基于熱電堆紅外探測(cè)器的非接觸人體表面溫的測(cè)量

1、目 錄1. 技術(shù)指標(biāo)12. 設(shè)計(jì)方案及其比較12.1 方案一12.2 方案二22.3 方案三22.4 方案比較33. 實(shí)現(xiàn)方案33.1 器件說(shuō)明33.1.1 TPS337A熱電堆說(shuō)明33.1.2 LM358運(yùn)算放大器說(shuō)明43.1.3 PCF8591 A/D轉(zhuǎn)換器說(shuō)明53.1.4 74LS138譯碼器與74HC573鎖存器說(shuō)明63.2 最終實(shí)現(xiàn)方案83.2.1 實(shí)現(xiàn)方案電路圖83.2.2 方案設(shè)計(jì)原理及思路94. 調(diào)試過(guò)程及結(jié)論164.1 電路實(shí)物的連接164.2 調(diào)試結(jié)果展示174.3 調(diào)試結(jié)論185. 心得體會(huì)186. 參考文獻(xiàn)19基于熱電堆紅外探測(cè)器的非接觸人體表面溫度的測(cè)量1. 技術(shù)指標(biāo)

2、設(shè)計(jì)一個(gè)非接觸人體表面溫度系統(tǒng)，要求：1. 通過(guò)熱電堆TPS337A來(lái)探測(cè)人體表面的溫度；2. 由LED數(shù)碼管顯示測(cè)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(cè)量人體表面或環(huán)境溫度。 2. 設(shè)計(jì)方案及其比較2.1 方案一通過(guò)TPS337A檢測(cè)人體紅外波產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，將環(huán)境溫度與檢測(cè)到的人體溫度分為兩路電壓信號(hào)，完成環(huán)境溫度的補(bǔ)償。再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)輸出，最后通過(guò)LED數(shù)碼管顯示。放大器采用AD620運(yùn)算放大器以及LM358運(yùn)算放大器。具體電路圖如圖1所示。圖1 方案一電路圖信號(hào)采集電路有兩部分組成：體溫信號(hào)放大電路和環(huán)境溫度信號(hào)處理電路。體溫信號(hào)放大電路

3、是由儀用放大器AD620和參考電壓電路組成；環(huán)境溫度信號(hào)處理電路是由運(yùn)算放大器LM358構(gòu)成的電壓跟隨器組成。三路輸出信號(hào)其中最上方為放大后的熱電堆電壓信號(hào)，也就是將要處理的體溫信號(hào)，中間為參考電壓，最下方為環(huán)境溫度信號(hào)。2.2 方案二通過(guò)TPS337A檢測(cè)人體紅外波產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，直接將輸出電壓通過(guò)放大器輸出電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)輸出，最后通過(guò)LED數(shù)碼管顯示。放大器采用AD620運(yùn)算放大器。具體電路圖如圖2所示。圖2 方案二電路圖運(yùn)算放大器AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置增益，增益范圍為1至1000。此外，AD620采用8引腳

4、SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立式設(shè)計(jì)，并且功耗較低(最大電源電流僅1.3 mA)，因此非常適合電池供電的便攜式(或遠(yuǎn)程)應(yīng)用，其工作電壓為4.6V36V或2.3V18V。兩路電壓信號(hào)分別連接A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入。2.3 方案三 通過(guò)TPS337A檢測(cè)人體紅外波產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，直接將輸出電壓通過(guò)兩級(jí)放大器輸出電壓信號(hào)，消除零點(diǎn)漂移，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)輸出，最后通過(guò)LED數(shù)碼管顯示。放大器采用LM358運(yùn)算放大器。具體電路圖如圖3所示。圖3 方案三電路圖運(yùn)算放大器LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適

5、用于雙電源工作模式。其單電源為330V，雙電源為1.515V，而且它的輸出電壓擺幅比較大，很適合于電池供電。2.4 方案比較方案一中將環(huán)境溫度與人體體表溫度補(bǔ)償，考慮比較充分全面，但是在實(shí)際的操作過(guò)程中較為繁瑣，可視為理想方案。方案二中采用AD620運(yùn)算放大器，電壓輸出信號(hào)有兩路，但此后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入有兩路輸入，則在代碼的編寫(xiě)方面較為繁瑣。方案三中采用LM358運(yùn)算放大器，兩級(jí)放大消除了零點(diǎn)漂移是的輸出電壓信號(hào)更為穩(wěn)定，而且放大倍數(shù)通過(guò)電阻直接計(jì)算確定，輸出信號(hào)只有一路，直接連接到A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入口。整個(gè)電路相對(duì)較為簡(jiǎn)單，而且整體效率也很高，是很好的實(shí)行方案。綜上所述，方案三可作

6、為最后的實(shí)現(xiàn)方案，可在其基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)試。3. 實(shí)現(xiàn)方案3.1 器件說(shuō)明3.1.1 TPS337A熱電堆說(shuō)明熱電堆TPS337A的管腳圖如圖4所示。2腳與4腳之間為熱敏電阻，1腳與3腳輸出電壓，其中3腳和4腳接地。熱電堆TPS337A的電壓與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。圖4 TPS337A熱電堆管腳圖圖5 熱電堆電壓-溫度曲線3.1.2 LM358運(yùn)算放大器說(shuō)明LM358是雙運(yùn)算放大器。內(nèi)部包括兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合用于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。LM358芯片引腳圖如圖6所示。圖6 LM358芯片引

7、腳圖3.1.3 PCF8591 A/D轉(zhuǎn)換器說(shuō)明PCF8591是單片、單電源低功耗8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有四個(gè)模擬輸入、一個(gè)模擬輸出和一個(gè)串行I2C總線接口。3個(gè)地址引腳A0、A1和A2用于變成硬件地址。器件的地址、控制和數(shù)據(jù)通過(guò)兩線雙向I2C總線傳輸。PCF8591芯片管腳圖如圖7所示。圖7 PCF8591芯片管腳圖I2C總線系統(tǒng)中每一片PCF8591通過(guò)發(fā)送有效地址到該器件來(lái)激活。該地址包括固定部分和可編程部分。可編程部分必須根據(jù)引腳A0、A1、A2來(lái)設(shè)置。地址字節(jié)的最后一位是用于設(shè)置以后數(shù)據(jù)傳輸方向的讀/寫(xiě)位。PCF8591的地址設(shè)置如圖8所示。圖8 PCF8591地址設(shè)置發(fā)送到P

8、CF8591的第二個(gè)字節(jié)將被存儲(chǔ)在控制寄存器，用于控制器件功能。其控制字設(shè)置如圖9所示。圖9 控制字設(shè)置3.1.4 74LS138譯碼器與74HC573鎖存器說(shuō)明對(duì)于74LS138譯碼器，當(dāng)一個(gè)選通端（E1）為高電平，另兩個(gè)選通端（/E2)和(/E3）為低電平時(shí)，可將地址端（A0、A1、A2）的二進(jìn)制編碼在Y0至Y7對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。比如：A2A1A0=110時(shí)，則Y6輸出端輸出低電平信號(hào)。74LS138譯碼器芯片引腳圖如圖10所示。圖10 74LS138芯片管腳圖74LS138譯碼器真值表如表1所示。表1 74LS138譯碼器真值表輸入輸出E1/E2/E3A2A1A0/Y0/Y1/Y

9、2/Y3/Y4/Y5/Y6/Y7HLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHHLLHLHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHLHHLLHHHHHHHHHHL對(duì)于74HC573鎖存器，當(dāng)使能（G）為高時(shí)，Q 輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時(shí)，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。74HC573鎖存器芯片引腳圖如圖11所示。圖11 74HC573芯片管腳圖74HC573鎖存器真值表如表2所示。表2 74HC573鎖存器真值表/OELEDQLHHHLHLLLLXQ03.2 最終實(shí)現(xiàn)方案3.2.1 實(shí)

10、現(xiàn)方案電路圖熱電堆輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)LM358運(yùn)算放大器放大后直接輸出到PCF8591的輸入端，通過(guò)單片機(jī)的程序代碼把將電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)獲取通過(guò)LED數(shù)碼管輸出。在輸出時(shí)，位選通過(guò)74LS138譯碼器將2位轉(zhuǎn)換為4為二進(jìn)制，段選通過(guò)74HC573鎖存器所存輸出，其使能端可通過(guò)單片機(jī)的一個(gè)輸出口直接加以控制，決定是輸入數(shù)據(jù)還是鎖存數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)方案的電路圖如圖12所示。圖12 實(shí)現(xiàn)方案電路圖3.2.2 方案設(shè)計(jì)原理及思路整個(gè)設(shè)計(jì)思路模塊如圖13所示。紅外線測(cè)溫模塊電壓信號(hào)放大模塊A/D轉(zhuǎn)換模塊單片機(jī)模塊LED數(shù)碼管顯示圖13 設(shè)計(jì)思路模塊1.紅外測(cè)溫模塊在自然界中的任何物體，只要高于絕

11、對(duì)零度(27315)，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，都向外輻射電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克定律。如果將一物體加熱，我們將觀測(cè)到單位時(shí)間發(fā)出輻射能的多少及輻射能波長(zhǎng)的分布，都與物體溫度有關(guān)，把這種輻射稱(chēng)為熱輻射，人體溫度約為310K，在此溫度下，主要輻射的電磁波為波長(zhǎng)在910m的紅外線。通過(guò)測(cè)量人體自身輻射的紅外能量，便可以較為精確地測(cè)得人體體表溫度。熱電堆TPS337A通過(guò)感測(cè)人體輻射的電磁波而產(chǎn)生了相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)對(duì)該電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量，即可將電壓信號(hào)還原為溫度信號(hào)，從而檢測(cè)出人體體表溫度。2.電壓信號(hào)放大模塊通過(guò)圖5紅外探測(cè)器溫度與輸出電壓關(guān)系可知，在人體溫度范圍內(nèi)，探測(cè)器的輸出電

12、壓基本與溫度成正比，另外可以看出探測(cè)器的輸出電壓比較小，只有幾百u(mài)V，這樣我們必須將輸出信號(hào)進(jìn)行放大以后才能顯示。所以我們?cè)O(shè)計(jì)了電壓的兩級(jí)放大，可將熱電堆輸出電壓放大1000倍。放大倍數(shù)計(jì)算公式如下：3. A/D轉(zhuǎn)換模塊由圖8地址設(shè)置可知，當(dāng)A0、A1、A2均接地時(shí)，執(zhí)行寫(xiě)操作，該地址為0x90。由圖9控制字設(shè)置可知，模擬輸入為1與自動(dòng)增量為0，采用單通道輸入以及輸入通道為AIN0時(shí)，控制字應(yīng)設(shè)置為01000000，即0x40。4. 單片機(jī)模塊將單片機(jī)的P2.0與P2.1兩個(gè)接口并聯(lián)到I2C總線中，SCL用于時(shí)鐘信號(hào)，SDA用于數(shù)據(jù)信號(hào)。實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換芯片到單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。具體的單片機(jī)代碼如

13、下。#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define PCF8591 0x90#define N 11void delayms(uint);bit write=0;sbit dula=P10; /控制鎖存器使能端sbit SCL=P21;/時(shí)鐘信號(hào)sbit SDA=P20;/數(shù)據(jù)信號(hào)uchar table1=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66, 0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6;/不帶小數(shù)點(diǎn)數(shù)碼管顯示uchar table2=0xfd,0x61,0xdb,0xf3,0x67, 0

14、xb7,0xbf,0xe1,0xff,0xf7;/帶小數(shù)點(diǎn)數(shù)碼管顯示uchar num,ge,shi,bai;void delay() /延時(shí)4-5個(gè)微秒;void start()/開(kāi)始SDA=1;delay();SCL=1;delay();SDA=0;/SCL處于高電平器件SDA下降沿啟動(dòng)信號(hào)delay();void stop()/停止SDA=0;delay();SCL=1;delay();SDA=1;/SCL處于高電平器件SDA上升沿停止信號(hào)delay();void respons()/應(yīng)答 uchar i; SCL=1; delay(); while(SDA=1)&(i255) i+;/

15、當(dāng)一段時(shí)間過(guò)后沒(méi)有收到從機(jī)的應(yīng)答則主器件默認(rèn)從器件已經(jīng)收到數(shù)據(jù) SCL=0; delay();void init() /初始化 SDA=1; delay(); SCL=1; delay(); uchar read_byte()/讀一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) uchar i,k; SCL=0; delay(); SDA=1; delay(); for(i=0;i8;i+) SCL=1; delay(); k=(k1)|SDA;/先左移一位，再在最低位接受當(dāng)前位 SCL=0; delay(); return k;void write_byte(uchar date) /寫(xiě)一字節(jié)數(shù)據(jù) uchar i,temp;

16、temp=date; for(i=0;i8;i+) temp=temp0;i-) for(j=110;j0;j-);5. LED數(shù)碼管顯示單片機(jī)代碼中LED的顯示是由位選和段選構(gòu)成的。將573鎖存器的使能端與單片機(jī)一個(gè)引腳相連，使之控制鎖存器選擇哪種輸出輸入狀態(tài)。當(dāng)有數(shù)據(jù)輸入時(shí)先打開(kāi)使能端使輸出與輸入一致，之后關(guān)閉使能端鎖存數(shù)據(jù)，再對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出顯示。74LS138譯碼器是對(duì)LED數(shù)碼管進(jìn)行位選，將P1的兩位輸入到A0、A1，再經(jīng)由譯碼器輸出四位到數(shù)碼管的位選接口，控制數(shù)碼管的輸出。 4. 調(diào)試過(guò)程及結(jié)論4.1 電路實(shí)物的連接元器件如如表3所示。表3 元器件列表元件名稱(chēng)規(guī)格數(shù)量滑動(dòng)變阻器100k2滑動(dòng)變阻器10k2滑動(dòng)變阻器1k3電容0.1uF2電容10uF1A/D轉(zhuǎn)換芯片PCF85911譯碼器74LS1381鎖存器74HC5731運(yùn)算放大器LM3581熱電堆