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(jì)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(jì)一個(gè)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(hào)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(jì)原理圖2 設(shè)計(jì)方案及其比較 通過技術(shù)指標(biāo)中的硬件設(shè)計(jì)的原理，及設(shè)計(jì)要求，提出了以下三種設(shè)計(jì)方案2.1 方案一 采用TPS333熱電堆設(shè)計(jì)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?yàn)樾枰獙㈦妷盒盘?hào)放大一千倍，如果采用一級(jí)放大會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移等一系列的問題，且放大信號(hào)有很強(qiáng)的干擾，所以選擇了兩級(jí)放大。圖 2 方案一紅外與放大模塊的設(shè)計(jì)2.2 方案二 在調(diào)試方案一時(shí)，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(jí)放大電路的中間加了一個(gè)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(jì)圖 3 方案二紅外與放大模塊的設(shè)計(jì)圖 3 方案二紅外

3、與放大模塊的設(shè)計(jì)2.3 方案三 為了更強(qiáng)勁的抑制零點(diǎn)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(shí)現(xiàn)方案3.1電路原理通過將三種方案進(jìn)行對(duì)比，得出方案二電路的性能更加穩(wěn)定，且電路簡單，所以實(shí)現(xiàn)方案采用方案二。實(shí)現(xiàn)的電路圖如圖3所示，對(duì)于熱電堆部分，因?yàn)榧t外溫度測量技術(shù)的最大的優(yōu)點(diǎn)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(duì)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(duì)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?yàn)樾枰獙㈦妷盒盘?hào)放大一千倍，如果采用一級(jí)放大會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移等一系列的問題，且放大信號(hào)有很強(qiáng)的干擾，所以選擇了兩級(jí)放大。在兩級(jí)放大電路的中間加入一個(gè)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(hào)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(jì)流程是TPS-333紅外溫度傳感器將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由于輸出的電壓信號(hào)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(hào)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(hào)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(shí)時(shí)溫度的顯示，3.2 電路元件的選擇表 1 實(shí)驗(yàn)所用器件器件型號(hào)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(shí)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(shí)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(hào)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?yàn)樾枰獙㈦妷盒盘?hào)放大一千倍，如果采用一級(jí)放大會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移等一系列的問題，且放大信號(hào)有很強(qiáng)的干擾，所以選擇了兩級(jí)放大。在兩級(jí)放大電路的中間加入一個(gè)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(jì)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(huì)得到信號(hào)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(shí)物圖 通過理論分析設(shè)計(jì)，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(shí)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(shí)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(cuò)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(huì) 熱電堆的設(shè)計(jì)很接近生活，因?yàn)轶w溫計(jì)是人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦?/p>

8、品，而傳統(tǒng)的一些體溫測量計(jì)測量時(shí)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(jì)，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(jì)，如一些電子溫度計(jì)，但是也有測溫時(shí)間長的弊端，而這次設(shè)計(jì)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(shí)間也短。很是符合大眾的需求。本次光電實(shí)驗(yàn)充分的結(jié)合了本學(xué)期所學(xué)的光電技術(shù)的知識(shí)及單片知識(shí)的運(yùn)用，讓我們將理論知識(shí)與實(shí)踐有了更完美的結(jié)合，讓我們對(duì)光電技術(shù)這門課程有了更全面的認(rèn)識(shí)與掌握，在設(shè)計(jì)中運(yùn)用到了數(shù)電的知識(shí)，也讓我們對(duì)數(shù)電的知識(shí)也有了一定的復(fù)習(xí)作用，在接電路圖的時(shí)候，因?yàn)榫€路過多

9、，也很考驗(yàn)我們個(gè)細(xì)心，也鍛煉我們獨(dú)立自主的能力。本次課設(shè)全是我一人獨(dú)立自主完成的，讓我在獨(dú)立設(shè)計(jì)方面的能力有了進(jìn)一步的提高，實(shí)驗(yàn)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(jì)算放大倍數(shù)的時(shí)候計(jì)算出錯(cuò)，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(shí)驗(yàn)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(dòng)成果吧。對(duì)這次實(shí)驗(yàn)我感到很滿意，讓我學(xué)會(huì)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<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define  PCF8591 0x90#define N  11void delayms(uint);bit write=0;sbit dula=P10;sbit SCL=P21;sbit SDA=P20;uchar

11、 table1=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66, 0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6;uchar table2=0xfd,0x61,0xdb,0xf3,0x67, 0xb7,0xbf,0xe1,0xff,0xf7;uchar num,ge,shi,bai;void delay() void start()SDA=1;delay();SCL=1;delay();SDA=0;delay();void stop() SDA=0;delay();SCL=1;delay();SDA=

12、1;delay(); void respons()  uchar i;  SCL=1;  delay();  while(SDA=1)&&(i<255)i+;  SCL=0;  delay();void init()       SDA=1;  delay();  SCL=1;  delay();

13、    uchar read_byte()   uchar i,k;   SCL=0;   delay();   SDA=1;   delay();   for(i=0;i<8;i+)               

14、  SCL=1;            delay();           k=(k<<1)|SDA;            SCL=0;        &

15、#160;   delay();          return k;void write_byte(uchar date)        uchar i,temp;    temp=date;    for(i=0;i<8;i+)   

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20、60;    respons();    start();   write_byte(0x91);     respons();     date=read_byte();  stop();    return date;void display(uchar ge,uchar shi,uchar bai)  P0=0;dula=1;P0=table1bai; dula=0;P1=0x40;delayms(10);P0=0;dula=1;P0=table2shi; dula=0;P1=0x20;delayms(10);P0=0;dula=0;P0=table1ge;dula=1; P1=0x00;delayms(10);void main()   uchar ge,shi,bai; &