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 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)試過程或結(jié)論94.1 調(diào)試過程94.2 結(jié)論115心得體會(huì)116參考文獻(xiàn)12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）通過熱電堆TP337A來探測(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°C；（3）可

2、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)。2.2 設(shè)計(jì)流程圖根據(jù)設(shè)計(jì)原理，可以畫出其

3、流程圖，見圖1。單片機(jī)模塊LED數(shù)碼管顯示模圖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的匚作電路，TP337A是一種人體熱釋電傳感器，可以通過非接觸的方式檢測(cè)出物體放射出來的紅外線能量變化，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、車輛、石油化工、食品、醫(yī)藥、塑料、檬膠、紡織

4、、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)表見圖3所示。Pinassignment&description2thermistorpin4thermistorpin(GND)1thermopileoutputpin(+)3thermopileoutputpin(-)BACKSIDEVIEW圖2紅外探測(cè)器管腳圖日ectricalCharactencticcParanaterKn.Max.UnitThermopileV修r(nóng)bmFG.5U8Si116iiOnipste17CT174CIr-rrfAn.ww7ss=舁M«r

5、U5，nnSKO>:625附T三0a-ce0tLeFol0:r.53BCiTOIKQ5e飛trfvimwer708318VN“堂小&1.9*10-1*1于L1.7*10*一ie一GSP輻QFSJS2531a一:-但02803G023本/r二QroKi：*cr，Oottro"<0100w*Tcmperanufcreferencereswtor29-1300I309KC0r:r：F.3773M1134“KUtea&Lr&est1HzcbooprwtHrspetslrsn§&5-140eusigaelsoctodyracistsrefS

6、OCKtBorerstirG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。Thermopilevoltagevs.blackbodytemperature700600500400aoo200too02630364)A560Targettemperature(C圖4紅外探測(cè)器溫度與輸出電壓的關(guān)系lAzeoeJIOA§18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性關(guān)系，溫度大約是電壓的39000倍。紅外探測(cè)器的典型匚作電路如圖5所示。O(JTPIJT(+)OUTPIJT(-)INPUTGNDJPTP3371U7TP337圖5紅外探測(cè)

7、器原理圖2.3.2LM358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關(guān)，其方案一的原理圖如圖6所示。方案二方案;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

8、，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。方案三針對(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，所以采用其原理圖如圖8所示。圖8差分放大電路差分放大電路,2.3.3AD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12c總線接口。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12c總線而不需要額外硬件。器件地址，控制和數(shù)據(jù)通道通過兩線雙向12c總線傳輸。經(jīng)過放大電路后

9、的電壓值通過AINO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)于編程來說，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)換模塊原理圖見圖9。T主主919CSRDWRCLK4INTRAGIMODONOVREF/2CLKRVIZ+VIN-VCCDBO(LSB>DB1DB2DB3DB<DBSDB6DB7(MSB>圖9AD0801搭建的AD轉(zhuǎn)換電路234單片機(jī)模塊選用STC89c52單片機(jī)，這是一種低功

10、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分別用來與12c的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線相連，P0口用來控制LED顯示模塊的段選，P2.5、P2.6、P2.7分別用來控制LED顯示模塊的位選端。圖10單片機(jī)模塊二十-2_>XTAL1”33XTAL2P3F2.2.'D2PSD.3RQTP3.4-AD*P35.-A5F3.C-.WP3.7/AD7ALEEXP1.P1.1P1.ZP13F1.4P1.SP1.7P2Q«A2F2“2P2XA13F-11F2X.

11、A12F25.A13P26.AUR27/A15P3.O.ftXDPUrTXOF3I'BJtTF3.41T3P3.5iT1砥sTEXTV33_32_I2131TT3422.3.5LED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，

12、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。0E-LEDQLHHHLHLLLLXQOHXXZ圖1174HC573的真值表LED連接圖見圖12所示。U974ALS573<T6XT>234s67QQQQQQQ1918171615141312ABCDEFGDPU108C74LS138E2E3Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7圖12LED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

13、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)試過程帶來很大的麻煩，所以選擇方案二。3實(shí)現(xiàn)萬案如圖所示，TP337A感應(yīng)到紅外線后，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，經(jīng)過兩級(jí)放大電路得到最終的模擬電壓信號(hào)。通過模數(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，漉掉信號(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

14、理圖如圖13所示。圖13實(shí)現(xiàn)方案的原理圖4調(diào)試過程或結(jié)論4.1調(diào)試過程技術(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，原本以為在仿真軟件上可以正常I：作，想當(dāng)然硬件電路也能運(yùn)行。然而，在檢查無語(yǔ)法錯(cuò)誤下載到單片機(jī)后，LED并沒有顯示數(shù)字，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)是自己弄錯(cuò)了138輸入的三個(gè)管腳的高低順序，輸出乂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，問題即解決，四位數(shù)碼管上有我希望的三位可以亮起

15、,但還是沒有顯示正確的數(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。改正程序后問題得到解決。在調(diào)節(jié)了電阻后，問題略有改善，但還是不能達(dá)到理想的狀態(tài)。后來我考慮到是濾波的問題，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14,15。圖14

16、實(shí)物圖圖15實(shí)物圖4.2名吉論本次課程設(shè)計(jì)從完成任務(wù)上來說是成功的，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，最后咨詢老師才發(fā)現(xiàn)了問題所在，雖然問題沒能及時(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，更別提利用它來設(shè)計(jì)一個(gè)溫度感應(yīng)系統(tǒng)來動(dòng)態(tài)顯示溫度。但是通過老師的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)H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，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。接下來是AD轉(zhuǎn)換模塊，在網(wǎng)上查閱了很多資料后，結(jié)合12c總線協(xié)議我才算是有點(diǎn)思路。設(shè)計(jì)好電路，編寫好程序，就是程序的燒錄過程。本以為自己的程序編寫的沒有什么錯(cuò)誤，只要能夠正確燒錄，就能夠正常工作，沒想到問題一大堆。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)，這句話說的很對(duì)，不通過實(shí)踐，我是不能發(fā)現(xiàn)程序中存在的錯(cuò)