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非接触式的红外测温系统设计方案

1红外测温系统的设计背景

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。

本红外测温系统设计的出发点也正是基于此。

1.1单片机发展历程

单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。

单片机由芯片仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。

随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。

而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。

当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。

而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。

事实上单片机是世界上数量最多的计算机。

现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。

手机、、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。

而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。

汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！

单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。

单片机是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。

单片机芯片单片机是靠程序运行的，并且可以修改。

通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。

一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！

但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！

只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！

1.2体温计的发展历程

体温计又称“医用温度计”。

体温计的工作物质是水银。

它的液泡容积比上面细管的容积大的多。

泡里的水银由于受到体温的影响，产生微小的变化，水银体积的膨胀，使管水银柱的长度发生明显的变化。

人体温度的变化一般在35℃到42℃之间，所以体温计的刻度通常是35℃到42℃，而且每度的围又分成为10份，因此体温计可精确到1/10度。

体温计是一种最高温度计，它可以记录这温度计所曾测定的最高温度。

用后的体温计应“回表”，即拿着体温计的上部用力往下猛甩，可使已升入管的水银，重新回到液泡里。

其它温度计绝对不能甩动，这是体温计与其他液体温度计的一个主要区别。

第一个体温计是伽利略在16世纪时发明的。

但直到300年后才设计出使用方便、性能可靠的体温计。

水银储存在末端的水银球。

当水银被加热时，它会发生膨胀，沿着非常狭窄的玻璃管上升。

所以，体温的小小变化就会导致玻璃管水银的大幅度上升。

量完体温后，得用力甩动体温计，使水银回到水银球。

体温计是在温度计的基础上研制成功的。

1714年，德国物理学家华伦海特研制了在水的冰点和人的体温围设定刻度的水银体温计。

1742年又发明了0～100°的摄氏温标，从此实现了体温计的刻度标准化。

1714年，加布里埃尔•华伦海特1868年，文德利希这位德国教授出版了《疾病与体温》一书，书中记载了2.5万例病人的体温变化，而他所使用的体温计的大小是奥尔伯特体温计的两倍，每次要花20分钟的时间来记录体温！

1980年前后，发明了会说话的体温计。

膜状液晶体温计在体温正常时呈现绿色，低烧呈现黄色，高烧呈现红色。

1865年，英国的阿尔伯特发明了一种很有特色的体温计，特点是储存水银的细管里有一狭道，当体温计接触人体后，水银很快升到人体实际体温处，取出后水银柱不下降，而是在狭道处断开，使狭道以上部分始终保持体温度数。

这种温度计受到了临床的欢迎和普及应用。

1988年，出现了电子呼吸脉搏体温计，可以进行遥测。

到了现代，开始流行使用电子体温计。

电子体温计分为实测式电子温度计和预测式电子体温计两种，可通过数字观看，比较方便。

红外线体温计在“非典”流行期间曾广泛使用，分为耳式红外线体温计和红外线前额测温仪，测定时间为1-3秒，快速、安全。

液晶体温计是21世纪新产品，利用液晶制成的温度计，测腋窝仅用4-5秒，准确、安全，但价位高。

2红外测温技术简介

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。

2.1温度测量技术的概述

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。

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系统的主要原因之一。

2.2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：

（2-1）

在不同温度下的黑体光谱辐射度如图2.1。

图2.1不同温度下的黑体光谱辐射度

从图2.1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。

2.3红外测温的方法

通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射温度的称为全辐射测温法；通过测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度测温法；通过被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化来定温的称为比色测温法。

亮度测温法无需环境温度补偿，发射率误差较小，测温精度高，但工作于短波区，只适于高温测量。

比色测温法的光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘影响小，测温误差小，但必须选择适当波段，使波段的发射率相差不大。

本文选用全辐射测温法来计算被测量物体的温度，全辐射测温法是根据所有波长围的总辐射而定温，得到的是物体的辐射温度。

选用这种方法是因为中低温物体的波长较大，辐射信号很弱，而且结构简单，成本较低。

由普朗克公式可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系式：

V=RaεσT4=KT4（2-2）

式中K=Raεσ，由实验确定，定标时ε取1

T—被测物体的绝对温度

R——探测器的灵敏度

a——与大气衰减距离有关的常数

ε——辐射率

σ——斯蒂芬—玻耳兹曼常数

因此，可以通过检测电压而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号与目标温度呈非线性关系，V与T的四次方成正比，所以要进行线性化处理。

线性化处理后得到物体的表观温度，需进行辐射率修正为真实温度，其校正式为：

（2-3）

式中Tr——辐射温度（表观温度）

ε（T）——辐射率，取0.1～0.9

由于调制片辐射信号的影响，辐射率修正后的真实温度为高于环境的温度，还必须作环温补偿，即真实温度加上环温才能最终得到被测物体的实际温度。

3红外测温系统的总体方案选择

本设计是软硬件的综合体，每一个模块的选择都会对整个系统产生影响，选择的硬件模块好坏决定了本设计所能达到的高度，所以对比较重要的模块必须要通过对比选择，扬长避短。

3.1重要模块的方案对比与选择

3.1.1温度传感器的选择

方案一：

采用红外线温度传感器IRTP。

IRTP系列红外测温系统是一种集成专用信号处理电路以及环境温度补偿电路的多用途红外温度测量系统，它属于工业测温传感器。

不能用作人体测温，故不选用此方案。

方案二：

采用热释电红外线传感器D203S。

热释电红外线传感器是80年代发展器起来的一种新型高灵敏度探测元件。

它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。

但这个电压信号需要加以放大和加驱动控制电路。

硬件上的复杂性决定了它的稳定性不高，且容易出故障，故也不选此方案。

方案三：

采用凌阳公司生产的型号为TN9红外温度传感器，它是一种集成的红外探测器，部有温度补偿电路和线性处理电路，输出数字信号，它的响应速度快、精度高、稳定性好，故选择此方案。

3.1.2无线传输模块选择

方案一：

采用PT2262/2272加无编码的发射与接收头，该电路采用超再声发射电路，采用315MHZ的发射频率，虽然发射距离远，但要求供电电压高更多的是适合在遥控方面，而在传输数据时却容易出错。

故不选择此方案。

方案二：

低功耗CC1100E是一款Sub-GHz高性能射频收发器，提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、空闲信道评估、链路质量指示以及无线唤醒的广泛硬件支持。

具有高灵敏度、低电流消耗、支持频率下高达+10dBm的可编程输出功率、1.2到500kBaud的可编程数据速率等特点，非常合适中短距离的数据传输，所以选择此方案。

3.1.3显示模块的选择

方案一：

使用数码管显示。

数码管具有耗能低、电压低、寿命长、对外界环境要求低，易于维护等优点，其电路复杂，占用资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。

方案二：

我们设计的系统需要显示的信息直观，所以应选用显示功能更好的液晶显示，要求能显示更多的数据，增加显示信息的可读性，看起来更方便。

而液晶LCD1602有明显的优点：

微功耗，尺寸小，超薄轻巧，显示信息量大，字迹美观，视觉舒适，而且容易控制。

所以选择方案二。

3.2芯片和组态王介绍

综合了各个方案的对比，我得出了本系统的最终方案，在主从处理器方面选择STC89C51单片机，红外模组TN_9作为测温模块，用LCD1602为本系统的显示部分，通过CC1100E无线收发模块把测得的温度值传到从处理器并通过从处理器串口经RS232电平转换模块传到上微机软件组态王Kingview做各种数据的后台处理。

3.2.1主从控制器STC89C51

单片机作为红外测温系统的核心处理部件，它关系到整个系统的性能指标。

因此它的选择是非常重要的。

本测温系统选择的STC89C51RC单片机，下面是STC89C51RC单片机相关资料信息：

STC89C51RC单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本部集成MAX810专用复位电路。

STC89C51RC系列单片机具有在系统可编程（ISP）特性，这样可以省去购买通用编程器，单片机在用户系统上即可下载/烧录用户程序，无须将单片机从以生产好的产品上拆下。

对于一些尚未定型的设计可以一边设计一边完善，加快了设计速度，减少了一些软件缺陷风险。

由于可以在用户的目标系统上将程序直接下载进单片机看运行结果，故无须仿真器，图3.1为此单片机的引脚图。

图3.1STC89C51RC单片机引脚图

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8051CPU；

（2）工作电压：

5.5v-3.8v；

（3）工作频率围：

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）部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省复位电路）。

（11）共3个16位定时器/计数器，定时器0还可以当成2个8位定时器使用；

（12）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown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）工作温度围：

0－75℃/－40～＋85℃；

（17）封装形式：

PDIP-40/PLCC-44/PQFP-44。

STC89C51各引脚的功能描述如下：

（1）电源和晶振：

VCC、VSS——运行和程序校验时加的电压；

XTAL1——输入到振荡器的反向放大器；

XTAL2——反向放大器输出，输入到部时钟发生器

（2）RST：

单片机的上电复位或掉电保护端；

（3）ALE:

地址锁存有效信号输出端；

（4）

：

片外程序存储器读选通信号输出端。

3.2.2红外模组TN_9

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。

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，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接口，可以很方便地与单片机（MCU）传输数据。

其引脚如图3.2。

图3.2红外测温传感器引脚图

在图3.2中，V为电源引脚VCC，VCC一般为3V到5V之间的电压，一般取3.3V；D为数据接收引脚，没有数据接收时D为高电平；C为2KHzClock输出引脚；G为接地引脚；A为测温启动信号引脚，低电平有效。

TN_9红外测温模块的时序如图3.3所示，在CLOCK的下降沿时接收数据。

（例：

如果一次温度测量需接收5个字节的数据，这5个字节中：

Item为0x4c表示测量目标温度，为0x6c表示测量环境温度；MSB为接收温度的高八位数据；LSB为接收温度的低八位数据；Sum为验证码，接收正确时Sum=Item+MSB+LSB；CR为结束标志，当CR为0xodH时表示完成一次温度数据接收。

）

图3.3TN_9模块的时序图

红外测温模块温度值的计算：

以上面的例子：

无论测量环境温度还是目标温度，只要检测到Item为0x4cH或者0x66H同时检测到CR为0x0dH，他们的温度的计算方法都相同。

计算公式：

目标温度/环境温度=Temp/16-273.15（3-1）

其中Temp为十进制，当把它转换成十六进制的高八位为MSB，低八位为LSB；比如MSB为0x14H，LSB为0x2Ah，则Temp十六进制时为0x142aH，十进制时为5162，则测得的温度值为5162/16-273.15=39.475℃.

3.2.3无线收发CC1100E

CC1100E是一款Sub-GHz高性能射频收发器，设计旨在用于极低功耗RF应用。

其主要针对工业、科研和医疗（ISM）以及470-510MHz和950-960MHz频带的短距离无线通信设备（SRD）。

CC1100E特别适合于那些针对日本ARIBSTD-T96标准和中国470-510MHz短距离通信设备的无线应用。

CC1100E主要的应用围有：

（1）运行于470/950MHzISM/SRD频带的超低功耗无线应用；

（2）无线传感网络；

（3）家庭和楼宇自动化；

（4）高级抄表架构（AMI）；

（5）无线计量；

（6）无线告警和安全系统；

图3.4CC1100E的简化结构图

CC1100E具有一个低功耗IF接收机。

在图3.4中，低噪声放大器（LNA）将接收到的RF信号放大，并在求积分（I和Q）过程中被降压转换至中频（IF）。

在IF下，I/Q信号被ADC数字化。

自动增益控制（AGC）、精确信道滤波和调制解调位/数据包同步均以数字方式完成。

CC1100E的发送器部分基于RF频率的直接合成。

频率合成器包括一个完全片上LCVCO和一个90度相位转换器，以在接收模式下向降压转换混频器生成I和QLO信号。

将一个晶体连接XOSC_Q1和XOSC_Q2。

晶体振荡器产生合成器的参考频率，以及ADC和数字部件的时钟。

一个4线SPI串行接口用于配置和数据缓冲器存取。

数字基带包括对信道配置、数据包处理以及数据缓冲的支持。

图3.5CC1100E的复位时序

在图3.5中，CC1100E全局复位方法使用SRES指令选通脉冲。

通过发出这种选通脉冲，所有部寄存器和状态均被设置为默认值，即IDLE状态。

（1）设置SCLK=1和SI=0，以避免引脚控制模式下潜在的问题。

（2）选通脉冲CSn低电平/高电平。

（3）保持CSn为低电平，随后为高电平，保持CSn为高电平至少持续40μs。

（4）拉低CSn，等待SO变低（CHIP_RDYn）。

（5）通过SI线发送SRES选通脉冲。

（6）当SO再次变低时，复位完成，芯片处于IDLE状态。

图3.8配置寄存器的读写操作

如图3.8所示，CC1100E通过一个简单的4-线SPI兼容接口（SI、SO、SCLK和CSn）便可对CC1100E进行配置，此时CC1100E为从属器件。

该接口还可以用于读取和写入缓冲数据。

SPI接口上的所有数据传输均以最高位开始。

SPI接口上的所有事务均以一个报头字节作为开始，该字节包含一个R/W;¯bit，一个突发存取位（B），以及一个6位地址（A5–A0）。

在SPI总线上传输数据期间，CSn引脚必须保持低电平。

在传输报头字节或读/写寄存器期间，如果CSn电平升高，那么传输就会被取消。

图3-7显示了SPI接口上地址和数据传输的时间。

拉低CSn电平时，在开始传输该报头字节以前，MCU必须等待，直到CC1100E的SO引脚变为低电平为止。

这表明，晶体正在运行。

除非芯片处在SLEEP或XOFF状态，否则SO引脚总会在CSn变为低电平以后立即变为低电平。

3.2.4电平转换芯片MAX232

MAX232C是RS232与TTL电平之间进行电平转换的工具芯片，它是MAXIM公司生产、包括两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。

MAX232C芯片部有一个电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成为RS232所输出电平所需的电压。

所以，采用此芯片的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了，如图3.9。

图3.9MAX232引脚图

MAX232C部结构：

（1）电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

（2）数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

（3）供电。

15脚GND、16脚VCC（+5v）。

MAX232C主要特点：

（1）单5V电源工作

（2）LinBiCMOSTM工艺技术

（3）两个驱动器及两个接收器

（4）±30V输入电平

（5）低电源电流：

典型值是8Ma

（6）符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28

（7）ESD保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准的2000V

3.2.5液晶1602

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。

它的主要技术参数如表3.1，图3.10，图3.11所示。

（1）显示容量:

16×2个字符

（2）芯片工作电压:

4.5—5.5V

（3）工作电流:

2.0mA（5.0V）

（4）模块最佳工作电压:

5.0V

表3.11602部控制指令

序号

指令

R/W

清显示

光标返回

置输入模式

I/D

显示开/关控制

光标或字符移位

S/C

R/L

置功能

置字符发生存贮器地址

字符发生存贮器地址

置数据存贮器地址

显示数据存贮器地址

读忙标志或地址

计数器地址

写数到CGRAM或DDRAM）

要写的数据容

从CGRAM或DDRAM读数

读出的数据容

图3.10LCD1602读操作时序

图3.11LCD1602写操作时序

3.2.6稳压芯片LM2576

HYM2576系列调节器是单片集成电路，它可以提

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