基于熱電堆紅外探測(cè)器的非接觸人體表面溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目錄1 技術(shù)指標(biāo)12 設(shè)計(jì)方案及其比較12.1 設(shè)計(jì)原理12.2 設(shè)計(jì)流程圖12.3 各模塊方案設(shè)計(jì)22.3.1 TP337溫度傳感器模塊22.3.2 LM358電壓信號(hào)放大模塊42.3.3 AD轉(zhuǎn)換模塊62.3.4單片機(jī)模塊72.3.5 LED顯示模塊72.4 方案比較83 實(shí)現(xiàn)方案94 調(diào)試過(guò)程或結(jié)論94.1 調(diào)試過(guò)程94.2 結(jié)論115 心得體會(huì)116 參考文獻(xiàn)12 武漢理工大學(xué)光電技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 基于熱電堆紅外探測(cè)器的非接觸人體表面溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)熱電堆TP337A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，

2、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 設(shè)計(jì)原理根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，熱電堆紅外探測(cè)器探測(cè)人體溫度系統(tǒng)主要是由單片機(jī)模塊、TP337溫度傳感器模塊、LM358電壓信號(hào)放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LED數(shù)碼管顯示模塊組成。首先TP337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，所以需要用由LM358組成的運(yùn)算放大電路進(jìn)行前置放大，然后將放大的電壓信號(hào)發(fā)送至由PCF8591組成的A/D轉(zhuǎn)換電路，再將轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)送至單片機(jī)進(jìn)行處理，最后將處理的結(jié)果送至LED數(shù)碼管顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量溫度的顯示。從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3、2.2 設(shè)計(jì)流程圖根據(jù)設(shè)計(jì)原理，可以畫(huà)出其流程圖，見(jiàn)圖1。圖1 設(shè)計(jì)流程圖2.3 各模塊方案設(shè)計(jì)2.3.1 TP337溫度傳感器模塊通過(guò)查閱技術(shù)手冊(cè)可以知道TP337A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳如圖2所示。紅外測(cè)溫模塊即是TP337A的工作電路，TP337A是一種人體熱釋電傳感器，可以通過(guò)非接觸的方式檢測(cè)出物體放射出來(lái)的紅外線(xiàn)能量變化，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。紅外溫度傳感器的特點(diǎn)是反應(yīng)速度快、靈敏度高、準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍廣、使用方便，尤其非接觸式測(cè)量使紅外溫度傳感器和以紅外傳感器為核心的紅外測(cè)溫模塊、紅外測(cè)溫儀在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。主要應(yīng)用于鐵路、車(chē)輛、石油化工、食品、醫(yī)藥、

4、塑料、橡膠、紡織、造紙、電力等行業(yè)的溫度測(cè)量、溫度檢測(cè)、設(shè)備故障的診斷。特別適用于高溫和危險(xiǎn)場(chǎng)合的遠(yuǎn)距離測(cè)溫。其詳細(xì)的參數(shù)表見(jiàn)圖3所示。圖2 紅外探測(cè)器管腳圖圖3 紅外探測(cè)器溫度參數(shù)表紅外探測(cè)器溫度與輸出電壓的關(guān)系如圖4所示。圖4 紅外探測(cè)器溫度與輸出電壓的關(guān)系綜合以上相關(guān)資料，可以大致推測(cè)出在環(huán)境溫度為25攝氏度時(shí)，溫度與電壓大致呈線(xiàn)性關(guān)系，溫度大約是電壓的39000倍。紅外探測(cè)器的典型工作電路如圖5所示。圖5 紅外探測(cè)器原理圖2.3.2 LM358電壓信號(hào)放大模塊由于TP337溫度傳感器輸出的電信號(hào)非常微弱，為了我們準(zhǔn)確地測(cè)出人體溫度，我需要將信號(hào)放大，根據(jù)課設(shè)要求，采用LM358運(yùn)算放大

5、器，放大由TP337溫度傳感器輸出的電信號(hào)，其具體方案如下。方案一方案一采用LM358雙運(yùn)算放大器，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)倪\(yùn)算放大器。適合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)，其方案一的原理圖如圖6所示。圖2 采用LM358雙運(yùn)算放大器原理圖圖6方案一原理圖 方案二方案二也采用LM358雙運(yùn)算放大器，但與方案一不同的是在兩個(gè)運(yùn)算放大器添加一電容C8，添加此電容之后便可以起到濾波，消除噪聲干擾等效果，這樣可以有效放大信號(hào)，同時(shí)又可以減少噪聲干擾，其方案二原理圖如圖7所示。圖7采用LM358雙運(yùn)算放大器原理圖方案三

6、針對(duì)方案一放大信號(hào)之后存在較多噪聲，會(huì)影響實(shí)際效果，方案二采用添加電容C8來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波，消除噪聲干擾，為了更強(qiáng)勁地的抑制零點(diǎn)漂移以及消除噪聲干擾，所以采用差分放大電路，其原理圖如圖8所示。圖8 差分放大電路2.3.3 AD轉(zhuǎn)換模塊利用PCF8591搭建AD轉(zhuǎn)換電路。PCF8591是單片，單電源低功耗8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有4個(gè)模擬輸入，一個(gè)輸出和一個(gè)串行I2C總線(xiàn)接口。3個(gè)地址引腳用于編程硬件地址，允許將最多8個(gè)器件連接至I2C總線(xiàn)而不需要額外硬件。器件地址，控制和數(shù)據(jù)通道通過(guò)兩線(xiàn)雙向I2C總線(xiàn)傳輸。經(jīng)過(guò)放大電路后的電壓值通過(guò)AIN0輸入，SCL和SDA輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，與后續(xù)的單片機(jī)連接

7、并進(jìn)行處理。所以，我們需要采用AD0804轉(zhuǎn)換。AD0804是屬于連續(xù)漸進(jìn)式的AD轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，分辨率高，普遍被應(yīng)用于微電腦的接口設(shè)計(jì)上。對(duì)于編程來(lái)說(shuō)，直接輸出八位的數(shù)字信號(hào)，利用編程，簡(jiǎn)化程序的復(fù)雜性。其AD轉(zhuǎn)換模塊原理圖見(jiàn)圖9。圖9 AD0804搭建的AD轉(zhuǎn)換電路2.3.4單片機(jī)模塊選用STC89C52單片機(jī)，這是一種低功耗，高性能的CMOS位微控制器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。設(shè)計(jì)電路如圖10所示。其中，P1.0和P1.1分別用來(lái)與I2C的數(shù)據(jù)線(xiàn)和時(shí)鐘線(xiàn)相連，P0口用來(lái)控制LED顯示模塊的段選，P2

8、.5、P2.6、P2.7分別用來(lái)控制LED顯示模塊的位選端。 圖10 單片機(jī)模塊2.3.5 LED顯示模塊LED的位選使用138譯碼器，可以節(jié)約單片機(jī)引腳，段選端使用573鎖存器，因?yàn)橹苯永脝纹瑱C(jī)引腳驅(qū)動(dòng)功率不夠。74LS138譯碼器的功能是把輸入的3位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，并讓對(duì)應(yīng)的輸出端輸出低電平。即，A2A1A0輸入001時(shí)，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為1，則輸出端Y1輸出低電平，其余為高電平。當(dāng)OE端為低電平時(shí)，芯片可以工作，LE為高電平時(shí)，輸出端與輸入端相同，若LE為低電平，芯片鎖存，此時(shí)不管輸入多少，芯片始終輸出鎖存前狀態(tài)的輸出值查閱資料可知，74HC573的真值表如圖11所示。根據(jù)真值表看

9、出，當(dāng)OE端為低電平時(shí)，芯片可以工作，LE為高電平時(shí)，輸出端與輸入端相同，若LE為低電平，芯片鎖存，此時(shí)不管輸入多少，芯片始終輸出鎖存前狀態(tài)的輸出值。圖11 74HC573的真值表LED連接圖見(jiàn)圖12所示。 圖12 LED顯示電路2.4 方案比較對(duì)于LM358電壓信號(hào)放大模塊，方案一和方案二采用同樣的芯片，但方案二比方案一輸出的信號(hào)更準(zhǔn)確，受到外界的干很少，也很容易找出他們之間的電流電壓關(guān)系來(lái)計(jì)算放大倍數(shù)，對(duì)于方案三難度高，不容易實(shí)現(xiàn)這會(huì)給后期的調(diào)試過(guò)程帶來(lái)很大的麻煩，所以選擇方案二。3 實(shí)現(xiàn)方案如圖所示，TP337A感應(yīng)到紅外線(xiàn)后，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大電路得到最終的模擬電壓信號(hào)。通

10、過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號(hào)，并用單片機(jī)進(jìn)行處理，最后通過(guò)LED動(dòng)態(tài)輸出溫度值。TP337A工作電路中的電容起到濾波的作用，濾掉信號(hào)中不穩(wěn)定的交流信號(hào)，得到穩(wěn)定的直流信號(hào)；兩級(jí)運(yùn)放電路中，根據(jù)公式可以推算出電阻的大概范圍，這些內(nèi)容在第四部分會(huì)給出詳細(xì)的敘述。根據(jù)上面的分析，最終確定的實(shí)現(xiàn)方案原理圖如圖13所示。圖13 實(shí)現(xiàn)方案的原理圖4 調(diào)試過(guò)程或結(jié)論4.1 調(diào)試過(guò)程技術(shù)要求中，要求溫度精確到0.1度，因此電壓需要放大1000倍以上，我選用了兩個(gè)100K的電阻和兩個(gè)10K的滑動(dòng)變阻器，并將他們分別調(diào)節(jié)在90K和3K左右，這樣放大倍數(shù)差不多接近于1000倍，這樣才能達(dá)到課設(shè)要求。我也遇到一些困難，原

11、本以為在仿真軟件上可以正常工作，想當(dāng)然硬件電路也能運(yùn)行。然而，在檢查無(wú)語(yǔ)法錯(cuò)誤下載到單片機(jī)后，LED并沒(méi)有顯示數(shù)字，經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)是自己弄錯(cuò)了138輸入的三個(gè)管腳的高低順序，輸出又只選用了低位的四個(gè)輸出，所以未能正確控制LED的位選。在改正了電路后，問(wèn)題即解決，四位數(shù)碼管上有我希望的三位可以亮起，但還是沒(méi)有顯示正確的數(shù)字，反而顯示的是亂碼。檢查了一下程序，發(fā)現(xiàn)自己粗心大意在編程時(shí)沒(méi)有考慮到P0端口和段選端的順序?qū)?yīng)，所以未能正常輸出。改正程序后問(wèn)題得到解決。在調(diào)節(jié)了電阻后，問(wèn)題略有改善，但還是不能達(dá)到理想的狀態(tài)。后來(lái)我考慮到是濾波的問(wèn)題，如果不加入電容濾波，交流信號(hào)和直流信號(hào)混合會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生很大

12、干擾，加入電容后濾去交流信號(hào)，只留下穩(wěn)定的直流信號(hào)，問(wèn)題基本得到解決，雖然數(shù)值仍有跳動(dòng)，但幅度很小，一般是在0.1到0.5之間，基本可以認(rèn)為是穩(wěn)定數(shù)值。當(dāng)我把手放上去時(shí)，LED顯示為40度至50度之間，雖然有些偏高，但咨詢(xún)老師后得知，考慮到實(shí)際情況，這屬于正常范圍。其實(shí)物圖見(jiàn)14，15。圖14 實(shí)物圖圖15 實(shí)物圖4.2 結(jié)論本次課程設(shè)計(jì)從完成任務(wù)上來(lái)說(shuō)是成功的，基本實(shí)現(xiàn)了技術(shù)要求上的所有內(nèi)容。但是還是有些不完美，比如數(shù)字顯示并不是十分穩(wěn)定，溫度值也不是那么準(zhǔn)確，與實(shí)際還是存在一定的偏差，最后咨詢(xún)老師才發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題所在，雖然問(wèn)題沒(méi)能及時(shí)解決。5 心得體會(huì)熱電堆由于不是老師上課重點(diǎn)講的內(nèi)容，也不在

13、考察的范圍內(nèi)，所以我對(duì)熱電堆的工作原理并不是十分了解，更別提利用它來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)溫度感應(yīng)系統(tǒng)來(lái)動(dòng)態(tài)顯示溫度。但是通過(guò)老師的PPT，我也學(xué)到許多知識(shí)。首先，我仔細(xì)閱讀了TP337A的技術(shù)手冊(cè)，全英文的技術(shù)手冊(cè)對(duì)自己的詞匯量也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。所幸自己還算不怎么費(fèi)力的就看完了技術(shù)手冊(cè)。了解了熱電堆的工作原理后，便是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)了。根據(jù)老師所給提示，本次的電路可以分為五部分：紅外測(cè)溫模塊，信號(hào)放大模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，單片機(jī)處理模塊，LED顯示模塊。對(duì)于信號(hào)放大模塊，我只有一個(gè)模糊的印象，所以我把大二時(shí)的模電課本翻了出來(lái)，仔細(xì)閱讀了有關(guān)運(yùn)算放大器的章節(jié)，設(shè)計(jì)出了放大電路。接下來(lái)是AD轉(zhuǎn)換模塊，在網(wǎng)上查閱了很多資料后，結(jié)合I2C總線(xiàn)協(xié)議我才算是有點(diǎn)思路。設(shè)計(jì)好電路，編寫(xiě)好程序，就是程序的燒錄過(guò)程。本以為自己的程序編寫(xiě)的沒(méi)有什么錯(cuò)誤，只要能夠正確燒錄，就能夠正常工作，沒(méi)想到問(wèn)題一大堆。這讓我意識(shí)到了理論與實(shí)際的差別。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，這句話(huà)說(shuō)的很對(duì)，不通過(guò)實(shí)踐，我是不能發(fā)現(xiàn)程序中存在的錯(cuò)誤的。在今后的學(xué)習(xí)生活中，我也要注意實(shí)踐，不能停留在理論層面上。理論是基礎(chǔ)，但應(yīng)用才是最重要的。首先，此次課設(shè)綜合