基于熱電堆紅外探測器的非接觸人體表面溫度測量系統(tǒng)

1、武漢理工大學(xué)光電技術(shù)課程設(shè)計說明書基于熱電堆紅外探測器的非接觸人體表面溫度測量系統(tǒng)1 技術(shù)指標(biāo)設(shè)計一個非接觸人體表面溫度系統(tǒng)，要求： （1）通過熱電堆TP337A來探測人體表面的溫度； （2）由LED數(shù)碼管顯示測量的溫度，要求顯示溫度精度能夠達(dá)到0.1； （3）可以連續(xù)測量人體表面或環(huán)境溫度。其整體方案如圖1所示：紅外線測溫模塊A/D轉(zhuǎn)換模塊電壓信號放大模塊單片機(jī)ST89C52模塊LED數(shù)碼管顯示模塊圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖2 設(shè)計方案及其比較 通過技術(shù)指標(biāo)中的硬件設(shè)計的原理，及設(shè)計要求，提出了以下三種設(shè)計方案2.1 方案一 采用TPS333熱電堆設(shè)計電路，熱反應(yīng)堆和放大部分，如圖2所示，由于

2、熱電堆直接測量產(chǎn)生的電壓范圍只有幾毫伏到幾十毫伏，無法由A/D轉(zhuǎn)換芯片PTCF8591直接處理，需要經(jīng)過放大處理，又因為需要將電壓信號放大一千倍，如果采用一級放大會出現(xiàn)零點漂移等一系列的問題，且放大信號有很強(qiáng)的干擾，所以選擇了兩級放大。圖 2 方案一紅外與放大模塊的設(shè)計2.2 方案二 在調(diào)試方案一時，電路仍然出現(xiàn)了不穩(wěn)定的現(xiàn)象，零飄等現(xiàn)象仍然存在一些，說明電路仍然不穩(wěn)定，為此在方案一的基礎(chǔ)的上提出了方案二，如圖3，方案一與方案的二的區(qū)別在于在兩級放大電路的中間加了一個電容，其作用是消除零飄，濾波等一系列作用。圖 3 方案三紅外與放大模塊的設(shè)計圖 3 方案二紅外與放大模塊的設(shè)計圖 3 方案二紅外

3、與放大模塊的設(shè)計2.3 方案三 為了更強(qiáng)勁的抑制零點漂移和抑噪聲與干擾的能力，方案三在放大部分采用的是差分放大電路，如圖4所示：圖4 方案三放大電路模塊3 實現(xiàn)方案3.1電路原理通過將三種方案進(jìn)行對比，得出方案二電路的性能更加穩(wěn)定，且電路簡單，所以實現(xiàn)方案采用方案二。實現(xiàn)的電路圖如圖3所示，對于熱電堆部分，因為紅外溫度測量技術(shù)的最大的優(yōu)點是測量速度快，1秒內(nèi)就可測試完畢，由于它只接受人體對外發(fā)射的紅外輻射，沒有任何其他物理和化學(xué)因數(shù)作用于人體，所以對人體無任何傷害，在方案中采用的是TPS333熱電堆，由于熱電堆直接測量產(chǎn)生的電壓范圍只有幾毫伏到幾十毫伏，無法由A/D轉(zhuǎn)換芯片PTCF8591直接

4、處理，需要經(jīng)過放大處理，又因為需要將電壓信號放大一千倍，如果采用一級放大會出現(xiàn)零點漂移等一系列的問題，且放大信號有很強(qiáng)的干擾，所以選擇了兩級放大。在兩級放大電路的中間加入一個電容為了的使電路更加穩(wěn)定，起濾波的作用。其放大的倍數(shù)為R5R4*R6R7 。系統(tǒng)的硬件由單片機(jī)模塊、TPS-333溫度傳感器模塊、LM358電壓信號放大器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LED數(shù)碼管顯示模塊，硬件的設(shè)計流程是TPS-333紅外溫度傳感器將紅外信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，由于輸出的電壓信號很微弱，所以采用LM358組成的運(yùn)算放大器進(jìn)行前置放大，然后將放大的電壓信號發(fā)送到由PCF8591組成的A/D轉(zhuǎn)換電路，再將轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字

5、信號送至單片機(jī)進(jìn)行處理，最后將處理后的結(jié)果送至LCD數(shù)碼管顯示屏進(jìn)行實時溫度的顯示，3.2 電路元件的選擇表 1 實驗所用器件器件型號數(shù)量電阻- 7熱電堆TPS333 1單片機(jī)STC89C52 1A/D轉(zhuǎn)換PTCF8591 1LED數(shù)碼管-1放大器LM3582導(dǎo)線-若干在實現(xiàn)方案中所用到的電路板如圖5：圖5 電路板3.3 熱電堆模塊熱電堆紅外探測器TPS333如圖6所示：圖6 熱電堆實物圖熱電堆的背部視圖及其引腳如圖7：圖 7 熱電堆的背部視圖及其引腳圖其熱電堆的電路圖如圖8所示：圖8 紅外測溫模塊的電路圖3.4電壓信號放大模塊 由于熱電堆直接測量產(chǎn)生的電壓范圍只有幾毫伏到幾十毫伏，無法由A/

6、D轉(zhuǎn)換芯片PTCF8591直接處理，需要經(jīng)過放大處理，又因為需要將電壓信號放大一千倍，如果采用一級放大會出現(xiàn)零點漂移等一系列的問題，且放大信號有很強(qiáng)的干擾，所以選擇了兩級放大。在兩級放大電路的中間加入一個電容為了的使電路更加穩(wěn)定，起濾波的作用.其電路圖如圖9所示：圖9 放大器模塊電路圖3.5A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)ST89C52模塊與LED數(shù)碼管顯示模塊 設(shè)計中，采用的是開發(fā)板包含的A/D轉(zhuǎn)換模塊，如果外接A/D轉(zhuǎn)換模塊，由于干擾的影響會得到信號的不穩(wěn)定。LED數(shù)碼管采用的是共陰極的數(shù)碼管，單片機(jī)ST89C52則用于程序的載入。3.5 電路連線實物圖 通過理論分析設(shè)計，最終得到了理想的電路圖，其

7、連線如圖10所示：圖10 電路實物圖4 調(diào)試過程及結(jié)論當(dāng)電路連接成功后，接下來便是調(diào)試，載入程序后，遇到了一下的幾種問題：問題1:在進(jìn)行第一次程序載入的時候，電路沒有反應(yīng)。經(jīng)過反復(fù)的檢查，發(fā)現(xiàn)電阻連接錯誤，導(dǎo)致電路連接的不成功。問題2：在載入程序后，數(shù)碼管顯示的數(shù)字亂碼。 經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，在單片機(jī)導(dǎo)出的線中，將段選的線接反了。問題3：電路板成功運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)將手放上去，數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)變化幅度不大。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，電路的放大倍數(shù)過小。改正了以上問題后，得到了理想的結(jié)果，如圖11、12所示：圖11 室溫下的布線圖圖12 人體溫度測量的布線圖5心得體會 熱電堆的設(shè)計很接近生活，因為體溫計是人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦?/p>

8、品，而傳統(tǒng)的一些體溫測量計測量時間長、讀數(shù)不精確，且本身材料又不是很符合大眾需要，如水銀溫度計，不僅易碎而且里面的水銀有毒，而且每次使用都還必須仔細(xì)的消毒，而一些新型的溫度計，如一些電子溫度計，但是也有測溫時間長的弊端，而這次設(shè)計的基于熱電堆紅外探測器的非接觸人體表面溫度測量正好可以彌補(bǔ)這些弊端，它的靈敏度高測量時間也短。很是符合大眾的需求。本次光電實驗充分的結(jié)合了本學(xué)期所學(xué)的光電技術(shù)的知識及單片知識的運(yùn)用，讓我們將理論知識與實踐有了更完美的結(jié)合，讓我們對光電技術(shù)這門課程有了更全面的認(rèn)識與掌握，在設(shè)計中運(yùn)用到了數(shù)電的知識，也讓我們對數(shù)電的知識也有了一定的復(fù)習(xí)作用，在接電路圖的時候，因為線路過多

9、，也很考驗我們個細(xì)心，也鍛煉我們獨立自主的能力。本次課設(shè)全是我一人獨立自主完成的，讓我在獨立設(shè)計方面的能力有了進(jìn)一步的提高，實驗過程中遇到了很多的麻煩，如線接反了，電阻接漏了，或者在計算放大倍數(shù)的時候計算出錯，導(dǎo)致最終的結(jié)果的放大倍數(shù)過小，LED數(shù)碼管顯示不靈敏，但最終也都得到了自己想要的結(jié)果。但是這次實驗中涉及到的單片機(jī)方面的程序還是不是很熟悉，基本上都是查閱書籍或者百度得來的，但是這也屬于我自己的勞動成果吧。對這次實驗我感到很滿意，讓我學(xué)會了很多的東西，美中不足的是覺得自己的基本功太差，還需呀好好彌補(bǔ)！6 參考文獻(xiàn)1楊應(yīng)平，胡昌奎，胡靖華等.光電技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2014.2郭天祥.新

10、概念51單片機(jī)C語言教程.電子工業(yè)出版社 2007.7 附錄#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#definePCF85910x90#defineN11voiddelayms(uint);bitwrite=0;sbitdula=P10;sbitSCL=P21;sbitSDA=P20;uchartable1=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6;uchartable2=0xfd,0x61,0xdb,0xf3,0x67,0xb7,0xbf,0xe1,0xff,0xf

11、7;ucharnum,ge,shi,bai;voiddelay();voidstart()SDA=1;delay();SCL=1;delay();SDA=0;delay();voidstop() SDA=0;delay();SCL=1;delay();SDA=1;delay(); voidrespons()uchari;SCL=1;delay();while(SDA=1)&(i255)i+;SCL=0;delay();voidinit()SDA=1;delay();SCL=1;delay();ucharread_byte()uchari,k;SCL=0;delay();SDA=1;delay();for(i=0;i8;i+) SCL=1;delay(); k=(k1)|SDA;SCL=0;delay();returnk;voidwrite_byte(uchardate) uchari,temp;temp=date;for(i=0;i8;i+)temp=temp0;i-)for(j=11