【導(dǎo)讀】在許多疾病預(yù)防檢測中，測量溫度的人數(shù)眾多，時間緊迫。傳統(tǒng)的體溫計多采用物。理原理，根據(jù)水銀隨溫度升降的熱脹冷縮的性質(zhì)，通過讀取刻度上的數(shù)值來判斷溫度。經(jīng)不能滿足人們的測溫需求。紅外測溫系統(tǒng)為人們體檢測溫提供了快速有效的非接觸式。手段，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、機場、海關(guān)、車站等人口密集地區(qū)的體溫檢測。TN系列紅外溫度傳感器來測量溫度信號，并且將測量的目標(biāo)溫度數(shù)據(jù)送給單片機處理，單片機的蜂鳴器，當(dāng)溫度超過某一個設(shè)定的溫度值時，就會發(fā)出警報聲。方案以流程圖的方式介紹了各個功能的具體實現(xiàn)，軟件采用了C語。紅外測溫技術(shù)與傳統(tǒng)的測溫方式相比，其具有響應(yīng)時間短、可靠性比較強、量、不易損壞等一系列優(yōu)點。另外對測溫誤差因素進(jìn)行分析，探討相應(yīng)的抗干擾措施，最后對系統(tǒng)的進(jìn)一步研究工作進(jìn)行展望。

　　

【正文】 第 15 頁 共 47 頁 熱釋電傳感器工作原理 在目前的市場上，有一款新型紅外傳感器，即熱釋電傳感器，其經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，目前這款傳感器在紅外檢測領(lǐng)域中的占 有不可代替的重要性，尤其是在一些比較前沿的領(lǐng)域，例如工業(yè)過程自動監(jiān)控、汽車行業(yè)、食品行業(yè)、冶金行業(yè)、石油行業(yè)等等范疇領(lǐng)域。 熱釋電效應(yīng) 早在 1703 年左右，人們就發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象，即對晶體加熱時，當(dāng)晶體受熱的溫度達(dá)到一定的上限值時，晶體的兩端將會就會因為晶體溫度的改變，而產(chǎn)生一定數(shù)量相等而電性相反的電荷。這種電極現(xiàn)象是由于晶體受熱而導(dǎo)致的，現(xiàn)代人們將其稱之為熱釋電效應(yīng)。但是直到 1965 年，人們才認(rèn)識到熱釋電效應(yīng)的溫度靈敏性，超出了人們的想象，在室溫下就可以檢測出的溫度變化值為 6 106℃ 。但 由于各種現(xiàn)實條件的限制 ,所以在非接觸式測溫方法中一直沒有成功的運用此項技術(shù)。 一般情況下，因為晶體長期暴露在空氣中，而晶體表面也常常附著自由電子。晶體會因為自發(fā)極化的原因而產(chǎn)生束縛電荷，而晶體上自由電子會和晶體的束縛電荷中和，因此該晶體不會表現(xiàn)出自發(fā)極化的電性。某些特殊晶體 (如單晶，壓電陶瓷，高分子薄膜 )的表面受到紅外線的輻射并吸收其能量使該晶體表面的溫度發(fā)生變化，并且晶體表面溫度的變化會導(dǎo)致晶體表面電荷的變化，熱釋電晶體表面電荷隨溫度變化的移動情況如圖 所示，其中 (a)圖為電荷不移動時的情況， (b)圖 為電荷移動時的情況。 (a) 電荷不移動的情況 (b) 電荷移動的情況 圖 熱釋電效應(yīng)圖 由以上的討論可以得出：用紅外線去照射熱釋電元件時，會導(dǎo)致熱釋電元件的內(nèi)部極化作用發(fā)生巨大變化，而這些發(fā)生變化的部分以電荷的形式被釋放出來，運用一定的措施將這些電荷從外部取出來就可以形成傳感器的輸出電壓。由以上論述可以知道，當(dāng)溫度發(fā)生改變的時候，由于熱釋電傳感器表面的電荷情況發(fā)生改變，產(chǎn)生一個電壓值輸出。 一般情況下可以用陶瓷氧化物或壓電晶體元件作為制造紅外 傳感器的材料，特別是熱釋電紅外傳感器，把材料元件的表面分別做成兩個電極，這樣就可以制作出最簡單的熱釋電紅外傳感器。在傳感器的溫度測量規(guī)模內(nèi)，只有溫度改變了 Δ T 被檢測出時，由桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 16 頁 共 47 頁 于熱釋電效應(yīng)，會產(chǎn)生電荷Δ Q，其存在傳感器的兩個電極之間，所以微弱的電壓差ΔV就會存在在兩個電極之間。 當(dāng)熱釋電探測器測量到溫度變化，而改變的溫度差經(jīng)過經(jīng)光電轉(zhuǎn)換處理，它才能成為一個交流電壓信號，而且在信號處理電路中進(jìn)一步對交流電壓信號進(jìn)行處理。 設(shè)定一些已知參數(shù)，例如被測物體的溫度為 T1，測量的環(huán)境溫度為 T2，被測物體輻射率為 ε1，環(huán)境 的輻射率為 ε2，則傳感器的輸出信號可表示為： Q=Kε1σT4 1 Kε2 σT4 2 () 相應(yīng)輸出的電壓： V=S(T4 1T4 2) () 式中的 ε1 表示被測目標(biāo)輻射率； ε2 表示目標(biāo)背景輻射率； σ 表示斯蒂芬 玻耳茲曼常數(shù)； S 是與熱釋電反應(yīng)特性和被測對象表面發(fā)射率相關(guān)的參數(shù)。 探測器的選擇 在市場上熱釋電傳感器是按照封裝、外形等來分類，按照不同的類型來分類，所以品種較多，例如有塑封式和金屬封裝等，而且這個 塑封式和金屬封裝還可以進(jìn)一步分為 立式和臥式。熱釋電傳感器還可以分為有單探測元、雙探測元等，這種分類是從熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來分的。一般常見的的熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，其中 (1)圖為傳感器外形結(jié)構(gòu)， (2)圖為管腳名稱， D 為漏極端， S 為源極端， GND 為接地端。 (1) (2) 圖 熱釋電傳感器 人體的溫度大約是 37℃ ，正常的生命機能才能運行。在體溫約為 37℃ 的情況 下，一般人體輻射的紅外波波長為 10μm左右， TN_9 對 5～ 14μm范圍內(nèi)的波長反應(yīng)比較快速， TN_9 紅外測溫傳感器測溫是不需要去接觸人體的，它是通過檢測人體輻射出的紅外線能量的變化，并將這種紅外能量變化轉(zhuǎn)換成電信號輸出，就可以測出人體溫度，故本系統(tǒng)采用 TN_9 熱釋電紅外探測器 。 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 17 頁 共 47 頁 5 便攜式紅外測溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計 該測溫體系的硬件設(shè)計仍舊沿用模塊化，將全部系統(tǒng)分為了八大部分：單片機部分、TN_9 部分、藍(lán)牙無線傳輸部分、 LCD1602 顯示部分、聲光報警 部分、穩(wěn)壓電路部分、按鍵部分和電源部分。通過劃分部分的方法，能夠把一個繁雜的題目分成幾個比較容易解決的問題，然后再分別處理，降低了設(shè)計難度。 主從 AT89S52 單片機處理模塊 本設(shè)計紅外測溫體系的重點在于，怎樣采用單片機 AT89S52 去和其他的模塊搭建電路，有助于其它模塊功能的實現(xiàn)。將程序下載到 單片機 AT89S52 中，同時單片機對TN_9 送來的溫度值進(jìn)行分析處理，最后傳給 LCD 液晶上，顯示給觀察員，同時通過藍(lán)牙無線傳輸?shù)绞謾C客戶端進(jìn)行顯示，當(dāng)溫度值超過事先設(shè)定的值時，就會啟動聲光報警。 由圖 單 片機處理模塊原理圖可知，圖 左側(cè)上部分是復(fù)位電路，如果 RST 管腳呈現(xiàn)不少于 2 個機器周期的高電平 (10ms)，本單片機處理模塊的復(fù)位功效就能用手動完成，單片機就能進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。 圖 單片機處理模塊原理圖 每一個單片機最小系統(tǒng)都含有振蕩器，其全稱為晶體振蕩器。單片機的時鐘信號由兩種電路產(chǎn)生：內(nèi)振蕩電路和外振蕩電路，在任何時候，只需要一個振蕩電路，就能使系統(tǒng)正常工作。 使用內(nèi)振蕩電路能夠為系統(tǒng)提供基本的時鐘脈沖，需要在 XTAL1 和 XTAL2 之間外接石英晶體振蕩器或者陶瓷振蕩器，這時候的內(nèi)部振蕩電路 就相當(dāng)于一個高增益放大桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 18 頁 共 47 頁 器，和晶振接在一起就形成了一個正反饋的自激振蕩，在經(jīng)過整形和分頻形成單片機內(nèi)各個邏輯部件所需要的時鐘脈沖，并使各部分保持同步。內(nèi)振蕩電路如圖 單片機模塊處理電路圖左邊下方部分所示。如果振蕩電路為系統(tǒng)提供越高的時鐘脈沖，那么單片機執(zhí)行指令的速度就越快。 TN_9 紅外測溫模塊接口設(shè)計 紅外測溫模塊采用的是將光學(xué)電路和線性處理電路集成一體的 TN_9 傳感器，這種傳感器不用接觸人體， 解決了傳統(tǒng)測溫時因為需要接觸而花費較長時間的問題，擁有反應(yīng)時間短、檢測精度高、檢測范圍廣、操作簡便等 長 處 。單片機 口、 口和 口分別與 TN_9 的 DATE、 CLK和 ACK相連接，通過 口發(fā)送啟動測溫指令給 TN_9，TN_9 測得目標(biāo)物體的溫度數(shù)值后，根據(jù) TN_9 的 CLK 腳的電平變化， TN_9 把溫度數(shù)值從 口 的 DATA 腳發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機，圖 為紅外測溫電路圖。 圖 紅外測溫電路模塊 液晶顯示模塊和聲光報警模塊 采用 LCD1602 用于本設(shè)計的顯示部分。這種顯示屏的最大優(yōu)點就是顯示的內(nèi)容豐富，人機界面友好，顯示比較清晰，輸出的內(nèi)容為英文提示、實時溫度（攝氏度和華氏度），單片機的 P0 口與 LCD1602 液晶顯示屏的 8 個數(shù)據(jù)引腳相連，如圖 LCD1602液晶屏顯示模塊所示。與此同時，當(dāng)被測目標(biāo)溫度值達(dá)到設(shè)定的上限值時，會啟動聲光報警模塊。在發(fā)聲方面，使用 PNP 三極管驅(qū)動蜂鳴器；發(fā)光報警所用的器件是發(fā)紅光的二極管，如圖 聲光報警模塊電路圖 所示。 圖 聲光報警模塊 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 19 頁 共 47 頁 圖 LCD1602 液晶屏顯示模塊 在 圖 LCD1602 液晶屏顯示模塊電路圖中， RS 是數(shù)據(jù) /命令選擇端，如果 RS 被用作數(shù)據(jù)寄存器，則使 RS=1；如果 RS 被 用作指令選擇寄存器，則令 RS=0，通過單片機的 口控制 RS 的電平變化。 R/W 是讀寫操作引腳，如果 LCD1602 要進(jìn)行讀操作，則令 R/W=1；如果 LCD1602 要進(jìn)行寫操作，則令 R/W=0。因為本此設(shè)計，只需要液晶屏顯示數(shù)據(jù)，故不需要對液晶屏進(jìn)行讀操作，為了節(jié)約單片機引腳資源，所以直接使R/W 為低電平； EN 腳是使能引腳，只有當(dāng) EN 從高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r， LCD1602 就執(zhí)行命令，這是由單片機 口控制的。 按鍵模塊 人機對話，包括計算機的輸入輸出、人利用計算機解決問題和回答題目等等。在本此的 設(shè)計中通過按鍵輸入和 LCD 顯示的方式是人機交換技術(shù)的體現(xiàn)，操作者通過按鍵向單片機系統(tǒng)發(fā)送各種指令。按鍵模塊的設(shè)計，直接影響到單片機引腳資源的使用，并且在一定程度上決定著系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。 設(shè)計按鍵的方式有多種，可以大概分為獨立式按鍵接口 (一個 I/O 口對應(yīng)一個按鍵開關(guān) )、矩陣式鍵盤接入法和專用芯片式等。矩陣式鍵盤接入法就如同一個矩陣圖形，由行和列構(gòu)成，在行、列交叉的位置放置按鍵。這種接入法用了 8 個 I/O 口去控制 16個按鈕開關(guān)，這種方法比較適應(yīng)于按鍵數(shù)量較多的電路，其優(yōu)點就是可以節(jié)省很多 I/O資源。專用芯片 的通用功能更加完善，而且采用的是集成電路，芯片本身已經(jīng)完成消抖、重建處理，只是價錢比較昂貴。獨立式按鍵接口，一個 I/O 口對應(yīng)一個按鍵開關(guān)，這種接入方法電路簡單可靠，程序設(shè)計也很簡單，缺點就是占用的 I/O 口資源比較多。因為本設(shè)計中需要的按鍵不多，所以本設(shè)計采用一個 I/O 口對應(yīng)一個按鍵開關(guān)的接入方式，通過程序處理進(jìn)行消抖，按鍵電路如圖 所示。 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 20 頁 共 47 頁 圖 按鍵電路原理圖 由圖 按鍵電路原理圖可知，單片機模塊采用動態(tài)掃描按鍵的方 法，采用 4 個獨立式鍵盤。在程序運行的過程中，單片機不斷檢查按鍵值，判斷是否有鍵按下。如果掃描到有鍵按下時，就執(zhí)行相應(yīng)鍵操作程序。 藍(lán)牙通信模塊和穩(wěn)壓電路模塊 BLKMDHC05 藍(lán)牙模塊串口的電壓需求為 — 6V，因為本系統(tǒng)用的是外電源，4 節(jié) ，所以藍(lán)牙模塊與系統(tǒng)連接時，需要增加電平轉(zhuǎn)換芯片 LM7805，為整個系統(tǒng)提供 +5V的電壓，其電路設(shè)計如圖 藍(lán)牙通信模塊和穩(wěn)壓電路的原理圖所示。 BLKMDHC05 藍(lán)牙模塊分別與單片機的 口、 口相連，接收數(shù)據(jù)和 發(fā)送指令。 BLKMDHC05 藍(lán)牙模塊有兩種工作方式：其一是 命令響應(yīng)模式，當(dāng)藍(lán)牙模塊在此模式下工作時，用戶就可以用手機發(fā)送指令，通過藍(lán)牙傳輸，對單片機發(fā)送指令，并且執(zhí)行指令的相應(yīng)程序模塊；其二是自動連接方式，當(dāng)藍(lán)牙模塊在這種運作模式下運行時，單片機可以按照預(yù)先設(shè)定好的模式，通過藍(lán)牙向手機客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。 圖 藍(lán)牙通信模塊和穩(wěn)壓電路的原理圖 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 21 頁 共 47 頁 6 便攜式紅外系統(tǒng)的軟件設(shè)計 本測溫體系的軟件設(shè)計仍然使用的是模塊化設(shè)計方法。紅外溫度測量系統(tǒng)軟件的設(shè)計，它是一個復(fù)雜的軟件設(shè)計。利用模塊思想 ，就把復(fù)雜的問題分為幾個相對容易解決的部分。由于本設(shè)計完成的功能是測溫以及讓其顯示出測溫值，和藍(lán)牙無線傳輸測量數(shù)據(jù)到手機客戶端，手機客戶端可以發(fā)送指令控制測溫系統(tǒng)，所以對測溫數(shù)據(jù)接收以及傳輸做了比較細(xì)致的敘述，而對其他的各個模塊做了相應(yīng)簡要的介紹。 主程序的設(shè)計 在單片機方面如圖 所示，采用了循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計，其對應(yīng)的程序是一個無限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的程序并執(zhí)行。對于整個紅外測溫系統(tǒng)而言，該部分的軟件主要是完成測溫系統(tǒng)的硬件控制功能。該部分軟件設(shè)計所需要完成的功能主要包括以下幾個方面： (1)當(dāng)紅 外測溫系統(tǒng)接通電源時， AT89S52 單片機自動復(fù)位 ,對液晶屏等初始化； (2)對被測目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣的控制； (3)通過軟件算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理； (4)處理后的數(shù)據(jù)送到 LCD 和手機客戶端進(jìn)行顯示； (5)通過按鍵進(jìn)行參數(shù)的輸入，控制測溫的進(jìn)度。 整個測溫過程的程序流程圖如圖 所示。