................................................................83实现方案.............................................................................................................................94调试过程或结论.................................................................................................................94.1调试过程..................................................................................................................94.2结论........................................................................................................................115心得体会...........................................................................................................................116参考文献...........................................................................................................................12武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书1基于热电堆红外探测器的非接触人体表面温度测量系统设计1技术指标设计一个非接触人体表面温度系统，要求：（1）通过热电堆TP337A来探测人体表面的温度；（2）由LED数码管显示测量的温度，要求显示温度精度能够达到0.1℃；（3）可以连续测量人体表面或环境温度。2设计方案及其比较2.1设计原理根据技术指标，热电堆红外探测器探测人体温度系统主要是由单片机模块、TP337温度传感器模块、LM358电压信号放大模块、A/D转换模块、LED数码管显示模块组成。首先TP337红外温度传感器将红外信号转换为电压信号。由于输出的电压信号很微弱，所以需要用由LM358组成的运算放大电路进行前置放大，然后将放大的电压信号发送至由PCF8591组成的A/D转换电路，再将转换后得到的数字信号送至单片机进行处理，最后将处理的结果送至LED数码管显示屏进行实时测量温度的显示。从而实现温度测量系统的设计。2.2设计流程图根据设计原理，可以画出其流程图，见图1。武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书2图1设计流程图2.3各模块方案设计2.3.1TP337温度传感器模块通过查阅技术手册可以知道TP337A的内部结构和管脚如图2所示。红外测温模块即是TP337A的工作电路，TP337A是一种人体热释电传感器，可以通过非接触的方式检测出物体放射出来的红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。红外温度传感器的特点是反应速度快、灵敏度高、准确度高、测量范围广、使用方便，尤其非接触式测量使红外温度传感器和以红外传感器为核心的红外测温模块、红外测温仪在工业现场、国防建设、科学研究等领域得以广泛应用。主要应用于铁路、车辆、石油化工、食品、医药、塑料、橡胶、纺织、造纸、电力等行业的温度测量、温度检测、设备故障的诊断。特别适用于高温和危险场合的远距离测温。其详细的参数表见图3所示。武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书3图2红外探测器管脚图武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书4图3红外探测器温度参数表红外探测器温度与输出电压的关系如图4所示。图4红外探测器温度与输出电压的关系综合以上相关资料，可以大致推测出在环境温度为25摄氏度时，温度与电压大致呈线性关系，温度大约是电压的39000倍。红外探测器的典型工作电路如图5所示。图5红外探测器原理图2.3.2LM358电压信号放大模块由于TP337温度传感器输出的电信号非常微弱，为了我们准确地测出人体温度，我需要将信号放大，根据课设要求，采用LM358运算放大器，放大由TP337温度传感器输出的电信号，其具体方案如下。武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书5方案一方案一采用LM358双运算放大器，内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器。适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关，其方案一的原理图如图6所示。图2采用LM358双运算放大器原理图图6方案一原理图方案二方案二也采用LM358双运算放大器，但与方案一不同的是在两个运算放大器添加一电容C8，添加此电容之后便可以起到滤波，消除噪声干扰等效果，这样可以有效放大信号，同时又可以减少噪声干扰，其方案二原理图如图7所示。图7采用LM358双运算放大器原理图方案三针对方案一放大信号之后存在较多噪声，会影响实际效果，方案二采用添加电容C8来实现滤波，消除噪声干扰，为了更强劲地的抑制零点漂移以及消除噪声干扰，所以采用武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书6差分放大电路，其原理图如图8所示。图8差分放大电路2.3.3AD转换模块利用PCF8591搭建AD转换电路。PCF8591是单片，单电源低功耗8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入，一个输出和一个串行I2C总线接口。3个地址引脚用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。器件地址，控制和数据通道通过两线双向I2C总线传输。经过放大电路后的电压值通过AIN0输入，SCL和SDA输出转换后的数据，与后续的单片机连接并进行处理。所以，我们需要采用AD0804转换。AD0804是属于连续渐进式的AD转换器，这种转换器转换速度快，分辨率高，普遍被应用于微电脑的接口设计上。对于编程来说，直接输出八位的数字信号，利用编程，简化程序的复杂性。其AD转换模块原理图见图9。武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书7图9AD0804搭建的AD转换电路2.3.4单片机模块选用STC89C52单片机，这是一种低功耗，高性能的CMOS位微控制器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。设计电路如图10所示。其中，P1.0和P1.1分别用来与I2C的数据线和时钟线相连，P0口用来控制LED显示模块的段选，P2.5、P2.6、P2.7分别用来控制LED显示模块的位选端。图10单片机模块2.3.5LED显示模块LED的位选使用138译码器，可以节约单片机引脚，段选端使用573锁存器，因为直接利用单片机引脚驱动功率不够。74LS138译码器的功能是把输入的3位二进制数转换为十进制，并让对应的输出端输出低电平。即，A2A1A0输入001时，对应的十进制数为1，则输出端Y1输出低电平，其余为高电平。当OE端为低电平时，芯片可以工作，LE为高电平时，输出端与输入端相同，若LE为低电平，芯片锁存，此时不管输入多少，芯片始终输出锁存前状态的输出值查阅资料可知，74HC573的真值表如图11所示。根据真值表看出，当OE端为低电平时，芯片可以工作，LE为高电平时，输出端与输入端相同，若LE为低电平，芯片锁存，此时不管输入多少，芯片始终输出锁存前状态的输出值。武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书8图1174HC573的真值表LED连接图见图12所示。图12LED显示电路2.4方案比较对于LM358电压信号放大模块，方案一和方案二采用同样的芯片，但方案二比方案一输出的信号更准确，受到外界的干很少，也很容易找出他们之间的电流电压关系来计算放大倍数，对于方案三难度高，不容易实现这会给后期的调试过程带来很大的麻烦，所以选择方案二。武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书93实现方案如图所示，TP337A感应到红外线后，转换为电信号输出，经过两级放大电路得到最终的模拟电压信号。通过模数转换，得到数字信号，并用单片机进行处理，最后通过LED动态输出温度值。TP337A工作电路中的电容起到滤波的作用，滤掉信号中不稳定的交流信号，得到稳定的直流信号；两级运放电路中，根据公式可以推算出电阻的大概范围，这些内容在第四部分会给出详细的叙述。根据上面的分析，最终确定的实现方案原理图如图13所示。图13实现方案的原理图4调试过程或结论4.1调试过程技术要求中，要求温度精确到0.1度，因此电压需要放大1000倍以上，我选用了两个100K的电阻和两个10K的滑动变阻器，并将他们分别调节在90K和3K左右，这样放大倍数差不多接近于1000倍，这样才能达到课设要求。我也遇到一些困难，原本以为在仿真软件上可以正常工作，想当然硬件电路也能运行。然而，在检查无语法错误下载到单