基于热电堆红外探测器的非接触人体表面温度测量系统标准设计.docx

目录1 技术指标12 设计方案及其比较12.1 设计原理12.2 设计流程图12.3 各模块方案设计22.3.1 TP337温度传感器模块22.3.2 LM358电压信号放大模块42.3.3 AD转换模块62.3.4单片机模块72.3.5 LED显示模块72.4 方案比较83 实现方案94 调试过程或结论94.1 调试过程94.2 结论115 心得体会116 参考文献12基于热电堆红外探测器非接触人体表面温度测量系统设计1 技术指标设计一个非接触人体表面温度系统，要求：（1）经过热电堆TP337A来探测人体表面温度；（2）由LED数码管显示测量温度，要求显示温度精度能够达成0.1；（3）能够连续测量人体表面或环境温度。2 设计方案及其比较2.1 设计原理依据技术指标，热电堆红外探测器探测人体温度系统关键是由单片机模块、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。首先TP337红外温度传感器将红外信号转换为电压信号。因为输出电压信号很微弱，所以需要用由LM358组成运算放大电路进行前置放大，然后将放大电压信号发送至由PCF8591组成A/D转换电路，再将转换后得到数字信号送至单片机进行处理，最终将处理结果送至LED数码管显示器进行实时测量温度显示。从而实现温度测量系统设计。2.2 设计步骤图依据设计原理，能够画出其步骤图，见图1。图1 设计步骤图2.3 各模块方案设计2.3.1 TP337温度传感器模块经过查阅技术手册能够知道TP337A内部结构和管脚图2所表示。红外测温模块即是TP337A工作电路，TP337A是一个人体热释电传感器，能够经过非接触方法检测出物体放射出来红外线能量改变，并将其转换成电信号输出。红外温度传感器特点是反应速度快、灵敏度高、正确度高、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关键红外测温模块、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。关键应用于铁路、车辆、石油化工、食品、医药、塑料、橡胶、纺织、造纸、电力等行业温度测量、温度检测、设备故障诊疗。尤其适适用于高温和危险场所远距离测温。其具体参数表见图3所表示。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和输出电压关系图4所表示。图4 红外探测器温度和输出电压关系综合以上相关资料，能够大致推测出在环境温度为25摄氏度时，温度和电压大致呈线性关系，温度大约是电压39000倍。红外探测器经典工作电路图5所表示。图5 红外探测器原理图2.3.2 LM358电压信号放大模块因为TP337温度传感器输出电信号很微弱，为了我们正确地测出人体温度，我需要将信号放大，依据课设要求，采取LM358运算放大器，放大由TP337温度传感器输出电信号，其具体方案以下。方案一方案一采取LM358双运算放大器，内部包含有两个独立、高增益、内部频率赔偿运算放大器。适合于电源电压范围很宽单电源使用，也适适用于双电源工作模式，在推荐工作条件下，电源电流和电源电压无关，其方案一原理图图6所表示。图2 采取LM358双运算放大器原理图图6方案一原理图 方案二方案二也采取LM358双运算放大器，但和方案一不一样是在两个运算放大器添加一电容C8，添加此电容以后便能够起到滤波，消除噪声干扰等效果，这么能够有效放大信号，同时又能够降低噪声干扰，其方案二原理图图7所表示。图7采取LM358双运算放大器原理图方案三针对方案一放大信号以后存在较多噪声，会影响实际效果，方案二采取添加电容C8来实现滤波，消除噪声干扰，为了更强劲地抑制零点漂移和消除噪声干扰，所以采取差分放大电路，其原理图图8所表示。图8 差分放大电路2.3.3 AD转换模块利用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，含有4个模拟输入，一个输出和一个串行I2C总线接口。3个地址引脚用于编程硬件地址，许可将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。器件地址，控制和数据通道经过两线双向I2C总线传输。经过放大电路后电压值经过AIN0输入，SCL和SDA输出转换后数据，和后续单片机连接并进行处理。所以，我们需要采取AD0804转换。AD0804是属于连续渐进式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接口设计上。对于编程来说，直接输出八位数字信号，利用编程，简化程序复杂性。其AD转换模块原理图见图9。图9 AD0804搭建AD转换电路2.3.4单片机模块选择STC89C52单片机，这是一个低功耗，高性能CMOS位微控制器。STC89C52使用经典MCS-51内核，但做了很多改善使得芯片含有传统51单片机不含有功效。设计电路图10所表示。其中，P1.0和P1.1分别用来和I2C数据线和时钟线相连，P0口用来控制LED显示模块段选，P2.5、P2.6、P2.7分别用来控制LED显示模块位选端。 图10 单片机模块2.3.5 LED显示模块LED位选使用138译码器，能够节省单片机引脚，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译码器功效是把输入3位二进制数转换为十进制，并让对应输出端输出低电平。即，A2A1A0输入001时，对应十进制数为1，则输出端Y1输出低电平，其它为高电平。当OE端为低电平时，芯片能够工作，LE为高电平时，输出端和输入端相同，若LE为低电平，芯片锁存，此时不管输入多少，芯片一直输出锁存前状态输出值查阅资料可知，74HC573真值表图11所表示。依据真值表看出，当OE端为低电平时，芯片能够工作，LE为高电平时，输出端和输入端相同，若LE为低电平，芯片锁存，此时不管输入多少，芯片一直输出锁存前状态输出值。图11 74HC573真值表LED连接图见图12所表示。 图12 LED显示电路2.4 方案比较对于LM358电压信号放大模块，方案一和方案二采取一样芯片，但方案二比方案一输出信号更正确，受到外界干极少，也很轻易找出她们之间电流电压关系来计算放大倍数，对于方案三难度高，不轻易实现这会给后期调试过程带来很大麻烦，所以选择方案二。3 实现方案图所表示，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模拟电压信号。经过模数转换，得到数字信号，并用单片机进行处理，最终经过LED动态输出温度值。TP337A工作电路中电容起到滤波作用，滤掉信号中不稳定交流信号，得到稳定直流信号；两级运放电路中，依据公式能够推算出电阻大约范围，这些内容在第四部分会给出具体叙述。依据上面分析，最终确定实现方案原理图图13所表示。图13 实现方案原理图4 调试过程或结论4.1 调试过程技术要求中，要求温度正确到0.1度，所以电压需要放大1000倍以上，我选择了两个100K电阻和两个10K滑动变阻器，并将她们分别调整在90K和3K左右，这么放大倍数差不多靠近于1000倍，这么才能达成课设要求。我也碰到部分困难，原本认为在仿真软件上能够正常工作，想当然硬件电路也能运行。然而，在检验无语法错误下载到单片机后，LED并没有显示数字，经过检验发觉是自己弄错了138输入三个管脚高低次序，输出又只选择了低位四个输出，所以未能正确控制LED位选。在更正了电路后，问题即处理，四位数码管上有我期望三位能够亮起，但还是没有显示正确数字，反而显示是乱码。检验了一下程序，发觉自己粗心大意在编程时没有考虑到P0端口和段选端次序对应，所以未能正常输出。更正程序后问题得四处理。在调整了电阻后，问题略有改善，但还是不能达成理想状态。以后我考虑到是滤波问题，假如不加入电容滤波，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，只留下稳定直流信号，问题基础得四处理，即使数值仍有跳动，但幅度很小，通常是在0.1到0.5之间，基础能够认为是稳定数值。当我把手放上去时，LED显示为40度至50度之间，即使有些偏高，但咨询老师后得悉，考虑到实际情况，这属于正常范围。其实物图见14，15。图14 实物图图15 实物图4.2 结论此次课程设计从完成任务上来说是成功，基础实现了技术要求上全部内容。不过还是有些不完美，比如数字显示并不是十分稳定，温度值也不是那么正确，和实际还是存在一定偏差，最终咨询老师才发觉了问题所在，即使问题没能立即处理。5 心得体会热电堆因为不是老师上课关键讲内容，也不在考察范围内，所以我对热电堆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。不过经过老师PPT，我也学到很多知识。首先，我仔细阅读了TP337A技术手册，全英文技术手册对自己词汇量也是一个巨大挑战。所幸自己还算不怎么费力就看完了技术手册。了解了热电堆工作原理后，便是系统设计了。依据老师所给提醒，此次电路能够分为五部分：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，我只有一个模糊印象，所以我把大二时模电书本翻了出来，仔细阅读了相关运算放大器章节，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I2C总线协议我才算是有点思绪。设计好电路，编写好程序，就是程序烧录过程。本认为自己程序编写没有什么错误，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和实际差异。实践是检验真理唯一标准，这句话说很对，不经过实践，我是不能发觉程序中存在错误。在以后学习生活中，我也要注意实践，不能停留在理论层面上。理论是基础，但应用才是最关键。首先，此次课设综合了光电技术，模电，数电，单片机等相关学科知识，对我们动手能力，实践能力，综合利用能力是一个很大挑战，这次课程设计很考验我们学习能力，也正如我所愿，经过此次课设我学到很多东西，期望这些经历对我以后学习有很大帮助。6 参考文件1吴友宇主编模拟电子技术基础北京：清华大学出版社，.52刘可文主编数字电子电路和逻辑设计北京：科学出版社，.33杨应平等光电技术北京：机械工业出版社，.7