自动化仪表课程设计.docx
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自动化仪表课程设计
自动化仪表
大作业
题目：
非接处式温度仪
专业：
自动化
班级：
姓名：
学号：
一、引言
随着现代科技的发展，新材料、新工艺的运用，各式各样的体温计陆续出现，探测方式不断改进。
国内外体温计的发展大致分为三个阶段。
第一阶段是常见的玻璃水银体温计，第二阶段是电子体温计，如今应用最为广泛的是非接触式红外体温计，国家相关部门也在重点强调非接触式体温计的研发，并且红外体温检测仪的研发方面取得了突出的成就。
水银体温计虽然价格便宜但是有诸多弊端：
首先，水银体温计遇热或安置不当，体温计容易破裂。
其次，人体接触水银后会中毒，中毒症状是恶心、头痛、腹泻、脱发等，严重者会造成血液凝固。
因为水银有剧毒，一旦它污染了水源或食物，可以对人的肾脏、肺等造成极大的伤害，水银也能加速人神经系统退变。
最后，采用水银体温计测温需要相当长的时间（5min～10min），使用不便。
电子体温计是采用热敏电阻测量温度的，电子体温计能快速准确地测量人体温度，与传统的水银玻璃体温计相比，具有读数方便、测量精度高、能记忆并有蜂鸣提示的优点，尤其是电子体温计不含水银，对人体及周围环境无害，特别适合于家庭、医院等场合使用。
但采用电子体温计测温也需要较长的时间，并且适用范围窄，同样使用不便。
非接触式红外体温计是根据黑体辐射原理通过测量人体辐射的红外线而测量温度的。
它用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线而不向人体发射任何射线，它采用的是被动式且非接触式的测量方式，因此红外体温计不会对人体产生辐射伤害且价格低，体积小，实现了体温的快速准确测量，具有稳定性好，精度高，测量安全，使用方便等特点。
非接触式人体体温测试仪的设计技术目前已经达到成熟，本文详细的介绍在国内外已有技术的基础上，此设计开发的全过程。
此设计涉及单片机，传感器等诸多方面的知识，主攻方向在于温度的采集和处理，达到体温能够准确显示的预期效果
二、国内外研究现状
国外红外线技术在19世纪并发展至今，已经有很多专利项目和大量科研成果。
美国和日本几乎垄断了红外线技术产品的专利。
由于红外线技术我国起步比较晚，而且相关部件比较昂贵，对我们在生产生活中普及还有很长的一段路要走。
所以我们要把红外检测技术利用到我们实际生活当中去，利用我们能利用的知识去改进我们的生活。
红外线是近年来兴起的高端技术，对红外线设备的设计和研究，对今后生产生活有积极的影响。
体温计是人们日常生活中的必备用品，尤其在SARS和H1N1等流行期间，体温计几乎成成为了衡量感染者与未感染者的测量仪器，还有对于一些供电设备的检查，非接触发热物体温度的测量等应用场合，在本文以下内容中我要结合单片机，运用红外线原理去设计一个基于单片机的红外体温仪器的方案。
通过方案论证，选择出最佳的方案并进行设计和制作。
对非接触式测温仪的设计是以功能性为基础，以创新性为指导，以实践性为依托，具有大好的发展前景和广泛的应用场合。
通过本次设计，希望可以为今后拓展体温监测应用领域提供新的思路和方法，在医学、体育、消防、军事训练、等领域得到更广泛的应用。
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。
本红外测温系统设计的出发点也正是基于此。
三、整体设计方案
3.1.1研究步骤及方法
1、基于本课题的研究，首先了解红外线研究背景，发展趋势和现在存在的主要问题，对研究课题的基本内容、目的、和意义有所了解。
2、学习红外线体温传感原理。
一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。
物体的红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关系。
因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。
黑体辐射定律：
黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。
应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。
物体发射率对辐射测温的影响：
自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。
所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。
因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。
该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。
根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。
影响发射率的主要因纱在：
材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。
当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度，
用公式可表达为：
（1-1）
式中E—辐射出射度，单位是W/m3；
δ—斯蒂芬一波尔兹曼常数，5.67x10-8W/（m2•K4）；
ε—物体的辐射率；
T—物体的温度（K）；
To—物体周围的环境温度（K）；
人体主要辐射波长在9~10μm的红外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。
由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度，便能准确地测定人体表面温度。
红外温度测量技术的最大优点是测试速度快，1秒钟以内可测试完毕。
由于它只接收人体对外发射的红外辐射，没有任何其它物理和化学因素作用于人体，所以对人体无任何害。
3、学习K60单片机的原理与应用，并上机编试程序。
4、通过软硬件来实现红外体温测试。
5、通过长时间的更改与测试，得出最终精确的结果与结论。
3.1.2内容结构及安排
全文主要阐述了非接触式人体体温测试仪的硬件设计和软件设计。
硬件方面首先谈到了系统的总体设计，然后分别从红外线传感器，运算放大器，A/D转换，数据处理，显示部分等功能模块进行了论述并详细介绍了各个芯片的结构和功能，使系统具有稳定性好，精度高，测量安全，使用方便等特点。
在软件方面，此设计使用C语言来编写程序代码，具有编译速度快，运行效率高等特点，设计的软件部分采用模块化结构，每个模块作为一个子程序，根据系统功能划分，程序由模块组成，所以整个程序的编制、调试和维护都比较方便，结构清晰，提高了可靠性和修改性，并给出了针对各个应用模块的设计思路和设计框架，对各部分程序进行解释说明，从而实现非接触式人体体温的显示以及附加报警电路等外围扩展。
3.2系统器件描述
3.2.1主控芯片K60介绍
本设计主控系统采用MK60N512VMD100（K60）控制器，其含有丰富的功能模块。
该控制器是Kinetis系列的一款32位单片机，Kinetis是低功耗可扩展和在工业上使用混合信号ARM®Cortex™-M4系列MCU的最好的组合。
K60系列MCU具有IEEE1588以太网、全速和高速USB2.0OTG、硬件解码能力和干预发
现能力。
芯片从带有256KBflash的100引脚的LQFP封装到1MBflash的256引脚的MAPBGA封装，具有丰富的电路、通信、定时器和控制外围电路。
高容量的K60系列带有一个可选择的单精度浮点处理单元、NAND控制单元和DRAM控制器。
我们摘要k60一些优点如下：
1、内核：
·ARMCortex-M4内核提供1.25DMIPS/MHz的DSP指令
·高达32位的DMA，同时尽可能减小CPU干预。
·提供50MHz、72MHz和100MHz几种CPU频率（120MHz和150MHz在kinetis可用）。
2、超低功耗：
·10种低功耗操作模式通过优化外设执行和唤醒时间来延长电池寿命。
·为了增加低功耗的灵活性，增加了低漏唤醒单元、低功耗定时器和低功耗RTC。
·业界领先的快速换醒时间。
3、内存：
·从32KB闪存/8KB的RAM可扩展为1MB闪存/128KB的RAM。
同时使空白的独立闪存执行代码和固件更新。
4、混合模拟信号：
·快速，高精度16位ADC、12位DAC、可编程增益放大器、高速比较器和内部参考电压。
降低降低系统成本同时具有强大的信号调节，转换和分析能力。
5、系统
·具有中断功能的GPIO可以承受5V，宽工作电压范围在1.71V至3.6V的闪存可编程下降至1.71V的全功能闪存和模拟外设。
·环境工作温度范围从-40°C到105°C
3.2.2红外温度采集OTP-538U
OTP-538U是一个典型的TO-46热电堆传感器。
具116种热电偶元素，该传感器是由浮动微膜元件具有积极直径的系列热电偶微米和涂黑表面吸收的热红外辐射组成，诱使其在输出端电压的响应。
该传感器芯片的制作是一个独特的前表面微细加工技术，从而导致更小的尺寸和更快的反应环境温度变化。
OTP-538U热电堆传感器提供接近约翰逊噪声性能，它可以通过计算其串联的热敏电阻来反应温度值。
OTP-538U有四个引脚，分别为VCC、GND、V+、V-，VCC为供电电压，稳压为5V电压，V+、V-分别为输出，由于此系统首要是测试人体温度，人体温度大于35度，故我们暂不需要负电压显示，因此将V-接地，引脚特性为地，即与GND相连，只需将V+电压放大即可。
下一步整合好电路，紧接着测量更为宽泛的温度。
传感器特性参数
特性
最小
适中
最大
单位
输出
0.77
---
1.44
mV
灵敏度
70
85
100
V/W
相对敏感度
0.10
0.11
0.12
%/K
敏感区域
---
545
---
μm
热敏电阻
50
65
80
KΩ
相对电阻
---
0.09
---
%/K
响应时间
---
16
---
ms
噪声
28
32
36
nW/Hz1/2
噪声功率
0.28
0.36
0.48
nW/Hz1/2
温度特性曲线在25℃-40℃线性关系相当好，这也是次设计选用此元件的一个重要原因。
3.2.3负电转换芯片TPS6040介绍
芯片TPS6040可以将正电压转换为其对应的负电压，此芯片输入电压范围从1.6V至5.5V，输出-5v，可提供的最大输出电流60毫安的典型转换效率大于90%以上的宽输出电流范围。
此设计主要是为放大器供负电，理论上LM324地线引脚接地即可，但是由于此接法不成功，不能实现电压的放大，故将接地端接入负电，正常工作。
3.3.1正电平转换LM1117介绍
LM1117是一个低压差电压调节器系列。
其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V，LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.25～13.8V输出电压范围。
另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。
我们选用的是此类型是+5v转+3.3，来为单片机供电。
3.3.2显示部分
常用显示器件有LED数码管显示器，CRT显示器以及LCD液晶显示器等。
本次实验我们采用OLED显示屏。
OLED（OrganicLightEmittingDisplay）即有机发光显示器,在手机LCD上属于新型产品,被称誉为“梦幻显示器”。
OLED显示技术与传统的LCD显示方式不同，无需背光灯，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。
而且OLED显示屏幕可以做得更轻更薄，可视角度更大，并且能够显著的节省耗电量。
四、相关设计原理图
由于k60核心板所占区域面积较大，且自带ADC转换，故ADC转换电路等在此省略。
+5v转3.3vLM1117典型电路接法
图4-1
+5v转-5v负电转换芯片TPS6040
图4-2
OLED显示电路
图4-3
OTP-538U信号采集
图4-4
OTP-538U信号处理
图4-5
小结：
我们在硬件测试完毕后，再用altiumdesigner来重新布局画pcb，这样能够减少了信号的干扰，使测试数据更加的准确。
五、软件的设计和调试
在本设计中，要实现其应用，需要先分步实现其功能，然后再整体调试。
我们暂时采用keilmdk开发环境，在往后的实验中，发现其不足之处，可能会换其他的开发环境，在调试过程中不断发现错误，改正错误，最终完成这个设计，由于程序调用不同的构件，并且比较繁琐，复杂，因此在这里就不粘贴了。
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