便攜式紅外測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、摘 要在許多疾病預(yù)防檢測(cè)中，測(cè)量溫度的人數(shù)眾多，時(shí)間緊迫。傳統(tǒng)的體溫計(jì)多采用物理原理，根據(jù)水銀隨溫度升降的熱脹冷縮的性質(zhì)，通過(guò)讀取刻度上的數(shù)值來(lái)判斷溫度。這種方法由于測(cè)量時(shí)間比較長(zhǎng)，讀數(shù)不方便，容易受環(huán)境和人為因素的干擾等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足人們的測(cè)溫需求。紅外測(cè)溫系統(tǒng)為人們體檢測(cè)溫提供了快速有效的非接觸式手段，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、海關(guān)、車站等人口密集地區(qū)的體溫檢測(cè)。本課題針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外醫(yī)用測(cè)溫儀器的現(xiàn)狀，在查看了大批文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，提供了一種新的溫度測(cè)量方案，其以熱釋電紅外測(cè)溫技術(shù)作為參考，是一種基于單片機(jī)的熱釋電紅外測(cè)溫系統(tǒng)，采用具有SPI（series peripheral inte

2、rface 串行外圍接口）接口的TN系列紅外溫度傳感器來(lái)測(cè)量溫度信號(hào)，并且將測(cè)量的目標(biāo)溫度數(shù)據(jù)送給單片機(jī)處理，之后送給液晶屏顯示，同時(shí)將測(cè)量出的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶端，并且利用單片機(jī)的蜂鳴器，當(dāng)溫度超過(guò)某一個(gè)設(shè)定的溫度值時(shí)，就會(huì)發(fā)出警報(bào)聲。本文對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的每個(gè)硬件部分的功能和設(shè)計(jì)思路做出了詳細(xì)地說(shuō)明，并給出了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。方案以流程圖的方式介紹了各個(gè)功能的具體實(shí)現(xiàn)，軟件采用了C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。紅外測(cè)溫技術(shù)與傳統(tǒng)的測(cè)溫方式相比，其具有響應(yīng)時(shí)間短、可靠性比較強(qiáng)、測(cè)量溫度范圍廣、不易被其他環(huán)境與人為因素干擾、讀數(shù)方便、使用簡(jiǎn)單、非接觸式測(cè)量、不易損壞等一系列優(yōu)點(diǎn)。另外對(duì)測(cè)溫誤差因素進(jìn)行分析

3、，探討相應(yīng)的抗干擾措施，最后對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步研究工作進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：紅外測(cè)溫系統(tǒng)；單片機(jī)；熱釋電傳感器AbstractIn a lot of diseases prevention and detection , the number of measuring the temperature is numerous ,and time is pressing. Traditional thermometers are always using physical principles , which are based on the nature of mercury with temperat

4、ure thermal expansion and contraction , by reading the value on the scale to determine the temperature . This method can no longer meet the needs of the people of temperature , because it spends a long time measuring temperature , and it is not convenient to read the results of measuring . Infrared

5、temperature measurement system for people to provide a fast and effective examination of non-contact methods, can be widely used to detect temperature hospitals, airports, customs, railway stations and other densely populated areas.The topic for the current status of medical thermometer at home and

6、abroad , and in view of the large literature on the basis of providing a new temperature measurement program, which in pyroelectric infrared temperature measurement technology as a reference and is based on SCM pyroelectric infrared temperature measurement system that uses TN series infrared tempera

7、ture sensors with SPI (series peripheral interface serial Peripheral Interface ) interface to measure the temperature signal and the measured data to the target temperature of single treatment, given after LCD display, while the measured data transmission via wireless Bluetooth to a mobile client ,

8、and use single-chip buzzer , when the temperature exceeds a certain temperature value is set , it will sound an alarm .In this paper, function and design ideas for each hardware system have made the detailed specification, and the software design of the system is given. Solution in the form of flow

9、chart introduces the concrete realization of each function, the software uses the C language to write . Infrared temperature measurement technology is compared with the traditional way of measuring temperature, which has a series of advantages, for example , it has a short response time , reliabilit

10、y is strong , wide temperature measurement range , it can not easily be disturbed by other environmental factors and human, easy to read , easy to use, non-contact measurement , not easy damage. In addition, the measurement error factors were analyzed to explore the appropriate anti-jamming measures

11、, the further research of the system was discussed in the end.Key words: infrared temperature measurement system ; The SCM ; pyroelectric sensor目 錄引言11 便攜式紅外測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景11.1 體溫計(jì)的發(fā)展歷程11.2 本課題研究的目的與意義21.3 本論文的研究?jī)?nèi)容22 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求32.1 設(shè)計(jì)任務(wù)32.2 設(shè)計(jì)要求33 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的總體方案選擇33.1 重要模塊的方案對(duì)比和選擇33.1.1顯示模塊的選擇33.1.2溫度傳感器模塊的選擇43

12、.2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案43.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案53.4 芯片介紹53.4.1主從控制器AT89S5253.4.2紅外模塊組TN_973.4.3液晶顯示屏LCD160293.4.4穩(wěn)壓芯片LM7805113.4.5BLK-MD-HC-05藍(lán)牙模塊114 紅外測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)簡(jiǎn)介124.1 溫度測(cè)量技術(shù)的概述124.2 紅外測(cè)溫原理134.3 紅外測(cè)溫方法134.4 熱釋電傳感器工作原理154.4.1熱釋電效應(yīng)154.4.2探測(cè)器的選擇165 便攜式紅外測(cè)溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)175.1 主從AT89S52單片機(jī)處理模塊175.2 TN_9紅外測(cè)溫模塊接口設(shè)計(jì)185.3 液晶顯示模塊和聲光報(bào)警模塊18

13、5.4 按鍵模塊195.5 藍(lán)牙通信模塊和穩(wěn)壓電路模塊206 便攜式紅外系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)216.1 主程序的設(shè)計(jì)216.2 TN_9紅外測(cè)溫模塊226.3 按鍵掃描模塊226.4 無(wú)線藍(lán)牙通信模塊237 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試分析247.1 所用儀器247.2 焊接過(guò)程247.3 系統(tǒng)調(diào)試257.4 誤差分析與抗干擾設(shè)計(jì)267.4.1系統(tǒng)誤差分析267.4.2系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)277.5 系統(tǒng)性能測(cè)試277.6 減小誤差措施288 結(jié)論28謝辭29參考文獻(xiàn)30附錄31引言便攜式紅外測(cè)溫系統(tǒng)是一種全新的測(cè)溫系統(tǒng)，其將紅外技術(shù)、傳感器技術(shù)與微電子技術(shù)等相結(jié)合。這類溫度測(cè)量系統(tǒng)是非接觸式測(cè)量體溫系統(tǒng)，它主要是通過(guò)

14、采集被測(cè)物體表面的輻射能量，并通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將其匯聚到紅外測(cè)溫探頭上，將物體的輻射能量轉(zhuǎn)換成為一個(gè)電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理后，送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)單片機(jī)處理得到目標(biāo)物體的溫度值，并讓溫度值以方便直觀的方式(例如數(shù)字)顯示在液晶屏上。以下各章節(jié)將會(huì)詳細(xì)的介紹便攜式紅外測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景、總體軟硬件方案、設(shè)計(jì)過(guò)程中所用到芯片、系統(tǒng)的調(diào)試和性能分析等等。1 便攜式紅外測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景1.1 體溫計(jì)的發(fā)展歷程溫度計(jì)也被稱為“醫(yī)療溫度計(jì)”，目前日常使用的是工作材料為水銀的溫度計(jì)。由于溫度的影響，水銀液泡中會(huì)產(chǎn)生微妙的變化，而溫度計(jì)中的水銀體積會(huì)膨脹，所以管內(nèi)汞柱長(zhǎng)度

15、增長(zhǎng)。由于人體的溫度在35到42之間，人體的生命機(jī)能可以正常工作，所以水銀體溫計(jì)的測(cè)溫范圍是以此為根據(jù)的，即水銀溫度計(jì)的測(cè)溫范圍是35到42攝氏度，并且又把每一度各自分為10個(gè)小等份，因此體溫計(jì)的精確度為1/10度。因?yàn)樗y溫度計(jì)能夠記錄測(cè)溫過(guò)程中管內(nèi)汞柱的長(zhǎng)度不再產(chǎn)生任何微妙變化時(shí)的溫度，所以這類最高溫度計(jì)在測(cè)溫結(jié)束后，需要“回表”，即使管內(nèi)的水銀重新回到液泡之中，這就需要拿著體溫計(jì)的上部用力地向下猛甩。這是其它一些溫度計(jì)所沒(méi)有的特色，這也是水銀體溫計(jì)和其它液體溫度計(jì)之間最明顯的區(qū)別。在第十六世紀(jì)時(shí)，歷史以來(lái)第一支溫度計(jì)誕生了，它是出自于伽利略之手。然而，操作方便、性能有效的溫度計(jì)的設(shè)計(jì)，出

16、現(xiàn)在300年后。在溫度計(jì)成功研制出之后，在它的基礎(chǔ)上體溫計(jì)也成功的誕生了。德國(guó)物理學(xué)家華倫海特在借鑒溫度計(jì)的研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在1714年的時(shí)候，他成功研制出了水銀體溫計(jì)，這款水銀體溫計(jì)的測(cè)溫范圍是在水的冰點(diǎn)和人的體溫之間。水銀體溫計(jì)末端的水銀球內(nèi)儲(chǔ)存著水銀，當(dāng)水銀受熱時(shí)，根據(jù)水銀熱脹冷縮的性質(zhì)，它會(huì)發(fā)生膨脹，并且水銀順著非常狹窄的玻璃管上升，形成水銀柱。所以即使小的溫度變化，也會(huì)引起玻璃管中水銀柱快速的上升。1742年，華倫海特又發(fā)明了測(cè)溫范圍為0100的攝氏溫標(biāo)，這使體溫計(jì)的刻度實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。德國(guó)教授Wunderlich在1868年，他發(fā)表了“疾病與體溫”一書(shū)，其中對(duì)25000例患者的溫度

17、變化進(jìn)行了詳細(xì)的記錄，由于Wunderlich所用的體溫計(jì)的體積較大，所以每一次記錄溫度要花費(fèi)20分鐘。被人們稱為“會(huì)說(shuō)話”的溫度計(jì)，誕生于1980年左右，即膜狀液晶溫度計(jì)。用其測(cè)量體溫，在人體體溫正常時(shí)，將會(huì)呈現(xiàn)綠色；若是溫度偏低，則會(huì)呈現(xiàn)黃色；若是溫度偏高，則會(huì)呈現(xiàn)紅色。1865年，出現(xiàn)了細(xì)管內(nèi)有一狹道的測(cè)溫計(jì)，這類溫度計(jì)是將水銀貯存在細(xì)管內(nèi)，當(dāng)它徹底接觸人體肌膚，由于水銀受熱擴(kuò)張，汞柱快速升高到人體實(shí)際體溫的地方，體溫計(jì)被拿出后，水銀柱的長(zhǎng)度是不會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s的性質(zhì)而下降，而水銀柱是在狹道處夾斷裂開(kāi)，這樣就使狹道以上的水銀部分一直持續(xù)不變，因此體溫度數(shù)也不發(fā)生任何改變，這種有實(shí)際使用價(jià)值

18、的溫度計(jì)是由英國(guó)的阿爾伯特發(fā)明的。由于這類溫度計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義，很快成為廣泛的臨床應(yīng)用。1988年，電子呼吸脈搏體溫計(jì)的問(wèn)世，讓人們可以通過(guò)遙測(cè)進(jìn)行測(cè)量體溫。到目前為止，電子體溫計(jì)是最為廣泛流行使用的，這種廣受歡迎的體溫計(jì)可以概括的分為兩大種類，即實(shí)測(cè)式和預(yù)測(cè)式，并且它們都是可以通過(guò)讀取數(shù)字得出溫度值，這種溫度計(jì)使用比較方便。紅外測(cè)溫儀在“非典”疫情期間得到廣泛使用，其可以分為兩類：耳式和前額，它們測(cè)量溫度的時(shí)間大約是1-3秒，其測(cè)量結(jié)果快速、可靠、安全、有效。利用液晶制成的溫度計(jì)，即液晶體溫計(jì)，用來(lái)測(cè)量體溫等待時(shí)間很短，如測(cè)腋窩，其用的時(shí)間僅僅是4-5秒，準(zhǔn)確、安全，但是價(jià)錢(qián)昂貴。1.2 本課題

19、研究的目的與意義人體的體溫是人體生命活動(dòng)最基本的指標(biāo)，人體體溫也是判斷人體機(jī)能是否正常工作的重要標(biāo)志之一。目前，日常水銀溫度計(jì)使用比較普及，水銀溫度計(jì)測(cè)量體溫的依據(jù)是：水銀受溫度影響而熱脹冷縮。用這種溫度計(jì)測(cè)溫，主要是利用讀取細(xì)管內(nèi)水銀所對(duì)應(yīng)的數(shù)值，進(jìn)一步確定被測(cè)物體的溫度。這類溫度計(jì)有許多的弊端：在使用時(shí)，需要和被測(cè)者接觸，并且常常需要較長(zhǎng)時(shí)間，讓溫度計(jì)與人體皮膚充分接觸，當(dāng)溫度測(cè)量結(jié)束后必須讓水銀重新回到液泡中，整個(gè)溫度計(jì)都是由玻璃包裹著，水銀在重新回到液泡中的過(guò)程極易破碎，而且水銀是有毒物品，對(duì)人體的負(fù)面影響是非常強(qiáng)的，所以普通的溫度計(jì)有非常嚴(yán)重的安全漏洞。隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的飛躍發(fā)展，人

20、們對(duì)完全非接觸、高效率而有效的測(cè)量體溫技術(shù)的需求越來(lái)越迫切，傳統(tǒng)的接觸式水銀測(cè)溫計(jì)已經(jīng)不能滿足人們的需求。非接觸式的溫度計(jì)具備許多不能代替的優(yōu)勢(shì)，例如：安全、有效性高、使用方便等，已經(jīng)受到大多數(shù)的醫(yī)療行業(yè)的歡迎。在2003年，全球爆發(fā)了非典肺炎傳染性疾病（SARS），在六年之后，全球又遭到甲型H1N1流感的襲擊，這些令人恐慌的疾病的爆發(fā)，使全球人民提高了對(duì)公共衛(wèi)生安全的要求。對(duì)于人口過(guò)于集中的場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，溫度快速測(cè)量是非常重要的，因此快速溫度測(cè)量和公眾的非接觸式醫(yī)用紅外測(cè)溫系統(tǒng)的研究不僅具有利益豐厚的商業(yè)價(jià)值，而且它也具有重大的社會(huì)意義。1.3 本論文的研究?jī)?nèi)容本課題便攜式紅外測(cè)溫系統(tǒng)屬于工程設(shè)

21、計(jì)，其研究的主要目的在于設(shè)計(jì)一種操作簡(jiǎn)便、快速測(cè)溫的紅外測(cè)溫系統(tǒng)。查找了許多關(guān)于紅外測(cè)溫的材料后，決定把熱釋電紅外測(cè)溫技能作為整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)，開(kāi)發(fā)以AT89S52單片機(jī)為基礎(chǔ)的便攜式非接觸的紅外溫系統(tǒng)，并且通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙的傳送，同時(shí)實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶端的溫度數(shù)據(jù)的顯示和指令的發(fā)送。AT89S52是此次設(shè)計(jì)所用的主處理芯片，這款芯片是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的。整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)必須具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，主要研究工作如下：(1)基于對(duì)紅外知識(shí)的分析、對(duì)紅外傳感器的選擇比較和測(cè)溫方案的紅外測(cè)溫原理認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，然后再設(shè)計(jì)紅外測(cè)溫系統(tǒng)的總體方案；(2)對(duì)硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成測(cè)量目標(biāo)溫度

22、、藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)和指令、液晶顯示屏顯示實(shí)時(shí)溫度、聲光報(bào)警等部分的電路設(shè)計(jì)；(3)對(duì)軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成模塊的初始化、目標(biāo)溫度處理單元、藍(lán)牙傳送、按鍵與液晶屏顯示部分的流程圖設(shè)計(jì)和相關(guān)部分軟件的編寫(xiě)；(4)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)調(diào)試；(5)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析。2 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)適當(dāng)?shù)睦脤I(yè)基本知識(shí)，例如模擬電子技術(shù)、非電量檢測(cè)技術(shù)、C語(yǔ)言、數(shù)字邏輯電路、單片機(jī)原理及應(yīng)用等，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的便攜式紅外測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的溫度測(cè)量，并能夠顯示實(shí)時(shí)溫度。2.2 設(shè)計(jì)要求要求所設(shè)計(jì)的便攜式紅外測(cè)溫系統(tǒng)具有以下功能：(1)完成對(duì)便攜式紅外測(cè)溫系統(tǒng)方案的確定及器件選擇； (2)通過(guò)控制按鈕開(kāi)始測(cè)

23、溫，并能顯示被測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)溫度； (3)紅外測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量溫度范圍：085，測(cè)量精度0.8，分辨率0.02；(4)通過(guò)LCD液晶顯示相應(yīng)的體溫值。3 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的總體方案選擇本課題的設(shè)計(jì)是綜合應(yīng)用了硬軟件知識(shí)的結(jié)合，每一個(gè)模塊如何設(shè)計(jì)，選擇什么芯片處理，代碼如何編寫(xiě)，這些都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，尤其是硬件模塊的選擇決定了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行所能達(dá)到的高度，所以對(duì)每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)都必須要慎重，多考慮幾種方案，通過(guò)相互對(duì)比后才能選擇，這樣才能確定設(shè)計(jì)的高度，才能揚(yáng)長(zhǎng)避短。3.1 重要模塊的方案對(duì)比和選擇3.1.1顯示模塊的選擇方案一：用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。由以往的實(shí)訓(xùn)經(jīng)歷可知，數(shù)碼管具有低功耗、價(jià)

24、格便宜、低電壓、使用壽命長(zhǎng)、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。如果用數(shù)碼管顯示需要自己搭建數(shù)碼管之間的電路，而且電路復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)數(shù)碼管只能顯示一個(gè)符號(hào)，不能一次性顯示大量信息。如果顯示的信息量大，就需要許多數(shù)碼管，會(huì)造成占用許多資源。方案二：用液晶LCD1602顯示。液晶LCD1602的優(yōu)點(diǎn)：字符型液晶屏，表示字母和數(shù)字比較方便，功耗低，控制方便，體積小、薄、輕，顯示內(nèi)容豐富，字跡美觀，成本低、視覺(jué)舒適。由于考慮到本次設(shè)計(jì)需要顯示的信息比較直觀，方便查看，所以應(yīng)選用顯示信息量大，人機(jī)界面友好，顯示信息的可讀性比較高，讀取數(shù)據(jù)更方便的顯示屏。經(jīng)過(guò)對(duì)兩個(gè)方案的對(duì)比，所以選擇方案二，選用LCD1602作為本次設(shè)計(jì)的

25、顯示屏。3.1.2溫度傳感器模塊的選擇方案一：采用D203S。這種熱釋電紅外線傳感器屬于開(kāi)關(guān)型的傳感器，只能輸出高低兩種狀態(tài)。早在上個(gè)世紀(jì)，熱釋電紅外線傳感器已經(jīng)被普遍的使用，而且成為了一種新式的靈敏度高的探測(cè)元件。這種傳感器的特點(diǎn)就是不用去接觸人體，就可以測(cè)得人體的溫度。它是通過(guò)監(jiān)控人體輻射的能量的變化，并將輻射能量的改變量轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)輸出，由于電壓信號(hào)不穩(wěn)定，就需要電壓信號(hào)被放大和加驅(qū)動(dòng)控制電路。如果采用傳感器D203S，會(huì)導(dǎo)致硬件會(huì)很復(fù)雜，電路容易出現(xiàn)故障，穩(wěn)定性不好。方案二：使用紅外線測(cè)溫探頭(IRTP)。這一系列的紅外測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫范圍是-20300，IRTP的特點(diǎn)就是：它本身集成

26、了信號(hào)處理電路和環(huán)境溫度補(bǔ)償電路；屬于多用途緊湊型的紅外線測(cè)溫探頭；不容易受環(huán)境干擾。它經(jīng)常應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫儀，例如軸承溫度測(cè)量、微波爐、燃?xì)庠罹叩?不能用來(lái)測(cè)人體溫度。方案三：采用TN_9紅外溫度傳感器，TN_9是凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的一款溫度傳感器，傳感器本身內(nèi)部已經(jīng)集成了線性處理電路、光學(xué)系統(tǒng)電路和溫度補(bǔ)償電路，它是一種集成的紅外探測(cè)器，可以在采集完數(shù)據(jù)后，直接向單片機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)，只需要1秒時(shí)間去響應(yīng)、精度達(dá)到了+/-0.6、穩(wěn)定性好。由于本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要是用于測(cè)量體溫，并且要求測(cè)量精度比較高，電路盡可能簡(jiǎn)單，盡可能的達(dá)到醫(yī)用要求，因此此次的設(shè)計(jì)選擇TN_9紅外溫度傳感器。3.2 系統(tǒng)硬件總體

27、設(shè)計(jì)方案在對(duì)各種不同的方案進(jìn)行了比較，了解了各種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)后，最后選擇AT89S52單片機(jī)為主處理器，TN_9作為紅外測(cè)溫模塊，LM7805作為穩(wěn)壓芯片，BLK-MD-HC-05作為無(wú)線藍(lán)牙模塊，LCD1602用作本系統(tǒng)的顯示部分。本課題便攜式紅外測(cè)溫系統(tǒng)的系統(tǒng)組成如圖3.1所示，主要是有單片機(jī)主控模塊、TN_9紅外模塊、液晶屏顯示輸出、聲光報(bào)警模塊、按鍵模塊、電源模塊組成的。硬件的流程是單片機(jī)主控制器通過(guò)不斷的掃描按鍵，當(dāng)掃描到按鍵值要求開(kāi)始測(cè)溫時(shí)，然后調(diào)用相應(yīng)的指令給TN_9，在完成相應(yīng)的指令后，TN_9就把測(cè)量結(jié)果送往單片機(jī)，單片機(jī)主控制器處理信號(hào)后，將會(huì)把測(cè)量數(shù)值顯示到LCD16

28、02模塊上，并且同時(shí)也將測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度值傳送到手機(jī)客戶端，以方便進(jìn)行觀測(cè)，手機(jī)客戶端可以通過(guò)藍(lán)牙向單片機(jī)發(fā)送指令，控制測(cè)溫系統(tǒng)的啟動(dòng)。單片機(jī)將把實(shí)時(shí)溫度值與之前已經(jīng)設(shè)定好的溫度值比較，若滿足報(bào)警條件，則開(kāi)啟聲光報(bào)警。 液晶屏顯示 單元手機(jī)客戶端無(wú)線藍(lán)牙傳輸AT89S51TN_9 報(bào)警電路 電源電 路按鍵電 路 圖3.1 便攜式紅外測(cè)溫系統(tǒng)功能模塊框圖3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案根據(jù)系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)要求，本測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)編寫(xiě)相應(yīng)的軟件部分，例如實(shí)現(xiàn)掃描按鍵，溫度的檢測(cè)、顯示、聲光報(bào)警、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，所以軟件部分的設(shè)計(jì)仍舊選用模塊化的設(shè)計(jì)思想。主要包括單片機(jī)模塊、顯示模塊

29、、測(cè)溫模塊、按鍵掃描模塊、聲光報(bào)警模塊、無(wú)線藍(lán)牙傳輸模塊，把各個(gè)模塊分別予以解決，就可以達(dá)到整體的效果,模塊劃分如圖3.2所示。主程序模塊 無(wú)線藍(lán)牙傳輸液晶屏顯示聲光報(bào)警 按鍵模 塊紅外測(cè) 溫 圖3.2 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計(jì)框圖在圖3.2紅外測(cè)溫系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計(jì)框圖中，主程序模塊主要完成系統(tǒng)初始化；TN_9模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和測(cè)量；按鍵模塊主要負(fù)責(zé)輸入按鍵信號(hào)，處理按鍵請(qǐng)求等；液晶屏顯示模塊主要負(fù)責(zé)獲取被測(cè)目標(biāo)相應(yīng)溫度數(shù)據(jù)；無(wú)線藍(lán)牙傳輸模塊主要負(fù)責(zé)將TN_9采集到的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)藍(lán)牙將其傳送到手機(jī)客戶端，進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。3.4 芯片介紹由于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)用到了一些比較重要的芯片，本節(jié)將

30、會(huì)對(duì)它們進(jìn)行詳細(xì)地介紹。3.4.1主從控制器AT89S52主從控制器單片機(jī)作為紅外測(cè)溫系統(tǒng)的主要處理器件和傳輸紐帶，整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的性能指標(biāo)由單片機(jī)決定。本溫度測(cè)溫系統(tǒng)的選擇是AT89S52單片機(jī)，此類單片機(jī)是一個(gè)CMOS8位微控制器。 由于用戶可以通過(guò)AVR_fighter軟件就可以下載/燒錄用戶程序到單片機(jī)中，根本不需要將單片機(jī)從產(chǎn)品上拆下，因此對(duì)于一邊設(shè)計(jì)一邊探索的設(shè)計(jì)，可以隨時(shí)加以完善，這樣同時(shí)保證了設(shè)計(jì)速度，而且也降低了軟件缺陷風(fēng)險(xiǎn)。由于用戶可以直接將程序下載到單片機(jī)，觀察的運(yùn)行效果，所以可以不用仿真器，圖3.3為此單片機(jī)的引腳圖。 圖3.3AT89S52單片機(jī)引腳圖AT89S52單片

31、機(jī)的特點(diǎn)：(1)與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容；(2)8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器；(3)1000次擦寫(xiě)周期；(4)全靜態(tài)操作：0Hz-33MHz；(5)三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；(6)32個(gè)可編程I/O口線；(7)三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；(8)8個(gè)中斷源；(9)全雙工UART串行通道；(10)低功耗空閑和掉電模式；(11)掉電后中斷可喚醒；(12)看門(mén)狗定時(shí)器；(13)雙數(shù)據(jù)指針。AT89S52各引腳的功能描述如下：(1)電源和晶振：VCC：芯片正常運(yùn)行的電壓，+5V；GND：地線；XTAL1和XTAL2：外部鐘頻信號(hào)引入引腳；(2)RST/VPD:復(fù)位引腳或者備用電源接入引腳。當(dāng)VCC電

32、源正常時(shí)，此引腳作為復(fù)位引腳，當(dāng)VCC電源斷電時(shí)，此時(shí)引腳作為備用電源接入，在低功耗的情況下，使片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)得到保護(hù)。單片機(jī)的復(fù)位操作是由RST/VPD腳上出現(xiàn)的高電平引起的，并且高電平至少要持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期；(3)ALE/:地址鎖存/編程。作為控制信號(hào)（ALE）時(shí)為輸出信號(hào)，頻率為始終振蕩頻率的1/6；作用時(shí)為輸入引腳，在EPROM編程輸入編程脈沖；(4):允許程序存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，是用于輸出的。頻率為時(shí)鐘振蕩頻率的1/6，用來(lái)選擇通片外程序存儲(chǔ)器。若產(chǎn)生了尋訪片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的指令，那么在則在12個(gè)振蕩周期內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生；(5)VDD/:片外程序ROM有效/編程電源。作用時(shí)為輸出信號(hào)，為低電

33、平時(shí)，片外程序ROM有效，為高電平時(shí)，片內(nèi)程序ROM有效。作VDD用時(shí)為電源輸入，輸入21V編程電源VPP。3.4.2紅外模塊組TN_9在本模塊的設(shè)計(jì)電路中，選擇一個(gè)性能合適的紅外測(cè)溫模塊器件十分重要。在設(shè)計(jì)過(guò)程中的紅外測(cè)溫模塊裝置的選取問(wèn)題上，首先必須考慮的是元器件的下列性能因素：元器件的尺寸、測(cè)溫響應(yīng)速度和時(shí)間、視場(chǎng)有效檢測(cè)面積、信號(hào)處理功能、元件數(shù)量、確定波長(zhǎng)范圍、制冷方式、確定光學(xué)分辨率、光譜響應(yīng)的范圍和被檢測(cè)目標(biāo)物體的溫度。凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的TN_9是本次紅外測(cè)溫模塊的不二選擇，它屬于集成的紅外探測(cè)器，其自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)有溫度補(bǔ)償電路、光學(xué)系統(tǒng)處理電路和線性處理電路，這樣我們就不需要自己去搭

34、建溫度補(bǔ)償?shù)入娐罚瑥亩?jiǎn)化了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。TN_9能夠測(cè)量的最遠(yuǎn)距離大約為30米，測(cè)試范圍為-33220，測(cè)量回應(yīng)時(shí)間大約為0.5秒，分辨率為1/16，刷新頻率為1.4HZ，而且它具備SPI接口，可以進(jìn)行串行傳輸數(shù)據(jù)，其引腳如圖3.4所示。TN_9紅外測(cè)溫模塊 V D C G A 圖3.4紅外測(cè)溫傳感器引腳圖在圖3.4中，V為電源引腳，電源一般引入3V或者5V電壓，一般取5V；D為數(shù)據(jù)接收引腳；C為時(shí)鐘輸出引腳，一般為2KHz；G為接地引腳；A為測(cè)試引腳，低電平有效。圖3.5是TN_9的SPI時(shí)序圖。當(dāng)CLOCK為下降沿時(shí)，就表示data pin要接收數(shù)據(jù)。例如，在一次數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，TN_9

35、紅外測(cè)溫模塊需要接收5個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，TN_9紅外測(cè)溫模塊信息格式如表3.1所示：表3.1 TN_9紅外測(cè)溫模塊信息格式ItemMSBLSBSumCR (1)Item：“L”(4CH)測(cè)量目標(biāo)溫度；“F”(66H)測(cè)量環(huán)境溫度；(2)MSB：8位數(shù)據(jù)，最高有效位；(3)LSB：8位數(shù)據(jù)，最低有效位；(4)Sum：驗(yàn)證碼，確認(rèn)數(shù)據(jù)無(wú)誤時(shí)Sum=Item+MSB+LSB；(5)CR：結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)CR為0x0dH時(shí)，表示成功接收完一次溫度數(shù)據(jù)。 圖3.5TN_9模塊的時(shí)序圖紅外測(cè)溫模塊溫度值的計(jì)算：由以上所述可知：無(wú)論紅外測(cè)溫模塊測(cè)量環(huán)境或者目標(biāo)溫度，都需要滿足Item為0x4cH或者0x66H并且C

36、R為0x0dH這三個(gè)條件。溫度都按照下面的公式計(jì)算。計(jì)算公式： 目標(biāo)溫度/環(huán)境溫度=Temp/16-273.15 (3.1)其中Temp是十進(jìn)制數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要將其轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。例如十進(jìn)制數(shù)據(jù)Temp=9034，那么當(dāng)Temp轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制時(shí)就為0x234aH，則高八位有效值MSB=0x23H，低八位有效值LSB=0x4ah，則測(cè)得的溫度值為9034/16-273.15=291.475。3.4.3液晶顯示屏LCD16021602LCD液晶顯示屏由于體積小、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種儀器。1602LCD模塊內(nèi)部的存儲(chǔ)器已經(jīng)存儲(chǔ)了不同的點(diǎn)陣字符圖形，所以表示的信息量比較

37、大。由表3.2 LCD1602的引腳圖、圖3.6 LCD1602的讀操作時(shí)序圖、圖3.7 LCD1602的寫(xiě)操作時(shí)序圖可以得知，1602LCD有以下特點(diǎn)：(1)讀狀態(tài)：輸入：RS=L，RW=H，E=H；輸出：D0D7=狀態(tài)字；(2)寫(xiě)指令：輸入：RS=L，RW=L，D0D7=指令碼，E=高脈沖；輸出：無(wú)； (3)讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=H,RW=H,E=H；輸出：D0D7=數(shù)據(jù)；(4)寫(xiě)數(shù)據(jù)：輸入：RS=H,RW=L,D0D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖；輸出：無(wú)。圖3.6 LCD1602讀操作時(shí)序圖3.7 LCD1602寫(xiě)操作時(shí)序 表3.2 LCD1602的引腳圖 GND液晶GND。這是給液晶工作供電，不

38、正常會(huì)不能正常顯示。VCC液晶VCC。這是給液晶工作供電，不正常會(huì)不能正常顯示。VO液晶對(duì)比度調(diào)整端。需要輸入一個(gè)電壓信號(hào)控制液晶的灰度。不連接或是連接不正常會(huì)不顯示。RS寄存器選擇位。1：數(shù)據(jù)寄存器；0：指令寄存器RW讀寫(xiě)信號(hào)位。1：讀信號(hào)；0：寫(xiě)信號(hào)EN液晶使能位。1：使能液晶；0：禁止液晶操作D0數(shù)據(jù)傳輸位0。D1數(shù)據(jù)傳輸位1。D2數(shù)據(jù)傳輸位2。D3數(shù)據(jù)傳輸位3。D4數(shù)據(jù)傳輸位4。D5數(shù)據(jù)傳輸位5。D6數(shù)據(jù)傳輸位6。D7數(shù)據(jù)傳輸位7。VCC背光VCC。如果連接不正常會(huì)導(dǎo)致液晶背光不亮，但是不影響液晶顯示，可以不連接。GND背光GND。如果連接不正常會(huì)導(dǎo)致液晶背光不亮，但是不影響液晶顯示，

39、可以不連接。3.4.4穩(wěn)壓芯片LM7805 LM7805是三端正電源穩(wěn)壓芯片，其可以給電路提供正5V的電壓。它的封裝形式和其他78系列的穩(wěn)壓芯片一樣，是TO220。因?yàn)樗峁┑碾妷狠敵鍪枪潭ǖ?，所以它被廣泛應(yīng)用于電壓調(diào)節(jié)器電路。LM7805在電路中使用時(shí)基本不會(huì)損壞，這有三個(gè)原因：其一是因?yàn)槠鋬?nèi)部電流的限制；其二有散熱片用于過(guò)熱保護(hù)；其三就是LM7805得到了安全工作區(qū)的保護(hù)。使用LM7805時(shí)，要提供超過(guò)1.5A的輸出電流，則必須有足夠多的散熱片被提供給電路。利用三端穩(wěn)壓集成芯片LM7805在搭建穩(wěn)壓電源電路時(shí)，不需要使用的外圍元件。而且LM7805芯片內(nèi)部就有保護(hù)電路，例如過(guò)流和過(guò)熱。并且

40、LM7805只有三條引腳輸出，1是輸入端,2是接地腳，3是輸出腳，圖3.8為L(zhǎng)M7805的引腳圖。 圖3.8 LM7805的引腳圖LM7805的特點(diǎn)：(1) 最大輸出電流為1.5A；(2) 輸出電壓為正5V；(3) 熱過(guò)載保護(hù)；(4) 短路保護(hù)；(5) 輸出晶體管安全工作區(qū)保護(hù)。3.4.5BLK-MD-HC-05藍(lán)牙模塊藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，目前的藍(lán)牙產(chǎn)品的制作，參考的標(biāo)準(zhǔn)是class2標(biāo)準(zhǔn)，按功率來(lái)說(shuō)，在嚴(yán)格無(wú)故障的情況下且嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)制作的產(chǎn)品，傳輸距離可以達(dá)到30米；在有一定得障礙的情況下，它也能傳輸10米。藍(lán)牙支持的通信方式有兩種：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)。藍(lán)牙的無(wú)線連接取代了數(shù)據(jù)

41、電纜，將家庭或辦公室等形成了一個(gè)微微無(wú)線設(shè)備網(wǎng)(Piconet)，這些設(shè)備包括語(yǔ)音設(shè)備、打印機(jī)等等，若是將幾個(gè)微微網(wǎng)繼續(xù)用無(wú)線銜接起來(lái)，就可以構(gòu)成一個(gè)小型的分布式網(wǎng)絡(luò)(scatternet)，在同一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)里面的設(shè)備就可以相互通信。BLK-MD-HC-05藍(lán)牙模塊最初是專為智能無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸而打造的，支持SPP藍(lán)牙串口協(xié)議。BLK-MD-HC-05藍(lán)牙模塊的核心芯片是BlueCore4-Ext，這款芯片的優(yōu)點(diǎn)就在于：可以進(jìn)行嵌入式的編程，而且遵循V2.0+EDR藍(lán)牙規(guī)范。BLK-MD-HC-05藍(lán)牙本模塊支持許多接口，例如：USB、SPI等接口，而且購(gòu)買(mǎi)成本低、與手機(jī)客戶端匹配系數(shù)高、體積小

42、、管腳少、內(nèi)部集成度高、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)，與單片機(jī)一起搭建電路，只需少許的外圍元件，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。BLK-MD-HC-05藍(lán)牙模塊具有以下特點(diǎn)：(1) 藍(lán)牙V2.0+EDR；(2) 藍(lán)牙Class 2；(3) 內(nèi)置PCB射頻天線； (4) 內(nèi)置8Mbit Flash；(5) 支持SPI編程接口； (6) 支持USB,SPI等接口； (7) 支持主從一體；(8) 支持軟件控制主從模塊； (9) 3.3V電源；(10) 通過(guò)REACH、ROHS認(rèn)證。4 紅外測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)簡(jiǎn)介本節(jié)主要具體介紹紅外非接觸式測(cè)溫技術(shù)的原理和熱釋電傳感器的功效特色。4.1 溫度測(cè)量技術(shù)的概述經(jīng)過(guò)一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，

43、普通溫度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，完全超乎我們的想象。到目前為止，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展，在一些特殊的場(chǎng)合(如高溫、強(qiáng)電磁場(chǎng)條件下、核輻射環(huán)境下或較遠(yuǎn)距離)下需要比較特殊溫度測(cè)量技術(shù)，所以當(dāng)前測(cè)溫研究的重點(diǎn)也在于一些特殊場(chǎng)合的測(cè)溫。輻射溫度的測(cè)溫也被稱為非接觸式紅外溫度測(cè)溫，檢測(cè)元件用于輻射測(cè)溫一般有兩種：熱電和光電探測(cè)器。輻射溫度測(cè)量系統(tǒng)的制作相對(duì)簡(jiǎn)單，原理比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了大范圍的溫度測(cè)量，也可以用來(lái)檢測(cè)某一點(diǎn)的表面溫度；而且這種測(cè)溫系統(tǒng)可以制作成為便攜式或者固定式的，使用非常方便。它的制造成本比較低，生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單，不用接觸被測(cè)目標(biāo)物體，就可以完成測(cè)溫過(guò)程，紅外測(cè)溫?fù)碛蟹磻?yīng)時(shí)間短、使用簡(jiǎn)單、不

44、易受被測(cè)對(duì)象的干擾、耐用等長(zhǎng)處。紅外輻射測(cè)溫也有其弊端，即在測(cè)量時(shí)物體的發(fā)射率、非零距離的接觸測(cè)溫、灰塵和水蒸汽等外界環(huán)境因素的干擾，使得測(cè)量結(jié)果會(huì)有所偏差。在這一溫度測(cè)量模塊中最重要的是傳感器，在眾多的產(chǎn)品中，紅外溫度傳感器是最適合用來(lái)測(cè)量溫度的，因此傳感器的選取是舉足輕重的，并且不僅能實(shí)現(xiàn)在某一點(diǎn)的溫度測(cè)量，而且也可以在大范圍測(cè)量溫度時(shí)使用。由于紅外溫度傳感器具備分辨率高、測(cè)量規(guī)模廣、反應(yīng)時(shí)間短、測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單和穩(wěn)定有效等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)使用的溫度測(cè)量傳感器正是紅外溫度傳感器。4.2 紅外測(cè)溫原理正如大家所知道的，黑體輻射定律是紅外測(cè)溫技術(shù)最初的測(cè)溫理念的源頭。在自然界中，所有的物體

45、對(duì)象都可以用一個(gè)溫度來(lái)描述它們的生命機(jī)能，而且溫度高于絕對(duì)零度的物體，不停對(duì)外輻射能量。由黑體輻射定律可以得知，物體對(duì)外輻射能量的原因是有許多方面的影響因素，最重要的是波長(zhǎng)分布和表面溫度。因此隨著物體溫度的升高，被測(cè)物體所發(fā)出的紅外輻射能力就會(huì)隨物體溫度的升高而加強(qiáng)。由普朗克公式得出，當(dāng)知道溫度T和波長(zhǎng)時(shí)，黑體單色輻射出射度為：M(T)=C1-5expC2/T-1-1 (4.1)圖4.1是在不同溫度下的黑體光譜輻射度圖： 圖4.1 不同溫度黑體的光譜輻射度從圖4.1不同溫黑體的光譜輻射度的黑體輻射曲線可知，紅外測(cè)溫具有以下幾個(gè)特征:(1)當(dāng)溫度為任意值，隨著波長(zhǎng)的連續(xù)變化，這可能會(huì)導(dǎo)致黑體的光

46、譜輻射度會(huì)發(fā)生變化，但每個(gè)曲線的連續(xù)變化，將有一個(gè)最大值；(2)隨溫度連續(xù)變化，光譜輻射度最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)也會(huì)產(chǎn)生變化。例如溫度升高，而其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)將會(huì)減??；溫度降低，而其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)將會(huì)增大。這一現(xiàn)象說(shuō)明溫度的連續(xù)變化，會(huì)導(dǎo)致波長(zhǎng)改變。即在黑體輻射的全部波長(zhǎng)中，當(dāng)溫度改變時(shí)，長(zhǎng)波輻射所占比例也會(huì)改變；(3)溫度也會(huì)干擾黑體輻射曲線，而且與黑體輻射曲線成正比關(guān)系。即在任何給定的波長(zhǎng)處，溫度和光譜輻射度呈現(xiàn)同步增長(zhǎng)或下降的趨勢(shì)。4.3 紅外測(cè)溫方法紅外測(cè)溫儀的基礎(chǔ)是測(cè)溫原理，所以測(cè)溫原理不同，就會(huì)有不同的紅外測(cè)溫儀。在查閱了一些相關(guān)資料后，了解到紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)比較通用的方法有三種，其一是全輻射

47、測(cè)溫法，這是一種需要測(cè)量出輻射物體的全波長(zhǎng)，并且計(jì)算出全波長(zhǎng)的熱輻射，才能得到物體的輻射溫度的方法；其二是亮度溫度的測(cè)量方法，若是想用這種方法來(lái)獲得亮度溫度，就必須測(cè)出在一定波長(zhǎng)下物體的單色輻射亮度；其三是比色測(cè)溫法，這種方法是將被測(cè)對(duì)象放在兩個(gè)不同波長(zhǎng)下，得到它們?cè)诓煌ㄩL(zhǎng)下的單色輻射亮度的比例，通過(guò)判斷這一比例和溫度變化的關(guān)系來(lái)定溫。通過(guò)翻閱亮度測(cè)溫法的介紹，知道這種測(cè)溫方法不需要環(huán)境溫度補(bǔ)償，并且和其他方法相比，亮度測(cè)溫法不僅發(fā)射率誤差較小，而且它的測(cè)溫精度高。然而因?yàn)榱炼葴囟鹊臏y(cè)量方法只適合在短波區(qū)工作，所以這一方法僅僅適用需要測(cè)量高溫的情況下。由資料顯示由于比色測(cè)溫法的光學(xué)系統(tǒng)可以小

48、部分遮蓋，因此比色測(cè)溫法受煙霧灰塵的影響很小，所以用這種方法測(cè)溫誤差小。但是比色測(cè)溫法也有弊端，其一是工作波段必須選擇適當(dāng)波段，這樣才能使波段的發(fā)射率相差比較小。綜合所有的因素，最后選擇了全輻射測(cè)溫法用作本次設(shè)計(jì)的測(cè)溫方法，去測(cè)量被測(cè)物體的溫度，這種測(cè)溫方法是在所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)的總輻射的基礎(chǔ)上計(jì)算出溫度值。由于被測(cè)對(duì)象溫度約在0100之間，屬于中低溫類，眾所周知，這類被測(cè)對(duì)象波長(zhǎng)較大，并且它們輻射出的信號(hào)小，這是紅外測(cè)溫方法選擇全輻射測(cè)溫的原因。但是全輻射測(cè)溫法的缺點(diǎn)在于它的測(cè)溫精度比較差，并且和其他方法相比較受物體輻射率影響也很大。全輻射測(cè)溫法的相關(guān)方法介紹如下：由普朗克公式可知，輻射溫度與檢

49、測(cè)電壓之間的聯(lián)系如下：V=RaT4=KT4 (4.2)當(dāng)(4.2)式中K=Ra，由實(shí)驗(yàn)確定，定標(biāo)時(shí)取1，(1)T被測(cè)物體的絕對(duì)溫度；(2)R探測(cè)器的靈敏度；(3)a與大氣衰減距離有關(guān)的常數(shù)；(4)輻射率；(5)斯蒂芬玻耳茲曼常數(shù)。因此，我們能夠通過(guò)檢測(cè)電壓與輻射體溫度之間的關(guān)系，進(jìn)一步得出被測(cè)對(duì)象的溫度。從公式(4.2)可以得出：探測(cè)器輸出信號(hào)與目標(biāo)溫度的關(guān)系不是線性的，而是非線性的，V與T4之間的關(guān)系不是線性的，但是它們成正比關(guān)系，因此在得出被測(cè)對(duì)象的表面體溫之前，要進(jìn)行線性化處理。只有經(jīng)過(guò)處理后可以獲得物體的表面溫度，但是需要進(jìn)一步輻射率校正，才能獲得真正的溫度。 其校正式為： (4.3)

50、公式(4.3)式中Tr：輻射溫度(表觀溫度)；(T)：輻射率，取0.10.9。由于輻射信號(hào)干擾調(diào)制片，被測(cè)對(duì)象校正后表面的真實(shí)溫度與環(huán)境溫度相比，被測(cè)對(duì)象校正后的表面真實(shí)溫度偏高，因此必須做溫度補(bǔ)償，即最終得到實(shí)際溫度，是由真實(shí)溫度與環(huán)境溫度相加而得。4.4 熱釋電傳感器工作原理在目前的市場(chǎng)上，有一款新型紅外傳感器，即熱釋電傳感器，其經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，目前這款傳感器在紅外檢測(cè)領(lǐng)域中的占有不可代替的重要性，尤其是在一些比較前沿的領(lǐng)域，例如工業(yè)過(guò)程自動(dòng)監(jiān)控、汽車行業(yè)、食品行業(yè)、冶金行業(yè)、石油行業(yè)等等范疇領(lǐng)域。4.4.1熱釋電效應(yīng)早在1703年左右，人們就發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象，即對(duì)晶體加熱時(shí)，當(dāng)晶

51、體受熱的溫度達(dá)到一定的上限值時(shí)，晶體的兩端將會(huì)就會(huì)因?yàn)榫w溫度的改變，而產(chǎn)生一定數(shù)量相等而電性相反的電荷。這種電極現(xiàn)象是由于晶體受熱而導(dǎo)致的，現(xiàn)代人們將其稱之為熱釋電效應(yīng)。但是直到1965年，人們才認(rèn)識(shí)到熱釋電效應(yīng)的溫度靈敏性，超出了人們的想象，在室溫下就可以檢測(cè)出的溫度變化值為610-6。但由于各種現(xiàn)實(shí)條件的限制,所以在非接觸式測(cè)溫方法中一直沒(méi)有成功的運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)。一般情況下，因?yàn)榫w長(zhǎng)期暴露在空氣中，而晶體表面也常常附著自由電子。晶體會(huì)因?yàn)樽园l(fā)極化的原因而產(chǎn)生束縛電荷，而晶體上自由電子會(huì)和晶體的束縛電荷中和，因此該晶體不會(huì)表現(xiàn)出自發(fā)極化的電性。某些特殊晶體(如單晶，壓電陶瓷，高分子薄膜)的

52、表面受到紅外線的輻射并吸收其能量使該晶體表面的溫度發(fā)生變化，并且晶體表面溫度的變化會(huì)導(dǎo)致晶體表面電荷的變化，熱釋電晶體表面電荷隨溫度變化的移動(dòng)情況如圖4.2所示，其中(a)圖為電荷不移動(dòng)時(shí)的情況，(b)圖為電荷移動(dòng)時(shí)的情況。 (a) 電荷不移動(dòng)的情況 (b) 電荷移動(dòng)的情況圖4.2 熱釋電效應(yīng)圖由以上的討論可以得出：用紅外線去照射熱釋電元件時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熱釋電元件的內(nèi)部極化作用發(fā)生巨大變化，而這些發(fā)生變化的部分以電荷的形式被釋放出來(lái)，運(yùn)用一定的措施將這些電荷從外部取出來(lái)就可以形成傳感器的輸出電壓。由以上論述可以知道，當(dāng)溫度發(fā)生改變的時(shí)候，由于熱釋電傳感器表面的電荷情況發(fā)生改變，產(chǎn)生一個(gè)電壓值輸出。

53、一般情況下可以用陶瓷氧化物或壓電晶體元件作為制造紅外傳感器的材料，特別是熱釋電紅外傳感器，把材料元件的表面分別做成兩個(gè)電極，這樣就可以制作出最簡(jiǎn)單的熱釋電紅外傳感器。在傳感器的溫度測(cè)量規(guī)模內(nèi)，只有溫度改變了T被檢測(cè)出時(shí)，由于熱釋電效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生電荷Q，其存在傳感器的兩個(gè)電極之間，所以微弱的電壓差V就會(huì)存在在兩個(gè)電極之間。當(dāng)熱釋電探測(cè)器測(cè)量到溫度變化，而改變的溫度差經(jīng)過(guò)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換處理，它才能成為一個(gè)交流電壓信號(hào)，而且在信號(hào)處理電路中進(jìn)一步對(duì)交流電壓信號(hào)進(jìn)行處理。設(shè)定一些已知參數(shù)，例如被測(cè)物體的溫度為T(mén)1，測(cè)量的環(huán)境溫度為T(mén)2，被測(cè)物體輻射率為1，環(huán)境的輻射率為2，則傳感器的輸出信號(hào)可表示為：Q=K

54、1T4 1 -K2 T4 2 (4.4) 相應(yīng)輸出的電壓： V=S(T4 1-T4 2) (4.5)式中的1表示被測(cè)目標(biāo)輻射率；2表示目標(biāo)背景輻射率；表示斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)；S是與熱釋電反應(yīng)特性和被測(cè)對(duì)象表面發(fā)射率相關(guān)的參數(shù)。4.4.2探測(cè)器的選擇在市場(chǎng)上熱釋電傳感器是按照封裝、外形等來(lái)分類，按照不同的類型來(lái)分類，所以品種較多，例如有塑封式和金屬封裝等，而且這個(gè)塑封式和金屬封裝還可以進(jìn)一步分為 立式和臥式。熱釋電傳感器還可以分為有單探測(cè)元、雙探測(cè)元等，這種分類是從熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)分的。一般常見(jiàn)的的熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖4.3所示，其中(1)圖為傳感器外形結(jié)構(gòu)，(2)圖為管腳名稱，D為漏極端，S為源極端，GND為接地端。 (1) (2)圖4.3 熱釋電傳感器 人體的溫度大約是37，正常的生命機(jī)能才能運(yùn)行。在體溫約為37的情況下，一般人體輻射的紅外波波長(zhǎng)為10m左右，TN_9對(duì)514m范圍內(nèi)的波長(zhǎng)反應(yīng)比較快速，TN_9紅外測(cè)溫傳感器測(cè)溫是不需要去接觸人體的，它是通過(guò)檢測(cè)人體輻射出的紅外線能量的變化，并將這種紅外能量變化轉(zhuǎn)換