红外测温技术设计方案Word格式.docx
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另外，在民用领域各种红外测温仪、红外热像仪、星载红外遥感仪等，也逐渐研制成功，逐渐发展成熟，在日常生活中得到了充分的应用。
在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的要求。
在产品加工行业,一些需要对温度进行远距离监测的地方，都离不开温度传感器，既实现了远距离监测，也可以及时的进行调控。
在食品行业，红外温度可以在不被污染的的情况下实现食物温度的监测和控制，鉴于这种优点，红外温度传感器在食品加工方面别受欢迎。
在医疗方面，红外测温技术主要应用于人体温度的测量，对人体机能是否正常运行实时监控。
随着红外测温技术的发展和应用，一种新型的红外技术——智能数字红外传感技术正在悄然兴起。
这种智能传感器置微处理器，能够实现传感器与控制单元的双向通信，具有小型化、数字通信、维护简单等优点，因此，应用普遍而且易被接受。
随着红外传感器的体积越来越小、价格逐渐降低，在食品、采暖空调和汽车等领域也有了新的应用。
例如在食品烘烤机、理发吹风机上，都有红外温度传感器，用来检测温度是否过热，以便决定下一步该怎么操作，是停止加热将食物从烘烤机中取出，或是使吹风机冷却等。
现在红外测温技术已经被人们普遍应用，其中红外测温仪是红外技术的一个重要应用，它是利用人体发出的红外线来测量出人体的平均温度。
这种测温仪采用的是高精度的红外温度传感器和微电子技术，它能够快速、准确、方便的测出人体的平均温度，不仅方便、快捷，而且解决了传统体温计易碎和水银污染等问题。
同时，给医疗方面也带来了很大的方便。
第二章红外测温仪的测温原理
2.1红外测温的基础理论
在自然界中，所有温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体，由于自身分子的热运动，都在不停的向周围空间辐射包括红外波段在的电磁波，而且通过一定的设备室可以检测到这些不同波段的电磁波的。
不同波段的电磁波，它的能量也是不同的。
物体的红外辐射能量大小和波长的分布与它表面的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线能量的测量，就可以准确的测出物体表面的温度。
这也就是我们所说的红外测温理论的依据基础。
红外线是电磁波谱中的一部分，而且这一波段正好位于可见光和微波之间。
根据普朗克辐射定律：
凡是绝对温度大于零度的物体都会向外辐射电磁波，物体的辐射强度与温度及表面辐射能力有关，辐射的电磁波与物体温度密切相关。
在电磁波波谱中，我们通常把人眼可以直接感知的0.4
~
0.76µ
m波段的电磁波称为可见光波段，把波长在0.76
600µ
m波段的电磁波称为红外波段。
近年来，红外线技术已经成为一门发展迅速的新兴学科，它已经广泛应用于生产、科研、加工、军事、医疗、美容等领域。
波长
10km~10000km
1mm~1km
1um~1mm
1nm~1um
0.1nm~1nm
0.1nm以后
名称
声波
无线电波
红外线
可见光
紫外线
X射线
2.1电磁波波谱图
1、辐射的光谱分布规律——普朗克辐射定律：
一个绝对温度为T（K）的黑体，单位面积表面在波长λ附近单位波长间隔向整个半球空间发射的辐射功率（简称为光谱辐射度）Mλ，T与波长λ、温度T满足下列关系：
Mλ,T=C1（eC2/λT-1）（2-1）
式中C1、C2分别为第一、第二辐射常数。
普朗克辐射定律是所有单位计算红外辐射的基础。
2、斯忒藩（德）—
波尔兹曼（奥）（Stefan—Boltzmann）定律:
物体的总辐射率，即单位面积发射总功率与黑体温度的四次方及材料表面的发射率成正比。
其数学表示如下：
W=σεT4（2-2）
其中，σ=5.67×
108w/m2·
K4，为Stefan—Boltzmann常数，ε为材料表面发射率。
此定律表明：
凡是温度高于开氏零度的物体都会自发的向外发射红外热辐射，同时黑体单位面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。
而且，只要温度有较小变化时，都会使物体发射的辐射功率发生很大的变化。
因此，只要能够探测到黑体单位表面积发射的总辐射功率，就可以确定该黑体的温度。
3、辐射的空间分布规律—朗伯余弦定律：
所谓的郎波余弦定律，就是黑体在任何方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比：
Iθ=
C0cosθ（2-3）
黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。
因此，实际做红外检测时应尽可能选择在被测表面法线方向最大值的cosθ倍。
4、基尔霍夫辐射定律与发射定律：
实验证明，物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与该物体的材料性质及表面状态等因素有关。
我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，即可把黑体的基本定律应用于实际物体的红外温度测量。
而这个辐射系数就是常说的发射率，或称之为比辐射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。
该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在大于0和小于1的数值区间。
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素有：
材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。
因此，利用在同温度下实际物体与黑体的辐射度之比来表示该物体的一种特性，可以称之为实际物体的发射率，也叫全发射率，用ε表示。
数学表示为
ε=M/M0（2-4）
式中：
M为实际物体的辐射度，Mo为相同条件下黑体的辐射度。
基尔霍夫定律揭示了热平衡下物体的辐射与吸收的关系，指出一个好的吸收体也是一个好的辐射体。
可以用以下公式表达：
ε=α（2-5）
由此可看出，任何处于热平衡下的物体吸收率等于发射率，即物体的吸收本领越大发射本领也就越大。
为了减少测量物体的温度误差，去除环境温度因素的影响，所以修正的红外辐射定律如下：
E=σε（T04-TA4）（2-6）
E为辐射出射度数，单位W/m；
σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数，5.67×
10-8W/（m2·
K4）；
ε为物体的辐射率；
T0为物体的温度，单位K；
TA为物体周围的环境温度，单位K；
只要测量出所发射的E的值，就可计算出对应的温度。
利用这个原理我们可以制成红外测温仪。
这种测量技术不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测温。
在不同的温度围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0~100℃）围，能量主要集中在中红外和远红外波长。
用于不同温度围和不同测量对象的测温仪器，其具体的设计也不同。
根据式（2-6）的原理，仪器所测得的红外辐射为：
E=Aσε1ε
（TO4-TA4）
（2-7）
A为光学常数，与仪器的具体设计结构有关；
ε1为被测对象的辐射率；
ε2为红外温度计的辐射率；
TO为被测对象的温度（K）；
TA为红外温度计的温度（K）；
它由一个置的温度检测元件测出。
所有的物体，包括人体各部位的表面，其ε值都是某个大于0而且小于1的数值。
其中红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。
光学系统汇聚其视场的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学元件及其位置确定。
红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。
该信号经过放大电路和信号处理电路，按照仪器相关的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。
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围的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。
单色测温仪与波段的辐射量成比例；
双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。
2.2红外测温传感器的测温特点
某些晶体材料，当其受热时温度升高，在晶体两端产生数量相等符号相反的电荷；
晶体冷却，产生的电荷符号则与温度升高时相反。
这种由于热变化产生的电极化现象称作热释电效应。
红外感应源通常采用热电堆元件，这种元件在接收到人体红外辐射时，由于自身温度变化，产生电荷或电势差，再利用一定的电路将该电信号进行放大处理就可以得出要测量物体的温度值。
其中温差电堆由若干热电偶串联组成，热电偶传感器测定温度与输出电压的关系的测温点在接收到红外辐射能量后温度升高，因为“塞贝克效应”而产生热电动势，其输出电压和测定点的温度近似成正比例关系，这是红外温度传感器测量体温所依据的基础。
同时为减少太等可见光对传感器的影响，在传感器的前面要加上滤光片，只让红外光通过。
滤光片的波长可通过下式计算：
λ=2898/T。
λ（µ
m）是波长，T（K）是绝对温度。
人体的正常温度取为37℃，则T
=310K；
λ=9.35µ
m。
通常选用波长为6
14
µ
m的光学滤光片，其带通特性有利于温度的测量。
（1）远距离和非接触测量：
红外测温不需要与被测物体接触，可远距离测量，它特别适合于高速运动物体、旋转体、带电体和高温高压下物体的温度测量。
同时也适合用于人体温度的测量。
（2）响应速度快：
红外测温不像常规温度计那样，需要与被测量物体接触以达到热平衡状态才能得到正确的温度数据。
它只要接收到目标的红外辐射即可测量，其响应速度在毫秒甚至微秒数量级。
（3）灵敏度高：
因为物体温度的微小变化会引起辐射功率的较大变化，容易被红外测温传感器探测，所以红外测温的可测温差很小，可达零点零几摄氏度。
（4）准确度高：
红外测温是非接触测量，不破坏物体本身的温度分布，因此所测温度相对较为准确。
（5）测温围广：
测温围可从负几十摄氏度到正几千摄氏度。
2.3
本章小结
本章主要阐述了红外线测温的一些基础理论和红外测温传感器的测温特点。
红外测温可以说是人类发现红外线后的一个重要应用，其中红外线人体测温仪更是医学测量上的重要发明。
随着科学技术的不断发展，红外线人体测温技术已经非常成熟了，不仅精准、灵敏，而且方便使用和测量。
现在越来越多的这种测温产品供消费者选购，也越来越多的人们接触和了解到红外测温技术的方便和快捷之处。
而且，红外测温仪应经应用在重大疾病的检测检疫中，特别是流动性大和密集的人群聚集地，不仅测温速度快而且方便快捷，能够及时发现病情，及时得到治疗。
第三章总体方案设计和选择
3.1设计方案分析
本课题是关于便携式人体测温仪的设计与研究，因为研究方向是利用人体发射出的红外线来测量人体的温度，所以从红外线测温的原理来测量人体的温度，并且要考虑系统的便携性。
常见的红外人体测温仪主要有两种：
一种是红外耳温计，另一种是红外额温计；
这两种形式的红外体温计各有自己的优缺点。
其中红外耳温计是一种专门用于测量鼓膜温度的温度计，通过红外导波管将由鼓膜发射的红外辐射能传送到热电堆等热探测器，将红外辐射能量转换为电能后进行电信号处理得到人体温度信息。
由于鼓膜的温度稳定，且可以直接体现人体部核心温度，因此当使用方确时耳温计的示数可以作为医学确认。
但缺点是由于对使用者提出较高的要求，且使用一次性的探头盖，增加了后期的使用成本。
而红外额温计主要是通过测量人体的体表（额头等）红外辐射，经过信号处理后得到人体的温度信息。
其优点是完全无需与人体接触（真正意义上的无接触测量），这就意味着无需使用一次性的探头盖，从而节约使用成本和避免人群交叉感染。
但由于人体的体表温度很容易受到各种因素（温度、湿度、人体体表的洁净度等）的影响，比如在寒冷的冬天人体的体表温度比核心温度要低得多，而在炎热的夏天则情况相反。
这样测量得出的温度数据不能反映出人体温度的真实信息，而且这些因素的影响是不确定的，因此难以通过合适的温度补偿来消除误差。
所以在现实应用中，通常红外额温计是用于体温的初步判断。
这两种红外测温仪实际上应用的原理和部结构是基本一致的，只是两者有一些细微的差别而已。
红外额温计使用起来比较方便，而且可以大规模测量，比较方便、快捷，但准确性容易受环境因素的影响。
红外耳温计的使用方式使得它具有较高的准确性，但对于操作起来比较繁琐，需要每次都更换探头，而且对于大量的测量不太现实。
所以，整体来说还是选择红外额温计，操作起来比较方便，而且还适合大规模检疫中使用。
综上所述，本设计采用测量额头温度的方案，即设计一个红外额温计。
经过初步分析可以得知，整个系统可以划分为几个大模块，红外测温模块、单片机处理模块、外围电路（输入按键、LCD等）模块和电源模块。
其中为了提高系统的便携性，电源模块采取电池供电的方式。
所要设计的系统的几个基本要求和指标如下所示：
（1）利用人体红外辐射的原理来测量体温，即采用红外温度传感器；
（2）体温测量的准确度要高；
（3）系统采用电池供电，且功耗要低；
（4）系统响应速度要快，要在1~2s完成测温；
（5）要使用简单，有良好的人机界面；
（6）总体成本（硬件成本、设计时间成本等）要低。
3.2方案的选择
方案一：
在该方案里，系统可以分为模拟红外温度传感器（含环境温度测量）模块、放大电路模块、AD转换电路模块、MCU主控模块、按键模块、蜂鸣器模块、LCD模块和电源模块（如图3.1所示）。
所谓的模拟传感器就是传感器的输出量是模拟量，而不是可以直接进行数据处理的数字量，所以它需要通过信号放大和AD转换等处理后才能传输给单片机进行相关的处理。
图3-1方案一的方框图
首先模拟红外温度传感器接收人体发出的红外线，经过放大电路把接收到的红外信号放大，再经过转换电路转换后转换成电信号，输出对应的电压值，传感器同时通过温度传感器测量环境温度/传感器温度。
这两个红外温度传感器的输出量通过放大电路和AD转换电路的处理后传输到MCU模块进行相关的处理计算，最后通过LCD模块显示相应的人体温度。
方案二：
在本方案中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，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；
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3-2所示
图3-2方案二的系统框图
方案对比和选择：
对于方案一，模拟传感器的成本相对要低，而且整个系统设计的自由度相对要高一些，但是也使得系统电路变得更为复杂。
例如集成运放电路要用到双电源供电，这就使得电源模块的设计变得复杂、功耗变大和效率变得更低，这对于使用电池供电的便携式系统是不利的。
同时在软件设计方面，要涉及到滤波处理、温度线性校准处理和黑体校定等，这使得设计工作量大大增加。
而且对于开发者的开发环境要求较高，不适合作为毕业设计的课题研究。
在方案二中，采用的是模块化的设计思路，设计起来比较方便，更容易理解。
而且采用STC89C51单片机控制，由单片机构成控制核心部分，更便于实现控制，而且电路设计比较简单，焊接也比较简单。
适合作为毕业设计的研究对象，虽然成本有点高，但是实用性和稳定性更好。
综上所述，通过对比和筛选，方案二更适合作为此次设计课题的研究设计方案。
3.3总体方案设计
经过论证对比，选择了方案二的设计。
基于STC89C51单片机的红外测温仪的硬件设计采用目前使用比较广泛的模块化设计思想，将整个系统分成五大模块：
单片机处理模块、红外测温模块、电源模块、报警模块和LCD显示模块。
通过划分模块的方法，可以把一个复杂的问题分割成几个相对容易解决的问题，分别予以解决，大大简化了设计的难度。
其中红外测温传感器采用的是TN系列的高敏感测温产品——TN901。
这是一个接收和检测装置与一体的集成块，具有灵敏度高、精度高、低功耗的特点。
3.4本章小结
这一章主要分析了课题的设计要求和基本指标，初步确定红外测温的设计方向。
然后对两种不同的方案进行了对比和分析，最后决定使用第二个方案作为该课题的最终方案。
在该方案里，整个系统从硬件上可以分成五个子模块：
分别是单片机处理模块、红外测温模块、电源模块、报警模块和LCD显示模块。
第四章系统硬件设计
4.1单片机处理模块
该红外测温仪是以STC89C51单片机为核心控制器件的测温设备，此单片机模块的工作原理：
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。
单片机处理模块的电路原理图如图4-1所示：
图4-1单片机处理模块电路图
图4-2单片机复位和时钟电路图
其复位电路和时钟电路如图4-2所示，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4-1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控制部件，它关系到整个仪器的性能指标，能否实现测温功能起着关键作用，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：
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。
下图4-3是此单片机的引脚图：
图4-3STC89C51单片机引脚图
一、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；
工作电压：
3.8v-5.5v；
3.工作频率围：
0-40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，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。
二、STC89C51各引脚的功能描述如下：
（1）电源和晶振：
VCC——运行和程序校验时加的电压；
VSS——接地；
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。
4.2红外测温模块
此设计的红外测温模块使用TN901，可以不用接触被测物体，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P1.3、P1.4和P1.5口传送给单片机模块，由单片机读取信息，通过LCD显示出来。
红外测温模块电路图如图所示：
图4-4红外测温电路模块
面对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件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。
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，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。
电路图并不复杂，对于设计研究也不是很难，比较容易理解、易懂。
它的测量距离大约为1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（MC
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