【導(dǎo)讀】普通的體溫計(jì)雖然可以準(zhǔn)確測(cè)量人體溫度，但測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，紅外溫度測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)非接觸、短時(shí)間準(zhǔn)確測(cè)量人體溫度，尤其適合在人流密度高、流行病高發(fā)區(qū)使用。本次設(shè)計(jì)要求在熟悉目前紅外人體溫度測(cè)量原理基礎(chǔ)之上，完成紅外人體溫度測(cè)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，外文資料翻譯任務(wù)。1).搜集有關(guān)資料，撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告。計(jì)，硬件搭接、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及標(biāo)定，要求能夠正確實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能。4）設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)：1份。摘要、關(guān)鍵詞、正文、結(jié)束語(yǔ)、參考文獻(xiàn)和封底的順序裝訂。為了解決快速測(cè)量和高精度的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)提供了一種新的溫。度測(cè)量方案，本系統(tǒng)是由TS118-3紅外線溫度傳感器、16位雙信道串行A/D高精度放大器AD7705、STC89C52單片機(jī)、LCD1602液晶顯示器、DS1302時(shí)鐘電路和報(bào)警電路等構(gòu)成，從而實(shí)現(xiàn)了非接觸式。時(shí)即自動(dòng)啟用報(bào)警電路進(jìn)行超標(biāo)報(bào)警，并且還能顯示當(dāng)前測(cè)溫的時(shí)間。案的可行性論證。由于利用了單片機(jī)及數(shù)字?？刂葡到y(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，使得系統(tǒng)的各個(gè)方面的性能得到了顯著的提高。

　　

【正文】 境溫 度， 由熱平衡方程，于是 紅 外 傳 感器其吸收的 凈熱 功率 為： P=K/(δ T4δ 0T04) 其中： K/是 一常數(shù)（ 由 傳 感器 決定 ），δ和δ 0 分 別為 被 測(cè) 物體和 傳 感器材料 的發(fā)射系 數(shù) ， T 和 T0分 別 是被 測(cè) 物體 溫 度和 傳 感器的 環(huán)境溫 度。由此可得出 紅 外 傳 感器的 輸 出電壓為： U=S K/（δ T4δ 0T04） 其中： S 是傳 感器的敏感度（ V/W）。由 傳 感器本身 決定。 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。 傳 感器的 輸 出與被 測(cè) 物體的 溫 度 時(shí)單調(diào) 的，即 傳 感器的 輸 出量與被 測(cè) 物體的 溫 度是一一 對(duì)應(yīng) 的，由此可以通 過(guò)測(cè) 量 傳 感器的 輸 出 來(lái) 確定被 測(cè) 物體的 溫度。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 。 環(huán) 境 溫 度 補(bǔ)償 熱電 堆 輸 出端的 電 信 號(hào) 是反映 熱電 偶冷 熱兩 端的 溫 度差，也就是被 測(cè) 物體與 熱點(diǎn)對(duì)冷 熱 端的 溫 度差，而不是反映被 測(cè) 物體的真 實(shí)溫 度。因此， 還 要 進(jìn) 行 環(huán) 境 溫 度 補(bǔ)償 ，也就是要 測(cè) 出 熱電 堆的冷端 溫 度。 環(huán) 境 溫 度 補(bǔ)償 是通 過(guò)紅 外 傳 感器中負(fù) 溫 度系 數(shù) 的 熱 敏 電阻 完成的。它的阻值 隨 之 溫 度的升高而降低，由此通 過(guò)測(cè) 量其阻值就可以得知 環(huán) 境 溫 度。 (方 案一） 測(cè)量電路 測(cè)量電路由雙通道 16 位串行 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD7705 構(gòu)成，原理圖如下圖 45。 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。 測(cè)量電路主要包括兩個(gè)方面，一方面是熱電堆信號(hào)的處理；另一方面是熱敏電阻信號(hào)的處理。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。正溫度系數(shù)的熱敏電阻的信號(hào)隨 其電阻值的變化，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。 AD7705 簡(jiǎn)介和應(yīng)用 在本設(shè)計(jì)中選用的 AD7705 集成模塊是 AD 公司推出的 16 位Σ Δ A/D 轉(zhuǎn)換器，可用于測(cè)量低頻模擬信號(hào)。 該器件可以接受直接來(lái)自傳感器的低電平的輸入信號(hào)，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。利用Σ Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 16 位無(wú)丟失代碼性能。選定的輸入信號(hào)被送到一個(gè)基于模擬調(diào)制器的增益可編程專(zhuān)用前端。片內(nèi)數(shù)字濾波器處理調(diào)制器的輸出信號(hào)。通過(guò)片內(nèi)控制寄存器可調(diào)節(jié)濾波器的截止點(diǎn)和輸出更新速率，從而對(duì)數(shù)字濾波器的第一個(gè)陷波進(jìn)行編程。 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)。 它包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。AD7705 具有分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍廣、自校準(zhǔn)等特點(diǎn)，因而非常適合于工業(yè)控制、儀表測(cè)量等領(lǐng)域。具有兩個(gè)全差分輸入通道。在本設(shè)計(jì)中非常實(shí)用，只需要 1 片 AD芯片就能滿(mǎn)足需求，節(jié)約了硬件成本。 （ 1） AD7705 的主要特點(diǎn)如下： ① 具有 16位無(wú)丟失代碼； ② 非線性度為 %； ③ 增益可編程，其 可調(diào)整范圍為 1128； ④ 輸出數(shù)據(jù)更新率可編程； ⑤ 可進(jìn)行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)； ⑥ 帶有三線串行接口； ⑦ 采用 3V或 5V 工作電壓； AD7705 的引腳排列如圖 46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。如果采用外部時(shí)鐘，則 MCLK OUT 可用于輸出反相時(shí)鐘信號(hào)，以作為陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) 共 38 頁(yè) 其他芯片的時(shí)鐘源，該時(shí)鐘輸出可以通過(guò)編程來(lái)關(guān)閉； ④ /CS：片選段，低電平有效； ⑤ /RESET：芯片復(fù)位端口，當(dāng)該端為低電平時(shí)，芯片內(nèi)的接口邏輯、自校準(zhǔn)、數(shù)字濾波器等均為上電狀態(tài)； ⑥ AIN2(+)：為第 2 個(gè)差分輸入通道的正端； AIN2()：為第 2 個(gè)差分輸入通道的負(fù)端； ⑦ AIN1(+)：為第 1 個(gè)差分輸入通道的正端； AIN1()：為第 1 個(gè)差分輸入通道的負(fù)端； ⑧ REF IN(+)：為參考電壓的正端； REFIN()：為參考電壓的負(fù)端。 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。 圖 47 AD7705 讀數(shù)據(jù)時(shí)序圖 圖 48 AD7705 寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序圖 （ 4） 片內(nèi)寄存器 AD7705 內(nèi)含八個(gè)寄存器，分別為通信寄存器、設(shè)置寄存器、時(shí)鐘寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、測(cè)試寄存器、偏移寄存器、增益寄存器和空操作寄存器。其對(duì)芯片的所有操作都必須先 從寫(xiě)通信寄存器開(kāi)始，當(dāng)上電復(fù)位后，芯片的等待指令數(shù)據(jù)即被寫(xiě)入通信寄存器，陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 共 38 頁(yè) 寄存器地址如表 41 所示，通信寄存器的格式如表 42 所示。 表 41 AD7705 寄存器地址 RS2 RS1 RS0 寄存器 寄存器位數(shù) 0 0 0 通信寄存器 8 位 0 0 1 設(shè)置寄存器 8 位 0 1 0 時(shí)鐘寄存器 8 位 0 1 1 數(shù)據(jù)寄存器 16 位 1 0 0 測(cè)試寄存器 8 位 1 0 1 無(wú)操作 / 1 1 0 偏移寄存器 24 位 1 1 1 增益寄存器 24 位 表 42 AD7705 通信寄存 器格式 /DRDY RS2 RS1 RS0 R/W STBY CH1 CH0 (0) (0) (0) (0) (0) (0) (0) (0) 格式中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為上電復(fù)位的缺省值，左邊為最高位，右邊為最低位。具體說(shuō)明如下： /DRDY：寫(xiě)操作時(shí)，必須把“ 0”寫(xiě)到此位，以保證對(duì)通信寄存器寫(xiě)操作的順利完成。若將“ 1”寫(xiě)到此位，則后續(xù)的各位將不能被寫(xiě)入該寄存器； RS2～ RS0：寄存器選擇位，用于選擇下次操作要訪問(wèn)的寄存器，常用的寄存器有通信寄存器（ 000），設(shè)置寄存器（ 001）和數(shù)據(jù)寄存器（ 011）等； R/W：讀與寫(xiě)選擇，用于指明下次對(duì)寄存器的操作是讀還是寫(xiě)； STBY：等待模式，寫(xiě)“ 1”時(shí)器件處于等待或掉電狀態(tài)，此時(shí)電流約為 10uA，寫(xiě)“ 0”時(shí)為正常工作模式； CH0、 CH1：輸入通道選擇，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 43所示。 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)?，它主要用于選擇工作模式和輸入增益，控制字如表 44 所示。 表 44 設(shè)置寄存器控制字 MD1 MD0 G2 G1 G0 B/U BUF FSYNC (0) (0) (0) (0) (0) (0) (0) (1) MD1 和 MD0 為工作模式控制位。 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(mǎn)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(mǎn)標(biāo)度系統(tǒng)校準(zhǔn)，滿(mǎn)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。 表 45 增益對(duì)照表 G2 G1 G0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 增益設(shè)置 1 2 4 8 16 32 64 128 B/U：?jiǎn)螛O性 /雙極性選擇，為 0 表示雙極性工作，為 1 表示單極性工作； BUF：緩沖器控制，為 0 表示片內(nèi)緩沖器短路，為 1 表示緩沖器串入通道； （ 6） 時(shí)鐘寄存器 時(shí)鐘寄存器是一個(gè)可讀可寫(xiě)的 8 位寄存器，主要用于設(shè)置輸出更新速率。具體控制位如表 46 所示。 表 46 時(shí)鐘寄存器 ZER00 ZER00 ZER00 CLKDIS CLKDIV CLK FS1 FS0 (0) (0) (0) (0) (0) (1) (0) (0) CLKDIS：主時(shí)鐘禁止位，為 1 時(shí)禁止 MCLK OUT 輸出； CLKDIV：時(shí)鐘分頻位，為 1 表示 2 分頻，為 0 表示不分頻； CLK：時(shí)鐘選擇位，當(dāng)主頻為 1MHz 時(shí)， CLK 置 0。 （ 7） 數(shù)據(jù)寄存器 數(shù)據(jù)寄存器是一個(gè) 16 位的只讀寄存器，用于存放 AD7705 的最新轉(zhuǎn)換結(jié)果。 信號(hào)處理電路 本設(shè)計(jì)中選用了高精度 16 位高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器，其分辨率相當(dāng)高，高達(dá) 76uV,所以在轉(zhuǎn)換電路中不需要用電橋，只需要用電阻串聯(lián)分壓就能滿(mǎn)足要求了。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。 傳感器 TS1183 和 AD7705 的具體連接電路如圖 49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。計(jì)算所得的溫度被存儲(chǔ)在 MLX90325 的 RAM 并且分辨率可以達(dá)到 186。C。 由 MLX90615 紅外溫度傳感器采集溫度，并且優(yōu)勢(shì)在于它內(nèi)部直接有 ADC 功能，直接能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。然后將對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)傳輸入單片機(jī) STC89LE52 中，通過(guò)單片機(jī)程序處理信號(hào)，將對(duì)應(yīng)的溫度值顯示在 LCD1602 上，設(shè)置超限溫度，超過(guò)后報(bào)警。 硬件設(shè)計(jì)的 系統(tǒng)框圖如圖 410 所示。 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。 （方案二）傳感器 MLX90615內(nèi)部有 2顆芯片，紅外熱電堆探測(cè)器和信號(hào)處理 ASSP MLX90325，尤其是由 Melexis設(shè)計(jì)的處理 IR傳感器輸出的芯片。器件有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) TO46 封裝形式。由于集成了低噪聲放大器， 16位 ADC 和強(qiáng)大的 DSP 的 MLX90325 單元，使得高度集成和高精度的溫度計(jì)得 以實(shí)現(xiàn)。計(jì)算 所得的物體溫度被存儲(chǔ)在 MLX90615 的 RAM，分辨率為 176。 C。此數(shù)值可通過(guò)串行兩線 SMBus 兼容協(xié)議獲或是器件的 10 位 PWM 格式獲得。 MLX90615 出廠的標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍為：環(huán)境溫度為 40 到 85 176。 C，物體溫度為 40 到 115 176。 C MLX90615 紅外傳感器 按鍵 LCD1602 蜂鳴器 STC89LE51 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 共 38 頁(yè) 。 作為標(biāo)準(zhǔn)， MLX90615 出廠校準(zhǔn)的物體發(fā)射率為 1。發(fā)射率可以簡(jiǎn)單地定制為 到 1 之間， 并且不需要用黑來(lái)作為重新校 準(zhǔn)。 MLX90615 可用電池供電。封裝中集成了可以濾除可見(jiàn)光和近紅外 輻射通量的光學(xué)濾波器（可通過(guò)長(zhǎng)波）以提供日光免疫。 MLX90615 絕對(duì)最大額定值見(jiàn)表 6， 超過(guò)絕對(duì)最大額定值會(huì)造成永久性損害。在擴(kuò)展周期里暴露在絕對(duì)最大額定值會(huì)影響器件的可靠性 。 表 6 ： MLX90615 絕對(duì)最大額定值 參數(shù) MLX90615