基于单片机的红外线测温仪的设计

1（二二〇一三年十二月科研训练学校代码：10128学号：题目：基于单片机的红外线测温仪的设计学生姓名：XXX学院：信息工程学院系别：电子系班级：通信10-1班指导教师：2基于单片机的红外线测温仪的设计XXX（内蒙古工业大学信息工程学院内蒙古呼和浩特10080）摘要：为了克服传统温度计测量温度的主要缺点——需要测量者与被测目标近距离接触以及测量不方便。在考虑仪器测量高精度前提下，以追求最低成本为原则，研制了基于单片机的非接触式热释电红外测温仪，实现了对物体表面温度快速准确的测量。本文也设计了红外测温仪的整体系统构架,介绍一种采用51单片机和TN系列传感器实现红外测温。红外测温打破了传统的接触式测温模式，它根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，不与被测物体接触，具有不扰动被测物体温度分布场，温度分辨率高、响应速度快、测温范围广，稳定性好、可同时测量环境温度和目标温度的特点。此外还介绍了热释电红外传感器的工作原理以及比较适合人体红外检测的热释电传感器PM611的优点和等效电路，阐述了基于热释电传感器的红外测温仪的工作原理，讨论了该系统的设计与实现方法，简单介绍了测温系统的适用条件。关键词：温度测量；单片机；红外线；非接触式热释电中图分类号:TP212.11文献标识码：ADesignofinfraredthermometerbasedonsinglechipmicrocomputerXXX（InformationEngineeringInstitute,InnerMongoliaUniversityofTechnology,InnerMongolia,Hohhot,10080，China）Abstract:Todecreasethelimitationoftraditionalmethodoftemperaturemeasuringsuchasclosecontactbetweenmeasurerandthetargetandinconveniencewhenmeasuring,wedevelopedanon-contacttypepiezoelectricinfraredthermometer,realizesfastandaccuratesurfacetemperaturemeasurements.Thisarticlealsodesignedtheoverallsystemarchitectureinfraredthermometer,introducesa51single-chipmicrocomputerandTNseriessensorwasadoptedtorealizeinfraredmeasuringtemperature.Infraredmeasuringtemperaturebrokethetraditionalcontact-typetemperaturemeasurementmodel,basedontheinfraredradiationenergyoftheobjecttobetestedtodeterminethetemperatureoftheobject,notcontactwiththeobjectundertest,withnodisturbancetemperaturedistributionfieldobjecttobetested,thetemperatureofhighresolution,fastresponse,widetemperaturerange,goodstability,cansimultaneouslymeasuretheenvironmenttemperature,andthecharacteristicsofthetargettemperature.ThisarticlemainlyintroducesoperationalprinciplesofpiezoelectricinfraredsensorandthestructureofhydroelectricallysensorPM611.Itformulatesthetheoryofthethermometerbasedonhydroelectricallysensorandstudieshowtodesignandimplementofthesystem．Finally，itindicatestheconditionaldemandofthesystem.Keywords:temperaturemeasurement;singlechipmicrocomputer;infrared;non-contacttypepiezoelectric由于医学发展的需要，在很多情况下，一般的温度计已经满足不了快速而又准确的测温要求，例如车站和机场等人口密度较大的地方进行人体温度测量。虽然现在国外这种测3温的技术都比较成熟，但是国内这方面的技术还处于发展阶段。因此，为了适应医学发展的需要，有效地进行特殊环境下的温度测量，从而有力地控制和预防诸如甲流、非典之类型的特殊疾病的传播，急需设计一种测温速度快、准确率高、稳定性好的测温仪。针对一般的工业用的红外测温仪的精确度不够高，我们根据这种红外线测温的原理，通过关键器件的选择、瞄准系统的设计以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的精确度，设计了一种用红外线测温电路，用于人员密集且流量大的场合进行快速的人体温度测量。伴随着人们生活水平的不断提高以及对生活质量要求的提高，人们对自身的健康状况越来越关注，而人体的体温、血压、脉搏和呼吸是鉴别人体健康状况的重要参数，对这些生理指标的监控与测量则可以更好的体现人体自身的健康状况，在医疗领域中占有十分重要的地位，也为人民的生活带来极大的方便。可见，对可应用于个人家庭、方便携带、结构简单、测量速度快、实时性好的人体体温测试仪尤为重要与紧迫。为了满足这些要求，在做了需求分析的基础上，提出并设计了一种基于单片机的红外线测温仪的设计方案。该系统能够完成对其准确且快速测量。1、总体设计红外测温仪的温度检测系统设计功能结构框图和系统结构框图如图1所示图1测温系统结构框图Fig.1Structurediagramoftemperaturemeasuringsystem光学系统放大器热释电传感器滤波器A/D转换器单片机4图1系统总体结构框图Fig.1Overallstructurediagramofthesystem光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定，主要由滤光片和菲涅尔透镜组成，以滤除5~14um以外的红外线，并达到聚焦的目的。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。按下开关即可测量，每次测量结果显示在显示器上。在测量过程中，红外探测仪接收到人体发出的红外线后，经过温度检测系统采样后，再在信号处理单元对所测得的信号进行放大、滤波、模数转换处理传送到单片机，经单片机运算后送给显示单元显示出温度读数。如果经过处理后的数据大于所设置的预警数据，则蜂鸣器报警。2、系统硬件设计本设计采用51系列单片机进行数据的采集存储和处理，A/D转换器采用的是ADC0804。芯片的CLKIN端和CLKR端配合可以由芯片自身产生时钟脉冲。测量物体表面辐射能量的热释电传感器选用的是尼赛拉传感器有限公司的PM611型热释电传感器，它有效调节外界环境的温度起伏影响；液晶显示器选用的是2行16个字的液晶显示屏。下图2是整个设计的硬件电路连接图：时钟电路AT89S52单片机复位电路A/D转换扫描驱动声光报警LED显示温度检测系统RSTP0P2P1P2.4P3P2.6P2.7XTAL5图2红外人体测温仪电路Fig.2Circuitoftheinfraredtemperaturecervix2.1温度传感器本设计的探头使用的是红外线传感器，它能接收人体发射出的红外线并使之转换成电6压信号。设计选用的是PM611单元热释电传感器，这种传感器虽是单灵敏元，由于它采用一个接收元和二个并联的补偿元串接的结构，故也能有效地补偿环境温度起伏，振动等干扰影响。它的工作温度是-20℃——+70℃，特别适合测量人体的温度。而且PM611各项指数都比较好，因此选用了它做温度仪的探头。如图2.1所示：图2.1传感器的内部典型连接电路Fig.2.1Theinternalconnectiontypicalcircuitofthetransducer2.2放大电路的设计由于传感器探测到的人体红外线信号较弱，当转化为电压后需要通过放大器放大电压信号。因为探测器测到的信号可能掺杂了外界环境的某些因素，所以放大电路中要加入低通滤波电路把多余的杂信号过滤掉。如图2.2所示：图2.2放大部分电路Fig.2.2Zoominpartofthecircuit2.3模数转换部分电路由于传感器探测到红外线后被放大的是模拟信号，然而需要在LED上显示出来，所以本设计利用模数转换器来实现这个功能。ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片,分辨率8位，输入电压范围是0~5，增加一些外部电路后，输入模拟电压为±5V。此芯片内有输出锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU7数据总线上，不用再加接口电路。ADC0804芯片的外引脚图如2.3所示：图2.3ADC0804引脚图Fig.2.3PinfigureofADC0804本设计采用了CLKR端口和CLKIN端口配合，芯片本身产生时钟脉冲的方法，A/D转换器Vin（+）端口接收到经处理过的模拟信号在内部进行模数转换，片选端口CS和WR写信号输入端口同为低电平时启动转换，因为0804内部有输出锁存器，转换后的数字信号存在锁存器里，当CS、RD同为低电平时，可以读取转换输出的数字信号，由A/D模数转换器的D0~D7端输出，接入AT89C51单片机的P1口的P1.7~P1.0,经过程序烧制显示到液晶显示屏上。A/D模数转换电路连接图如下图2.3：图2.4ADC0804模数转换电路Fig.2.4ADC0804analog-to-digitalconversioncircuit2.4显示电路液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。在本设计采用的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等。液晶显示电路的连接图如下图2.5：8图2.5液晶显示电路连接图Fig.2.5Thediagramofliquidcrystaldisplaycircuitconnection3、系统软件设计3.1主程序设计设计的思路是首先摁下开关，接通电源，初始化系统，然后显示子程序，开始测温后复位各个端口，确定打开电源后A/D模数转换器Vin（+）输入端读取经过放大滤波计算后的数据进行模数转换，CS片选端、WR写入端同时设置成低电平，当芯片自身产生一个脉冲时，启动转换。然后A/D转换器的CS、RD同时为低电平0时读取转换输出的数据，转换后的数据存入模数转换器自身的锁存器里，由输出端口D0~D7输入到单片机的P0口中。读取三次数据，满三次后读数正确的写入单片机EEPROM存储器。同时计数器加1，继续读取下一组数据。如果读数满三次后数据不正确，则要对单片机进行清零，复位后重新测量读数。中断子程序设置INT0为外部中断，中断后对EEPROM里的数据进行读取，然后通过液晶屏显示出来，读取时要对数据进行一个判断，AT89C51单片机的P3口除了是多功能I/O口外还是第二功能口，它的第二功能是作为控制端口使用的，所以本设计用P3.0串行口输入端来控制报警系统，如果数据大于37.0℃，则蜂鸣器报警。显示温度的范围是30~60℃，当所测温度高于下限或者上限温度时，报警系统报警。执行完一次子命令后运行