【文章內(nèi)容簡介】 中基本上都沒有黑體的基本條件。當(dāng)我們知道了材料的發(fā)射率時，才能去了解物體的紅外輻射特性。物體材料的類型、理化結(jié)構(gòu)和厚度以及其表面的粗糙程度等幾個因素是導(dǎo)致發(fā)射率不同的重要因素。經(jīng)查詢得知人體皮膚的發(fā)射率為 。在實際的測量中，要根據(jù)被測物質(zhì)的發(fā)射率來選擇相應(yīng)的紅外測溫體度計。 （ 2） 測溫范圍的確定 對測溫體溫計來說，測溫范圍是最重要的一個性能指標(biāo)。如一種紅外測溫產(chǎn)品覆蓋范圍為 60℃ ~+2020℃，實際上這不是由一種型號的紅外測溫體溫計所能完成的。型號不一樣的測溫溫度計有著各自 不一樣的測溫范圍，所以，在考慮被檢測溫度的范圍的時候必須要準(zhǔn)確、周全，過于寬或過于窄任何一樣都不行。根據(jù)黑體輻射定律，是溫度而導(dǎo)致的輻射能量的改變會大于由發(fā)射率的不同而導(dǎo)致的情況只會發(fā)生在光譜的短波波段中，因此測溫的時候應(yīng)該盡可能的選擇短波。對于一般情況而言，測量溫度的范圍越窄，所測量的溫度其輸出信號的分辨率就越高。 （ 3） 目標(biāo)尺寸 的 確定 紅外測溫體溫計根據(jù)原理可分為單色測溫體溫計和雙色測溫體溫計兩種。對于單色測溫體溫計在進行測溫時，被測目標(biāo)面積應(yīng)充滿測溫體溫計視場。一般選擇被測目標(biāo)尺寸超過視場大小的一半。在所檢測物體的體積小于溫度計視場的時候，在溫度計視場內(nèi)的背景的輻射能量便會干擾所檢測的溫度，進而形成誤差。在所檢測物體的體積大于溫度計視場的時候，溫度計便不會被來自測量區(qū)域內(nèi)的外部背景的輻射能量而影響。又因為雙色溫度計測量溫度是根據(jù)兩個獨立互不干擾的波長的帶內(nèi)輻射能量的比例值而確立的，所以當(dāng)被檢測的物體比較小，不足以充滿溫度計視場，測量空間 中有煙霧、塵埃的阻擋，對目標(biāo)物輻射能量存在減小的情況時，全部都不會對所測量的溫度造成比較大影響。面對較小卻又處于運動中的目標(biāo)，畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 5 選擇雙色測溫體溫計為佳。 （ 4） 確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率） 距離系數(shù)是根據(jù) D:S 的比值來定的，即溫度計感光元件與所測量目標(biāo)物體之間的距離（ D）和被檢測的物理直徑的比值。如果測溫體溫計由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之外，而又要測量小的目標(biāo)，就應(yīng)該選擇高光學(xué)分辨率的測溫體溫計。光學(xué)分辨率越高，即增大 D:S比值，測溫體溫計的成本也越高。 （ 5） 響應(yīng)時間 響應(yīng)時間是紅外測溫溫度計對被測物體溫度變化的 反應(yīng)速度，定義為到達最后讀數(shù)的95%能量所需要時間，響應(yīng)時間和光電探測儀、信號處理電路及顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)。假如被檢測物體的運動速率非?？旎蛘邫z測加熱非?？焖俚奈矬w時，就應(yīng)該選擇能夠快速相應(yīng)的紅外測溫器件，不然就不能有足夠的時間來響應(yīng)信號，這樣便會使得測量的精度降低。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)。對于靜止或目標(biāo)熱過程存在熱慣性時，測量儀器的響應(yīng)時間就可以放寬要求。因此，在選擇紅外測溫器件響應(yīng)時間上要和被測目標(biāo)的情況相適應(yīng)。主要是依據(jù)目標(biāo)的運動速度以及目標(biāo)溫度變化速率來確定響應(yīng)時間。 （ 6） 環(huán)境條件 測溫 溫度計檢測物體的溫度結(jié)果會被物體當(dāng)前的環(huán)境因素而造成影響，所以應(yīng)當(dāng)考慮并加以恰當(dāng)?shù)姆椒▉斫鉀Q，從而使影響紅外測溫溫度計的精度甚至導(dǎo)致紅外溫度計的永久性損壞。 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 6 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 紅外測溫語音播報體溫計采用的是一個單色紅外測溫傳感器來采集所測量物體的溫度信息，同時把所檢測的數(shù)據(jù)傳到控制中心 ——單片機進行數(shù)據(jù)處理，單片機處理完數(shù)據(jù) (將所收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的溫度值 )之后再控制液晶顯示模塊顯示當(dāng)前所檢測到的溫度數(shù)值，然后再控制語音芯片“報出”液晶顯示模塊上面顯示的溫度數(shù)值。這是整個系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)流向流程，本紅 外測溫語音播報體溫計系統(tǒng)的總硬件電路圖詳見附錄 1。 電源 作為一個電子產(chǎn)品電源是必不可少的一項，并且非常關(guān)鍵。沒有了電源幾乎所有電子產(chǎn)品都沒法使用。由于本系統(tǒng)中設(shè)計顯示和語音這兩個“耗電大”的模塊存在，而且為了這兩大模塊在正常工作的同時不相互影響并且不對單片機產(chǎn)生影響，為此選擇對三大模塊單獨供電。由于傳感器的供電電壓為 ，為了保持一致性，使系統(tǒng)在整個工作過程中正常工作，同時為使傳感器在與單片機以及各個部分的通信過程中減小誤差，故整個系統(tǒng)都選用了 電壓（當(dāng)然也可以僅傳感器用 ，其它部分用 5V電壓）。 ，最常用的有線性穩(wěn)壓芯片（ LDO）、開關(guān)穩(wěn)壓芯片（ DCDC）甚至還可以用穩(wěn)壓二極管。由于系統(tǒng)的工作電流較大，而且工作中系統(tǒng)的電流變化較大，而電流較大的變化會使穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值不穩(wěn)，故不選用；由于系統(tǒng)最大功耗不是太大，用開關(guān)穩(wěn)壓芯片（ DCDC）就顯得有些浪費并且成本也高，所以也不選用；在無電流變化時 LDO的紋波可能比穩(wěn)壓二極管要大，但是此紋波相對較小不影響芯片的正常工作，而且對輸入的電壓范圍較廣，完全能夠在日常中使用，當(dāng)然價格也比 DCDC 較便宜，所以最終選用 LDO作為 。 LDO 有很多，在對紋波的要求不高價格相對較便宜的情況下選用 1117 系列穩(wěn)壓芯片。常用有 和 。這兩款芯片是 Pin to Pin 的，輸入電壓也基本一致， 的紋波略比 的要小，最大輸出電流 為 800mA， 為 1A，正常工作溫度范圍都為 。而 價格在 1 元左右， 價格在 元左右甚至更低，故最終選用 。 AMS1117 的內(nèi)部集成過熱和限流保護， 1%的精度。表 31 是 AMS1117輸出的電氣特性。 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 7 表 31 電氣特性（ ，正常工作溫度范圍 ） 輸出 測試條件 最小值 典型值 最大值 單位 ， 7 5 0 0 3 5 V 為使電壓輸出更精確，波動更小，故在芯片的輸入輸出端各加一個 10uF 濾波電容。為了使該設(shè)計能單獨使用，所以加了一個鋰電池，接口選用現(xiàn)在流行的安卓手機接口 Micro USB使得充電方便。鋰電池選用內(nèi)置過充過流保護的 。圖 31 所示整個設(shè)計中的電源電路。 圖 31 電源電路圖 為使簡單辨認(rèn)出鋰電池是否充電完成，設(shè)計一個簡單的顯示電路。圖中顯示 LED 選用雙色霧狀 Ramp。G LED，這樣在電池充電時雙色 LED 全亮，紅色和綠色混在一起就成黃色了，電池充滿電了就只有綠色 LED 亮。圖 32 所示是充電指示電路。 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 8 圖 32 充電指示 傳感器 紅外測溫傳感器種類繁多，有一些工業(yè)級的外置傳感器，其精度相當(dāng)高，但是價格過于昂貴，所以沒有選用；另外一些傳感器大概有 TN90 MLX9061 OT538 這三種， TN901為 SPI 接口，數(shù)字式輸出，工作電壓在 3V到 ，但其價格在過于昂貴在 150 元左右，MLX90614 有 PWM 和 SMBus 兩種通信模式，可以測出目標(biāo)溫度同時測出環(huán)境溫度，數(shù)字式輸出，其工作電壓按型號分三種，價格在 30 元左右， OTP538 為模擬輸出，需要外加 AD 轉(zhuǎn)換芯片，其溫度的精度受 AD 轉(zhuǎn)換芯片精度影響，測量距離一般不超過 3cm，價格在 20 元左右（不加 AD 轉(zhuǎn)換芯片）?？紤]價格和測量距離以及測量精度等因素，最終選用MLX90614ESFBAA。 紅外測溫傳感 MLX90614ESFBAA 的測溫范圍為 40℃ ~85℃。該溫度范圍對于體溫的測量完全夠用，測量精度可達到 ℃，此版本傳感器為單色測溫傳感器。 MLX90614 集成了由邁來芯開發(fā)和生產(chǎn)的兩款芯片： ? 紅外熱電堆傳感器 MLX81101 ? 用于處理紅外傳感器輸出信號的專用集成芯片 MLX90302。 因為此傳感器已經(jīng)將 A/D 轉(zhuǎn)換器、低噪聲放大器和數(shù)字信號處理芯片 MLX90302 集成在一起，便使較高精確度和較高分辨度的溫度計得以實現(xiàn)。數(shù)字信號處理芯片（ MLX90302）的 隨機存取存儲器 用來存儲由測量物體和環(huán)境到計算后的溫度，所測量的溫度分辨率小至℃ ，并且支持雙線的 SMBus 兼容協(xié)議（ ℃分辨率 ）以及 10 位 PWM（脈寬調(diào)制）模式輸出。圖 33 所示是 MLX90614 內(nèi)部模塊情況的圖表。 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 9 圖 33 MLX90614 模塊圖表 MLX90614 是由內(nèi)部的狀態(tài)機控制物體溫度和環(huán)境溫度的測量以及計算，從而開始溫度測量后數(shù)據(jù)的處理，并且把測量并計算的溫度結(jié)果通過 PWM 或者 SMBus 模式輸出出來。 ASSP 支持兩個 IR 傳感器。（ MLX90614xAx 只有一個 IR 傳感器） IR 傳感器的輸出通過增益可編程的低噪聲低失調(diào)電壓放大器放大，經(jīng)過 Sigma Delta 調(diào)制器轉(zhuǎn)換為單一比特流并反饋給 DSP 做后續(xù)的處理。信號通過可編程的 FIR 和 IIR 低通濾波器以進一步減低輸入信號和帶寬從而達到所需的噪聲特征和刷新率。 IIR 濾波器的輸出是整個傳感器最終測量并計算數(shù)據(jù)的結(jié)果并存于內(nèi)部 隨機存取存儲器 中，這之中有三個單元可以被用戶利用：一個是片內(nèi)溫度傳感器（片上 PTAT 或 PTC），其余兩個為 IR 傳感器。 更具以上檢測和計算的結(jié)果，便可得到對應(yīng)的環(huán)境溫度 Ta 以及物體溫度 To，這兩個溫度的分辨率均為 ℃ 。環(huán)境溫度和物體溫度可以通過兩種不同的方式來獲?。和ㄟ^ SMBu兼容協(xié)議接口讀取對應(yīng)溫度儲存的 隨機存取存儲器 單元，（ ℃的 分辨率，固定的溫度測量范圍）或者通過脈寬調(diào)制數(shù)字模式輸出（ 10 位分辨率，范圍可配置）溫度數(shù)據(jù)。圖 34 為MLX90614ESFBAA 的 SMBus 通信接口電路圖。 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 10 圖 34 MLX90614BAA SMBus 單片機 單片機作為整個設(shè)計的控制中心，選擇適合的芯片是很重要的。單 片機按字長分類： 4位、 8 位、 16 位、 32 位、 64 位單片機。而且單片機的價格基本上按照字長位數(shù)上漲，考慮到本系統(tǒng)用 8 位單片機完全可以勝任，故最終在 8 位單片機中選型。目前 8 位單片機大多是 8051的內(nèi)核，而現(xiàn)在國內(nèi)市場上的 8051 內(nèi)核單片機主要是以 愛特梅爾 （ ATMEL）和宏晶科技（ STC）兩家為主。由于之前用過 STC89 系列單片機，有其燒錄工具，并且 AT89C52 與 STC89C52基本完全一樣只是廠家不同， AT 為美國 愛特梅爾 公司生產(chǎn)的 51 系列單片機， STC 是中國本土宏晶科技公司生產(chǎn)的 51 單片機，考慮其兩大品牌單片機性能基本都不存在問題，故選用本國 STC 的但單片機。 STC8051 單片機種類繁多，正常工作在 ，由于新出的一款STC15W4K60S4 有幾個新功能：支持 USB 直接燒錄程序，運行速度快，不用外部晶和復(fù)位電路等，考慮到試下新產(chǎn)品上就選用了此款 STC15W4K60S4 單片機，其價格也不高。 STC15W4K32S4 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 35 所示。 STC15W4K32S4 單片機中包含中央 處理器（ CPU）、程序存儲器（ Flash）、數(shù)據(jù)存儲器（ SRAM）、定時 器 /計數(shù)器、掉電喚醒專用定時器、 I/O 口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、比較器、看門 狗、 UART 高速異步串行通信口 串行口 串行口 串行口 CCP/PWM/PCA、高速同步串行通行端 口 SPI，片內(nèi)高 精度 R/C時鐘及高可靠復(fù)位等模塊 。 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 11 圖 35 STC15W4K32S4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 STC15W4K32S4 單片機簡介： 增強型 8051 CPU， 1T單片機 /機器周期，速度比普通 8051快 812倍； 工作電壓： 之間；內(nèi)部高可靠復(fù)位， ISP 編程時 16 級復(fù)位門檻電壓可選，可徹底省掉外部復(fù)位電路；工作頻率范圍： 5MHz~28MHz， 內(nèi)部高精度 R/C 時鐘（177。 %），177。 1%溫飄（ 40℃ ~+85℃），常溫下溫飄177。 %（ 20℃ ~+65℃），內(nèi)部時鐘從 5MHz~35MHz 可 ISP 編程時 設(shè)定；不需外部晶振和復(fù)位電路，還可對外輸出時鐘和低電平復(fù)位信號。四組完全獨立的高速異步串行通信串口，分時切換可當(dāng) 9 組串口使用；低功耗設(shè)計：低速模式，空閑模式，掉電模 式 /停機模式 ；通用 I/O 口，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉。 I/O可 以 設(shè)置成四種 不同的 模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，強推挽 /強上拉，僅為輸入 /高阻，開漏 ； 6 通道 15 位專門的高精度 PWM（帶死區(qū)控制） +2 通道 CCP（利用它的高速脈沖輸出功能可實現(xiàn) 11~16 位 PWM） ——可用來再實現(xiàn) 8路 D/A，或 2 個外部中斷（支持上升沿 /下降沿中斷） …... 圖 36 為單片機 I/O分配圖。圖中的晶振電路需要設(shè)計實際中可不焊，使用 USB 下載時防止內(nèi)部時鐘精度不夠準(zhǔn)。 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 12 圖 36單片機 I/O分配圖 USB 下載和串口電路。由于此款單片機支持直接 USB 下載以及串口故設(shè)計一個 Micro USB 燒錄及供電 /充電接口，為防止程序燒錄意外設(shè)計一個外接串口。如下圖： 圖 37 USB下載和串口 液晶 1602 溫度顯示在系統(tǒng)中是至關(guān)重要的一個模塊，它是作為人體交互的一個重要模塊是必不可少的。由于在這顯示主要為數(shù)字字符等