基于单片机的红外测温仪的设计毕业设计.docx

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基于单片机的红外测温仪的设计毕业设计

1摘要

为了克服传统温度计测量温度的主要缺点——需要测量者与被测目标近距离接触和测量不方便，在顾及仪器测量高精度前提下，以追求最低成本为原则，研制了非接触式热释电红外测温仪，实现了对物体表面温度快速准确的测量。

本文主要设计了红外测温仪的整体系统构架，根据热释电原理，主要针对人体体温测量进行了具体的设计开发，包括整体方案，总体电路及各单元电路的设计，软件设计，硬件焊接及系统调试，并利用设计出来的红外测温仪在环境温度30℃下对人体温度进行了测量，对人体的温度测量的误差低于±0.1℃，提高了测量精度。

红外测温仪的设计主要为适应人体体温快速无接触测量的需要。

此外还介绍了热释电红外传感器的工作原理以及比较适合人体红外检测的热释电传感器PM611的优点和等效电路，阐述了基于热释电传感器的红外测温仪的工作原理，讨论了该系统的设计与实现方法，简单介绍了测温系统的适用条件。

关键词：

温度测量热释电PM611

Abstract

Todecreasethelimitationoftraditionalmethodoftemperaturemeasuringsuchasclosecontactbetweenmeasurerandthetargetandinconveniencewhenmeasuring,wedevelopedanon-contacttypepiezoelectricinfraredthermometer,realizesfastandaccuratesurfacetemperaturemeasurements.Thisarticlealsodesignedtheoverallsystemarchitectureinfraredthermometer.Thenunderthepiezoelectricprinciple,aimedathumanbodytemperaturemeasurementforaspecificdesign,developmentincludinghardware,peripheralstechnology,SCM,andthehostprogram.Designedbyusingtheinfraredthermometeratambienttemperature30℃onthehumanbodyweremeasuredonthehumanbodytemperaturemeasurementerrorislessa±0.1℃improvethemeasurementaccuracy.Thisthermometermainlyappliestono-contact,speedybody-heatmeasurement.ThisarticlemainlyintroducesoperationalprinciplesofpiezoelectricinfraredsensorandthestructureofhydroelectricallysensorPM611.Itformulatesthetheoryofthethermometerbasedonhydroelectricallysensorandstudieshowtodesignandimplementofthesystem．Finally，itindicatestheconditionaldemandofthesystem.

Keywords:

TemperatureMeasurementPiezoelectricallyPM611

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

1绪论

由于医学发展的需要，在很多情况下，一般的温度计己经满足不了快速而又准确的测温要求，例如车站和机场等人口密度较大的地方进行人体温度测量。

虽然现在国外这种测温的技术都比较成熟，但是国内这方面的技术还处于发展阶段。

因此，为了适应医学发展的需要，有效地进行特殊环境下的温度测量，从而有力地控制和预防诸如甲流、非典之类型的特殊疾病的传播，急需设计一种测温速度快，准确率高的测温仪。

针对一般的工业用的红外测温仪的精确度不够高，我们根据这种红外线测温的原理，通过关键器件的选择、瞄准系统的设计以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的精确度，设计了一种用红外线测温电路，用于人员密集且流量大的场合进行快速的人体温度测量。

1.1选题意义

伴随着人们生活水平的不断提高以及对生活质量要求的提高，人们对自身的健康状况越来越关注，而人体的体温、血压、脉搏和呼吸是鉴别人体健康状况的重要参数，对这些生理指标的监控与测量则可以更好的体现人体自身的健康状况，所以他们在医疗领域中占有十分重要的地位，也为人民的生活带来极大的方便。

本次设计主要围绕体温这一生理指标展开，以AT89S52单片机为控制核心对温度进行实时采集，开发设计红外测温仪的全过程，根据红外线测温仪的原理，通过关键器件的选择以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的精确度，设计了一种非接触式人体体温测试仪，用于人体体温的快速测量。

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数字显示。

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。

最后，文章对本次设计做出了详细的总结。

1.2红外测温技术的发展历程

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。

近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。

比起接触式测温方法，红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。

非接触红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。

在不同规格的各种型号测温仪中，正确选择红外测温仪型号对用户来说是十分重要的。

　　红外检测是一种在线监测（不停电）式高科技检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，通过接收物体发出的红外线（红外辐射），将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况，具有准确、实时、快速等优点。

任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。

红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况。

目前应用红外诊技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。

像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。

　　红外诊断技术对电气设备的早期故障缺陷及绝缘性能做出可靠的预测，使传统电气设备的预防性试验维修（预防试验是50年代引进前苏联的标准）提高到预知状态检修，这也是现代电力企业发展的方向。

特别是现在大机组、超高电压的发展，对电力系统的可靠运行，关系到电网的稳定，提出了越来越高的要求。

随着现代科学技术不断发展成熟与日益完善，利用红外状态监测和诊断技术具有远距离、不接触、不取样、不解体，又具有准确、快速、直观等特点，实时地在线监测和诊断电气设备大多数故障（几乎可以覆盖所有电气设备各种故障的检测）。

它备受国内外电力行业的重视（国外70年代后期普遍应用的一种先进状态检修体制），并得到快速发展。

红外检测技术的应用，对提高电气设备的可靠性与有效性，提高运行经济效益，降低维修成本都有很重要的意义。

是目前在预知检修领域中普遍推广的一种很好手段，又能使维修水平和设备的健康水平上一个台阶。

目前应用红外诊断技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。

像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。

目前，我国也在研发一种体积小，成本较低，又不受外界环境温度干扰的人体红外测温仪，对医学的发展有很重大的意义。

1.3国内外研究现状

自从1800年英国天文学家F·W·赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。

从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。

当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。

其中有些达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。

此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。

特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。

目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。

对于红外传感器的全球市场，第三世界国家将比欧美更加看好。

虽然欧美很多工业国家加工业广泛，但其市场以趋向饱和；而在中国以及拉美一些新兴国家和地区，随着其经济的复苏与发展，各国各地区纷纷加强工业化建设，加工厂不断增多，红外传感器在该区域的销量每年以2％～5％的速度增长，并且其市场销量还处于增长趋势。

我国的红外检测技术的发展起步比较晚，直到2003年非典的袭击，我国才迅速诞生了一支专门抗击非典的医疗仪器队伍，特别是在红外体温检测仪的研发方面取得了突出的成就。

国家相关部门也在重点强调非接触式体温计的研发。

1.4设计的目的与意义

生理参数是人体最重要、最基本的生命指标，对危重病人进行生命指标参数的监测是医务工作者及时了解病情状况的重要手段之一，它有利于对有生命危险的伤病员进行及时有效的治疗和抢救处理，完善病人的医疗护理以及研究人体对环境变化的反应都有着重要的意义。

其中体温是人体最基本的生理参数，对于日常护理和病情检测都是非常重要的。

有许多疾病都能通过体温的变化来预测，所以体温计在医疗领域中占有十分重要的地位。

人体体温测试仪应用范围不仅仅局限于医学，在消防上消防员在扑火的同时也要对自己的体温做到了解，如果体温过高或者心率过快就要及时撤离，以免发生危险；军事上用于部队训练，必须实施随时监测，体温使训练能够在良好的体征下进行，提高效果。

因此，在许多领域都需要这种测试仪对人体体温进行精确测试。

此设计的目的是在理论学习的基础上，通过完成一个涉及MCS-51单片机多种资源应用，并具有综合功能的小目标板的设计与编程应用，并在进行相关课程设计基础上进行的一次综合设计。

通过查阅资料，接口设计，程序设计，安装调试，整理资料等环节，从而掌握工程设计方法和组织实践的基本技能，熟悉开展科学实践的程序和办法，为今后从事生产技术工作打下必要的基础，学会灵活运用已经学过的知识，并能不断接受新的知识，大胆发明创造的设计理念。

因此研制一套可应用于个人家庭、方便携带、结构简单、测量速度快、实时性好的人体体温测试仪尤为重要。

人们可以足不出户，在家中可随时对自己生理指标进行测试，监测自己的身体状况，做到提前预防，提高生命质量。

2红外测温仪的原理和性能分析

本章节首先介绍红外测温的基础理论，然后针对其理论依据进行原理剖析，还简单介绍了红外测温仪的性能指标及影响测温的主要因素，最后给出了误差的具体修正方法。

2.1红外基础理论

1672年，人们发现太阳光（白光）是由各种颜色的光复合而成，同时，牛顿做出了单色光在性质上比白色光更简单的著名结论。

使用分光棱镜就把太阳光（白光）分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光。

1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了红外线。

他在研究各种色光的热量时，有意地把暗室的唯一的窗户用暗板堵住，并在板上开了一个矩形孔，孔内装一个分光棱镜。

当太阳光通过棱镜时，便被分解为彩色光带，并用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。

为了与环境温度进行比较，赫胥尔用在彩色光带附近放几支作为比较用的温度计来测定周围环境温度。

试验中，他偶然发现一个奇怪的现象：

放在光带红光外的一支温度计，比室内其他温度的批示数值高。

经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。

于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。

红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。

　　红外线的波长在0.76～100μm之间，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。

红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。

　　温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。

通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。

运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。

2.2红外线测温仪的理论依据

一切温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波。

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这十分密切的关系，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。

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。

红外辐射原理—辐射定律：

（3-1）

式中：

为辐射出射度数，

；

为斯蒂芬―波尔兹曼常数，

；

为物体的辐射率；

为物体的温度，单位

；

为物体周围的环境温度，单位

。

测量出所发射的

，就可得出温度。

利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度仪表。

这种测量不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测量。

在不同的温度范围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0～100℃）范围，能量主要集中在中红外和远红外波长。

用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪表，其具体的设计也不同。

根据式（2.1）的原理，仪表所测得的红外辐射为：

（3-2）

式中：

为光学常数，与仪表的具体设计结构有关；

为被测对象的辐射率；

为红外温度计的辐射率；

为被测对象的温度（K）；

为红外温度计的温度（K）；它由一个内置的温度检测元件测出。

辐射率

是一个用以表达物体发射电磁波能力的系数，数值由0至1.0。

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。

所有真实的物体，包括人体各部位的表面，其

值都是某个低于1.0的数值。

人体主要辐射波长在9~10

的红外线，通过对人体自身辐射的红外能量的测量，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。

红外温度测量技术的最大优点是测试速度快，几秒以内可测试完毕。

2.3红外线测温仪的性能指标

总的来说，测温范围、显示分辨率、精度、工作环境温度范围、重复性、相对湿度、响应时间、电源、响应光谱、尺寸、最大值显示、重量、发射率等都是红外线测温仪的性能指标。

1）确定测温范围：

测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。

每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。

2）确定目标尺寸：

红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。

对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。

否则背景会干扰测温读数，造成误差。

对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。

3）确定距离系数（光学分辨率）：

距离系数由D：

S之比确定，即测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径之比。

如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。

光学分辨率越高，测温仪的成本也越高。

4）确定波长范围：

目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。

5）确定响应时间：

响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的95%能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。

6）信号处理功能：

鉴于离散过程（如零件生产）和连续过程不同，所以要求红外测温仪具有多信号处理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。

7）环境条件考虑：

测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度甚至引起损坏。

8）红外辐射测温仪的标定：

红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。

2.4影响温度测量的主要因素及修正方法

影响红外人体测温仪的因素有：

1）测温目标大小与测温距离的关系：

在不同距离处，可测的目标的有效直径D是不同的，因而在测量小目标时要注意目标距离。

人体红外测温仪距离系数K的定义为：

被测目标的距离L与被测目标的直径D之比，即K=L/D。

2）选择被测物质发射率：

人体红外测温仪一般都是按黑体（发射率?

=1.00）分度的，而实际上，物质的发射率都小于1.00。

因此，在需要测量目标的真实温度时，必须设置发射率值。

物质发射率可从《辐射测温中有关物体发射率的数据》中查得。

3）测量温度时的环境因素：

测温仪所处的环境条件对测量结果有很大的影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度。

本设计中正是利用了PM611热释电红外线传感器可以补偿温度起伏的作用，实现准确测温。

4）强光背景里目标的测量：

若被测目标有较亮背景光（特别是受太阳光或强灯直射），则测量的准确性将受到影响，因此可用物体遮挡直射目标的强光以消除背景光干扰。

5）温度输出功能：

首先模拟信号输出——0～5V，1～5V，0～10V，0/4～20毫安，可以加入闭环控制中。

其次高报警、低报警─生产过程中要求控制温度在某个范围里，可设置高，低报警值。

高报警：

在高报警设置打开的情况下，当温度高于高报警值，相应的LED灯闪烁，蜂鸣器响，并有相应继电器接通或断开。

由于在温度测量时是在不确定的环境中进行的，所以外界环境会对测温造成一定的影响，对测量结果产生误差，所以要对环境温度有一个修正。

由2.1节辐射公式可得出热释电传感器的响应公式为：

（3-3）

式中：

为与热释电响应特性及物体表面发射率有关的常数，

为物体表面温度，

为环境温度。

根据表达式（2.3）可以得到不同的标定公式：

（1）简单关系式，即

（3-4）

式中：

，应用此公式所作的标定实验结果见表1，表中数据表明，

不仅与

有关，还与

有关。

（2）多项式，即

（3-5）

令

（3-6）

在参考文献[7]中，

取三项，其实验结果表明，要使测温仪满足一定的精度，测温时的环境温度和物体表面温度要在一定的范围内，如环境温度

=30℃，物体表面温度在180℃以上时，读数误差较大。

由表2-1可知：

首先应该对物体表面温度分段定标，因为测量范围较大，所以不同段的标定系数相差很大。

实际应用中每隔5~10℃就必须标定一个系数，当采样电压峰值落在此区间时就选择该系数。

然后再根据环境温度的不同对已选出的标定系数进行修正，达到在不同环境温度下仍然能够准确测温的目的。

分析表1可知，当物体表面温度较低时（78℃以下），环境温度对修正系数的影响较大。

所以对此温度范围的物体必须进行环境温度对标定系数的修正。

而当物体表面温度较高时，则修正系数基本由物体表面温度决定，这样系数就不必再依环境温度进行校正，这就减少了标定系数的复杂性。

下图为表1：

表2-1不同环境温度下的标定系数

标准温度（℃）

环境温度

（℃）

测量值

（V）

系数Ka

（V/℃）

34.00

26.0

2.613

3.061

26.5

2.605

2.879

27.0

2.588

2.704

78.00

26.0

2.960

17.57

26.5

2.948

17.47

27.0

2.925

17.44

120.00

26.0

3.392

27.71

26.5

3.388

27.59

27.0

3.384

27.48

2.5红外线测温仪的特点

人体红外测温仪是通过接收人体发射的红外线的能量的大小来测量其体温的仪器。

测温仪内部的灵敏探测元件将采集的能量信息输送到微处理