【正文】 ., in order to achieve a rapid noncontact infrared temperature measurement purposes, it can be accurate in a short period of time to measure the body temperature, when the measured temperature exceeds the setting range enabled automatically when the alarm circuit excessive alarm, and also displays the current temperature of the time. The use of more convenient, more functions. This article made specific to the system design discussed noncontact infrared temperature measurement principle, carried out the feasibility demonstration. Also designed the circuit and program flow chart and to prepare a program control. The use of the MCU and the advantages of digital control system makes all aspects of system performance is significantly improved. Key words: infrared temperature sensor。 5. 軟件設(shè)計(jì) ............................................... 32 設(shè)計(jì)思路 ............................................. 35 測(cè)量原理 ............................................. 37 環(huán)境溫度 Tamb 的計(jì)算 ................錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 軟件測(cè)試 ..........................錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽?，F(xiàn)在市場(chǎng)上普遍 應(yīng) 用德 國(guó) TS1183表面 溫 度 測(cè)量傳 感器，用其 進(jìn) 行非接觸式 測(cè) 量的體 溫 儀具有精度高、成本低、安全的特 點(diǎn) ，市 場(chǎng)應(yīng) 用前景 廣泛 。 選題目的 和研究意義 改進(jìn)傳統(tǒng)的測(cè)溫方式，讓測(cè)溫變的更加簡(jiǎn)便快速準(zhǔn)確。因此，為了適應(yīng)醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要，有效地進(jìn)行特殊環(huán)境下的溫度測(cè)量，從而有力地控制和預(yù)防諸如甲流、非典之類(lèi)型的特殊疾病的傳播，急需設(shè)計(jì)一種測(cè)溫速度快，準(zhǔn)確率高的測(cè)溫儀。 W特別是美國(guó)，大 力研究紅外技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用。在產(chǎn)品加工行業(yè)，特別是需要對(duì)溫度進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合，都是溫度傳感器大顯身手的地方。當(dāng)前，紅外夜視設(shè)各已廣泛應(yīng)用于陸、海、空三軍，如用作坦克、車(chē) 輛、飛機(jī)、艦船等 的夜間駕駛用的觀察設(shè)備，輕武器的夜瞄儀，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和火炮的火控 系統(tǒng)．戰(zhàn)場(chǎng)前沿的監(jiān)視和觀察設(shè)備．單兵偵察設(shè)備等。其中紅外線人體測(cè)溫儀是紅外測(cè)溫技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用，它是利用人體發(fā)出的紅外線來(lái)測(cè)量出人體的溫度。 還要用到 protues 軟件來(lái)模擬電路。m 的電 磁波稱為紅外波段。一般活體皮膚光譜陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 38 頁(yè) 范圍約為 3 ~ 50181。m），人體皮膚輻射的峰值波長(zhǎng)同樣約為 。1879 年斯忒藩從實(shí)驗(yàn)上總結(jié)得到該公式， 1884 年波爾茲曼從理論上證明了它。這里，我們引入一個(gè)隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的輻射系數(shù)，即可把黑體的基本定律應(yīng)用于實(shí)際物體的紅外溫度測(cè)量?？梢杂靡韵鹿奖磉_(dá)： ε = α （ 25） 由此可 以看出，任何處于 熱平衡下物體的吸收率等于發(fā)射率，即物體的輻射本領(lǐng)越大其吸收本領(lǐng)也越大。根據(jù)式（ 26）的原理，儀器所測(cè)得的紅外輻射為： E = Aσε1ε2（ TO 4 –TA 4） （ 27） 式中： A 為光學(xué)常數(shù)，與儀器的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)； ε1為被測(cè)對(duì)象的輻射率； ε2為紅外溫度計(jì)的 輻射率； TO為被測(cè)對(duì)象的溫度（ K）； TA 為紅外溫度計(jì)的溫度（ K）；它由一個(gè)內(nèi)置的溫度檢測(cè)元件測(cè)出。 人體紅外測(cè)溫儀的性能指標(biāo)及作用 總 體上 來(lái)說(shuō)，測(cè)溫范圍、顯示 分辨率 、精度、工作環(huán)境溫度范圍、重復(fù)性、相對(duì)濕度、響應(yīng)時(shí)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(cè)溫儀的性能指標(biāo)。如果測(cè)溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測(cè)量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測(cè)溫儀。 測(cè)溫目標(biāo)大小與測(cè)溫距離的關(guān)系：在不同距離處，可測(cè)的目標(biāo)的有效直徑 D 是不同的，因而在測(cè)量小目標(biāo)時(shí)要注意目標(biāo)距離。 溫度輸出功能： 首先 模擬信號(hào)輸出 ： 0～ 5V， 1～ 5V， 0～ 10V， 0/4～ 20 毫安，可以加入閉環(huán)控制中。實(shí)際應(yīng)用中每隔 5~10℃ 就必須標(biāo)定一個(gè) 系數(shù)，當(dāng)采樣電壓峰值落在此區(qū)間時(shí)就選擇該系數(shù)。 所以人體 紅外測(cè)溫儀具有以下優(yōu)點(diǎn)： 非接觸測(cè)量：它不需要接觸到 人體 ， 只需在額頭前方 5 厘米左右測(cè)溫即可，而且紅外探測(cè)器只需感應(yīng)人體輻射的紅外線。 體積小，方便攜帶 。放大器可以由 單個(gè) 的 集成 運(yùn) 算放大 器 構(gòu)成，從而達(dá)到放大的目的，缺 點(diǎn) 是 這 種方陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 38 頁(yè) 法 產(chǎn) 生 的測(cè) 量 誤 差 較 大，并且 數(shù) 據(jù)也不 穩(wěn) 定。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash，512字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 看門(mén)狗定時(shí)器 ，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路，3 個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 4個(gè)外部中斷，一個(gè) 7 向量 4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51 的 5向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工 串行口 。液晶顯示屏正好可以克服這點(diǎn)，顯示部分看來(lái)來(lái)直觀簡(jiǎn)潔，耗電量較少。計(jì)算所得的溫度被存儲(chǔ)在陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 38 頁(yè) MLX90325 的 RAM 并且分辨率可以達(dá)到 186。缺點(diǎn)：精度比不上 TS1183，且價(jià)格也不低。由于該波長(zhǎng)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(cè)量人體表面 溫度。 圖 41 系 統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)的測(cè)量原理為：傳感器探測(cè)到人體輻射紅外線后，傳送到 A/D 7705 轉(zhuǎn)換器經(jīng)放大、然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，傳送到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣、量化和編碼最后輸送到 LCD1602 進(jìn)行顯示。其外部機(jī)構(gòu)如 圖 42 所示， 紅 外 溫度 傳 感器 我們選用 TS1183， TS1183 紅 外 溫 度 傳 感器的 環(huán)境溫 度 補(bǔ)償 范 圍為 40℃ —100℃，比 較 適合 測(cè) 量體 溫 。由于 環(huán) 境 溫 度 時(shí) 可 變 的，所以 還 要 進(jìn) 行 環(huán) 境 溫 度 補(bǔ)償 。熱電堆輸出的信號(hào)直接是電壓信號(hào)，所以不需要進(jìn)行其它處理，就是直接將高精度放大器 A/D 轉(zhuǎn)換器 單片機(jī) 信號(hào) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 38 頁(yè) 其信號(hào)放大處理得到使 A/D 轉(zhuǎn)換器能夠檢測(cè)分辨的電壓信號(hào)就可以了。 這種器件帶 有增益可編程放大器，可通過(guò)軟件編程來(lái)直接測(cè)量傳感器輸出的各種微小信號(hào)。 ⑨ DRDY： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志； ⑩ DOUT：轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端； DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端； （ 3） 讀寫(xiě)時(shí)序 AD7705 可以直接與單片機(jī)進(jìn)行接口，用到的數(shù)據(jù)線有片選 /CS、串行時(shí)鐘輸入 SCLK、指令或數(shù)據(jù)輸入 DIN 以及轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出 DOUT 等，只有在狀態(tài)信號(hào) DRDY 指示輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒時(shí)，單片機(jī)才可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，圖 47和圖 48分別給出了讀寫(xiě)數(shù)據(jù)周期的時(shí)序圖。 MD MD0=00：正常工作模式，轉(zhuǎn)換器進(jìn)行正常 A/D 轉(zhuǎn)換； MD MD0=01：自校準(zhǔn)模式，一次完成零標(biāo)度和滿標(biāo)度校準(zhǔn)； MD MD0=10：零標(biāo)度系統(tǒng)校準(zhǔn)，零基準(zhǔn)電壓由外部提供； MD MD0=11：滿標(biāo)度系統(tǒng)校準(zhǔn)，滿標(biāo)度電壓由外部提供； 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 共 38 頁(yè) G2 ~G0:為增益控制位，增益對(duì)照表如表 45 所示。 圖 49 信號(hào)處理電路圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 共 38 頁(yè) (方案二 )設(shè)計(jì)思路 MLX90615 數(shù)字式紅外測(cè)溫傳感器內(nèi)部集成了低噪聲放大器， 16位 ADC 和強(qiáng)大的 DSP的 MLX90325 單元。器件有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) TO46 封裝形式。 作為標(biāo)準(zhǔn)， MLX90615 出廠校準(zhǔn)的物體發(fā)射率為 1。 表 6 ： MLX90615 絕對(duì)最大額定值 參數(shù) MLX90615 。 C，物體溫度為 40 到 115 176。 圖 410 系 統(tǒng)框圖 由于方案一與方案二中僅傳感器不同，所以公共元件介紹在后邊。采用 100K 電阻與其串聯(lián)分壓，令熱敏電阻的阻值為 R，電源用直流 5V 電壓供電，則其電壓計(jì)算公式為： U= RKR?100 5 通過(guò)對(duì)輸出電壓的采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算查表就可得出對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度值了。 表 43 CH CH0 關(guān)系對(duì)應(yīng)表 CH1 CH0 AIN(+) AIN() 校準(zhǔn)寄存器對(duì) 0 0 AIN1(+) AIN1() 寄存器對(duì) 0 0 1 AIN2(+) AIN2() 寄存器對(duì) 1 1 0 AIN1() AIN1() 寄存器對(duì) 0 1 1 AIN1() AIN2() 寄存器對(duì) 2 （ 5） 設(shè)置寄存器 設(shè)置寄存器也是一個(gè) 8 位寄存器，該寄存器必須先在通信寄存器中選擇后才能進(jìn)行讀或?qū)懀饕糜谶x擇工作模式和輸入增益，控制字如表 44 所示。 圖 46 AD7705 的引腳排列 （ 2） 各引腳的功能說(shuō)明如下： ① SCLK：串行接口時(shí)鐘輸入端； ② MCLK IN：芯片工作時(shí)鐘輸入，可以是晶振或外部時(shí)鐘，其頻 率范圍為 500KHz到 5MHz； ③ MCLK OUT：時(shí)鐘信號(hào)輸出，當(dāng)用晶振作為芯片的工作時(shí)鐘時(shí)，晶振必須在 MCLK IN和 MCLK OUT 之間。片內(nèi)數(shù)字濾波器處理調(diào)制器的輸出信號(hào)。 圖 45 測(cè)量電路方框圖 測(cè)量電路對(duì)所探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳送給單片機(jī)，再由單片進(jìn)行特定的處理。 由于 實(shí)際傳 感器只 測(cè) 量一定的波 長(zhǎng) 范 圍 并且其敏感度只有在一定的波 長(zhǎng) 范 圍 才可以看成是 常數(shù) ，所以上式可以 進(jìn)一步修正 為 ： U=S K/（δ T4δ δ 0T04δ ） 由此可以看出， 當(dāng)環(huán) 境 溫 度一定 時(shí) ， 紅 外 傳 感器其 輸 出 電壓 與被 測(cè) 物的 絕對(duì)溫 度的4δ次方成 線 性 關(guān) 系。 在 紅 外 傳 感器熱電 堆的 熱 端 貼有熱 量吸收器，它用 來(lái) 吸收被 測(cè) 物體 輻 射的 紅 外 線 并 轉(zhuǎn) 化 為熱 能。同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要，功能的多樣性，還配備了時(shí)鐘電路顯示當(dāng)前的測(cè)量時(shí)間，便于測(cè)量人員記錄測(cè)量的時(shí)間信息。測(cè)溫原理： 自然界一切溫度都是高于絕對(duì)零度（ ）的物體，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，都在不停地向周?chē)臻g輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克（ Plank）定律。 MLX90615同樣 是集熱電偶和熱敏電阻于一體的紅外傳感器 。 方案二： 傳感器的選擇 出于可能方案一 TS1183 雖然精度很高，但相對(duì)資料短缺，加之信號(hào)微弱不好處理等問(wèn)題，我提出方案二，作為方案一的替代方案。 顯 示部分的 選擇 我們多學(xué)過(guò)的顯示主要 有兩種方法，一種是 LED 數(shù)碼管，另一種就是 LCD 液晶 顯示屏 。 STC89C52使用經(jīng)典的 MCS51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51單片機(jī)不具備的功能。 考慮到制作的可靠性和電路的可制作性， 開(kāi)始嘗試 選擇紅外溫度傳感器 TS1183 作為方案一的紅外傳感器 。 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(cè)出 。 下表為表 21： 表 21 不同環(huán)境溫度下的標(biāo)定系數(shù) 人體紅外線測(cè)溫儀的特點(diǎn) 人體 紅外測(cè)溫儀是通過(guò)接收 人體發(fā)射的紅外線的能量的大小 來(lái)測(cè)量其 體溫的儀器 。 （ 2） 多項(xiàng)式 ， 即 1/440 aVTTS?? （ ） 令 201 aaS a a T aT? ? ? ? （ ） S 取三項(xiàng)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，要使測(cè)溫儀滿足一定的精度， 測(cè)溫時(shí)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 aT =30℃ ，物體表面溫度