1、基于单片机的红外测温仪的设计1 绪论由于医学发展的需要，在很多情况下，一般的温度计己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
2、密集且流量大的场合进行快速的人体温度测量。 1.1 选题意义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，所以他们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。全文主要阐述了非接触式人体体温测试仪的硬件设计和软件设计。硬件方面首先谈到了系统的总体设计，然后分别从红外线传感器，运算放大器，A/D转换，数据处理，显示部分等功能模块进行了论述并详细介绍了各个芯片的结构和功能，使系统具有稳定性好，精度高，测量安全，使用方便等特
3、点。在软件方面，此设计使用C语言来编写程序代码，具有编译速度快，运行效率高等特点。 设计的软件部分采用模块化结构，每个模块作为一个子程序，根据系统功能划分，程序由模块组成，所以整个程序的编制、调试和维护都比较方便，结构清晰，提高了可靠性和修改性，并给出了针对各个应用模块的设计思路和设计框架，对各部分程序进行解释说明，从而实现非接触式人体体温的数字显示。对非接触式测温仪的设计是以功能性为基础，以创新性为指导，以实践性为依托，具有大好的发展前景和广泛的应用场合。通过本次设计，希望可以为今后拓展体温监测应用领域提供新的思路和方法，在医学、体育、消防、军事训练、等领域得到更广泛的应用。 最后，文章对本
4、次设计做出了详细的总结。1.2 红外测温技术的发展历程 红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。比起接触式测温方法，红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。非接触红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。在不同规格的各种型号测温仪中，正确选择红外测温仪型号对用户来说是十分重要的。红外检测是一种在线监测(不停电)式高
5、科技检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，通过接收物体发出的红外线(红外辐射)，将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况，具有准确、实时、快速等优点。红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况。目前应用红外诊断技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。目前，我国也在研发一种体积小，成本较低，又不受外界环境温度干扰的人体红外测温仪，对医学的发展有很重大的意义。1.3设计的目的与意义生理参数是人体最重要、最基本的生命指标，对危重病人进行生命指标参数的监测是医务工作者及时了解病情状况的
6、重要手段之一，它有利于对有生命危险的伤病员进行及时有效的治疗和抢救处理，完善病人的医疗护理以及研究人体对环境变化的反应都有着重要的意义。其中体温是人体最基本的生理参数，对于日常护理和病情检测都是非常重要的。有许多疾病都能通过体温的变化来预测，所以体温计在医疗领域中占有十分重要的地位。人体体温测试仪应用范围不仅仅局限于医学，在消防上消防员在扑火的同时也要对自己的体温做到了解，如果体温过高或者心率过快就要及时撤离，以免发生危险；军事上用于部队训练，必须实施随时监测，体温使训练能够在良好的体征下进行，提高效果。因此，在许多领域都需要这种测试仪对人体体温进行精确测试。此设计的目的是在理论学习的基础上，
7、通过完成一个涉及MCC-51单片机多种资源应用，并具有综合功能的小目标板的设计与编程应用，并在进行相关课程设计基础上进行的一次综合设计。2 红外测温仪的原理和性能分析 本章节首先介绍红外测温的基础理论，然后针对其理论依据进行原理剖析，还简单介绍了红外测温仪的性能指标及影响测温的主要因素，最后给出了误差的具体修正方法。2.1 红外线测温仪的理论依据 一切温度高于绝对零度(-273.15)的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有这十分密切的关系，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。因此，通过对物
8、体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。红外辐射原理辐射定律： （3-1）式中：为辐射出射度数，；为斯蒂芬波尔兹曼常数，；为物体的辐射率；为物体的温度，单位；为物体周围的环境温度，单位。测量出所发射的，就可得出温度。 利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度仪表。这种测量不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测量。在不同的温度范围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0100）范围，能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪表，其具体的设计也不同。根据式（2.1）的原理，仪表所测得的红外辐射为： （3-2
9、）式中：为光学常数，与仪表的具体设计结构有关；为被测对象的辐射率；为红外温度计的辐射率；为被测对象的温度（K）；为红外温度计的温度（K）；它由一个内置的温度检测元件测出。辐射率是一个用以表达物体发射电磁波能力的系数，数值由0至1.0。自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。2.2 红外线测温仪的性能指标总的来说，测温范围、显示分辨率、精度、工作环境温度范围、重复性、相对湿度、响应时间、电源、响应光谱、尺寸、最大值显示、重量、发射率等都是红外线测温仪的性能指标。1）确定测温范围：测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。 2）确定目标尺寸：红外测温仪根据原理可
10、分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。否则背景会干扰测温读数，造成误差。对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。 3）确定距离系数（光学分辨率）：距离系数由D：S之比确定，即测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径之比。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。光学分辨率越高，测温仪的成本也越高。 4）确定波长范围：目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。 5）确定响应时间：响应时间表示
11、红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的95%能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。 2.3 影响温度测量的主要因素及修正方法 影响红外人体测温仪的因素有： 1）测温目标大小与测温距离的关系2）选择被测物质发射率3）测量温度时的环境因素：4）强光背景里目标的测量：。 5）温度输出功能：由于在温度测量时是在不确定的环境中进行的，所以外界环境会对测温造成一定的影响，对测量结果产生误差，所以要对环境温度有一个修正。 2.4 红外线测温仪的特点 人体红外测温仪是通过接收人体发射的红外线的能量的大小来测量其体温的仪器。测温仪内部的灵敏探测元件将采集的能量信
12、息输送到微处理器中进行处理，然后转换成温度读数显示。所以人体红外测温仪具有以下优点： 1）非接触测量;2）测量范围广;3）测温速度快;4）准确度高;5）灵敏度高;6）体积小，方便携带;7）受外界环境温度干扰较小. 3 红外测温仪的硬件设计 红外测温仪是利用红外传感器对被测目标时的热辐射进行采集，通过转换电路将红外传感器采集到的光信号转换成电信号，再将电信号通过放大电路，A/D转换等单元电路处理后送到单片机中，最后单片机将带有数据信息的电信号进行分析处理，将电信号转变成与之相对应大小的温度值显示输出。其中要解决的问题有：体温信号的非接触测量、微弱电压信号的放大、传感器的环境温度补偿等。其中体温测
13、量选用红外热释传感器PM611、LM324进行电压放大、ADC0804进行模数转换，系统控制及数据处理等功能都用AT89C52单片机实现，通过驱动共阴极LED数码管进行显示。红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出、报警电路等部分组成。3.1 总体设计在一个系统的硬件设计中应选择合适型号的单片机后，进行系统所需的扩展和配置。按照系统功能要求进行扩展和配置外围设备。要设计合适的接口电路，系统的扩展和配置应遵循以下原则：1） 尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。本次设计选取的是AT89C52单片机。2）系统扩展与外围设备的配置
14、水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便二次开发。3）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。4）可靠性及干扰设计是硬件设计必不可少的一部分。5）单片机外围电路较多时，应考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。6）工艺设计必须考虑安装、调试、维护的方便。由此可设计出人体红外测温仪系统的总体结构框图，如图3-1所示。由图中可以看出，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
15、的数据大于所设置的预警数据，则蜂鸣器报警。 图3-1 系统总体结构框图3.2 单片机最小系统的设计 单片机加上适当的外围器件和应用 程序，构成的应用系统称为最小系 统，最小应用系统的设计是单片机应用系统的设计基础。它包括单片机的选择、时钟系统设计、复位电路设计、简单I/O口扩展、掉电保护等，对于CHMOS单片机，还包括低功耗运行设计。AT89C52单片机的最小应用系统如图3-2所示3.2.1 单片机的选型为了硬件系统的标准化、模块化、便于二次开发，本次设计选取的单片机型号是AT89C52。AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8KB的系统可编程Flash存储器。使用Atm
16、el 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。AT89C52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 1.AT89C52的主要特点是： 与MCC-51 单片机产品兼容；8
17、k可反复擦写(1000次)Flash ROM；全静态操作：0Hz33Hz；三级加密程序存储器；32 个可编程I/O 口线； 3个16 位定时器/计数器；8个中断源；全双工UART 串行通道；低功耗空闲和掉电模式，看门狗定时器及双数据指针； 3-3 AT89C52掉电标识和快速编程特性；2.引脚功能： AT89C52引脚图如图3-3所示：电源及时钟引脚：Vcc（40）：接+5V电源； Vss（20）：接地；XTAL1（19）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端；XTAL2（18）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部接至内部反相放大器的输出端；控制引脚：RST/VPD（
18、9）：当震荡器运行时，在此引脚外加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。掉电期间，此引脚可接上备用电源（VPD），以保持内部RAM的数据，当Vcc下掉到低于规定的值，而VPD在其规定的电压范围内（5+0.5v）时，VPD就向内部RAM提供备用电源； ALE/PROG（30）：当访问单片机外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的负跳沿用于16位地址的低8位的锁存器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟震荡器频率的1/6。ALE端可以驱动8个TTL负载。对于单片机EPROM型（8751），在EPROM编程期间，此引脚用来输入编程脉（PROG）；PSEN（29）：此引脚的输出是单
19、片机访问外部程序存储器的读选通信号，在由外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN两次有效。PSEN可以驱动8个LSTTL负载；EA/VPP（31）：当EA保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在PC值超过0FFFFH，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，只访问外部程序存储器。对于89C51，因其片内有4KBEEPROM，故该脚接高电平。在EEPROM编程期间，VPP编程电压为+12V或+5V。I/O口引脚： P0口（39-32）：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可带8个LSTTL负载；P1口（1-8）：8个准双向I/
20、O口，可带4个LSTTL负载；P2口（21-28）：8位准双向I/O口，与地址总线（高八位）复用，可带4个LSTTL负载；P3口（10-17）：8位准双向I/O口双功能复用。3.2.2 复位电路复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，如图3-4所示。复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连的，斯密特触发器是用来抑制噪声的。单片机的RST引脚是复位信号的输入端，RST引脚上保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，单片机内部可以安全复位。 图3-4 AT89C52的上电系统复位电路复位后，单片
21、机内部各寄存器的内容将被初始化，复位不影响片内RAM和片外RAM中的内容。寄存器包括程序计数器PC和特殊功能寄存器，其中（PC）=0000H。特殊功能寄存器的复位状态见表3-1。表3-1 复位特殊功能寄存器的初始状态SFR名称初始状态SFR名字初始状态ACC00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0-P3FFHSBUF不确定IPXXX00000BSCON00HIE0XX00000BPCON0XXXXXXB3.2.3 时钟电路时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准，在此基
22、础上，控制器按章指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号，控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。如图3-5所示： 图3-5 外接石英晶振电路驱动器件 XTAL1和XTAL2分别为片内反向放大器的输入和输出端口。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石英晶体振荡器和陶瓷振荡器均可使用，如果用外部时钟源，XTAL2应不接。输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。电容容量范围为30PF+/-10PF，石英晶体频率的范围为1.2-12MHz,常用6MHz或者12MHz。1)时钟周期（是时钟信号频率fosc的倒数）时钟周期=1/f
23、osc2)机器周期机器周期=12*时钟周期3)指令周期一条指令从被读取到被执行的整个过程所需要的时间称为指令周期。 3.3 温度监测系统设计3.3.1 热释电温度传感器的选型 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压信号。设计选用的是PM611单元热释电传感器，它是一种专门用于非接触式测量体温的器件，主要接收514um之间的红外线，1脚接+5V；2脚为电压输出端； 3脚接地； PM611的外形口和光阑聚焦在接收元件(热电堆) 的受热片上， 受热片上有60只串联的热电偶，每只热电 偶的热端 图3-6传感器的内部电路在受热片的中央部位围成一圈，焊接在一起。这种结
24、构设计具有较小的热惯性和较高的灵敏度，传感器采用负温度系数电热调节器进行环境温度补偿。他的工作温度是-20+100 ，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。其等效电路如上图3-6图所示：3.3.2 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。放大电路如图3-7所示： 3-7 放大电路连接图传感器输出的信号经47 F电容耦合到第一个同相放大器，它的闭环增益为2324之间。同时第一个放大器还兼做高通
25、滤波器，其截止频率为0.3 Hz。第二个放大器是一个低通滤波器，其闭环增益约为1，截止频率为7 Hz。第一个，第二个放大器分别把低于0.3Hz和高于7 Hz的信号滤掉，使输出的信号仅是经过调制器调制的1 Hz红外辐射信号。通过第二章的原理可知由信号转换为电压再转化成温度才显示出来的，那么这个过程将在第三个放大器中完成。通过放大滤波的信号就输入到模数转换器的Vin（+）端，模数转换器会把收到的信号进行模数转换。3.3.3 模数转换电路的设计 ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较引脚名称功能信号方向有效电平备注Vin（+）接模拟信号输入单极性Vin（-）接模拟信号输入双极性D0D7数据
26、输出输出AGND接模拟信号地输入低DGND接数字信号地输入低CLK IN时钟脉冲输入外电路提供CLK R外接电阻输出与CLK IN端配合CS片选信号端输入低WR写信号输入低启动转换RD读信号输入低读取转换结果INTR转换结束输出低Vcc电源输入高Vref基准电压输入表征输入信号范围型模数转换芯片。分辨率8位，输入电压范围是05V, 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CPU数据总线上，不用再加接口电路。 ADC0804芯片的外引脚图如3-8所示。 3-8 ADC0804引脚名称及意义如表3-3所示：表3-3 ADC0804
27、引脚名称及意义A/D模数转换电路连接图如下图3-9： 本设计采用了CLK R端口和CLK IN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D0D7端输出，接入AT89S52单片机的P0口的P0.0P0.7，经过程序烧制显示到LED显示屏上。3-9 A/D模数转换电路：3.4 整体电路设计 本设计采用AT89C52系列单片机进行数据的采集存储和处
28、理。由于信号只有一个输入，为了避免不必要的消耗，本设计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，显示器采用4片8位LED数码管。 电路的主要功能是将热释电传感器接收的红外辐射能量转换可为供A/D转换器接受的电信号。LED数码管由P1口驱动，并由AT89C52单片机通过软件控制显示物体表面的温度。通过软件程序编制可以实现三位有效数字的显示下图3-10是整个设计的电路连接图。 4 红外测温仪的软件设计4.1 主程序设计设
29、计的思路是首先初始化系统，然后显示子程序，开始测温后复位各个端口，摁下开关 ，接通电源，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D0D7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
30、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3060，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中断信号，子程序返回。主程序主要实现以下功能： 1）开机或复位时能自动初始化设备，引导程序正确执行。 2）开机或复位之后启动A/D转换，对环境温度进行采样，并在显示器上显示当前环境温度。 3）保持环境温度显示的同时，对覆盖热释电探测器视场的物体表面的红外辐射进行转换和采样，并比较各采样值，直到采样值为热释电探测器响应的峰值电压为止。 4.2 子程序设计如图4-2是软件设计部分的中断子程序流程图，主要实现以下功能：1）A/D采样子程序完成对热释电传感器放大电路输出信号的采样。要实现准确测温就必须得到输出信号的峰值，但在实际电路中，由于探测器响应延时不尽相同，且电路的延时也很难准确计算，所以要准确采集到峰值是十分困难的。为此，我们只有对输出信号不断地进行采样，并比较各样值，取其中的最大者作
