基于热电堆红外探测器的非接触人体表面温度测量专业系统设计.doc

目录
1 技术指标 1
2 设计方案及其比较 1
2.1 设计原理 1
2.2 设计流程图 1
2.3 各模块方案设计 2
2.3.1 TP337温度传感器模块 2
2.3.2 LM358电压信号放大模块 4
2.3.3 AD转换模块 6
2.3.4单片机模块 7
2.3.5 LED显示模块 7
2.4 方案比较 8
3 实现方案 9
4 调试过程或结论 9
4.1 调试过程 9
4.2 结论 11
5 心得体会 11
6 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
设计一种非接触人体表面温度系统，规定：
1）通过热电堆TP337A来探测人体表面温度；
（2）由LED数码管显示测量温度，规定显示温度精度可以达到0.1℃；
（3）可以持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
依照技术指标，热电堆红外探测器探测人体温度系统重要是由单片机模块、TP337温度传感器模块、LM358电压信号放大模块、A/D转换模块、LED数码管显示模块构成。
一方面TP337红外温度传感器将红外信号转换为电压信号。由于输出电压信号很薄弱，因此需要用由LM358构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构成A/D转换电路，再将转换后得到数字信号送至单片机进行解决，最后将解决成果送至LED数码管显示屏进行实时测量温度显示。从而实现温度测量系统设计。
2.2 设计流程图
依照设计原理，可以画出其流程图，见图1。

图1 设计流程图
2.3 各模块方案设计
2.3.1 TP337温度传感器模块
通过查阅技术手册可以懂得TP337A内部构造和管脚如图2所示。红外测温模块即是TP337A工作电路，TP337A是一种人体热释电传感器，可以通过非接触方式检测出物体放射出来红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。红外温度传感器特点是反映速度快、敏捷度高、精确度高、测量范畴广、使用以便，特别非接触式测量使红外温度传感器和以红外传感器为核心红外测温模块、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。重要应用于铁路、车辆、石油化工、食品、医药、塑料、橡胶、纺织、造纸、电力等行业温度测量、温度检测、设备故障诊断。特别合用于高温和危险场合远距离测温。其详细参数表见图3所示。

图2 红外探测器管脚图

图3 红外探测器温度参数表
红外探测器温度与输出电压关系如图4所示。

图4 红外探测器温度与输出电压关系
综合以上有关资料，可以大体推测出在环境温度为25摄氏度时，温度与电压大体呈线性关系，温度大概是电压39000倍。红外探测器典型工作电路如图5所示。

图5 红外探测器原理图
2.3.2 LM358电压信号放大模块
由于TP337温度传感器输出电信号非常薄弱，为了咱们精确地测出人体温度，我需要将信号放大，依照课设规定，采用LM358运算放大器，放大由TP337温度传感器输出电信号，其详细方案如下。
方案一
方案一采用LM358双运算放大器，内部涉及有两个独立、高增益、内部频率补偿运算放大器。适合于电源电压范畴很宽单电源使用，也合用于双电源工作模式，在推荐工作条件下，电源电流与电源电压无关，其方案一原理图如图6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，同步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
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，为了更强劲地抑制零点漂移以及消除噪声干扰，因此采用差分放大电路，其原理图如图8所示。

图8 差分放大电路
2.3.3 AD转换模块
运用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，具备4个模仿输入，一种输出和一种串行C总线接口。3个地址引脚用于编程硬件地址，容许将最多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总线传播。通过放大电路后电压值通过AIN0输入，SCL和SDA输出转换后数据，与后续单片机连接并进行解决。因此，咱们需要采用AD0804转换。AD0804是属于持续渐进式AD转换器，这种转换器转换速度快，辨别率高，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，运用编程，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
选用STC89C52单片机，这是一种低功耗，高性能CMOS位微控制器。STC89C52使用典型MCS-51内核，但做了诸多改进使得芯片具备老式51单片机不具备功能。
设计电路如图10所示。其中，P1.0和P1.1分别用来与C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，可以节约单片机引脚，段选端使用573锁存器，由于直接运用单片机引脚驱动功率不够。
74LS138译码器功能是把输入3位二进制数转换为十进制，并让相应输出端输出低电平。即，A2A1A0输入001时，相应十进制数为1，则输出端Y1输出低电平，别的为高电平。当OE端为低电平时，芯片可以工作，LE为高电平时，输出端与输入端相似，若LE为低电平，芯片锁存，此时不论输入多少，芯片始终输出锁存前状态输出值查阅资料可知，74HC573真值表如图11所示。依照真值表看出，当OE端为低电平时，芯片可以工作，LE为高电平时，输出端与输入端相似，若LE为低电平，芯片锁存，此时不论输入多少，芯片始终输出锁存前状态输出值。

图11 74HC573真值表
LED连接图见图12所示。

图12 LED显示电路
2.4 方案比较
对于LM358电压信号放大模块，方案一和方案二采用同样芯片，但方案二比喻案一输出信号更精确，受到外界干很少，也很容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，不容易实现这会给后期调试过程带来很大麻烦，因此选取方案二。
3 实现方案
如图所示，TP337A感应到红外线后，转换为电信号输出，通过两级放大电路得到最后模仿电压信号。通过模数转换，得到数字信号，并用单片机进行解决，最后通过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，依照公式可以推算出电阻大概范畴，这些内容在第四某些会给出详细论述。依照上面分析，最后拟定实现方案原理图如图13所示。

图13 实现方案原理图
4 调试过程或结论
4.1 调试过程
技术规定中，规定温度精准到0.1度，因而电压需要放大1000倍以上，我选用了两个100K电阻和两个10K滑动变阻器，并将她们分别调节在90K和3K左右，这样放大倍数差不多接近于1000倍，这样才干达到课设规定。
我也遇到某些困难，原本觉得在仿真软件上可以正常工作，想固然硬件电路也能运营。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，通过检查发现是自己弄错了138输入三个管脚高低顺序，输出又只选用了低位四个输出，因此未能对的控制LED位选。在改正了电路后，问题即解决，四位数码管上有我但愿三位可以亮起，但还是没有显示对的数字，反而显示是乱码。检查了一下程序，发现自己粗心大旨在编程时没有考虑到P0端口和段选端顺序相应，因此未能正常输出。改正程序后问题得到解决。
在调节了电阻后，问题略有改进，但还是不能达到抱负状态。日后我考虑到是滤波问题，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，普通是在0.1到0.5之间，基本可以以为是稳定数值。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，但征询教师后得知，考虑到实际状况，这属于正常范畴。其实物图见14，15。

图14 实物图

图15 实物图
4.2 结论
本次课程设计从完毕任务上来说是成功，基本实现了技术规定上所有内容。但是还是有些不完美，例如数字显示并不是十分稳定，温度值也不是那么精确，与实际还是存在一定偏差，最后征询教师才发现了问题所在，虽然问题没能及时解决。
5 心得体会
热电堆由于不是教师上课重点讲内容，也不在考察范畴内，因此我对热电堆工作原理并不是十分理解，更别提运用它来设计一种温度感应系统来动态显示温度。但是通过教师PPT，我也学到许多知识。
一方面，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种巨大挑战。所幸自己还算不怎么费力就看完了技术手册。理解了热电堆工作原理后，便是系统设计了。依照教师所给提示，本次电路可以分为五某些：红外测温模块，信号放大模块，AD转换模块，单片机解决模块，LED显示模块。对于信号放大模块，我只有一种模糊印象，因此我把大二时模电课本翻了出来，仔细阅读了关于运算放大器章节，设计出了放大电路。接下来是AD转换模块，在网上查阅了诸多资料后，结合C总线合同我才算是有点思路。
设计好电路，编写好程序，就是程序烧录过程。本觉得自己程序编写没有什么错误，只要可以对的烧录，就可以正常工作，没想到问题一大堆。这让我意识到了理论与实际差别。实践是检查真理唯一原则，这句话说很对，不通过实践，我是不能发现程序中存在错误。在此后学习生活中，我也要注意实践，不能停留在理论层面上。理论是基本，但应用才是最重要。
一方面，本次课设综合了光电技术，模电，数电，单片机等有关学科知识，对咱们动手能力，实践能力，综合运用能力是一种很大挑战，这次课程设计很考验咱们学习能力，也正如我所愿，通过本次课设我学到诸多东西，但愿这些经历对我日后学习有很大协助。
6 参照文献
［1］吴友宇主编．《模仿电子技术基本》．北京：清华大学出版社，.5 
［2］刘可文主编．《数字电子电路与逻辑设计》．北京：科学出版社，.3
［3］杨应平等．《光电技术》．北京：机械工业出版社，.7