基于熱電堆紅外探測器的非接觸人體表面溫度的測量

......目錄82131.技術指標1271842.設計方案及其比較145372.1方案一1290592.2方案二2223122.3方案三2160302.4方案比較322333.實現(xiàn)方案330443.1器件說明3299843.1.1TPS337A熱電堆說明3234633.1.2LM358運算放大器說明446223.1.3PCF8591A/D轉換器說明5324713.1.474LS138譯碼器與74HC573鎖存器說明6242363.2最終實現(xiàn)方案825723.2.1實現(xiàn)方案電路圖8120353.2.2方案設計原理及思路9296454.調(diào)試過程及結論16203684.1電路實物的連接16118584.2調(diào)試結果展示 17109054.3調(diào)試結論 18245925.心得體會1894646.參考文獻19..基于熱電堆紅外探測器的非接觸人體表面溫度的測量1.技術指標設計一個非接觸人體表面溫度系統(tǒng),要求：通過熱電堆TPS337A來探測人體表面的溫度；由LED數(shù)碼管顯示測量的溫度,要求顯示溫度精度能夠達到0.1℃；可以連續(xù)測量人體表面或環(huán)境溫度。2.設計方案及其比較2.1方案一通過TPS337A檢測人體紅外波產(chǎn)生溫差電動勢,將環(huán)境溫度與檢測到的人體溫度分為兩路電壓信號,完成環(huán)境溫度的補償。再經(jīng)過A/D轉換芯片將數(shù)字信號發(fā)送到單片機輸出,最后通過LED數(shù)碼管顯示。放大器采用AD620運算放大器以及LM358運算放大器。具體電路圖如圖1所示。圖1方案一電路圖信號采集電路有兩部分組成：體溫信號放大電路和環(huán)境溫度信號處理電路。體溫信號放大電路是由儀用放大器AD620和參考電壓電路組成；環(huán)境溫度信號處理電路是由運算放大器LM358構成的電壓跟隨器組成。三路輸出信號其中最上方為放大后的熱電堆電壓信號,也就是將要處理的體溫信號,中間為參考電壓,最下方為環(huán)境溫度信號。2.2方案二通過TPS337A檢測人體紅外波產(chǎn)生溫差電動勢,直接將輸出電壓通過放大器輸出電壓信號,再經(jīng)過A/D轉換芯片將數(shù)字信號發(fā)送到單片機輸出,最后通過LED數(shù)碼管顯示。放大器采用AD620運算放大器。具體電路圖如圖2所示。圖2方案二電路圖運算放大器AD620是一款低成本、高精度儀表放大器,僅需要一個外部電阻來設置增益,增益范圍為1至1000。此外,AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝,尺寸小于分立式設計,并且功耗較低<最大電源電流僅1.3mA>,因此非常適合電池供電的便攜式<或遠程>應用,其工作電壓為4.6V～36V或±2.3V～±18V。兩路電壓信號分別連接A/D轉換芯片的輸入。2.3方案三通過TPS337A檢測人體紅外波產(chǎn)生溫差電動勢,直接將輸出電壓通過兩級放大器輸出電壓信號,消除零點漂移,再經(jīng)過A/D轉換芯片將數(shù)字信號發(fā)送到單片機輸出,最后通過LED數(shù)碼管顯示。放大器采用LM358運算放大器。具體電路圖如圖3所示。圖3方案三電路圖運算放大器LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器,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。其單電源為3～30V,雙電源為±1.5～±15V,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償,考慮比較充分全面,但是在實際的操作過程中較為繁瑣,可視為理想方案。方案二中采用AD620運算放大器,電壓輸出信號有兩路,但此后通過A/D轉換芯片的輸入有兩路輸入,則在代碼的編寫方面較為繁瑣。方案三中采用LM358運算放大器,兩級放大消除了零點漂移是的輸出電壓信號更為穩(wěn)定,而且放大倍數(shù)通過電阻直接計算確定,輸出信號只有一路,直接連接到A/D轉換芯片的輸入口。整個電路相對較為簡單,而且整體效率也很高,是很好的實行方案。綜上所述,方案三可作為最后的實現(xiàn)方案,可在其基礎上進行調(diào)試。3.實現(xiàn)方案3.1器件說明3.1.1TPS337A熱電堆說明熱電堆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的電壓與溫度對應關系如圖5所示。圖4TPS337A熱電堆管腳圖圖5熱電堆電壓-溫度曲線3.1.2LM358運算放大器說明LM358是雙運算放大器。內(nèi)部包括兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器,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關。LM358芯片引腳圖如圖6所示。圖6LM358芯片引腳圖3.1.3PCF8591A/D轉換器說明PCF8591是單片、單電源低功耗8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件,具有四個模擬輸入、一個模擬輸出和一個串行I2C總線接口。3個地址引腳A0、A1和A2用于變成硬件地址。器件的地址、控制和數(shù)據(jù)通過兩線雙向I2C總線傳輸。PCF8591芯片管腳圖如圖7所示。圖7PCF8591芯片管腳圖I2C總線系統(tǒng)中每一片PCF8591通過發(fā)送有效地址到該器件來激活。該地址包括固定部分和可編程部分?？删幊滩糠直仨毟鶕?jù)引腳A0、A1、A2來設置。地址字節(jié)的最后一位是用于設置以后數(shù)據(jù)傳輸方向的讀/寫位。PCF8591的地址設置如圖8所示。圖8PCF8591地址設置發(fā)送到PCF8591的第二個字節(jié)將被存儲在控制寄存器,用于控制器件功能。其控制字設置如圖9所示。圖9控制字設置3.1.474LS138譯碼器與74HC573鎖存器說明對于74LS138譯碼器,當一個選通端〔E1為高電平,另兩個選通端〔/E2>和</E3為低電平時,可將地址端〔A0、A1、A2的二進制編碼在Y0至Y7對應的輸出端以低電平譯出。比如：A2A1A0=110時,則Y6輸出端輸出低電平信號。74LS138譯碼器芯片引腳圖如圖10所示。圖1074LS138芯片管腳圖74LS138譯碼器真值表如表1所示。表174LS138譯碼器真值表輸入輸出E1/E2/E3A2A1A0/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y6/Y7HLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHHLLHLHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHLHHLLHHHHHHHHHHL對于74HC573鎖存器,當使能〔G為高時,Q輸出將隨數(shù)據(jù)〔D輸入而變。當使能為低時,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1174HC573芯片管腳圖74HC573鎖存器真值表如表2所示。表274HC573鎖存器真值表/OELEDQLHHHLHLLLLXQ03.2最終實現(xiàn)方案3.2.1實現(xiàn)方案電路圖熱電堆輸出的電壓信號經(jīng)過LM358運算放大器放大后直接輸出到PCF8591的輸入端,通過單片機的程序代碼把將電壓模擬信號轉換過來的數(shù)字信號獲取通過LED數(shù)碼管輸出。在輸出時,位選通過74LS138譯碼器將2位轉換為4為二進制,段選通過74HC573鎖存器所存輸出,其使能端可通過單片機的一個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)。實現(xiàn)方案的電路圖如圖12所示。圖12實現(xiàn)方案電路圖3.2.2方案設計原理及思路整個設計思路模塊如圖13所示。紅外線測溫模塊電壓信號放大模塊A/D轉換模塊單片機模塊紅外線測溫模塊電壓信號放大模塊A/D轉換模塊單片機模塊LED數(shù)碼管顯示1.紅外測溫模塊在自然界中的任何物體,只要高于絕對零度<－273．15℃>,由于分子的熱運動,都向外輻射電磁波,其輻射能量密度與物體本身的溫度關系符合普朗克定律。如果將一物體加熱,我們將觀測到單位時間發(fā)出輻射能的多少及輻射能波長的分布,都與物體溫度有關,把這種輻射稱為熱輻射,人體溫度約為310K,在此溫度下,主要輻射的電磁波為波長在9－10μm的紅外線。通過測量人體自身輻射的紅外能量,便可以較為精確地測得人體體表溫度。熱電堆TPS337A通過感測人體輻射的電磁波而產(chǎn)生了相應的電動勢,通過對該電動勢的測量,即可將電壓信號還原為溫度信號,從而檢測出人體體表溫度。2.電壓信號放大模塊通過圖5紅外探測器溫度與輸出電壓關系可知,在人體溫度范圍內(nèi),探測器的輸出電壓基本與溫度成正比,另外可以看出探測器的輸出電壓比較小,只有幾百uV,這樣我們必須將輸出信號進行放大以后才能顯示。所以我們設計了電壓的兩級放大,可將熱電堆輸出電壓放大1000倍。放大倍數(shù)計算公式如下：A/D轉換模塊由圖8地址設置可知,當A0、A1、A2均接地時,執(zhí)行寫操作,該地址為0x90。由圖9控制字設置可知,模擬輸入為1與自動增量為0,采用單通道輸入以及輸入通道為AIN0時,控制字應設置為01000000,即0x40。單片機模塊將單片機的P2.0與P2.1兩個接口并聯(lián)到I2C總線中,SCL用于時鐘信號,SDA用于數(shù)據(jù)信號。實現(xiàn)A/D轉換芯片到單片機的數(shù)據(jù)傳輸。具體的單片機代碼如下。#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#definePCF85910x90#defineN11voiddelayms<uint>;bitwrite=0;sbitdula=P1^0;//控制鎖存器使能端sbitSCL=P2^1;//時鐘信號sbitSDA=P2^0;//數(shù)據(jù)信號uchartable1[]={0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6};//不帶小數(shù)點數(shù)碼管顯示uchartable2[]={0xfd,0x61,0xdb,0xf3,0x67,0xb7,0xbf,0xe1,0xff,0xf7};//帶小數(shù)點數(shù)碼管顯示ucharnum,ge,shi,bai;voiddelay<>//延時4-5個微秒{;;}voidstart<>//開始{ SDA=1; delay<>; SCL=1; delay<>; SDA=0;//SCL處于高電平器件SDA下降沿啟動信號 delay<>;}voidstop<> //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 delay<>; }voidrespons<>//應答{ uchari; SCL=1; delay<>; while<<SDA==1>&&<i<255>>i++;//當一段時間過后沒有收到從機的應答則主器件默認從器件已經(jīng)收到數(shù)據(jù) SCL=0; delay<>;}voidinit<>//初始化{ SDA=1; delay<>; SCL=1; delay<>;}ucharread_byte<>//讀一個字節(jié)數(shù)據(jù){ uchari,k; SCL=0; delay<>; SDA=1; delay<>; for<i=0;i<8;i++>{SCL=1;delay<>;k=<k<<1>|SDA;//先左移一位,再在最低位接受當前位SCL=0;delay<>;} returnk;}voidwrite_byte<uchardate>//寫一字節(jié)數(shù)據(jù){uchari,temp;temp=date;for<i=0;i<8;i++>{temp=temp<<1;//左移一位移出的一位在CY中SCL=0;//只有在scl=0時sda能變化值delay<>;SDA=CY;delay<>;SCL=1;delay<>; } SCL=0;delay<>; SDA=1;delay<>;}voidwrite_add<ucharcontrol,uchardate>//向芯片的任意地址寫一字節(jié)的數(shù)據(jù){start<>; write_byte<0x90>;//10010000前四位固定為1001接下來三位A2、A1、A0為地址選擇,本次電路設計為000最后一位是寫所以為低電平 respons<>; write_byte<control>;respons<>;write_byte<date>; respons<>;stop<>;}ucharread_add<ucharcontrol>//向芯片的任意地址讀一字節(jié)的數(shù)據(jù){ uchardate;start<>; 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