基于热电堆红外探测器的非接触人体表面温度测量系统设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基于热电堆红外探测器的非接触人体表面温度测量系统设计
1
设计一个非接触人体表面温度系统，要求：
（1）通过热电堆TP337A来探测人体表面的温Fra Baidu bibliotek；
（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
2.1
根据技术指标，热电堆红外探测器探测人体温度系统主要是由单片机模块、TP337温度传感器模块、LM358电压信号放大模块、A/D转换模块、LED数码管显示模块组成。
图9AD0804搭建的AD转换电路
2.
选用STC89C52单片机，这是一种低功耗，高性能的CMOS位微控制器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
设计电路如图10所示。其中，P1.0和P1.1分别用来与 C的数据线和时钟线相连，P0口用来控制LED显示模块的段选，P2.5、P2.6、P2.7分别用来控制LED显示模块的位选端。
图2红外探测器管脚图
图3红外探测器温度参数表
红外探测器温度与输出电压的关系如图4所示。
图4红外探测器温度与输出电压的关系
综合以上相关资料，可以大致推测出在环境温度为25摄氏度时，温度与电压大致呈线性关系，温度大约是电压的39000倍。红外探测器的典型工作电路如图5所示。
图5红外探测器原理图
2.3.2
［2］刘可文主编．《数字电子电路与逻辑设计》．北京：科学出版社，2013.3
［3］杨应平等．《光电技术》．北京：机械工业出版社，2014.7
首先，此次课设综合了光电技术，模电，数电，单片机等相关学科的知识，对我们的动手能力，实践能力，综合运用能力是一个很大的挑战，这次课程设计很考验我们的学习能力，也正如我所愿，通过此次课设我学到很多东西，希望这些经历对我日后的学习有很大的帮助。
6
［1］吴友宇主编．《模拟电子技术基础》．北京：清华大学出版社，2009.5
首先TP337红外温度传感器将红外信号转换为电压信号。由于输出的电压信号很微弱，所以需要用由LM358组成的运算放大电路进行前置放大，然后将放大的电压信号发送至由PCF8591组成的A/D转换电路，再将转换后得到的数字信号送至单片机进行处理，最后将处理的结果送至LED数码管显示屏进行实时测量温度的显示。从而实现温度测量系统的设计。
图1174HC573的真值表
LED连接图见图12所示。
图12LED显示电路
2.
对于LM358电压信号放大模块，方案一和方案二采用同样的芯片，但方案二比方案一输出的信号更准确，受到外界的干很少，也很容易找出他们之间的电流电压关系来计算放大倍数，对于方案三难度高，不容易实现这会给后期的调试过程带来很大的麻烦，所以选择方案二。
方案三
针对方案一放大信号之后存在较多噪声，会影响实际效果，方案二采用添加电容C8来实现滤波，消除噪声干扰，为了更强劲地的抑制零点漂移以及消除噪声干扰，所以采用差分放大电路，其原理图如图8所示。
图8差分放大电路
2.3.3 AD
利用PCF8591搭建AD转换电路。PCF8591是单片，单电源低功耗8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入，一个输出和一个串行 C总线接口。3个地址引脚用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至 C总线而不需要额外硬件。器件地址，控制和数据通道通过两线双向 C总线传输。经过放大电路后的电压值通过AIN0输入，SCL和SDA输出转换后的数据，与后续的单片机连接并进行处理。所以，我们需要采用AD0804转换。AD0804是属于连续渐进式的AD转换器，这种转换器转换速度快，分辨率高，普遍被应用于微电脑的接口设计上。对于编程来说，直接输出八位的数字信号，利用编程，简化程序的复杂性。其AD转换模块原理图见图9。
首先，我仔细阅读了TP337A的技术手册，全英文的技术手册对自己的词汇量也是一个巨大的挑战。所幸自己还算不怎么费力的就看完了技术手册。了解了热电堆的工作原理后，便是系统的设计了。根据老师所给提示，本次的电路可以分为五部分：红外测温模块，信号放大模块，AD转换模块，单片机处理模块，LED显示模块。对于信号放大模块，我只有一个模糊的印象，所以我把大二时的模电课本翻了出来，仔细阅读了有关运算放大器的章节，设计出了放大电路。接下来是AD转换模块，在网上查阅了很多资料后，结合 C总线协议我才算是有点思路。
设计好电路，编写好程序，就是程序的烧录过程。本以为自己的程序编写的没有什么错误，只要能够正确烧录，就能够正常工作，没想到问题一大堆。这让我意识到了理论与实际的差别。实践是检验真理的唯一标准，这句话说的很对，不通过实践，我是不能发现程序中存在的错误的。在今后的学习生活中，我也要注意实践，不能停留在理论层面上。理论是基础，但应用才是最重要的。
3
如图所示，TP337A感应到红外线后，转换为电信号输出，经过两级放大电路得到最终的模拟电压信号。通过模数转换，得到数字信号，并用单片机进行处理，最后通过LED动态输出温度值。
TP337A工作电路中的电容起到滤波的作用，滤掉信号中不稳定的交流信号，得到稳定的直流信号；两级运放电路中，根据公式可以推算出电阻的大概范围，这些内容在第四部分会给出详细的叙述。根据上面的分析，最终确定的实现方案原理图如图13所示。
图10单片机模块
2.
LED的位选使用138译码器，可以节约单片机引脚，段选端使用573锁存器，因为直接利用单片机引脚驱动功率不够。
74LS138译码器的功能是把输入的3位二进制数转换为十进制，并让对应的输出端输出低电平。即，A2A1A0输入001时，对应的十进制数为1，则输出端Y1输出低电平，其余为高电平。当OE端为低电平时，芯片可以工作，LE为高电平时，输出端与输入端相同，若LE为低电平，芯片锁存，此时不管输入多少，芯片始终输出锁存前状态的输出值查阅资料可知，74HC573的真值表如图11所示。根据真值表看出，当OE端为低电平时，芯片可以工作，LE为高电平时，输出端与输入端相同，若LE为低电平，芯片锁存，此时不管输入多少，芯片始终输出锁存前状态的输出值。
2.2
根据设计原理，可以画出其流程图，见图1。
图1 设计流程图
2.3
2.3
通过查阅技术手册可以知道TP337A的内部结构和管脚如图2所示。红外测温模块即是TP337A的工作电路，TP337A是一种人体热释电传感器，可以通过非接触的方式检测出物体放射出来的红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。红外温度传感器的特点是反应速度快、灵敏度高、准确度高、测量范围广、使用方便，尤其非接触式测量使红外温度传感器和以红外传感器为核心的红外测温模块、红外测温仪在工业现场、国防建设、科学研究等领域得以广泛应用。主要应用于铁路、车辆、石油化工、食品、医药、塑料、橡胶、纺织、造纸、电力等行业的温度测量、温度检测、设备故障的诊断。特别适用于高温和危险场合的远距离测温。其详细的参数表见图3所示。
图2采用LM358双运算放大器原理图
图6方案一原理图
方案二
方案二也采用LM358双运算放大器，但与方案一不同的是在两个运算放大器添加一电容C8，添加此电容之后便可以起到滤波，消除噪声干扰等效果，这样可以有效放大信号，同时又可以减少噪声干扰，其方案二原理图如图7所示。
图7采用LM358双运算放大器原理图
图14实物图
图15实物图
4.2
本次课程设计从完成任务上来说是成功的，基本实现了技术要求上的所有内容。但是还是有些不完美，比如数字显示并不是十分稳定，温度值也不是那么准确，与实际还是存在一定的偏差，最后咨询老师才发现了问题所在，虽然问题没能及时解决。
5
热电堆由于不是老师上课重点讲的内容，也不在考察的范围内，所以我对热电堆的工作原理并不是十分了解，更别提利用它来设计一个温度感应系统来动态显示温度。但是通过老师的PPT，我也学到许多知识。
图13实现方案的原理图
4
4.1
技术要求中，要求温度精确到0.1度，因此电压需要放大1000倍以上，我选用了两个100K的电阻和两个10K的滑动变阻器，并将他们分别调节在90K和3K左右，这样放大倍数差不多接近于1000倍，这样才能达到课设要求。
我也遇到一些困难，原本以为在仿真软件上可以正常工作，想当然硬件电路也能运行。然而，在检查无语法错误下载到单片机后，LED并没有显示数字，经过检查发现是自己弄错了138输入的三个管脚的高低顺序，输出又只选用了低位的四个输出，所以未能正确控制LED的位选。在改正了电路后，问题即解决，四位数码管上有我希望的三位可以亮起，但还是没有显示正确的数字，反而显示的是乱码。检查了一下程序，发现自己粗心大意在编程时没有考虑到P0端口和段选端的顺序对应，所以未能正常输出。改正程序后问题得到解决。
在调节了电阻后，问题略有改善，但还是不能达到理想的状态。后来我考虑到是滤波的问题，如果不加入电容滤波，交流信号和直流信号混合会对电路产生很大干扰，加入电容后滤去交流信号，只留下稳定的直流信号，问题基本得到解决，虽然数值仍有跳动，但幅度很小，一般是在0.1到0.5之间，基本可以认为是稳定数值。当我把手放上去时，LED显示为40度至50度之间，虽然有些偏高，但咨询老师后得知，考虑到实际情况，这属于正常范围。其实物图见14，15。
由于TP337温度传感器输出的电信号非常微弱，为了我们准确地测出人体温度，我需要将信号放大，根据课设要求，采用LM358运算放大器，放大由TP337温度传感器输出的电信号，其具体方案如下。
方案一
方案一采用LM358双运算放大器，内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器。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，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关，其方案一的原理图如图6所示。
1
设计一个非接触人体表面温度系统，要求：
（1）通过热电堆TP337A来探测人体表面的温Fra Baidu bibliotek；
（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
2.1
根据技术指标，热电堆红外探测器探测人体温度系统主要是由单片机模块、TP337温度传感器模块、LM358电压信号放大模块、A/D转换模块、LED数码管显示模块组成。
图9AD0804搭建的AD转换电路
2.
选用STC89C52单片机，这是一种低功耗，高性能的CMOS位微控制器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
设计电路如图10所示。其中，P1.0和P1.1分别用来与 C的数据线和时钟线相连，P0口用来控制LED显示模块的段选，P2.5、P2.6、P2.7分别用来控制LED显示模块的位选端。
图2红外探测器管脚图
图3红外探测器温度参数表
红外探测器温度与输出电压的关系如图4所示。
图4红外探测器温度与输出电压的关系
综合以上相关资料，可以大致推测出在环境温度为25摄氏度时，温度与电压大致呈线性关系，温度大约是电压的39000倍。红外探测器的典型工作电路如图5所示。
图5红外探测器原理图
2.3.2
［2］刘可文主编．《数字电子电路与逻辑设计》．北京：科学出版社，2013.3
［3］杨应平等．《光电技术》．北京：机械工业出版社，2014.7
首先，此次课设综合了光电技术，模电，数电，单片机等相关学科的知识，对我们的动手能力，实践能力，综合运用能力是一个很大的挑战，这次课程设计很考验我们的学习能力，也正如我所愿，通过此次课设我学到很多东西，希望这些经历对我日后的学习有很大的帮助。
6
［1］吴友宇主编．《模拟电子技术基础》．北京：清华大学出版社，2009.5
首先TP337红外温度传感器将红外信号转换为电压信号。由于输出的电压信号很微弱，所以需要用由LM358组成的运算放大电路进行前置放大，然后将放大的电压信号发送至由PCF8591组成的A/D转换电路，再将转换后得到的数字信号送至单片机进行处理，最后将处理的结果送至LED数码管显示屏进行实时测量温度的显示。从而实现温度测量系统的设计。
图1174HC573的真值表
LED连接图见图12所示。
图12LED显示电路
2.
对于LM358电压信号放大模块，方案一和方案二采用同样的芯片，但方案二比方案一输出的信号更准确，受到外界的干很少，也很容易找出他们之间的电流电压关系来计算放大倍数，对于方案三难度高，不容易实现这会给后期的调试过程带来很大的麻烦，所以选择方案二。
方案三
针对方案一放大信号之后存在较多噪声，会影响实际效果，方案二采用添加电容C8来实现滤波，消除噪声干扰，为了更强劲地的抑制零点漂移以及消除噪声干扰，所以采用差分放大电路，其原理图如图8所示。
图8差分放大电路
2.3.3 AD
利用PCF8591搭建AD转换电路。PCF8591是单片，单电源低功耗8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入，一个输出和一个串行 C总线接口。3个地址引脚用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至 C总线而不需要额外硬件。器件地址，控制和数据通道通过两线双向 C总线传输。经过放大电路后的电压值通过AIN0输入，SCL和SDA输出转换后的数据，与后续的单片机连接并进行处理。所以，我们需要采用AD0804转换。AD0804是属于连续渐进式的AD转换器，这种转换器转换速度快，分辨率高，普遍被应用于微电脑的接口设计上。对于编程来说，直接输出八位的数字信号，利用编程，简化程序的复杂性。其AD转换模块原理图见图9。
首先，我仔细阅读了TP337A的技术手册，全英文的技术手册对自己的词汇量也是一个巨大的挑战。所幸自己还算不怎么费力的就看完了技术手册。了解了热电堆的工作原理后，便是系统的设计了。根据老师所给提示，本次的电路可以分为五部分：红外测温模块，信号放大模块，AD转换模块，单片机处理模块，LED显示模块。对于信号放大模块，我只有一个模糊的印象，所以我把大二时的模电课本翻了出来，仔细阅读了有关运算放大器的章节，设计出了放大电路。接下来是AD转换模块，在网上查阅了很多资料后，结合 C总线协议我才算是有点思路。
设计好电路，编写好程序，就是程序的烧录过程。本以为自己的程序编写的没有什么错误，只要能够正确烧录，就能够正常工作，没想到问题一大堆。这让我意识到了理论与实际的差别。实践是检验真理的唯一标准，这句话说的很对，不通过实践，我是不能发现程序中存在的错误的。在今后的学习生活中，我也要注意实践，不能停留在理论层面上。理论是基础，但应用才是最重要的。
3
如图所示，TP337A感应到红外线后，转换为电信号输出，经过两级放大电路得到最终的模拟电压信号。通过模数转换，得到数字信号，并用单片机进行处理，最后通过LED动态输出温度值。
TP337A工作电路中的电容起到滤波的作用，滤掉信号中不稳定的交流信号，得到稳定的直流信号；两级运放电路中，根据公式可以推算出电阻的大概范围，这些内容在第四部分会给出详细的叙述。根据上面的分析，最终确定的实现方案原理图如图13所示。
图10单片机模块
2.
LED的位选使用138译码器，可以节约单片机引脚，段选端使用573锁存器，因为直接利用单片机引脚驱动功率不够。
74LS138译码器的功能是把输入的3位二进制数转换为十进制，并让对应的输出端输出低电平。即，A2A1A0输入001时，对应的十进制数为1，则输出端Y1输出低电平，其余为高电平。当OE端为低电平时，芯片可以工作，LE为高电平时，输出端与输入端相同，若LE为低电平，芯片锁存，此时不管输入多少，芯片始终输出锁存前状态的输出值查阅资料可知，74HC573的真值表如图11所示。根据真值表看出，当OE端为低电平时，芯片可以工作，LE为高电平时，输出端与输入端相同，若LE为低电平，芯片锁存，此时不管输入多少，芯片始终输出锁存前状态的输出值。
2.2
根据设计原理，可以画出其流程图，见图1。
图1 设计流程图
2.3
2.3
通过查阅技术手册可以知道TP337A的内部结构和管脚如图2所示。红外测温模块即是TP337A的工作电路，TP337A是一种人体热释电传感器，可以通过非接触的方式检测出物体放射出来的红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。红外温度传感器的特点是反应速度快、灵敏度高、准确度高、测量范围广、使用方便，尤其非接触式测量使红外温度传感器和以红外传感器为核心的红外测温模块、红外测温仪在工业现场、国防建设、科学研究等领域得以广泛应用。主要应用于铁路、车辆、石油化工、食品、医药、塑料、橡胶、纺织、造纸、电力等行业的温度测量、温度检测、设备故障的诊断。特别适用于高温和危险场合的远距离测温。其详细的参数表见图3所示。
图2采用LM358双运算放大器原理图
图6方案一原理图
方案二
方案二也采用LM358双运算放大器，但与方案一不同的是在两个运算放大器添加一电容C8，添加此电容之后便可以起到滤波，消除噪声干扰等效果，这样可以有效放大信号，同时又可以减少噪声干扰，其方案二原理图如图7所示。
图7采用LM358双运算放大器原理图
图14实物图
图15实物图
4.2
本次课程设计从完成任务上来说是成功的，基本实现了技术要求上的所有内容。但是还是有些不完美，比如数字显示并不是十分稳定，温度值也不是那么准确，与实际还是存在一定的偏差，最后咨询老师才发现了问题所在，虽然问题没能及时解决。
5
热电堆由于不是老师上课重点讲的内容，也不在考察的范围内，所以我对热电堆的工作原理并不是十分了解，更别提利用它来设计一个温度感应系统来动态显示温度。但是通过老师的PPT，我也学到许多知识。
图13实现方案的原理图
4
4.1
技术要求中，要求温度精确到0.1度，因此电压需要放大1000倍以上，我选用了两个100K的电阻和两个10K的滑动变阻器，并将他们分别调节在90K和3K左右，这样放大倍数差不多接近于1000倍，这样才能达到课设要求。
我也遇到一些困难，原本以为在仿真软件上可以正常工作，想当然硬件电路也能运行。然而，在检查无语法错误下载到单片机后，LED并没有显示数字，经过检查发现是自己弄错了138输入的三个管脚的高低顺序，输出又只选用了低位的四个输出，所以未能正确控制LED的位选。在改正了电路后，问题即解决，四位数码管上有我希望的三位可以亮起，但还是没有显示正确的数字，反而显示的是乱码。检查了一下程序，发现自己粗心大意在编程时没有考虑到P0端口和段选端的顺序对应，所以未能正常输出。改正程序后问题得到解决。
在调节了电阻后，问题略有改善，但还是不能达到理想的状态。后来我考虑到是滤波的问题，如果不加入电容滤波，交流信号和直流信号混合会对电路产生很大干扰，加入电容后滤去交流信号，只留下稳定的直流信号，问题基本得到解决，虽然数值仍有跳动，但幅度很小，一般是在0.1到0.5之间，基本可以认为是稳定数值。当我把手放上去时，LED显示为40度至50度之间，虽然有些偏高，但咨询老师后得知，考虑到实际情况，这属于正常范围。其实物图见14，15。
由于TP337温度传感器输出的电信号非常微弱，为了我们准确地测出人体温度，我需要将信号放大，根据课设要求，采用LM358运算放大器，放大由TP337温度传感器输出的电信号，其具体方案如下。
方案一
方案一采用LM358双运算放大器，内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器。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，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关，其方案一的原理图如图6所示。