基于熱電堆紅外探測器的非接觸人體表面溫度的測量

1、-目 錄1. 技術(shù)指標12. 設(shè)計方案及其比較12.1 方案一12.2 方案二22.3 方案三22.4 方案比較33. 實現(xiàn)方案33.1 器件說明33.1.1 TPS337A熱電堆說明33.1.2 LM358運算放大器說明43.1.3 PCF8591 A/D轉(zhuǎn)換器說明53.1.4 74LS138譯碼器與74HC573鎖存器說明63.2 最終實現(xiàn)方案83.2.1 實現(xiàn)方案電路圖83.2.2 方案設(shè)計原理及思路94. 調(diào)試過程及結(jié)論164.1 電路實物的連接164.2 調(diào)試結(jié)果展示174.3 調(diào)試結(jié)論185. 心得體會186. 參考文獻19. z-基于熱電堆紅外探測器的非接觸人體外表溫度的測量1.

2、 技術(shù)指標設(shè)計一個非接觸人體外表溫度系統(tǒng)，要求：1. 通過熱電堆TPS337A來探測人體外表的溫度；2. 由LED數(shù)碼管顯示測量的溫度，要求顯示溫度精度能夠到達0.1；3. 可以連續(xù)測量人體外表或環(huán)境溫度。 2. 設(shè)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(zhuǎn)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局部組成：體溫信號放大電路和環(huán)境溫度信號處理電路。體溫信

3、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(gòu)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(zhuǎn)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是一款低本錢、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益圍為1至1000。此外，AD620采

4、用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立式設(shè)計，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(或遠程)應(yīng)用，其工作電壓為4.6V36V或±2.3V±18V。兩路電壓信號分別連接A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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部包括有兩個獨立的、高增益、部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓

5、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330V，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(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片的輸入口。整個電路相對較為簡單，而且整體效

6、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，可在其根底上進展調(diào)試。3. 實現(xiàn)方案3.1 器件說明3.1.1 TPS337A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(yīng)關(guān)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3.1.2 LM358運算放大器說明LM358是雙運算放大器。部包括兩個獨立的、高增益、部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合用于電源電壓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(guān)。LM358芯片

7、引腳圖如圖6所示。圖6LM358芯片引腳圖3.1.3 PCF8591A/D轉(zhuǎn)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。該地址包括固定局部和可編程局部?？删幊叹植勘仨毟鶕?jù)引腳A0、A1、A2來設(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/寫位。PCF8591的地址設(shè)置如圖8所示。圖

8、8PCF8591地址設(shè)置發(fā)送到PCF8591的第二個字節(jié)將被存儲在控制存放器，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(yīng)的輸出端以低電平譯出。比方：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

9、/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/OELEDQLHHHLHLLLL*Q03.2 最終實現(xiàn)方案3.2.1

10、 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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計原理及思路整個設(shè)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(zhuǎn)換模塊單片機模塊LED數(shù)碼管顯示圖13 設(shè)計思路模塊1.紅外測溫模塊在自然界中的任何物體，只要高

11、于絕對零度(27315)，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(guān)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(guān)，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910m的紅外線。通過測量人體自身輻射的紅外能量，便可以較為準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(yīng)的電動勢，通過對該電動勢的測量，即可將電壓信號復(fù)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(guān)系可知，在人體溫度圍，探測器的輸出電

12、壓根本與溫度成正比，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展放大以后才能顯示。所以我們設(shè)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：3. A/D轉(zhuǎn)換模塊由圖8地址設(shè)置可知，當A0、A1、A2均接地時，執(zhí)行寫操作，該地址為0*90。由圖9控制字設(shè)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(yīng)設(shè)置為01000000，即0*40。4. 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(zhuǎn)換芯片到單片機的數(shù)據(jù)傳輸。具體的單片機代碼如

13、下。*include<reg52.h>*define uchar unsigned char*define uint unsigned int*define PCF8591 0*90*define N 11void delayms(uint);bit write=0;sbit dula=P10; /控制鎖存器使能端sbit SCL=P21;/時鐘信號sbit SDA=P20;/數(shù)據(jù)信號uchar table1=0*fc,0*60,0*da,0*f2,0*66, 0*b6,0*be,0*e0,0*fe,0*f6;/不帶小數(shù)點數(shù)碼管顯示uchar table2=0*fd,0*61,0*

14、db,0*f3,0*67, 0*b7,0*bf,0*e1,0*ff,0*f7;/帶小數(shù)點數(shù)碼管顯示uchar num,ge,shi,bai;void delay() /延時4-5個微秒;void start()/開場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();void stop()/停頓SDA=0;delay();SCL=1;delay();SDA=1;/SCL處于高電平器件SDA上升沿停頓信號delay();void respons()/應(yīng)答 uchar i; SCL=1; delay(); while(SDA

15、=1)&&(i<255)i+;/當一段時間過后沒有收到從機的應(yīng)答則主器件默認從器件已經(jīng)收到數(shù)據(jù) SCL=0; delay();void init() /初始化 SDA=1; delay(); SCL=1; delay(); uchar read_byte()/讀一個字節(jié)數(shù)據(jù) uchar i,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，再在最低位承受當前位 SCL=0; delay(); return k;void write_by

16、te(uchar date) /寫一字節(jié)數(shù)據(jù) uchar i,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();void write_add(uchar control,uchar date)/向芯片的任意地址寫一字節(jié)的數(shù)據(jù)start(); write_byte(0*90); /10010000 前四位固定為

17、1001 接下來三位A2、A1、A0為地址選擇，本次電路設(shè)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();uchar read_add(uchar control)/向芯片的任意地址讀一字節(jié)的數(shù)據(jù) uchar date; start(); write_byte(0*90); respons(); write_byte(control); respons(); start(); write_byte(0*91); /把最后一位變成1，讀respons

18、(); date=read_byte(); stop(); return date;void display(uchar ge,uchar shi,uchar bai) P0=0;dula=1; /鎖存器使能端翻開P0=table1bai;dula=0; /鎖存器使能端關(guān)閉，數(shù)據(jù)鎖存P1=0*40; /位選最高位delayms(10);P0=0;dula=1;P0=table2shi;dula=0;P1=0*20; /位選個位delayms(10);P0=0;dula=0;P0=table1ge;dula=1;P1=0*00; /位選最低位delayms(10);void main() uchar A1,A2,A3; init();while(1) display(A1,A2,A3);num=read_add(0*40);/讀出的數(shù)據(jù)保存到num中A3=(num+250)/100;/十位A2=(num+250)%100/10;/個位A1=(num+250)%10;/小數(shù)點后一位 void delayms(uint *ms) uint i,j; for(i=*