紅外快速檢測(cè)人體溫度裝置的設(shè)計(jì).doc

河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文論文題目：紅外快速檢測(cè)人體溫度裝置的設(shè)計(jì)系 部 電子通信工程系 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 年 月 日摘 要紅外快速人體溫度檢測(cè)裝置系統(tǒng)由TPS334紅外溫度傳感器、高精度放大器、雙通道16位串行A/D轉(zhuǎn)換器AD7705、AT89C51單片機(jī)、譯碼顯示模塊與報(bào)警電路等部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)非接觸式紅外快速測(cè)溫，它能夠在較短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量出人體的溫度，而在測(cè)得溫度超出某一范圍時(shí)即啟用報(bào)警電路進(jìn)行超標(biāo)報(bào)警。文中提出了具體設(shè)計(jì)方案，討論了紅外非接觸式體溫計(jì)的基本原理，進(jìn)行了可行性論證。給出了電路圖和程序流程圖并附有源程序。由于利用了單片機(jī)及數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)的各方面性能得到了顯著的提高。關(guān)鍵詞：紅外溫度傳感器；快速檢測(cè)；A/D轉(zhuǎn)換器；譯碼顯示；超標(biāo)報(bào)警ABSTRACT The system is consisted of tps334 infrared temperature sensor, high accuracy amplifier，the sixteen serial digital A/D switch AD7705 of binary channels, single chip of AT89C51, decoding demonstration module, warning circuit and so on . So the non-contact type infrared clinical temperature detecting is realizedIt can be accurate to measure the temperature of human body in a short time, but if the temperature is beyond some certain scope, police electric circuit would be in use to carry on a super mark to report to the police electric circuit in time. The article discussed basic principle of the infrared non- contact clinical thermometer, has proposed the concrete design proposal, and has carried on the feasible proof test. We have offered the circuit diagram, the program flow diagram and the source program is also attached. Since we have take advantage of the single-chip and the digital control system, the functions of the system have been improved strikingly.Keywords: Infrared Temperature Sensor; Fast Check; A/D Switch; Decoding Display; Exceeded Alarm目 錄摘 要I第一章 緒 論11.1 引言21.2 紅外測(cè)溫儀的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)31.2.1 紅外測(cè)溫儀的優(yōu)點(diǎn)31.2.2 紅外測(cè)溫儀的缺點(diǎn)31.3 紅外快速人體溫度檢測(cè)裝置的研究意義4第二章 紅外測(cè)溫原理52.1 紅外測(cè)溫的基礎(chǔ)理論52.2 人體紅外測(cè)溫儀的性能指標(biāo)及作用82.3 影響溫度測(cè)量的主要因素及修正方法92.4 人體紅外線測(cè)溫儀的特點(diǎn)11第三章 紅外快速人體溫度檢測(cè)裝置的框架構(gòu)思133.1 設(shè)計(jì)思路133.2 方案比較133.3 系統(tǒng)方框圖及測(cè)量原理143.3.1 系統(tǒng)整體方框圖143.3.2 測(cè)量電路14第四章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理164.1 系統(tǒng)組成164.2 單元電路設(shè)計(jì)164.2.1 傳感器的選用164.2.2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)184.2.2.1 熱敏電阻處理電路194.2.2.2 熱電堆處理電路194.2.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)204.2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路204.2.3.2 單片機(jī)處理244.2.3.3 AT89C51的接口274.2.3.4 時(shí)鐘電路274.2.3.5復(fù)位電路284.2.4 譯碼顯示電路設(shè)計(jì)284.2.5 報(bào)警電路294.2.6 電源電路的設(shè)計(jì)304.2.6.1 電源電路原理圖304.2.6.2 電源的技術(shù)指標(biāo)和各部分的作用304.2.6.3 電源各部分電路參數(shù)計(jì)算與元器件選擇304.2.6.4 電源電路原理說明314.3 系統(tǒng)工作原理31第五章 軟件設(shè)計(jì)335.1 算法設(shè)計(jì)335.1.1 熱敏電阻測(cè)量溫度算法設(shè)計(jì)335.1.2 熱電堆信號(hào)算法設(shè)計(jì)335.2 程序設(shè)計(jì)33第六章 結(jié)束語與展望38致 謝39參考文獻(xiàn)39附錄 一41附錄 二42第1章 緒 論1.1 引言在臨床醫(yī)學(xué)中，體溫是一個(gè)及其重要的生理參數(shù)。病人的體溫為醫(yī)生提供了極為重要的生理狀態(tài)的各種信息。傳統(tǒng)的水銀式體溫計(jì)和電子式體溫計(jì)是通過口腔、腋窩、直腸等直接接觸體表來測(cè)量人體的平均溫度。其缺點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間比較長(zhǎng)，受測(cè)量位置的影響較大，給使用者帶來諸多不便。2003年“非典”疫情的爆發(fā)，對(duì)人體體溫測(cè)量技術(shù)提出了更高的要求，急需一種更加安全、方便、衛(wèi)生的非接觸測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量人體溫度。紅外輻射式體溫儀應(yīng)用紅外線輻射測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)了人體體溫的非接觸測(cè)量，非接觸式人體體溫測(cè)量是一種理想的解決方法，該測(cè)量裝置不會(huì)對(duì)人體構(gòu)成任何威脅?，F(xiàn)在市場(chǎng)上普遍應(yīng)用德國(guó)TPS334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。目前，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的體溫測(cè)量是用醫(yī)用玻璃液體溫度計(jì)（俗稱體溫表）、醫(yī)用電子接觸式溫度計(jì)（常用熱敏電阻作為它的感溫元件）等插入人體內(nèi)部（舌下、肛門）或置于腋下，通過與人體接觸使溫度計(jì)測(cè)出人的體溫。但這些體溫計(jì)的缺點(diǎn)是測(cè)量的速度慢（約2分鐘以上）。讀數(shù)相對(duì)困難，易破碎，且一旦破碎，里面的水銀流淌出來會(huì)污染環(huán)境，在使用時(shí)容易因消毒不徹底而引起交叉感染。紅外快速檢測(cè)人體溫度裝置，有效地避免國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的體溫測(cè)量的缺點(diǎn)，能夠在機(jī)場(chǎng)、海關(guān)、車站、賓館、商場(chǎng)、影院、寫字樓、學(xué)校等人流量較大的公共場(chǎng)所，快速，準(zhǔn)確，沒有交叉感染地測(cè)出人體溫度。紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。在國(guó)外，非接觸式紅外測(cè)溫儀已經(jīng)非常先進(jìn)了，自1999年就有許多國(guó)家致力于這方面的開發(fā)研究，到現(xiàn)在為止很多國(guó)家的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。比如：美國(guó)早在2001年就頒布了有關(guān)紅外測(cè)溫儀的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)雷泰公司生產(chǎn)的ST系列紅外測(cè)溫儀已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。由于紅外測(cè)溫儀測(cè)量溫度范圍寬，除了用于人體溫度檢測(cè)外，還可用于電器的紅外測(cè)溫、供暖的紅外測(cè)溫、運(yùn)輸/汽車維修時(shí)的紅外測(cè)溫等各個(gè)領(lǐng)域。因此，它具有廣泛的開發(fā)前景！1.2 紅外測(cè)溫儀的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)1.2.1 紅外測(cè)溫儀的優(yōu)點(diǎn)(1) 非接觸測(cè)量：它不需要接觸到被測(cè)溫度場(chǎng)的內(nèi)部或表面，因此，不會(huì)干擾被測(cè)溫度場(chǎng)的狀態(tài)，測(cè)溫儀本身也不受溫度場(chǎng)的損傷。 (2) 測(cè)量范圍廣：因其是非接觸測(cè)溫，所以測(cè)溫儀并不處在較高或較低的溫度場(chǎng)中，而是工作在正常的溫度或測(cè)溫儀允許的條件下。一般情況下可測(cè)量負(fù)幾十度到三千多度。(3) 測(cè)溫速度快：即響應(yīng)時(shí)問快。只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可在短時(shí)間內(nèi)定溫。(4) 準(zhǔn)確度高：紅外測(cè)溫不會(huì)與接觸式測(cè)溫一樣破壞物體本身溫度分布，因此測(cè)量精度高。(5) 靈敏度高：只要物體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測(cè)出?？蛇M(jìn)行微小溫度場(chǎng)的溫度測(cè)量。(6) 溫度分布測(cè)量，以及運(yùn)動(dòng)物體或轉(zhuǎn)動(dòng)物體的溫度測(cè)量。使用安全及使用壽命長(zhǎng)。(7) 安全。安全是使用紅外線測(cè)溫儀最重要的益處。不同于接觸測(cè)溫儀，紅外線測(cè)溫儀能夠安全地讀取難以接近的或不可到達(dá)的目標(biāo)溫度，在儀器允許的范圍內(nèi)讀取目標(biāo)溫度。非接觸溫度測(cè)量還可在不安全的或接觸測(cè)溫較困難的區(qū)域進(jìn)行，像蒸汽閥門或加熱爐附近，他們不需在冒接觸測(cè)溫時(shí)一不留神就燒傷手指的風(fēng)險(xiǎn)。1.2.2 紅外測(cè)溫儀的缺點(diǎn) (1) 易受環(huán)境因素影響（環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等）。(2) 對(duì)于光亮或者拋光的金屬表面的測(cè)溫讀數(shù)影響較大。(3) 只限于測(cè)量物體外部溫度，不方便測(cè)量物體內(nèi)部和存在障礙物時(shí)的溫度。1.3 紅外快速人體溫度檢測(cè)裝置的研究意義隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展成熟與日益完善，紅外線測(cè)溫儀憑借其準(zhǔn)確、快速、直觀等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，實(shí)時(shí)地在線監(jiān)測(cè)和診斷設(shè)備故障。近20年來，非接觸紅外測(cè)溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強(qiáng)，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)占有率逐年增長(zhǎng)。紅外線測(cè)溫儀技術(shù)在生產(chǎn)過程中，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)，設(shè)備在線故障診斷和安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。本文設(shè)計(jì)的紅外快速測(cè)量人體溫度的裝置，是由TPS334紅外溫度傳感器、雙信道A/D轉(zhuǎn)換器AD7705、AT89C51單片機(jī)、LCD1602液晶顯示屏、報(bào)警和時(shí)鐘電路等電路組成，從原理的設(shè)計(jì)到方案的論證，最后到實(shí)際制作和調(diào)試，都達(dá)到了預(yù)期的效果。通過自己手動(dòng)設(shè)計(jì)與開發(fā)紅外快速檢測(cè)人體溫度裝置，提升我們的動(dòng)手設(shè)計(jì)能力，團(tuán)隊(duì)合作與學(xué)習(xí)的能力，同時(shí)也讓大家熟悉日常生活中接觸的先進(jìn)儀表的基本原理，培養(yǎng)大家科學(xué)的人生觀和求實(shí)的實(shí)踐觀。第二章 紅外測(cè)溫原理2.1 紅外測(cè)溫的基礎(chǔ)理論 在自然界中，一切溫度高于絕對(duì)零度（-273.15C）的物體，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，都在不停地向周圍空間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)系符合輻射定律。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。 紅外線是電磁波譜的一部分，這一波段位于可見光和微波之間。根據(jù)普朗克輻射定律，凡是絕對(duì)溫度大于零度的物體都會(huì)向外輻射電磁波，物體的輻射強(qiáng)度與溫度及表面輻射能力有關(guān)，輻射的電磁波譜分布與物體溫度密切相關(guān)。在電磁波譜中，我們把人眼可直接感知的0.4 0.76m波段稱為可見波段，而把波長(zhǎng)從0.76 600m的電磁波稱為紅外波段。而紅外區(qū)通常又可分為近紅外區(qū)（0.76 1.5m）、中紅外區(qū)（1.5 10m）和遠(yuǎn)紅外區(qū)（10m以上）。近年來，紅外輻射技術(shù)已成為一門發(fā)展迅速的新興學(xué)科。它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研、軍事、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。圖2.1 電磁波波譜圖JD哈里認(rèn)為，人體輻射能量與皮膚表面溫度及輻射率有關(guān)。一般活體皮膚光譜范圍約為3 50m，其中大部分能量集中在814m波段內(nèi)，峰值波長(zhǎng)約為9.5m。雖然人體生物波普分布范圍比較寬，但在非能量集中區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度較低，尤其遠(yuǎn)端波段的數(shù)值極小。經(jīng)科學(xué)檢測(cè)，不管人體的膚色如何，干燥皮膚的紅外輻射率均為0.98，近似為黑體。根據(jù)Planck定律，其波長(zhǎng)主要分布在2.5 25m紅外波段范圍內(nèi)，根據(jù)Wien定律mT=2898（Km），人體皮膚輻射的峰值波長(zhǎng)同樣約為9.5m。其中黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1。但是，自然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體，為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長(zhǎng)表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，故稱“黑體輻射定律”。圖2.2 黑體輻射曲線(1) 輻射的光譜分布規(guī)律普朗克輻射定律：一個(gè)絕對(duì)溫度為T（K）的黑體，單位表面積在波長(zhǎng)附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)向整個(gè)半球空間發(fā)射的輻射功率（簡(jiǎn)稱為光譜輻射度）M，T與波長(zhǎng)、溫度T滿足下列關(guān)系： （2-1）式中C1、C2分別為第一、第二輻射常數(shù)。普朗克輻射定律是所有定量計(jì)算紅外輻射的基礎(chǔ)。(2) 斯忒藩（德） 波爾茲曼（奧）（StefanBoltzmann）定律：物體的總輻射率，即單位面積發(fā)射總功率與黑體溫度的四次方及材料表面的發(fā)射率成正比。其數(shù)學(xué)表示如下： （2-2）其中：，為StefanBoltzmann常數(shù)，為材料表面發(fā)射率。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。StefanBoltzmann定律表明，凡是溫度高于開氏零度的物體都會(huì)自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，同時(shí)黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率與開氏溫度的四次方成正比。而且，只要當(dāng)溫度有較小變化時(shí)，都會(huì)使物體發(fā)射的輻射功率發(fā)生很大的變化。因此只要能探測(cè)到黑體的單位表面積發(fā)射的總輻射功率，就可以確定黑體的溫度了。StefanBoltzmann定律是所有紅外測(cè)溫的基礎(chǔ)。(3) 輻射的空間分布規(guī)律朗伯余弦定律：所謂的朗伯余弦定律，就是黑體在任意方向上的輻射強(qiáng)度與觀測(cè)方向相對(duì)于輻射表面法線夾角的余弦成正比： （2-3）此定律表明，黑體在輻射表面法線方向的輻射最強(qiáng)。因此，實(shí)際做紅外檢測(cè)時(shí)，應(yīng)盡可能選擇在被測(cè)表面法線方向最大值的cos倍。(4) 基爾霍夫（Kirchhoff）輻射定律與發(fā)射率：實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長(zhǎng)外，還與夠成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。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。而這個(gè)輻射系數(shù)就是常說的發(fā)射率，或稱之為比輻射率，其定義為實(shí)際物體與同溫度黑體輻射性能之比。該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在大于0和小于1的數(shù)值區(qū)間中。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。影響發(fā)射率的主要因素有：材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等。因此利用在相同溫度下實(shí)際物體與黑體的輻射出度之比來表示該物體的一種特性，可以稱之為實(shí)際物體的發(fā)射率，也叫做全發(fā)射率，用表示。數(shù)學(xué)表示為： （2-4）式中：M為實(shí)際物體的輻射出度，Mo為相同條件下黑體的輻射出度。基爾霍夫定律揭示了熱平衡下物體的輻射與吸收的關(guān)系，指出了一個(gè)好的吸收體也是一個(gè)好的輻射體?？梢杂靡韵鹿奖磉_(dá)： （2-5） 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。 而為了減少測(cè)量物體溫度的誤差，我們要去除環(huán)境溫度因素的影響，所以修正的紅外輻射定律如下： （2-6）式中：E為輻射出射度數(shù)，單位W/m3；為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，；為物體的輻射率；TO為物體的溫度，單位K；TA為物體周圍的環(huán)境溫度，單位K；只要測(cè)量出所發(fā)射的E的值，就可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度。利用這個(gè)原理制成的溫度測(cè)量?jī)x器叫紅外測(cè)溫儀。這種測(cè)量不需要與被測(cè)對(duì)象接觸，因此屬于非接觸式測(cè)溫。在不同的溫度范圍，對(duì)象發(fā)出的電磁波能量的波長(zhǎng)分布不同，在常溫（0100C）范圍，能量主要集中在中紅外和遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)。用于不同溫度范圍和用于不同測(cè)量對(duì)象的儀器，其具體的設(shè)計(jì)也不同。根據(jù)式（2-6）的原理，儀器所測(cè)得的紅外輻射為： （2-7）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)；1為被測(cè)對(duì)象的輻射率；2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。所有的物體，包括人體各部位的表面，其值都是某個(gè)大于0并小于1.0的數(shù)值。其中紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器相關(guān)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。當(dāng)用紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量目標(biāo)的溫度時(shí)首先要測(cè)量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測(cè)溫儀計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度。單色測(cè)溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測(cè)溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例。2.2 人體紅外測(cè)溫儀的性能指標(biāo)及作用總體上來說，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)。(1) 確定測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍是測(cè)溫儀最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。每種型號(hào)的測(cè)溫儀都有自己特定的測(cè)溫范圍。(2) 確定目標(biāo)尺寸：紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀（輻射比色測(cè)溫儀）。對(duì)于單色測(cè)溫儀，在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿測(cè)溫儀視場(chǎng)。否則背景會(huì)干擾測(cè)溫讀數(shù)，造成誤差。對(duì)于雙色測(cè)溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。 (3) 確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）：距離系數(shù)由D：S之比確定，即測(cè)溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與被測(cè)目標(biāo)直徑之比。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。光學(xué)分辨率越高，測(cè)溫儀的成本也越高。(4) 確定波長(zhǎng)范圍 ：目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測(cè)溫儀的光譜相應(yīng)波長(zhǎng)對(duì)于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。(5) 確定響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%能量所需要時(shí)間，它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有 關(guān)。(6) 信號(hào)處理功能：鑒于離散過程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過程不同，所以要求紅外測(cè)溫儀具有多信號(hào)處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。(7) 環(huán)境條件考慮：測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起損壞。(8) 紅外輻射測(cè)溫儀的標(biāo)定：紅外測(cè)溫儀必須經(jīng)過標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度。2.3 影響溫度測(cè)量的主要因素及修正方法影響紅外人體測(cè)溫儀的因素有：測(cè)溫目標(biāo)大小與測(cè)溫距離的關(guān)系、測(cè)量溫度時(shí)的環(huán)境因素、強(qiáng)光背景里目標(biāo)的測(cè)量和溫度輸出功能。(1) 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。人體紅外測(cè)溫儀距離系數(shù)K的定義為：被測(cè)目標(biāo)的距離L與被測(cè)目標(biāo)的直徑D之比，即K=L/D。 (2) 選擇被測(cè)物質(zhì)發(fā)射率：人體紅外測(cè)溫儀一般都是按黑體（發(fā)射率=1.00）分度的，而實(shí)際上，物質(zhì)的發(fā)射率都小于1.00。因此，在需要測(cè)量目標(biāo)的真實(shí)溫度時(shí)，必須設(shè)置發(fā)射率值。物質(zhì)發(fā)射率可從輻射測(cè)溫中有關(guān)物體發(fā)射率的數(shù)據(jù)中查得。(3) 測(cè)量溫度時(shí)的環(huán)境因素：測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫精度。本設(shè)計(jì)中正是利用了PM611熱釋電紅外線傳感器可以補(bǔ)償溫度起伏的作用，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)溫。 (4) 強(qiáng)光背景里目標(biāo)的測(cè)量：若被測(cè)目標(biāo)有較亮背景光（特別是受太陽光或強(qiáng)燈直射），則測(cè)量的準(zhǔn)確性將受到影響，因此可用物體遮擋直射目標(biāo)的強(qiáng)光以消除背景光干擾。 (5) 溫度輸出功能：首先模擬信號(hào)輸出：05V，15V，010V，0/420毫安，可以加入閉環(huán)控制中。其次高報(bào)警、低報(bào)警:在生產(chǎn)過程中要求控制溫度在某個(gè)范圍里，可設(shè)置高，低報(bào)警值。高報(bào)警：在高報(bào)警設(shè)置打開的情況下，當(dāng)溫度高于高報(bào)警值，相應(yīng)的LED燈閃爍，蜂鳴器響，并有AH常開繼電器接通。由于在溫度測(cè)量時(shí)是在不確定的環(huán)境中進(jìn)行的，所以外界環(huán)境會(huì)對(duì)測(cè)溫造成一定的影響，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，所以要對(duì)環(huán)境溫度有一個(gè)修正。 由2.1節(jié)輻射公式可得出熱釋電傳感器的響應(yīng)公式為： (2-8)式中：S為與熱釋電響應(yīng)特性及物體表面發(fā)射率有關(guān)的常數(shù)，為物體表面溫度，為環(huán)境溫度。根據(jù)表達(dá)式（2.3）可以得到不同的標(biāo)定公式： （1）簡(jiǎn)單關(guān)系式，即 （2-9）式中：，應(yīng)用此公式所作的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，表中數(shù)據(jù)表明， 不僅與 有關(guān)，還與 有關(guān)。 （2）多項(xiàng)式，即 （2-10） 令： （2-11）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=30，物體表面溫度在180以上時(shí)，讀數(shù)誤差較大。由下表2-1可知：首先應(yīng)該對(duì)物體表面溫度分段定標(biāo)，因?yàn)闇y(cè)量范圍較大，所以不同段的標(biāo)定系數(shù)相差很大。實(shí)際應(yīng)用中每隔510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)。然后再根據(jù)環(huán)境溫度的不同對(duì)已選出的標(biāo)定系數(shù)進(jìn)行修正，達(dá)到在不同環(huán)境溫度下仍然能夠準(zhǔn)確測(cè)溫的目的。 分析表2-1可知，當(dāng)物體表面溫度較低時(shí)（78以下），環(huán)境溫度對(duì)修正系數(shù)的影響較大。所以對(duì)此溫度范圍的物體必須進(jìn)行環(huán)境溫度對(duì)標(biāo)定系數(shù)的修正。而當(dāng)物體表面溫度較高時(shí)，則修正系數(shù)基本由物體表面溫度決定，這樣系數(shù)就不必再依環(huán)境溫度進(jìn)行校正。這就減少了標(biāo)定系數(shù)的復(fù)雜性。下表為表2-1：標(biāo)準(zhǔn)溫度（）環(huán)境溫度（）測(cè)量值（V）系 數(shù) Ka（V/）34.00 26.0 2.613 3.061 26.5 2.605 2.879 27.0 2.588 2.70478.00 26.0 2.960 17.57 26.5 2.948 17.47 27.0 2.925 17.44120.00 26.0 3.392 27.71 26.5 3.388 27.59 27.0 3.384 27.48表2-1 不同環(huán)境溫度下的標(biāo)定系數(shù)2.4 人體紅外線測(cè)溫儀的特點(diǎn)人體紅外測(cè)溫儀是通過接收人體發(fā)射的紅外線的能量的大小來測(cè)量其體溫的儀器。測(cè)溫儀內(nèi)部的靈敏探測(cè)元件將采集的能量信息輸送到微處理器中進(jìn)行處理，然后轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)顯示。所以人體紅外測(cè)溫儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 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。因此，不會(huì)干擾人體，也不會(huì)為人體帶來損傷。(2) 測(cè)量范圍廣：因?yàn)槿梭w紅外測(cè)溫儀是非接觸式測(cè)溫，所以測(cè)溫儀并不處在較高或較低的溫度場(chǎng)中，而是工作在正常的溫度或測(cè)溫儀允許的條件下進(jìn)行測(cè)量的，所以測(cè)量范圍比較廣。(3) 測(cè)溫速度快：即響應(yīng)時(shí)間快。紅外探測(cè)器中靈敏元非常靈敏，只要接收到目標(biāo)紅外輻射即可在短時(shí)間內(nèi)定溫。(4) 準(zhǔn)確度高：人體紅外測(cè)溫不會(huì)與普通測(cè)溫一樣破壞物體本身溫度分布，因此測(cè)量精度高。(5) 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。而且使用安全及使用壽命長(zhǎng)。(6) 體積小，方便攜帶。(7) 受外界環(huán)境溫度干擾較?。河捎诒驹O(shè)計(jì)中所使用的紅外探測(cè)器是帶補(bǔ)償電路，所以它可以補(bǔ)償外界環(huán)境溫度的高低起伏。第三章 紅外快速人體溫度檢測(cè)裝置的框架構(gòu)思3.1 設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)中采用的紅外傳感器是PerkinElmer Optoelectronics的TPS334。單片機(jī)是TI公司的帶有LCD驅(qū)動(dòng)的低功耗單片機(jī)，可以直接與LCD屏相連而不需要另外的驅(qū)動(dòng)電路，它最多可以顯示96段。ADC采用的是AD公司帶有恒定電流源的高精度的16位-AD，它為兩路輸入，一路與熱電堆相連，另一路與熱敏電阻相連。恒定電流源可以用于補(bǔ)償電路中驅(qū)動(dòng)熱敏電阻。紅外傳感器的兩路輸出(熱電堆輸出電壓信號(hào)和熱敏電阻兩端電壓信號(hào))送到ADC，然后送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)查表分別得出熱電堆的兩端溫差和環(huán)境溫度，并兩值相加求出物體的真實(shí)溫度，并把結(jié)果送到LCD進(jìn)行顯示。3.2 方案比較方案1：模擬處理方法模擬電路的處理法就是將熱敏電阻和熱電堆的信號(hào)通過放大器進(jìn)行比較，得出相應(yīng)模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)溫度。其電路原理圖，如圖3.1所示。在有限的溫度范圍內(nèi)，熱敏電阻的阻值與溫度的4次方近似為線性關(guān)系。即，其中Ro,是常數(shù)。由黑體定律知道可以通過調(diào)整2個(gè)放大器的放大倍數(shù)，可使得輸出信號(hào)只與被測(cè)物體溫度的4-次方成線性關(guān)系，去除由環(huán)境溫度而產(chǎn)生的輸出分量，由此可確定物體溫度，因而模擬處理方法的測(cè)量精度不高，不能達(dá)到測(cè)量體溫的要求，但靈活性好，可以通過調(diào)節(jié)放大倍數(shù)以適合不同物體的溫度測(cè)量。方案2：數(shù)字處理法數(shù)字處理法原理是將熱敏電阻和熱電堆的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)放大，通過A/D轉(zhuǎn)換由單片機(jī)采集數(shù)據(jù)在內(nèi)部計(jì)算處理可以得到相應(yīng)的溫度值。這種數(shù)字處理法可以得到更高的精度。它的精度由傳感器的性能和A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)決定。數(shù)字處理法的框圖如圖3-2所示。方案比較與論證：方案1的精度得不到保證，一般只能用于工業(yè)上，不能用于人體溫度測(cè)量。方案2采用數(shù)字處理法，通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，提高A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是可以精確到0.1度，能夠進(jìn)行人體溫度測(cè)量。 信號(hào)放大器 信號(hào) 比較TPS334 信號(hào)放大器 圖3-1 模擬電路處理電路圖紅外傳感器放大器A/D單片機(jī)譯碼顯示報(bào)警電路圖3-2 數(shù)字處理方框圖3.3 系統(tǒng)方框圖及測(cè)量原理 3.3.1 系統(tǒng)整體方框圖通過以上的方案比較我們選用方案2，以數(shù)字處理法實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)溫。系統(tǒng)整體方框圖如圖3-3所示。3.3.2 測(cè)量原理自然界一切溫度高于絕對(duì)零度（-273.15oC）的物體，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，都在不停地向周圍空間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。人體主要輻射波長(zhǎng)在910 m的紅外線，通過對(duì)人體自身輻射紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定人體表面溫度。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。人體的紅外輻射特性與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系，因此，通過對(duì)人體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定人體表面溫度。紅外溫度測(cè)量技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試速度快，1秒鐘以內(nèi)可測(cè)試完畢。由于它只接收人體對(duì)外發(fā)射的紅外輻射，沒有任何其它物理和化學(xué)因素作用于人體，所以對(duì)人體無任何害處。 主 光學(xué)系統(tǒng)瞄 準(zhǔn)系 統(tǒng)檢 測(cè)元 件信號(hào)處理單元顯 示單 元報(bào) 警 電 路 電 源 圖3-3 系統(tǒng)整體方框圖第四章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理4.1 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)由紅外溫度傳感器TPS334、A/D轉(zhuǎn)換器AD7705、AT89C51單片機(jī)、顯示模塊、報(bào)警電路組成單片機(jī)系統(tǒng)。整體連接電路圖見附錄一。4.2 單元電路設(shè)計(jì)4.2.1 傳感器的選用(1) 黑體定律紅外體溫計(jì)的測(cè)溫原理是基于黑體輻射定律。在任何溫度下都能全部吸收投射到其表面的任何波長(zhǎng)的輻射能量的物體稱為黑體。黑體的單色輻射出度是描述在某一波長(zhǎng)輻射源單位面積上發(fā)出的輻射通量。溫度為T的黑體單色輻射出度為： （4-1）其中：，均為常數(shù)，=3.7418xW， =1.438x mK，e為自然對(duì)數(shù)，為該輻射源的波長(zhǎng)。由此可以計(jì)算出在溫度為T的黑體在全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射出度為： （4-2） 其中：K是波爾茲曼常數(shù)， 此外，由于人體皮膚不是理想的黑體，只有在大子5的波長(zhǎng)范圍才可以近似看成是黑體，所以在紅外傳感器上要裝有大子5.5 的波長(zhǎng)才可以通過的濾波器。(2) 紅外傳感器的結(jié)構(gòu)紅外傳感器是紅外體溫計(jì)的關(guān)鍵部件，它是由溫差熱電堆和熱敏電阻兩部分構(gòu)成的。熱電堆是用半導(dǎo)體集成電路(IC)工藝和微機(jī)械電子(MEMS)工藝制造的，它可以等效為多個(gè)熱電偶串聯(lián)組成的。而熱電偶是由兩種電子密度不同的導(dǎo)體相連接組成的。熱電偶有冷熱兩個(gè)端點(diǎn)。在測(cè)量物體溫度時(shí)，熱端與被測(cè)物體接觸，冷端與測(cè)量?jī)x表接觸。熱電偶的同種導(dǎo)體上會(huì)因?yàn)榇嬖跍囟忍荻榷a(chǎn)生湯姆遜電動(dòng)勢(shì)，兩種金屬的連接處會(huì)因?yàn)殡娮用芏炔疃a(chǎn)生珀?duì)栙N電動(dòng)勢(shì)，所以在熱電偶的兩端會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。在紅外傳感器熱電堆的熱端貼有熱量吸收器，它用來吸收被測(cè)物體輻射的紅外線并轉(zhuǎn)化為熱能。通過熱電堆把輻射紅外線的功率轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。紅外溫度傳感器我們選用TPS334，TPS334紅外溫度傳感器的環(huán)境溫度補(bǔ)償范圍為-40100，比較適合測(cè)量體溫。(3) 紅外傳感器的輸出特性溫度為T的物體，其單位面積在全部波長(zhǎng)的輻射功率可以表示為： （4-3） 其中：k是波爾茲曼常數(shù)，是物體的發(fā)射系數(shù)，在01之間。當(dāng)用于紅外傳感器測(cè)量溫度時(shí)，考慮到紅外傳感器熱電堆另一端的環(huán)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： （4-4） 其中：K是一常數(shù)(由傳感器決定)，和分別為被測(cè)物體和傳感器材料的發(fā)射系數(shù)，T和T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： （4-5） 其中：s是傳感器的敏感度（V/W）。由傳感器器本身決定。 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)，所以上式可進(jìn)一步修正為： （4-6） 由公式（4.6）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)物體的絕對(duì)溫度的4-次方成線性關(guān)系。傳感器的輸出與被測(cè)物體的溫度是單調(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，由此可以通過測(cè)量傳感器的輸出來確定被測(cè)物體的溫度。由于環(huán)境溫度是可變的，所以還要進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償。(4) 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)物體與熱電堆冷端的溫度差，而不是反映被測(cè)物休的真實(shí)溫度。因此，還需要進(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，它的阻值隨著溫度的升高而降低,由此通過測(cè)量其阻值就可以得知環(huán)境溫度。(5) 傳感器選用紅外溫度傳感器我們選用TPS334紅外溫度傳感，TPS334紅外溫度傳感器鏡頭帶有濾波器，敏感系數(shù)高，在沒有濾波器時(shí)為55V/W,有濾波器時(shí)為35V/W。環(huán)境溫度測(cè)量范圍為-40到100，適合測(cè)量體溫。內(nèi)部有熱敏電阻不需要外接補(bǔ)償裝置。其參數(shù)表如表4-1所示。TPS334紅外溫度傳感器光學(xué)濾波器主要通過的紅外光線為7.5m到13.5m。其濾波器特性如表4-2所示。表4-1 TPS334參數(shù)表參數(shù)符號(hào)范圍單位備注最小平均最大電阻RTP2075100K25OC靈敏度SV203550V/W標(biāo)準(zhǔn)濾波，500K，1Hz，25OC時(shí)間常數(shù)2570ms25 OC燥聲電壓VRMS40nVRMS/Hz標(biāo)準(zhǔn)濾波特性參數(shù)范圍單位備注最小平均最大平均傳送70%通過波長(zhǎng)為7.5m到13.5m平均傳送1%通過波長(zhǎng)為可視波長(zhǎng)到5m過濾波長(zhǎng)5.25.55.8m25 OC表4-2 光學(xué)濾波器特性4.2.2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)測(cè)量電路由TLC2652組成的高精度放大器和雙通16位串行A/D轉(zhuǎn)換器AD7705構(gòu)成。方框圖如圖4-1所示。高精度放大器A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)單片機(jī) 圖4-1 測(cè)量電路方框圖 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。熱電堆的信號(hào)直接是電壓信號(hào)所以不需要其他處理，直接將其信號(hào)放大處理得到A/D轉(zhuǎn)換器能夠檢測(cè)分辨的電壓信號(hào)就可以了。負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的信號(hào)是其電阻值的變化。我們需要將其電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。4.2.2.1 熱敏電阻處理電路本設(shè)計(jì)中我們選用高精度16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率相當(dāng)高，高達(dá)76V，所以在轉(zhuǎn)換電路不需要用電橋。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，電源用直流5V電壓供電，則其電壓計(jì)算公式為： （4-7）熱敏電阻處理電路如圖4-2所示。圖4-2熱敏電阻處理電路4.2.2.2 熱電堆處理電路本設(shè)計(jì)中我們選用的高精度16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器AD7705，是一個(gè)片內(nèi)帶有增益可編程放大器的A/D轉(zhuǎn)換器。可通過軟件編程來直接測(cè)量傳感器輸出的各種微小信號(hào)。AD7705 片內(nèi)的增益可編程放大器PGA 可選擇1、2、4、8、16、32、64、128等八種增益之一，并可利用它將不同幅度范圍的各類輸入信號(hào)放大到接近A/D轉(zhuǎn)換器的滿標(biāo)度電壓再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。該應(yīng)用電路中不使用放大電路，因此有利于提高轉(zhuǎn)換質(zhì)量。所以我們選用A/D轉(zhuǎn)換器的片內(nèi)放大器作為熱電堆信號(hào)的放大電路。根據(jù)計(jì)算如果選用放大128倍工作方式A/D轉(zhuǎn)換器可以感知到的熱電堆信號(hào)的最小變化為這已經(jīng)是一個(gè)很微弱的信號(hào)了。同時(shí)如果選用外部集成放大器，在使用時(shí)不方便，一般集成放大器需要雙電源供電，對(duì)于便攜式儀器來說不太現(xiàn)實(shí)。所以在選用放大器時(shí)沒有必要選用外部放大器。4.2.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)信號(hào)的處理通過單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)后內(nèi)部算法計(jì)算來實(shí)現(xiàn)，把溫度經(jīng)過譯碼用4位數(shù)碼管顯示。我們選用單片機(jī)端口動(dòng)態(tài)掃描顯示，不需要外接譯碼器驅(qū)動(dòng) LED。其框圖如圖3-4所示。單片機(jī)LED三極管A/D轉(zhuǎn)換電路 圖4-3 處理電路框圖4.2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路本次設(shè)計(jì)中選用的AD7705集成模塊是AD公司推出的16位-A/D轉(zhuǎn)換器，可用于測(cè)量低頻模擬信號(hào)。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(cè)量傳感器輸出的各種微小信號(hào)。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。在設(shè)計(jì)中非常實(shí)用，只需要用1片AD芯片節(jié)約了硬件成本。(1) AD7705的主要特點(diǎn)如下： 具有16 位無丟失代碼； 非線性度為0.003%； 增益可編程，其可調(diào)整范圍為1128； 輸出數(shù)據(jù)更新率可編程； 可進(jìn)行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)； 帶有三線串行接口； 采用3V或5V工作電壓； 功耗低。 AD7705的引腳排列如圖4-4所示。圖4-4 AD7705引腳排列圖(2) 各引腳的功能說明如下： SCLK：串行接口時(shí)鐘輸入端。 MCLK IN：芯片工作時(shí)鐘輸入?？梢允蔷д窕蛲獠繒r(shí)鐘，其頻率范圍為500KHz到5MHz。 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)，晶振必須接在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)，以作為其他芯片的時(shí)鐘源。該時(shí)鐘輸出可以通過編程來關(guān)閉。 /CS：片選端，低電平有效。 /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)據(jù)濾波器等均為上電狀態(tài)。 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。 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。 REF IN（+）：為參考電壓的正端；REF IN（-）：為參考電壓的負(fù)端。 DRDY：A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志。 DOUT：轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端；DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端。(3) 讀寫時(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4-5和圖4-6分別給出了讀寫數(shù)據(jù)周期的時(shí)序圖。(4) 片內(nèi)寄存器：AD7705 內(nèi)含八個(gè)寄存器。對(duì)芯片的所有操作都必須先從寫通信寄存器開始。當(dāng)上電或復(fù)位后，芯片的等待指令數(shù)據(jù)即被寫入通信寄存器。寄存器地址如表4-3所示。通信寄存器的格式如表4-4所示。MSBLSBSCLKDOUT圖4-5 AD7705讀數(shù)據(jù)時(shí)序圖CSSSCLKDINMSBLSBt18圖4-6 AD7705寫數(shù)據(jù)時(shí)序圖表4-3 寄存器地址表RS2RS1RS0寄存器寄存器位數(shù)000通信寄存器8位001設(shè)置寄存器8位010時(shí)鐘寄存器8位011數(shù)據(jù)寄存器16位100測(cè)試寄存器8位101無操作110偏移寄存器24位111增益寄存器24位表4-4 通信寄存器控制字/DRDY（0）RS2（0）RS1（0）RS0（0）R/W（0）STBY（0）CH1（0）CH0（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，右邊是最低位。現(xiàn)說明如下：/DRDY：寫操作時(shí)，必須把“0”寫到此位，以保證對(duì)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。RS2RS0：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(shè)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(duì)寄存器的操作是讀還是寫。STBY：等待模式。寫“1”時(shí)器件處于等待或掉電狀態(tài)，此時(shí)電流約為10uA。寫“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4-5所示：表4-5 CH0、CH1關(guān)系對(duì)應(yīng)表CH1CH0AIN(+)AIN(-)校準(zhǔn)寄存器對(duì)00AIN1(+)AIN1(-)寄存器對(duì)001AIN2(+)AIN2(+)寄存器對(duì)110AIN1(-)AIN1(-)寄存器對(duì)011AIN1(-)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?？刂谱秩绫?-6所示。表4-6 設(shè)置寄存器控制字MD1(0)MD0(0)G2(0)G1(0)G0(0)B/U(0)BUF(0)FSYNC(0)MD0和MD1 為工作模式控制位。