【導讀】普通的體溫計雖然可以準確測量人體溫度，但測量時間較長，紅外溫度測量可以實現(xiàn)非接觸、短時間準確測量人體溫度，尤其適合在人流密度高、流行病高發(fā)區(qū)使用。本次設計要求在熟悉目前紅外人體溫度測量原理基礎之上，完成紅外人體溫度測量系統(tǒng)方案設計，外文資料翻譯任務。1).搜集有關資料，撰寫畢業(yè)設計開題報告。計，硬件搭接、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及標定，要求能夠正確實現(xiàn)測量功能。4）設計說明書：1份。摘要、關鍵詞、正文、結(jié)束語、參考文獻和封底的順序裝訂。為了解決快速測量和高精度的問題，本設計提供了一種新的溫。度測量方案，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、LCD1602液晶顯示器、DS1302時鐘電路和報警電路等構(gòu)成，從而實現(xiàn)了非接觸式。時即自動啟用報警電路進行超標報警，并且還能顯示當前測溫的時間。案的可行性論證。由于利用了單片機及數(shù)字?？刂葡到y(tǒng)的優(yōu)點，使得系統(tǒng)的各個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 物體和 傳 感器材料 的發(fā)射系 數(shù) ， T 和 T0分 別 是被 測 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 實際傳 感器只 測 量一定的波 長 范 圍 并且其敏感度只有在一定的波 長 范 圍 才可以看成是 常數(shù) ，所以上式可以 進一步修正 為 ： U=S K/（δ T4δ δ 0T04δ ） 由此可以看出， 當環(huán) 境 溫 度一定 時 ， 紅 外 傳 感器其 輸 出 電壓 與被 測 物的 絕對溫 度的4δ次方成 線 性 關 系。 傳 感器的 輸 出與被 測 物體的 溫 度 時單調(diào) 的，即 傳 感器的 輸 出量與被 測 物體的 溫 度是一一 對應 的，由此可以通 過測 量 傳 感器的 輸 出 來 確定被 測 物體的 溫度。由于 環(huán) 境 溫 度 時 可 變 的，所以 還 要 進 行 環(huán) 境 溫 度 補償 。 環(huán) 境 溫 度 補償 熱電 堆 輸 出端的 電 信 號 是反映 熱電 偶冷 熱兩 端的 溫 度差，也就是被 測 物體與 熱點對冷 熱 端的 溫 度差，而不是反映被 測 物體的真 實溫 度。因此， 還 要 進 行 環(huán) 境 溫 度 補償 ，也就是要 測 出 熱電 堆的冷端 溫 度。 環(huán) 境 溫 度 補償 是通 過紅 外 傳 感器中負 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 過測 量其阻值就可以得知 環(huán) 境 溫 度。 (方 案一） 測量電路 測量電路由雙通道 16 位串行 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD7705 構(gòu)成，原理圖如下圖 45。 圖 45 測量電路方框圖 測量電路對所探測到的信號進行放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳送給單片機，再由單片進行特定的處理。 測量電路主要包括兩個方面，一方面是熱電堆信號的處理；另一方面是熱敏電阻信號的處理。熱電堆輸出的信號直接是電壓信號，所以不需要進行其它處理，就是直接將高精度放大器 A/D 轉(zhuǎn)換器 單片機 信號 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 16 頁 共 38 頁 其信號放大處理得到使 A/D 轉(zhuǎn)換器能夠檢測分辨的電壓信號就可以了。正溫度系數(shù)的熱敏電阻的信號隨 其電阻值的變化，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為相對應的電信號。 AD7705 簡介和應用 在本設計中選用的 AD7705 集成模塊是 AD 公司推出的 16 位Σ Δ A/D 轉(zhuǎn)換器，可用于測量低頻模擬信號。 該器件可以接受直接來自傳感器的低電平的輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。利用Σ Δ轉(zhuǎn)換技術實現(xiàn)了 16 位無丟失代碼性能。選定的輸入信號被送到一個基于模擬調(diào)制器的增益可編程專用前端。片內(nèi)數(shù)字濾波器處理調(diào)制器的輸出信號。通過片內(nèi)控制寄存器可調(diào)節(jié)濾波器的截止點和輸出更新速率，從而對數(shù)字濾波器的第一個陷波進行編程。 這種器件帶 有增益可編程放大器，可通過軟件編程來直接測量傳感器輸出的各種微小信號。 它包括自校準和系統(tǒng)校準選項，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、動態(tài)范圍廣、自校準等特點，因而非常適合于工業(yè)控制、儀表測量等領域。具有兩個全差分輸入通道。在本設計中非常實用，只需要 1 片 AD芯片就能滿足需求，節(jié)約了硬件成本。 （ 1） AD7705 的主要特點如下： ① 具有 16位無丟失代碼； 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 可進行自校準和系統(tǒng)校準； 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） 各引腳的功能說明如下： ① SCLK：串行接口時鐘輸入端； ② MCLK IN：芯片工作時鐘輸入，可以是晶振或外部時鐘，其頻 率范圍為 500KHz到 5MHz； ③ MCLK OUT：時鐘信號輸出，當用晶振作為芯片的工作時鐘時，晶振必須在 MCLK IN和 MCLK OUT 之間。如果采用外部時鐘，則 MCLK OUT 可用于輸出反相時鐘信號，以作為陜西理工學院畢業(yè)設計 第 17 頁 共 38 頁 其他芯片的時鐘源，該時鐘輸出可以通過編程來關閉； ④ /CS：片選段，低電平有效； ⑤ /RESET：芯片復位端口，當該端為低電平時，芯片內(nèi)的接口邏輯、自校準、數(shù)字濾波器等均為上電狀態(tài)； ⑥ AIN2(+)：為第 2 個差分輸入通道的正端； AIN2()：為第 2 個差分輸入通道的負端； ⑦ AIN1(+)：為第 1 個差分輸入通道的正端； AIN1()：為第 1 個差分輸入通道的負端； ⑧ REF IN(+)：為參考電壓的正端； REFIN()：為參考電壓的負端。 ⑨ DRDY： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束標志； ⑩ DOUT：轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端； DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端； （ 3） 讀寫時序 AD7705 可以直接與單片機進行接口，用到的數(shù)據(jù)線有片選 /CS、串行時鐘輸入 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 DRDY 指示輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準備就緒時，單片機才可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，圖 47和圖 48分別給出了讀寫數(shù)據(jù)周期的時序圖。 圖 47 AD7705 讀數(shù)據(jù)時序圖 圖 48 AD7705 寫數(shù)據(jù)時序圖 （ 4） 片內(nèi)寄存器 AD7705 內(nèi)含八個寄存器，分別為通信寄存器、設置寄存器、時鐘寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、測試寄存器、偏移寄存器、增益寄存器和空操作寄存器。其對芯片的所有操作都必須先 從寫通信寄存器開始，當上電復位后，芯片的等待指令數(shù)據(jù)即被寫入通信寄存器，陜西理工學院畢業(yè)設計 第 18 頁 共 38 頁 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 設置寄存器 8 位 0 1 0 時鐘寄存器 8 位 0 1 1 數(shù)據(jù)寄存器 16 位 1 0 0 測試寄存器 8 位 1 0 1 無操作 / 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) 格式中括號內(nèi)的數(shù)字為上電復位的缺省值，左邊為最高位，右邊為最低位。具體說明如下： /DRDY：寫操作時，必須把“ 0”寫到此位，以保證對通信寄存器寫操作的順利完成。若將“ 1”寫到此位，則后續(xù)的各位將不能被寫入該寄存器； RS2～ RS0：寄存器選擇位，用于選擇下次操作要訪問的寄存器，常用的寄存器有通信寄存器（ 000），設置寄存器（ 001）和數(shù)據(jù)寄存器（ 011）等； R/W：讀與寫選擇，用于指明下次對寄存器的操作是讀還是寫； STBY：等待模式，寫“ 1”時器件處于等待或掉電狀態(tài)，此時電流約為 10uA，寫“ 0”時為正常工作模式； CH0、 CH1：輸入通道選擇，對應關系如表 43所示。 表 43 CH CH0 關系對應表 CH1 CH0 AIN(+) AIN() 校準寄存器對 0 0 AIN1(+) AIN1() 寄存器對 0 0 1 AIN2(+) AIN2() 寄存器對 1 1 0 AIN1() AIN1() 寄存器對 0 1 1 AIN1() AIN2() 寄存器對 2 （ 5） 設置寄存器 設置寄存器也是一個 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。 表 44 設置寄存器控制字 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)換器進行正常 A/D 轉(zhuǎn)換； MD MD0=01：自校準模式，一次完成零標度和滿標度校準； MD MD0=10：零標度系統(tǒng)校準，零基準電壓由外部提供； MD MD0=11：滿標度系統(tǒng)校準，滿標度電壓由外部提供； 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 19 頁 共 38 頁 G2 ~G0:為增益控制位，增益對照表如表 45 所示。 表 45 增益對照表 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 增益設置 1 2 4 8 16 32 64 128 B/U：單極性 /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） 時鐘寄存器 時鐘寄存器是一個可讀可寫的 8 位寄存器，主要用于設置輸出更新速率。具體控制位如表 46 所示。 表 46 時鐘寄存器 ZER00 ZER00 ZER00 CLKDIS CLKDIV CLK FS1 FS0 (0) (0) (0) (0) (0) (1) (0) (0) CLKDIS：主時鐘禁止位，為 1 時禁止 MCLK OUT 輸出； CLKDIV：時鐘分頻位，為 1 表示 2 分頻，為 0 表示不分頻； CLK：時鐘選擇位，當主頻為 1MHz 時， CLK 置 0。 （ 7） 數(shù)據(jù)寄存器 數(shù)據(jù)寄存器是一個 16 位的只讀寄存器，用于存放 AD7705 的最新轉(zhuǎn)換結(jié)果。 信號處理電路 本設計中選用了高精度 16 位高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器，其分辨率相當高，高達 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，則其電壓計算公式為： U= RKR?100 5 通過對輸出電壓的采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字信號，經(jīng)過運算查表就可得出對應的環(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 信號處理電路圖 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 20 頁 共 38 頁 (方案二 )設計思路 MLX90615 數(shù)字式紅外測溫傳感器內(nèi)部集成了低噪聲放大器， 16位 ADC 和強大的 DSP的 MLX90325 單元。計算所得的溫度被存儲在 MLX90325 的 RAM 并且分辨率可以達到 186。C。 由 MLX90615 紅外溫度傳感器采集溫度，并且優(yōu)勢在于它內(nèi)部直接有 ADC 功能，直接能將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后將對應的數(shù)字信號傳輸入單片機 STC89LE52 中，通過單片機程序處理信號，將對應的溫度值顯示在 LCD1602 上，設置超限溫度，超過后報警。 硬件設計的 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，紅外熱電堆探測器和信號處理 ASSP MLX90325，尤其是由 Melexis設計的處理 IR傳感器輸出的芯片。器件有工業(yè)標準 TO46 封裝形式。由于集成了低噪聲放大器， 16位 ADC 和強大的 DSP 的 MLX90325 單元，使得高度集成和高精度的溫度計得 以實現(xiàn)。計算 所得的物體溫度被存儲在 MLX90615 的 RAM，分辨率為 176。 C。此數(shù)值可通過串行兩線 SMBus 兼容協(xié)議獲或是器件的 10 位 PWM 格式獲得。 MLX90615 出廠的標準溫度范圍為：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 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 21 頁 共 38 頁 。 作為標準， MLX90615 出廠校準的物體發(fā)射率為 1。發(fā)射率可以簡單地定制為 到 1 之間， 并且不需要用黑來作為重新校 準。 MLX90615 可用電池供電。封裝中集成了可以濾除可見光和近紅外 輻射通量的光學濾波器（可通過長波）以提供日光免疫。 MLX90615 絕對最大額定值見表 6， 超過絕對最大額定值會造成永久性損害。在擴展周期里暴露在絕對最大額定值會影響器件的可靠性 。 表 6 ： MLX90615 絕對最大額定值 參數(shù) MLX90615