智能仪器期末论文
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理学院
School of Sciences
智能仪器原理与设计
考试论文报告
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论文题目： 智能红外体温计设计
总评成绩：
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智能红外体温计设计
1、绪 论
1.1 智能红外体温计的研究意义及功能实现
温度是确定物质状态的重要参数之一，它的测量与控制在国防、军事、科学研究以及工农业生产中占有十分重要的地位。在工业生产中，我们通常通过测量设备表面的温度来监测设备的运行状况，而现代的工业设备往往是在高电压、大电流等危险情况下运行的，传统依靠人工接触式检测的方法既浪费时间、人力，又带有一定的危险性，同时对测温仪所采用的材质也有严格的限制。因此有必要去应用一种新的方式去检测目标系统的温度，确保设备的平稳运行。
针对现代故障检测非接触技术指标的要求，本文讨论了这种非接触红外辐射温度测量技术，这种技术通过测量物体的红外辐射而达到测量物体温度的目的。本测温仪是基于STC89C51单片机的红外测温仪，首先它是根据实际需要制定的红外测温的性能指标和功能要求，然后由此具体设计出了硬件电路原理图及其相关软件。
由于时间紧迫，知识面窄等因素，该系统并非非常完善，还有一些方面需要进一步的修改与调试。这其中的不足之处，请各位老师加以批评指正。
1.2 本设计所做要求
1.2.1总体要求：
设计一个智能红外体温计。选择合适的温度传感器和电路元器件，设计测试电路，完成体温测试。
1.2.2 功能要求：
① 实时显示体温数据
② 温度测量范围 34-42摄氏度
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③ 有温度保持和清除功能（可以通过按键实现）
④ 测量精度±0.2摄氏度
1.3设计背景及方案介绍
1.3.1背景
随着现代科学技术的发展，传统的接触式测温方式以不能满足现代一些领域的测温需求，对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。本红外测温仪设计的出发点也正是基于此。
普通温度测量技术经过相当长时间的发展已近于成熟。目前，随着经济的发展日益需要的是在特殊条件(如高温、强腐蚀、强电磁场条件下或较远距离)下的温度测量技术。因此，当前研究的重点也在于此。
1.3.2 红外技术
[1] 红外温度测量技术
非接触式红外测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件。此温度测量系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是被测物体上某一点的温度测量；可以是便携式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工艺简单，成木较低，测温时不接触被测物体，具有响应时间短、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点，但利用红外辐射测量温度，也必然受到物体发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。
在这种温度测量技术中红外温度传感器的选择是非常重要的，而且不仅在点温度测量中要使用红外温度传感器，大面积温度测量也可使用红外温度传感器。本设计正是采用红外温度传感器这种温度测量技术，它具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点；另外红外温度传感器的种类较多，发展非常快，技术比较成熟，这也是本设计采用红外温度传感器设计非接触温度测量仪的主要原因之一。
[2] 红外温度传感器
红外温度传感器按照测量原理可以分为两类:光电红外温度传感器和热电红
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外温度传感器。本红外测温仪选用热电红外温度传感器。
热电红外温度传感器是利用红外辐射的热效应，通过温差电效应、热释电效应和热敏电阻等来测量所吸收的红外辐射，间接地测量辐射红外光物体的温度。
本设计根据现代非接触故障检测技术的需求选用了型号为凌阳的TN9温度传感器。它的测量距离大约为30米，测量回应时间大约为0.5秒。而且它具备SPI接口，可以很方便地与单片机（MCU）传输数据。
1.3.3红外测温原理
红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定，即：
21/511CCMe•
下图1-1是不同温度下的黑体光谱辐射度图：
图1-1 不同温度下的黑体光谱辐射度
从上图中曲线可以看出黑体辐射具有几个特征:
① 在任何温度下，黑体的光谱辐射度都随着波长连续变化，每条曲线只有一个极大值；
② 随着温度的升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减小。这表明随着温度的升高，黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加；
③ 随着温度的升高，黑体辐射曲线全面提高，即在任一指定波长处，与较高温度相应的光谱辐射度也较大，反之亦然。
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1.3.4 红外测温系统的方案介绍
红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。可以对正在运行的设备进行非接触检测，拍摄其温度场的分布、测量任何部位的温度值，据此对各种外部及内部故障进行诊断，具有实时、遥测、直观和定量测温等优点，用来检测发电厂、变电所和输电线路的运转设备和带电设备非常方便、有效。用红外测温仪，你可连续诊断电子连接问题和查找连接处的热点，以检测设备的功能状态，还可检验电池组件和功率配电盘接线端子，开关齿轮或保险丝连接，防止能源消耗。
此红外测温仪的特点：有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高、稳定性好等优点。
红外测温仪系统的技术指标及主要功能
1：温度测量精度±1℃ ；
2：温度测量的分辨率0.1℃：
2：LED显示；
3：电源：DC 5V±10%；
4：工作环境温度≤60℃ 工作环境湿度≤90%；
[1] 、红外测温仪的硬件系统方案设计
本红外测温仪采用模块化的设计思想，它的硬件结构由STC89C51单片机模块，红外测温模块， RS232转换电路模块，电源模块，键盘模块和LED显示模块组成。
STC89C51单片机是本系统的控制中心，它负责控制启动温度测量、接收测量数据、计算温度值、并根据取得的键值控制显示过程；红外测温模块负责温度数据的采集、测量，并将采集到的数据通过数据端口传送给STC89C51单片机；
RS232转换电路模块可以使单片机方便地同PC机进行串口通信，并可以同时接收或传送外部送来的资料；通过键盘模块可以方便地进行测温及各种操作；LED显示模块把测量的温度值直观地显示给观测者；电源模块负责本红外测温仪电源的供应。
此红外测温仪系统的硬件结构框图如图1-2所示：
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图1-2 红外测温仪系统的硬件方案设计框图
[2] 红外测温仪的应用软件系统的方案设计
此红外测温仪的软件设计同样采用模块化的设计思想，它把整个系统分成若干模块分别予以解决，它包括主程序模块，红外测温模块，键盘扫描模块和显示模块。
主程序模块主要完成系统初始化，温度的检测，串行口通信，键盘和显示等功能。其中系统初始化包括: 时间中断的初始化、外部中断源的初始化、串口通信中断的初始化、LED显示的初始化。
红外测温模块包括：获取温度数据，计算温度值。
键盘扫描模块 ：获取按键信息，处理按键请求等。
显示模块：获取并处理相应的温度数据，
在此红外测温仪的软件系统设计中，时钟的设置是相当重要的，通过时钟的设置才能获得良好的时钟频率，这个时钟频率是整个软件系统是否能正常有序地运行的关键。具体的软件方案设计如下图1-3：
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主程序模块红外测温键盘扫描显示模块通信模块
图1-3 红外测温仪系统的软件方案设计框图
2、系统硬件设计
2.1 单片机处理模块
该红外测温仪是以STC89C51单片机为核心器件，此单片机模块的工作原理是：加载相应程序的STC89C51单片机把红外测温模块传来的数据加以处理，送LED显示屏显示。
下图3-1是单片机处理模块的电路原理图
图2-1 单片机处理模块电路图
其复位电路如图2-1左边上部分，本单片机处理模块是通过开关手动复位的，只要在RST引脚出现大于10ms的高电平，单片机就进入复位状态，这样做
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的目的是便于根据实际情况而选择是否复位温度测量数据。而此仪器的震荡电路选用的是晶体震荡电路，其具体电路如图2-1左边下部分。采用晶体震荡电路的原因是因为它的频率稳定性好，而这正是本红外测温仪非常重要的技术要求。
单片机作为红外测温仪的核心处理部件，它关系到整个仪器的性能指标。因此它的选择是非常重要的。本测温仪选择的STC89C51RC单片机，下面是STC89C51RC单片机相关资料信息：
图2-2 STC89C51RC单片机引脚图
2.1.1、STC89C51RC单片机的特点：
1. 增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051 CPU；
2. 工作电压：5.5v-3.8v；
3. 工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的0～80M，实际工作频率可达48MHz；
4. 4k的Flash程序存储器；
5. 片上集成512字节RAM；
6. ISP/IAP，无须专用编程器/仿真器；
7. 通用I/O口，复位后：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时需加上拉电阻；
8. EEPROM功能；
9. 看门狗；
10．内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省略复位电路）
11．共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器
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使用；
12．外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；
13．超低功耗，正常工作模式，典型功耗2mA；掉电模式，典型功耗0.5uA，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序；
14．2个数据指针；
15．通用异步串行口（UATR），还可用定时器软件实现多个UATR；
16．工作温度范围：0－75℃/－40～＋85℃；
17．封装形式：PDIP-40/PLCC-44/PQFP-44。
2.2 红外测温模块
此红外测温模块采用非接触手段，解决了传统测温中需要接触的问题，具有回应速度快，测量精度高，测量范围广等优点。它通过红外温度传感器扫描被测物体，并把相应的红外辐射数据通过P1.5和P1.6口传送给单片机模块。
图2-3是红外测温模块电路图：
图2-3 红外测温电路模块
面对目前众多的红外检测器件产品，在设计中选择合适的红外检测器已成为一个重要问题。在设计过程中选择红外线检测器件时，首先考虑的是器件的以下性能因素:光谱响应范围、响应速度、有效检测面积、元件数量、制冷方式和检测目标的温度。
本红外测温仪选用了凌阳公司生产的型号为TN9的红外探测器作为测温模块，它是一种集成的红外探测器，内部有温度补偿电路和线性处理电路，因此简化了本系统的设计。
它的测量距离大约为30米，测量回应时间大约为0.5秒。而且它具备SPI
