基于热电堆红外探测器的非接触人体表面温度的测量

目录

1. 技术指标 (1)

2. 设计方案及其比较 (1)

2.1 方案一 (1)

2.2 方案二 (2)

2.3 方案三 (2)

2.4 方案比较 (3)

3. 实现方案 (3)

3.1 器件说明 (3)

3.1.1 TPS337A热电堆说明 (3)

3.1.2 LM358运算放大器说明 (4)

3.1.3 PCF8591 A/D转换器说明 (5)

3.1.4 74LS138译码器与74HC573锁存器说明 (6)

3.2 最终实现方案 (8)

3.2.1 实现方案电路图 (8)

3.2.2 方案设计原理及思路 (9)

4. 调试过程及结论 (16)

4.1 电路实物的连接 (16)

4.2 调试结果展示 (17)

4.3 调试结论 (18)

5. 心得体会................................................ 错误！未定义书签。

6. 参考文献 (18)

基于热电堆红外探测器的非接触人体表

面温度的测量

1. 技术指标

设计一个非接触人体表面温度系统，要求：

1.通过热电堆TPS337A来探测人体表面的温度；

2.由LED数码管显示测量的温度，要求显示温度精度能够达到0.1℃；

3.可以连续测量人体表面或环境温度。

2. 设计方案及其比较

2.1 方案一

通过TPS337A检测人体红外波产生温差电动势，将环境温度与检测到的人体温度分为两路电压信号，完成环境温度的补偿。再经过A/D转换芯片将数字信号发送到单片机输出，最后通过LED数码管显示。放大器采用AD620运算放大器以及LM358运算放大器。具体电路图如图1所示。

图1方案一电路图

信号采集电路有两部分组成：体温信号放大电路和环境温度信号处理电路。体温信号放大电路是由仪用放大器AD620和参考电压电路组成；环境温度信号处理电路是由运算放大器LM358构成的电压跟随器组成。三路输出信号其中最上方为放大后的热电堆电压信

号，也就是将要处理的体温信号，中间为参考电压，最下方为环境温度信号。

2.2 方案二

通过TPS337A检测人体红外波产生温差电动势，直接将输出电压通过放大器输出电压信号，再经过A/D转换芯片将数字信号发送到单片机输出，最后通过LED数码管显示。放大器采用AD620运算放大器。具体电路图如图2所示。

图2方案二电路图

运算放大器AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至1000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3 mA)，因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用，其工作电压为4.6V～36V或±2.3V～±18V。两路电压信号分别连接A/D转换芯片的输入。

2.3 方案三

通过TPS337A检测人体红外波产生温差电动势，直接将输出电压通过两级放大器输出电压信号，消除零点漂移，再经过A/D转换芯片将数字信号发送到单片机输出，最后通过LED数码管显示。放大器采用LM358运算放大器。具体电路图如图3所示。

图3方案三电路图

运算放大器LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。其单电源为3～30V，双电源为±1.5～±15V，而且它的输出电压摆幅比较大，很适合于电池供电。

2.4 方案比较

方案一中将环境温度与人体体表温度补偿，考虑比较充分全面，但是在实际的操作过程中较为繁琐，可视为理想方案。

方案二中采用AD620运算放大器，电压输出信号有两路，但此后通过A/D转换芯片的输入有两路输入，则在代码的编写方面较为繁琐。

方案三中采用LM358运算放大器，两级放大消除了零点漂移是的输出电压信号更为稳定，而且放大倍数通过电阻直接计算确定，输出信号只有一路，直接连接到A/D转换芯片的输入口。整个电路相对较为简单，而且整体效率也很高，是很好的实行方案。

综上所述，方案三可作为最后的实现方案，可在其基础上进行调试。

3. 实现方案

3.1 器件说明

3.1.1 TPS337A热电堆说明

热电堆TPS337A的管脚图如图4所示。2脚与4脚之间为热敏电阻，1脚与3脚输出电压，其中3脚和4脚接地。热电堆TPS337A的电压与温度对应关系如图5所示。

图4TPS337A热电堆管脚图

图5 热电堆电压-温度曲线

3.1.2 LM358运算放大器说明

LM358是双运算放大器。内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合用于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。LM358芯片引脚图如图6所示。

图6LM358芯片引脚图

3.1.3 PCF8591 A/D转换器说明

PCF8591是单片、单电源低功耗8位CMOS数据采集器件，具有四个模拟输入、一个模拟输出和一个串行I2C总线接口。3个地址引脚A0、A1和A2用于变成硬件地址。器件的地址、控制和数据通过两线双向I2C总线传输。PCF8591芯片管脚图如图7所示。

图7PCF8591芯片管脚图

I2C总线系统中每一片PCF8591通过发送有效地址到该器件来激活。该地址包括固定部分和可编程部分。可编程部分必须根据引脚A0、A1、A2来设置。地址字节的最后一位是用于设置以后数据传输方向的读/写位。PCF8591的地址设置如图8所示。