智能仪器仪表论文

课程设计任务书目录第一章绪论1.1体温计的发展与现状 (1)1.2红外测温技术 (1)1.3整体方案概述 (3)第二章系统硬件设计2.1 电源设计 (8)2.2 信号调理电路 (11)2.3 AD转换电路 (12)2.4 图形点阵式LCD显示电路 (14)2.5 语音播报电路 (17)2.6 在线编程(ISP)电路 (18)2.7 按键功能设计 (19)第三章系统软件设计3.1 软件工作流程 (20)3.2驱动程序设计 (21)总结 (24)参考文献 (25)第一章绪论1.1 体温计的发展与现状体温计是一种测量人体温度、辅助疾病诊断的常用医疗器具，它是人类日常生活的必需品。

随着现代科技的发展,新材料、新工艺的运用,各式各样的体温计陆续出现,探测方式在不断改进。

人们熟悉的传统的体温计是水银(汞)体温计,它是根据汞受热膨胀的原理制成的。

由于受到体温的影响，水银体积的膨胀使管内水银柱的长度发生明显的变化。

近几年来，智能体温计越来越多地应用在各个行业：冶金、玻璃制造以及体温测量等领域。

许多医院也采用了智能体温计，虽然其性能暂不能与传统的体温计相比，但因其拥有快速、无需接触被测者等的优点而被广泛采用。

体温测试是在实际生活中经常会遇到的问题，传统的体温计也就是我们的水银体温计有其很多的不足之处，如：测温时间长，读取结果不方便，体温计易被损坏并且其材料汞有毒等。

针对以上问题，本文提出一种新型的测量体温仪器,它优于传统的体温计的一个很大的特点就是测温时间相对较短,并且此智能红外体温计有自动播报体温、统计人数、显示日期及环境温度等功能。

解决了传统体温计读数不便、用途单一的问题，无汞害，灵敏度高，清晰播报，方便携带，寿命较长，台式设计使体温计放置时不会晃动，避免温计被损坏，尤其适用于小孩与老年人，其方便性大大超越水银式体温计。

1.2红外测温技术测量体温的方法有很多，水银、热电偶、热敏电阻、晶体管的PN结、液晶、石英晶体均可作为测温元件来制造体温计。

这些测温技术均属接触式测温，容易产生交叉感染，并且当测温元件接触被测部位时，将影响其温度场的分布，对精度造成影响，而且响应时间也较长。

若采用非接触式测温的方法，则可以较好地解决这些缺点。

1.2.1红外测温背景随着工农业、国防事业、医学的发展 ,对温度测量越来越迫切。

在某些场合 ,温度测量逐步上升为主要矛盾 ,引起了各方面的普遍重视。

例如：在不停机的情况下对机械设备、电力设备、生产设备等进行温度测量;在不能造成产品的污染或损坏的情况下对生产过程中或仓库里的产品温度进行测量;在医学领域内 ,为了了解病人的身体状况 ,需对病人身体各个部分的温度进行安全的测量。

在这种背景下 ,使用方便、可快速对物体温度进行非接触、无损测量的红外测温技术得到了极大的发展。

目前，红外测温技术在已有着广泛的应用，其测量范围可从常温到达上千摄氏度。

国内外非接触红外测温技术的发展极为迅速，各国均研制出了具有有较高水平的用于各类场合的红外辐射式计，例如：美国RAYTEK公司的Ranynger系列、WAHL公司的DHS系列等。

国内生产红外测仪的厂家和研究所有上海自动化三厂、云南仪表厂以及中国科学自动化所等。

1.2.2红外测温原理红外测温法是指利用人体自身的红外辐射来测定其表面温度的一种测量温度的方法。

红外测温是非接触式测温中应用较为广泛的一种技术，它由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。

光学系统汇集其视场内目标的红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。

红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号,该电信号经过放大器和信号处理电路后可以经模数转换后，由微控制器按照内部的算法来计算目标的表面温度值。

图1.1智能红外体温计的测温原理是基于黑体辐射定律的，黑体是一种理想化的辐射体，它在任何温度下都能全部地吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量，其表面吸引率为1。

为了弄清和获得红外辐射分布的规律，普朗克提出了体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射定律，其表达式为：2521(,)1hckT hc M T e λπλλ=⋅- （式1-1）式中，c 为真空中的光速;k 为波尔兹曼常数，由上式可出在温度T 时黑体在全部波长范围内的辐射出度为：40()(,)M T M T d T λλσ∞==⎰ （式1-2）由式1-2可知：黑体总的辐射出度与黑体的绝对温度T 的四次方成正比。

因此，可能通过对物体辐射的测量进而求出物体的温度。

1.2.3 智能红外测温的优点传统的体温计如水银体温计虽然价格便宜，但是有许多的弊端：水银体温计遇热或安置不当，容易破裂;人体若接触水后会中毒，恶心、头痛、腹泻、脱发等随之而来，严重者会造成血液凝固;测温时间长等。

智能红外体温计则避免了上述的缺点，它有着如下的优点：1 测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度。

2 测温范围宽，在理论上无测量上限，可以测量相当高的温度。

3 探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量;4 不必接触被测物体，操作方便;5 可以测量微小目标的温度;1.3整体方案概述本文旨在利用红外热释电温度传感器、MS51单片机以及其器件设计实现非接触式测温，使之达到响应时间最长不超过1s 、温度测量范围 34—42摄氏度,精度达到0.2摄氏度，即可手动测量，也可运行在自动模式下实时显示体温数据，有温度保持和清除功能，并能够向终端(计算机)发送测量到的数据以实现数据统计、分析的功能扩展。

1.3.1系统结构框图系统所采用的是红外热释电温度传感器TPS434，人体辐射出的能量由TPS434转换成微弱的电信号(只有0.7～1.5mv)。

该电信号经过信号调理电路后(包括前置放大和后级放大两个功能模块)送入ADC进行模数转换，进而可以由单片机识别来计算被测物体的表面温度。

在计算完被测物体表面的温度后，有两种方式向使用者提供温度信息：第一种方式是显示在图形点阵式LCD上;第二种方式是以语音的形式播放以告知使用者温度信息。

整体系统结构框图如下图所示：图1.21.3.2核心器件简介在搭建实验板做相关实验的基础上，合理地选择器件可以给系统设计带来方便。

本小节就系统设计中涉及关键模块的器件作以简要介绍，并在此基础上描述了其优点。

1.电源部分如图1-3所示, 本系统由220V交流电源供电，变压器变压后为6V交流电，经硅桥BRIDGE2整流（硅桥的1,3引脚接变压器的输出端， 2,4引脚接78L05的输入端）后交流变为直流。

因单片机需要5V供电电源，故用78L05稳压后再给单片机供电。

对于语音芯片，接着用LM317进行直流—直流转换后，将输出的3V电压给4004供电。

液晶显示芯片也用5V电源直接供电。

对于稳压器件LM317, 由其应用公式(1-3)：V0=1.25（1+R2）， (1-3)可知, 为了得到4004的3V供电电压, 应合理选取其外接电阻R1和R2的值. 这里取R2 为500欧，R1为240欧，可得从LM317的引脚2输出电压约为3V。

易知，滑阻R2可用来调节引脚2输出电压大小。

图1-3 电源供电部分8051单片机MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好多品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机。

INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，很多公司在做以8051为核心的单片机，STC系列单片机就是其中的一种。

它是由台湾的宏晶科技有限公司开发和生产的，具有以下优点：超强抗干扰,轻松过 4KV 快速脉冲干扰(EFT)高抗静电(ESD)，6KV静电可直接打在芯片管脚上客户的整机抗静电测试，8KV / 15KV 就太轻松了超低功耗，Power Down < 0.1uA, 可外部中断唤醒中断优先级可设置成4级(IP,IPH)L QFP-44,PLCC-44封装,有P4口(可以位寻址)本系统中选用的单片机是STC89C51,它除了具有以上描述的优点以外，还具有普通51系列单片机所不具有的ISP功能，即在线编程功能。

用户可以将代码通过串口电路直接烧录进单片机内，而不需要专门的烧录工具。

红外温度传感器红外温度传感器是实现非接触式红外测温的关键器件，本系统中选用的是PerkinElmer Optoelectronics的TPS434红外热释电温度传感器。

该传感器具有很好的重复性和较高的灵敏度，它由温差热电堆和热敏电阻丙部分构成，如图1.4所示：图1.4热电堆是半导体集成电路工艺和微机械电子工艺制造的，它由多个热电偶串联组成。

热电偶是由两种电子密度不同的导体相连接组成的，它有冷热两个端点。

在测量物体温度时，热端与被测物体接触，冷端与测量仪表接触。

热电偶的同种导体会因为存在温度梯度而产生汤姆孙电动热，两种金属的连接处会因为电子密度差而产生珀而粘电动热，会在热电偶的两个端产生温差电动势。

热电堆输出端的电压信号是反映热电偶冷热两端的温度差，也就是被测物体与热电堆冷端的温度差，而不是反映被测物体的真实温度。

因此，还需要环境温度补偿，也就是要测出热电堆冷端温度。

环境温度补偿是通过红外传感器中负温度系数的热敏电阻完成的，它的阻值随着温度的升高中而降低，由此通过测量其阻值就可得知环境温度。

高精度运放本系统中所采用的前置运算放大器是ADI公司的仪用运算放大器AD620。

该器件是低功耗、高精度运算放大器，它只需一个外接电阻即可实现1到1000倍的增益。

AD620在内部噪声、功耗、输入偏置电压以及输入漂移电压等诸多方面有着出色的性能，特别适合用于微弱信号的放大。

AD转换器AD转换器又称ADC，它是实现模拟量到数字量转换的器件，使控制器件可以通过判断模拟量的大小达到控制的目的。

按精度的高低，ADC可分为8位，10位等以满足多种不同应用场合;按与微控制器的接口方式，ADC可分为并行和串行。

本系统所采用的是TLC0820AC系列的8位高速模数转换器，它是一款并行AD，拥有两种模式供用户使用：只读模式(Read Mode)和读写模式(Reand and Write)。

TLC0820AC内部拥有的Flash技术，内部的取样保持电路的采样窗口为100ns，最大转换时间为2.5us，可满足高速应用的场合。

语音芯片ISD系列语音芯片因其应用方便、接口电路简单等特点而被广泛采用，本系统采用的是ISD4003语音芯片，它有连续录音6分钟的能力，片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年(典型值),反复录音10万次。