毕业设计人体红外温度测量系统设计毕业论文

编号 毕 业 设 计（论文）题目 人体红外温度测量系统设计 二级学院 电子信息与自动化学院 专 业 测控技术与仪器 班 级 学生姓名 学号 指导教师 职称 时 间 目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 研究目的及意义11.2 国内外研究现状11.3 发展趋势和研究方向21.4 本论文的主要内容32 红外测温原理及方案介绍42.1 红外测温的基础理论42.2 红外测温的方法82.3 影响温度测量的主要因素92.4 红外测温仪的硬件设计92.5红外测温仪的软件设计103 硬件设计113.1 整体设计113.2 单片机模块的设计113.3 红外测温模块123.4 电源模块143.5报警模块153.6 显示模块153.7 本章小结174 软件设计 184.1 主程序模块的设计184.2 中断子程序流程图204.3 红外测温模块204.4 显示程序模块214.5 本章小结225 测试235.1 单片机最小系统测试235.2红外测温模块的测试245.3显示模块的测试245.4 人体红外测温整体的调试255.5本章小结256数据分析26总 结27致 谢28参考文献29附 录31文献综述45摘 要温度测量技术应用十分广泛，而且在现代设备故障检测领域中也是一项非常重要的技术。但在某些应用领域中，要求测量温度用的传感器不能与被测物体相接触，这就需要一种非接触的测温方式来满足上述测温需求。本论文正是应上述实际需求而设计的红外测温仪。红外测温仪是以黑体辐射定律作为理论基础，是光学理论和微电子学综合发展的产物。与传统的测温方式相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。本文介绍了红外测温仪测温的基本原理和实现方法，提出了以STC89C52单片机为其核心控制部件的红外测温系统。详细介绍了该系统的构成和实现方式，给出了硬件原理图和软件的设计流程图。该系统主要由光学系统、光电探测器、显示输出等部分组成。光学系统汇集其视场内目标的红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。STC89C52单片机负责控制启动温度测量、接收测量数据、并按照单片机中的温度值计算算法计算出目标的温度值再通过LCD把结果显示出来。关键词: STC89C52单片 红外测温 LCD显示AbstractThe technology of temperature measurement is used widespread, and it also important in the modern equipment failure examination field. But in some application domains, we neednt the sensor contact with the measured object which used in temperature measurement, this needs a kind of non-contact temperature measurement to satisfies the demand and the design of this infrared thermometer is also based on the demand.Infrared thermomter, it uses the blackbody radiation laws as the theories foundation, it is the outcome that the optical theories and micro-electronics learn a comprehensive development. Compared to the way of traditional temperature measurement, it has a series of merits, such as short in response time, non-contact, noninterference to temperature field, long useful time and convenient operation, etc.The paper introduces the basic principle of infrared thermometer and the method of realization, puts forward infrared trermometer system with the STC89C51 MCU as the CPU. The paper introduces the composing and the method of that system in detail, and gives the hardware principle diagram and the design flow chart of the software. The system formed by the optical system, photoelectron detector,display and output partially. The optical system collects the infrared radiation energy of the object in its field of view, the infrared energy focusing on the instrument and transforms to the corresponding electrical signal. The STC89C51 MCU is used to start the temperature survey, data receive, count the value of the object temperature based on the arithmetic with in MCU and the result is displayed on LCD.Key words: The STC89C51 MCU infrared radiation thermometry the LCD display1 绪 论1.1 研究目的及意义由于医学发展的需要，在很多情况下，一般的温度计己经满足不了快速而又准确的测温要求，例如在车站和机场等人口密度较大的地方进行人体温度测量。虽然现在国外这种测温的技术都比较成熟，但是国内这方面的技术还处于发展阶段。因此，为了适应医学发展的需要，有效地进行特殊环境下的温度测量，从而有力地控制和预防诸如甲流、非典之类型的特殊疾病的传播，急需设计一种测温速度快，准确率高的测温仪。针对一般的工业用的红外测温仪的精确度不够高，根据这种红外线测温的原理，通过关键器件的选择、瞄准系统的设计以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的精确度，设计了一种用红外线测温的系统，可以用于人员密集且流量大的场合进行快速的人体温度测量。特别是2003年“非典”疫情的爆发，对人体体温测量技术提出了更高的要求，急需一种更加安全、方便、卫生的非接触测量工具进行测量人体温度。在此期间中科院上海技术物理研究所在863计划高技术成果的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究，在短时间内开发成功了“非接触式红外测温仪”，打开了国内“非接触式测量”的新篇章，但这种装置受一定因素影响，测量结果还有待进一步进行校正。目前，我国也在研发一种体积小，成本较低，又不受外界环境温度干扰的人体红外测温仪，对医学的发展有很重大的意义。1.2 国内外研究现状自从1800年英国天文学家FW赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。在发展初期，红外辐射和红外研究、部件的科学研究都发展缓慢，直到1940年前后才真正出现现代红外技术。当时，德国研制成硫化铅和几种红外投射材料，并利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦查仪、传播探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。其中有些达到实验室试验阶段，有少部分已经可以小批量生产，但都未曾来得及使用。此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。特别是美国，大力研究红外技术在军事上面的应用。目前美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视预警、跟踪以及武器制导等多个领域对于红外传感器的全球市场第三世界国家将比欧美国家更加重视。在国外，非接触式红外测温仪已经非常先进了，自1999年就有很多国家致力于这方面的开发研究。到现在为止，很多国家的产品已经达到国际先进水平，并已广泛应用于各个领域。比如，美国早在2001年就颁布了有关红外测温仪的计量标准，美国雷泰公司生产的ST系列红外测温仪已达到了世界领先水平。由于红外测温仪测温范围宽，除了用于人体温度检测外，还可用于电器的红外测量、供暖的红外测量、运输汽车维修时的红外测温等各个领域。我国对于红外测温度的起步较晚，一直到2003年由于“非典”疫情的爆发，对人体体温测量技术提出了更高的要求，急需一种更加安全、方便、卫生的非接触测量工具进行测量人体温度。在全国防“非典”斗争中，中科院上海技术物理研究所在863计划高技术成果的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究，在短时间内开发成功了“非接触式红外测温仪”，打开了国内“非接触式测量”的新篇章，但这种装置受一定因素影响，测量结果还有待进一步进行校正。作为一种医疗仪器，红外体温计的性能应当符合技术法规的要求。但目前我国尚未有相关的国家标准及计量检定规程，国家有关部门需要从速制定体温测量用的各种红外温度仪表的标准和计量校准规范。因此，我们还有很大一段差距。1.3 发展趋势和研究方向随着红外测温技术的普遍应用，一种新型的红外技术智能数字红外传感技术正在悄然兴起。这种智能传感器内置微处理器，能够实现传感器与控制单元的双向通信，具有小型化、数字通信、维护简单等优点。当前，各传感器用户纷纷升级其控制系统，智能红外传感器的需求量将会继续增长，预计短期内市场还不会达到饱和。另外，随着便携式红外传感器的体积越来越小，价格逐渐降低，在食品、采暖空调和汽车等领域也有了新的应用。比如用在食品烘烤机、理发吹风机上，红外传感器检测温度是否过热，以便系统决定是否进行下一步操作，如停止加热，或是将食品从烤箱中自动取出，或是使吹风机冷却等。随着更多的用户对便携式红外温度传感器的了解，其潜在用户正在增加。其中红外线人体测温仪是红外测温技术的一个重要应用，它是利用人体发出的红外线来测量出人体的温度。它采用高精度的红外传感器和微电子技术，能够快速、准确、方便地测出人体的温度，解决了传统水银式温度计的容易破碎、水银染环境与不易读数等问题。这可以说是医学测量的一个重大进步。利用红外温度传感器：红外线测温仪的理论依据：一切温度高于绝对零度(-273.15)的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有这十分密切的关系，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。1.4 本论文的主要内容本课题设计了测量范围为-33220精度为0.1的测温仪，为了实现上述要求，本课题主要进行了以下几个方面的研究：1）主要设计了基于STC89C52单片机的红外测温系统；2）介绍了红外测温的研究目的及意义，国内外红外测温的发展现状；3）详细介绍了红外测温的整体设计方案。从设计要求考虑完成硬件和软件资源的分配和规划，分别进行系统的硬件和软件设计。2 红外测温原理及方案介绍2.1 红外测温的基础理论在自然界中，一切温度高于绝对零度（-273.15C）的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律1。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。红外线是电磁波谱的一部分，这一波段位于可见光和微波之间。根据普朗克辐射定律，凡是绝对温度大于零度的物体都会向外辐射电磁波，物体的辐射强度与温度及表面辐射能力有关，辐射的电磁波谱分布与物体温度密切相关2。电磁波普如图2.1所示。在电磁波谱中，我们把人眼可直接感知的0.4 0.76m波段称为可见波段，而把波长从0.76 600m的电磁波称为红外波段。而红外区通常又可分为近红外区（0.76 1.5m）、中红外区（1.5 10m）和远红外区（10m以上）。近年来，红外辐射技术已成为一门发展迅速的新兴学科。它已经广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。图2.1 电磁波波谱图JD哈里认为，人体辐射能量与皮肤表面温度及辐射率有关。一般活体皮肤光谱范围约为3 50m，其中大部分能量集中在814m波段内，峰值波长约为9.5m。虽然人体生物波普分布范围比较宽，但在非能量集中区域的信号强度较低，尤其远端波段的数值极小。经科学检测，不管人体的肤色如何，干燥皮肤的红外辐射率均为0.98，近似为黑体。根据Planck定律，其波长主要分布在2.5 25m红外波段范围内，根据Wien定律mT=2898（Km），人体皮肤辐射的峰值波长同样约为9.5m。其中黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。但是，自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体，为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称“黑体辐射定律”。黑体辐射曲线如图2.2所示。图2.2黑体辐射曲线1.辐射的光谱分布规律普朗克辐射定律一个绝对温度为T（K）的黑体，单位表面积在波长附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率（简称为光谱辐射度）M，T与波长、温度T满足下列关系： （2-1）式中C1、C2分别为第一、第二辐射常数。普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。2.斯忒藩（德） 波尔兹曼（奥）（StefanBoltzmann）定律物体的总辐射率，即单位面积发射总功率与黑体温度的四次方及材料表面的发射率成正比。其数学表示如下： （2-2）其中：=5.6710-8w/m2K4，为StefanBoltzmann常数，为材料表面发射率。1879年斯忒藩从实验上总结得到该公式，1884年波尔兹曼从理论上证明了它。StefanBoltzmann定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射，同时黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且，只要当温度有较小变化时，都会使物体发射的辐射功率发生很大的变化。因此只要能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率，就可以确定黑体的温度了。StefanBoltzmann定律是所有红外测温的基础。3.辐射的空间分布规律朗伯余弦定律所谓的朗伯余弦定律，就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比： （2-3）此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检测时，应尽可能选择在被测表面法线方向最大值的cos倍。4.基尔霍夫（Kirchhoff）辐射定律与发射率实验表明，实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与够成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。这里，我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，即可把黑体的基本定律应用于实际物体的红外温度测量。而这个辐射系数就是常说的发射率，或称之为比辐射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在大于0和小于1的数值区间中。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因素有：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。因此利用在相同温度下实际物体与黑体的辐射出度之比来表示该物体的一种特性，可以称之为实际物体的发射率，也叫做全发射率，用表示。数学表示为： （2-4）式中：M为实际物体的辐射出度，Mo为相同条件下黑体的辐射出度。基尔霍夫定律揭示了热平衡下物体的辐射与吸收的关系，指出了一个好的吸收体也是一个好的辐射体。可以用以下公式表达： （2-5）由此可以看出，任何处于热平衡下物体的吸收率等于发射率，即物体的辐射本领越大其吸收本领也越大。而为了减少测量物体温度的误差，我们要去除环境温度因素的影响，所以修正的红外辐射定律如下： （2-6）式中：E为辐射出射度数，单位W/m3；为斯蒂芬波尔兹曼常数，5.6710-8W/(m2K4)；为物体的辐射率；To为物体的温度，单位K；TA为物体周围的环境温度，单位K；只要测量出所发射的E的值，就可计算出对应的温度。利用这个原理制成的温度测量仪器叫红外测温仪。这种测量不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测温。在不同的温度范围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0100C）范围，能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪器，其具体的设计也不同。根据式（2-6）的原理，仪器所测得的红外辐射为： （2-7）式中：A为光学常数，与仪器的具体设计结构有关；1为被测对象的辐射率；2为红外温度计的辐射率；TO为被测对象的温度（K）；TA为红外温度计的温度（K）；它由一个内置的温度检测元件测出。所有的物体，包括人体各部位的表面，其值都是某个大于0并小于1.0的数值。其中红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器相关的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。2.2 红外测温的方法依据测温原理的不同，红外测温仪的设计有三种方法，通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射温度的称为全辐射测温法；通过测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度测温法；如果是通过被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化来定温的称为比色测温法。亮度测温法无需环境温度补偿，发射率误差较小，测温精度高，但工作于短波区，只适于高温测量。比色测温法的光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘影响小，测温误差小，但必须选择适当波段，使波段的发射率相差不大。本文选用全辐射测温法来计算被测量物体的温度，全辐射测温法是根据所有波长范围内的总辐射而定温，得到的是物体的辐射温度。选用这种方法是因为中低温物体的波长较大，辐射信号很弱，而且结构简单，成本较低，但它的测温精度稍差，受物体辐射率影响大。下面是全辐射测温法的相关方法介绍：由普朗克公式可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系式： (2-8)式中K=Ra，由实验确定，定标时取1，T为被测物体的绝对温度，R为探测器的灵敏度，a为与大气衰减距离有关的常数，为辐射率，为斯蒂芬玻耳兹曼常数因此，可以通过检测电压而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号与目标温度呈非线性关系，V与T的四次方成正比，所以要进行线性化处理。线性化处理后得到物体的表观温度，需进行辐射率修正为真实温度， 其校正式为： 式中Tr为辐射温度(表观温度)(T)为辐射率，取0.10.9由于调制片辐射信号的影响，辐射率修正后的真实温度为高于环境的温度，还必须作环温补偿，即真实温度加上环温才能最终得到被测物体的实际温度。2.3 影响温度测量的主要因素影响红外人体测温仪的因素有：测温目标大小与测温距离的关系、测量温度时的环境因素、强光背景里目标的测量和温度输出功能。1) 测温目标大小与测温距离的关系：在不同距离处，可测的目标的有效直径D是不同的，因而在测量小目标时要注意目标距离。人体红外测温仪距离系数K的定义为：被测目标的距离L与被测目标的直径D之比，即K=L/D。 2) 选择被测物质发射率：人体红外测温仪一般都是按黑体（发射率=1.00）分度的，而实际上，物质的发射率都小于1.00。因此，在需要测量目标的真实温度时，必须设置发射率值。物质发射率可从辐射测温中有关物体发射率的数据中查得。3) 测量温度时的环境因素：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大的影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度。本设计中正是利用了PM611热释电红外线传感器可以补偿温度起伏的作用，实现准确测温。 4) 强光背景里目标的测量：若被测目标有较亮背景光（特别是受太阳光或强灯直射），则测量的准确性将受到影响，因此可用物体遮挡直射目标的强光以消除背景光干扰。 5）温度输出功能：首先模拟信号输出：05V，15V，010V，0/420毫安，可以加入闭环控制中。其次高报警、低报警:在生产过程中要求控制温度在某个范围里，可设置高，低报警值。高报警：在高报警设置打开的情况下，当温度高于高报警值，相应的LED灯闪烁，蜂鸣器响，并有AH常开继电器接通。2.4 红外测温仪的硬件设计本红外测温仪采用模块化的设计思想，它的硬件结构由STC89C52单片机模块，红外测温模块，电源模块，键盘模块和LED显示模块组成3。STC89C52单片机是本系统的控制中心，它负责控制启动温度测量、接收测量数据、计算温度值、并根据取得的键值控制显示过程；红外测温模块负责温度数据的采集、测量，并将采集到的数据通过数据端口传送给STC89C52单片机；通过键盘模块可以方便地进行测温及各种操作；LED显示模块把测量的温度值直观地显示给观测者；电源模块负责本红外测温仪电源的供应6。此红外测温仪系统的硬件结构框图如图2.3所示。2.5红外测温仪的软件设计此红外测温仪的软件设计同样采用模块化的设计思想，它把整个系统分成若干模块分别予以解决，它包括主程序模块，红外测温模块，报警模块和显示模块。主程序模块主要完成系统初始化，温度的检测，串行口通信，键盘和显示等功能。其中系统初始化包括: 时间中断的初始化、外部中断源的初始化、串口通信中断的初始化、LED显示的初始化。红外测温模块包括：获取温度数据，计算温度值。报警模块 ：获取单片机信息，报警。显示模块：获取并处理相应的温度数据。在此红外测温仪的软件系统设计中，时钟的设置是相当重要的，通过时钟的设置才能获得良好的时钟频率，这个时钟频率是整个软件系统是否能正常有序地运行的关键。具体的软件设计如下图2.4。3 硬件设计3.1 整体设计基于STC89C52单片机的红外测温仪的硬件设计采用目前使用比较广泛的模块化设计思想，将整个系统分成五大模块：单片机处理模块；红外测温模块； 电源模块；按键模块和LED显示模块。红外测温模块检测到人体辐射的红外波后将其转换为数字信号传给单片机，最后通过LCD显示模块显示温度值。通过划分模块的方法，可以把一个复杂的问题分割成几个相对容易解决的问题，分别予以解决，大大简化了设计的难度。3.2 单片机模块的设计该红外测温仪是以STC89C52单片机为核心器件，此单片机模块的工作原理是：加载相应程序的STC89C52单片机把红外测温模块传来的数据加以处理，送LCD显示屏显示。复位电路：单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启动运行时，都需要先复位，其作用是将CPU和系统中其他部件处于一个不确定的初始状态，并从这个状态开始工作7。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。STC89C52为高电平复位，复位电路如图3.2所示。在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，通常是RST引脚保持10ms以上的高电平。此电路仅用一个电容和一个电阻，系统上电时，在RC电路充电过程中11，由于电容两端电压不能跳变，故使RST端呈高电平，系统复位。经过一段时间后，电容放电，使RST呈低电平，复位结束。本电路设置了一个复位按钮，当操作者按下按钮时产生一个复位信号。时钟电路：CPU工作时都必须有一个时钟脉冲。单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：一是外部时钟方式，即使用外部电路向STC89C52提供时钟脉冲；二是内部时钟方式，即使用晶振由STC89C52内部电路产生时钟脉冲12。一般常用第二种方法，电路如图3.3所示。图中晶振一般为石英晶体，其频率由系统需要和器件决定，在频率稳定度要求不高时也可以使用陶瓷滤波器。C2、C3：使用石英晶体时，C2=C3=30（10）pF；使用陶瓷滤波器时，C1=C2=40（10）pF。本系统采用的内部时钟方式，晶振频率为12MHz，C2=C3=30pF。图3.3单片机的时钟电路图3.2单片机的复位电路 3.3 红外测温模块此红外测温模块TN901采用非接触手段，解决了传统测温中需要接触的问题，具有回应速度快，测量精度高，测量范围广等优点。它通过红外温度传感器扫描被测物体，并把相应的红外辐射数据通过P1.3、P1.4和P1.5口传送给单片机模块。图3.4是红外测温模块电路图。图3.4红外测温模块电路图 面对目前众多的红外检测器件产品，在设计中选择合适的红外检测器已成为一个重要问题。在设计过程中选择红外线检测器件时，首先考虑的是器件的以下性能因素:光谱响应范围、响应速度、有效检测面积、元件数量、制冷方式和检测目标的温度。本红外测温仪选用了凌阳公司生产的型号为TN9的红外探测器作为测温模块，它是一种集成的红外探测器，内部有温度补偿电路和线性处理电路，因此简化了本系统的设计。 它的测量距离大约为1米，测量回应时间大约为0.5秒。而且它具备SPI接口，可以很方便地与单片机（MCU）传输数据。其相关资料如下：1) 红外测温传感器的引脚介绍 图3-5红外测温传感器引脚图红外测温传感器引脚图如图3-5，其中V为电源引脚VCC，VCC一般为3V到5V之间的电压，一般取3.3V；D为数据接收引脚，没有数据接收时D为高电平；C为2KHz Clock输出引脚；G为接地引脚；A为测温启动信号引脚，低电平有效。2) 红外测温模块的时序红外测温模块的时序图如图3.6，在CLOCK的下降沿时接收数据。(例：如果一次温度测量需接收5个字节的数据，这5个字节中：Item为0x4c表示测量目标温度，为0x6c表示测量环境温度；MSB为接收温度的高八位数据；LSB为接收温度的低八位数据；Sum为验证码，接收正确时Sum=Item+MSB+LSB；CR为结束标志，当CR为0xodH时表示完成一次温度数据接收。)红外测温模块温度值的计算以上面的例子：无论测量环境温度还是目标温度，只要检测到Item为0x4cH或者0x66H同时检测到CR为0x0dH，他们的温度的计算方法都相同。图3.6红外测温模块的时序图计算公式：目标温度/环境温度=Temp/16-273.15其中Temp为十进制，当把它转换成十六进制的高八位为MSB，低八位为LSB；比如MSB为0x14H，LSB为0x2Ah，则Temp十六进制时为0x142aH，十进制时为5162，则测得的温度值为5162/16-273.15=39.475.3.4 电源模块STC89C52的内核共电为5v，而此红外测温仪系统的红外测温模块和LCD键盘模块的共电电压都可为5V，所以通过此电源模块后，将外部输入电压转换成5V的单片机工作电压，以保障红外测温系统的正常运行。电源电路如图3.7所示。 图3.7电源电路3.5报警模块当被检测人体的温度高于程序内设定的37.5摄氏度，单片机会输出信号，蜂鸣器将会报警。报警模块电路如图3.8所示。图3.8报警模块 3.6 显示模块液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。在本设计采用的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，这里以常用的2行16个字的1602液晶模块来介绍它的编程方法。1602采用标准的16脚接口，其中：第3脚：VEE为液晶显示器对比度调整端；第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据；第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令；第714脚：D0D7为8位双向数据线； 第1516脚：空脚。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，表3-1是DM-162的内部显示地址。表3-11602的内部显示地址12345678910111213141516序号000102030405060708090A0B0C0D0E0F第一行404142434445464748494A4B4C4D4E4F第二行1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。 在软件中设置温度的代码是：30.0（00110011B，00110000B，00101110B， 00110000B，01000011B）；37.0（00110011B，00110111B，00101110B，00110000B， 01000011B）；60（00110110B，00110000B，01000011B）。在液显电路连接上，LCD1602显示模块可以直接和单片机STC89C52直接接口，液晶显示的D0D7八个双向端口接STC89C52单片机的P0口的P0.0P0.7，单片机的P0口可以作为通用的输入，输出端口使用，此时，若要驱动NMOS或其他拉电流负载时，需外接上拉电阻，才能使该位高电平有效，所以中间接10K的排阻，来决定显示器高低点位，是否要显示。由于VEE端接电源时接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，对比度过低会使屏幕模糊不清，所以使用时可以通过一个10K的电位器来调整它的对比度。LCD1602的RS寄存器选择端口接单片机的P2.5口，通过软件程序中对此端口的设置来决定选择的寄存器。液显的RW端口直接接单片机的P2.6口，高电平时进行对输入的数字信号进行读数。使能E端接单片机的P2.7口，使能端由高电平到低电平时开始执行命令，把读数显示出来。LCD显示电路原理图如图3.8。 图3.8 LCD显示电路原理图3.7 本章小结本章详细介绍了人体红外测温系统硬件电路的单片机模块、红外测温模块和LCD1602显示模块，对各个模块的原理、具体电路图和一些注意事项都进行了详细的描述。4 软件设计程序部分的设计是整个红外人体测温系统的核心部分，没有程序的设计，系统就不能实现其功能。把各个硬件模块设计好，将架构搭好之后，就需要设计程序达到设计的要求。此次软件设计部分使用的开发平台是Keil Vision4。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。4.1 主程序模块的设计当红外测温仪接通电源时，STC89C52单片机自动复位，开始运行该程序。该程序首先对STC89C52初始化。然后给出开机显示，接着判断是否有键输入，若没有键输入，则继续判断；若有键输入，则判断是否是红外测温。若不是就返回开机显示，是则进行红外测温，接收数据，并将计算的温度值显示出来，如果是环境温度通过数码管前四位显示，目标温度用后四位显示。并等待结束测温命令。再判定是否结束温度测量，若没则继续测温，若收到结束命令则返回开机显示，重新判断。具体工作的流程图如下图4.1。4.2 中断子程序流程图中断子程序流程图如图4.2所示。4.3 红外测温模块该红外测温模块的数据输出信号和脉冲信号分别接单片机P1.3，P1.4口,测温控制端接P1.5口。它的程序流程图如图4.3所示，此模块首先定义一个字符型数组用于存放读取到的一帧数据，然后启动测温，读取数据，数据是在脉冲的下降沿一位一位传送的。把五个字节数据都读完后判断第一个字节是否为0x4c或0x66并且第五个字节为0x0d，若是则计算温度值返回，否则继续读取数据。4.4 显示程序模块本模块主要靠LCD1602实现显示功能，能够同时显示环境温度和目标温度。显示模块流程图如图4.4所示。4.5 本章小结本章主要介绍了人体红外温度测量系统的软件设计部分。对软件的开发平台、具体的程序主流程图和显示流程图进行了详细的说明。5 测试5.1 单片机最小系统测试通过按键控制LED灯，按键按下LED灯点亮，再按下熄灭，再按下又点亮。如果按下复位键，无论灯是亮还是灭，都复位到最初的状态。在Proteus中仿真的结果如图5.1。图5.1 最小系统测试仿真图按照仿真的单片机最小系统焊接实物图，调试结果如图5.2。图5.2 最小系统测试实物调试5.2红外测温模块的测试由于红外测温模块的功能在软件里不能直接进行仿真，只能通过实物调试来检测传感器的感应距离。应尽可能的使感应距离变大。目标的最大测量距离取决于温度仪中的光学装置的性能。使用距离/尺寸之比及目标直径来确定最大目标测量距离。根据大气状况，大多数红外线温度仪的最大测量距离约为1米。测试同时获得红外模块的感应时间，约为0.1秒。红外测温模块实物图如图5.3。图5.3红外测温模块实物5.3显示模块的测试通过自锁开管控制LCD显示，按下自锁开关通电后，LCD屏幕亮，再按下自再按下自锁开关，断电后，LCD屏幕熄灭。LCD实物调试如图5.4所示。图5.4LCD的实物调试5.4 人体红外测温整体的调试经过前面几节对单片机模块、红外测温模块、LCD显示模块的软硬件调试，逐步地将每个模块调试到本设计的要求。然后将各个模块组装，把仿真程序下载到芯片里，对整体进行实物调试。温度计的整体实物如图5.5所示。图5.5人体红外侧系统的整体实物图 5.5本章小结本章分别对红外测温系统的单片机模块、红外测温模块、LCD显示模块、和小车的整体进行了软硬件调试。对各个模块的仿真与实物调试得到的结果进行了分析比较，将各个模块都调试到本设计要求范围之内。6数据分析数据分析主要是对对测量结果精度的验证，通过与水银温度计测量的体温做比较，来验证实际的精度和预想要的精度一致。用传统式的水银温度计和本红外测温仪分别对10个人体进行体温测量，其结果如下表6-1所示。表6-1 人体测量温度（单位）仪器 人体12345678910红外测温仪36.536.636.736.736.736.837.437.737.537.4水银体温计36.736.736.836.836.836.937.537.837.537.5通过表6-1，可以看出红外测温仪要比水银体温计测量的精度要高，误差小，测量时间短，最大的优点是不用与人体直接接触，就能测量人体的温度。总 结历经几个月的毕业设计即将结束，回想这段时间收获颇多。所做的设计基本上达到了任务书上的要求，能够显示环境温度和目标温度，而且温度值分辨力达到0.1。 本设计主要包括两大部分：硬件设计部分和软件设计部分，硬件部分包括了单片机处理模块、红外测温模块、LCD显示模块、报警模块。软件部分主要包括主程序模块、红外测温程序模块、LCD显示程序模块。单片机负责控制红外测温把接收到的温度数据经处理后送LCD显示。通过对硬件电路的设计我对Protel软件的使用更加熟练，而通过运用Keil进行软件的设计使我的编程和调试能力也有很大的提高。这不仅使我对课本上所学的知识有了更进一步的了解，而且也提高了我的动手能力、理论联系实际能力。为今后的学习和工作打下了很好的基础。但同时也明显感觉到还有很多地方需要完善和提高，设计的产品与实际应用还有一定的差距。例如可以通过按键更灵活的控制测温，如果再加上语音播报功能就更加完善了。所以在今后的工作中，还要不断的学习充电，掌握更多的技能。争取能够在此基础上设计出更先进、功能更强大、结构更简单的智能化仪器。致 谢经过一学期的忙碌和学习，本次毕业设计终于完成了。这次毕业设计能够顺利完成，并非我一人的功劳，是所有指导过我的老师、帮助过我的同学和一直关心支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。在此，我首先要感谢我的指导老师鲁进老师，谢谢她在这次毕业设计中对我的耐心指导和帮助，我刚接到这个课题时，几乎是无从下手，是鲁老师引导我进入了这个课题，对这个课题进行了详细地讲解，对我的设计方案耐心地修改，并提出了珍贵的意见，指引我往正确的方向前进，让我对这个课题有了深刻地理解，如果没有鲁老师的指导和督促，要想完成这个设计是难以想象的。其次，我要感谢我的同学，感谢他们对我的帮助和鼓励，在我遇到困难时，是他们给予我帮助，鼓励我，与我一起探讨问题，共同寻求解决的办法，让我重拾信心，坚持了下去，完成了本次的毕业设计。最后，我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！在此表示最真挚的谢意！参考文献1 晏敏，彭楚武，颜永红，曾云，曾建平，红外测温原理及误差分析J湖南大学学报2004，5（10）：110-1122 孙鹏，红外测温物理模型的建立及论证D.吉林大学出版社，20063 曹润强，红外测温仪的设计J,攀枝花学院学报，2006，23（6）：87-894 阎石.数字电子技术基础M.第四版.高等教育出版社，2004.45 王武江、陈树凯常用集成电路速查手册M.北京:冶金工业出版社 ,20046 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main()/屏幕初始化Init_LCD();/开启指示灯LR=1;LG=0;/开始按键while(K=1);/温度显示初始化Init_T();/循环读码while(1)LR=LR;/读取目标温度TN_IRACK_UN();TN_IRACK_EN();TN_GetData(0x4c);MBTemp=Temp;LR=LR;/读取环境温度TN_IRACK_UN();TN_IRACK_EN();TN_GetData(0x66);HJTemp=Temp;/显示Display(MBTemp,HJTemp);/管脚定义sbit TN_ACK=P13; /TN9触发sbit TN_Clk=P14;/TN9时钟线sbit TN_Data=P15;/TN9数据线uchar ReadData5;/=/ C格式：void TN_IRACK_EN(void);/实现功能：红外模块启动函数/入口参数：无/出口参数：无/=void TN_IRACK_EN(void)TN_ACK=0;/=/C格式：void TN_IRACK_UN(void);/实现功能：红外模块关闭函数/入口参数：无/出口参数：无/=void TN_IRACK_UN(void)TN_ACK=1;/=/C格式：int TN_ReadData(void);/实现功能：读测得数据/=void TN_ReadData(uchar Flag)uchar i,j,k;bit BitState=0;for(k=0;k7;k+)for(j=0;j5;j+)for(i=0;i8;i+)while(TN_Clk);BitState=TN_Dat