红外测温毕业论文.docx
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红外测温毕业论文
前言
体温是人体生命活动中最基本特征，也是观察人体机能是否正常的重要的指标之一。
当今的日常生活中，人们使用最广的水银体温计，其原理是根据水银随温度升降的热胀冷缩的性质，通过读取标度值来判断温度值。
但是这样的温度计有着很多的缺点：
传统温度计在使用时，必须和被测量者接触，常常要等待较长时间，以让其充分受热，当测量结束后还要将水银重新甩入水银泡中。
由于水银泡是由很薄的玻璃制成极易破碎，而且其中的水银蒸汽对人体有着极强的毒害作用，曾经报道过多次小孩因咬碎水银泡而误吞水银造成中毒的事件，可见普通的水银体温计有着及其严重的安全隐患。
人体温度相对恒定是维持人体正常生命活动的重要条件之一，当体温高于41度或低于35度时将严重影响人体各系统的机能活动，甚至危害生命。
很多疾病都可使体温正常调节机能发生障碍而使体温发生变化，很多疾病的的首要症状就是发烧。
临床上对病人检查体温，观察其变化对诊断疾病或判断某些疾病的预防有重要意义。
生理参数对人体来说是最重要、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有效及时的抢救和治疗处理，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。
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。
人体体温测试仪的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。
并且很多工厂也需要红外测温仪去检测生产中的产品或者生产的条件是否达到理论要求的温度，因为温度很高，所以只能通过非接触的红外测温仪去测量检测，其应用十分广泛。
生产过程中运用的红外测温技术，不管是产品质量控制和监测，设备在线故障诊断，还是在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。
对比于接触式测温方法，红外测温有着很多的优点，例如响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。
红外测温为测量人体温度提供了快速、非接触测量手段，可广泛、有效地用于密集人群的体温测量。
非接触式的红外测温仪针对特定人群，比如儿童或老人，极其方便。
近来出现的智能红外测温计的设计，其内容涉及电子技术、检测技术、单片机技术等多方面内容。
红外测温仪的作用对医学检测的帮助非常大，例如2003年“非典”期间，红外测温得到了广泛的应用。
并且在前段时间发生的禽流感H7N9，也广泛的应用了红外测温仪。
红外测温技术是一门很实用和前沿的技术，以这个课题作为毕业设计，有利于理论联系实际，形成个人在这一方面的知识体系，可以更好的理解本科学习到的知识，尤其是对于单片机控制、传感器技术知识深入，对不管是以后的工作还是学习都是有很大的帮助的。
此设计的目的是在理论学习的基础上，通过完成一个以单片机为核心的多种资源应用，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，了解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。
摘要
人体温度对于人们的健康来说是一个非常重要的因素，很多疾病的发生都会使人体的温度发生变化。
如最近发生的H7N9禽流感会引起人体温度升高，所以，对于人们温度快速，准确的测量是必须解决的一个问题。
这对于诊断疾病和对疾病的预防是有巨大的意义的。
本文设计了红外测温仪的整体框架，根据红外传感器的原理，主要针对温度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对不同的物体进行温度测量。
红外测温仪克服了传统温度计的缺点，可以进行非接触物体的测量温度。
本设计采用AT89C51作为核心，集合非接触式温度传感器OTP-538U，集成运放LM324，ADC转换芯片ADC0804，液晶显示器LCD12864实现一个带报警功能的非接触式温度测量仪。
本文阐述了基于红外线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：
红外传感器，温度测量，单片机
ABSTRACT
Thebodytemperatureforpeople'shealthisaveryimportantfactor,andmanythehappeningofthediseasewillmakehumanbodytemperaturechange.SuchastherecentH7N9avianinfluenzacancausehumanbodytemperature,so,fortemperaturefastandaccuratemeasurementisaproblemthatmustbesolved.Forthediagnosisandpreventionofdiseaseisofgreatsignificance.Inthispaper,wedesigntheoverallframeworkoftheinfraredthermometer,accordingtotheprincipleofinfraredsensor.Mainlyfortemperaturemeasurementhascarriedonthedetaileddesigndevelopment,includingtheoverallplan,theoverallandeachunitcircuitdesign,softwaredesign,hardwareandsystemdebuggingwelding,andusinginfraredthermometeraredesignedfordifferentobjectsfortemperaturemeasurement.Weovercometheshortcomingsoftraditionalthermometer,infraredthermometertonon-contactmeasurethetemperatureofobjects.ThisdesignsUSESAT89C51asthecore,settingnon-contacttemperaturesensorOTP-538-u,integratingoperationalamplifierLM324,ADC0804ADCconversionchips,LCDdisplayingLCD12864withalarmfunctiontorealizeanon-contacttemperaturemeasuringinstrument.Thispaperexpoundstheworkingprincipleofinfraredthermometer,infraredsensordesignandimplementationmethodofthesystembeingdiscussed,itsimplyintroducestheapplyingconditionofthetemperaturemeasuringsystem.
Keywords:
Infraredsensor,Temperaturemeasurement,Singlechipmicrocomputer
第1章绪论
1.1红外测温技术的发展
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。
自从赫胥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。
随着红外测温技术的普遍应用，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。
这种智能传感器内置微处理器，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。
当前，各传感器用户纷纷升级其控制系统，智能红外传感器的需求量将会继续增长，预计短期内市场还不会达到饱和。
另外，随着便携式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。
比如用在食品烘烤机、理发吹风机上，红外传感器检测温度是否过热，以便系统决定是否进行下一步操作，如停止加热，或是将食品从烤箱中自动取出，或是使吹风机冷却等。
随着更多的用户对便携式红外温度传感器的了解，其潜在用户正在增加。
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。
1.2单片机发展历程
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。
单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。
自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
关键词微型计算机8位单片机发展趋势一、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。
单片机由芯片内仅有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。
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、电话、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。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影，它主要是作为控制部分的核心部件。
它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！
1.3红外测温仪系统总体设计
众所周知，传统温度计测量温度有一些缺点，如必须与人接触，多次接触不卫生，测量人群时效率十分低。
为了克服以上这些缺点，并且必须在保持测量温度仪器的高精度的同时，以比较低的成本为原则，研制了非接触式热释电红外测温仪，实现对物体表面温度的快速，准确，高效的测量。
在普通人们的日常生活中，我们常用水银温度计去测量。
其反应速度非常慢，需要保持一段时间才能正确的测量出温度。
并且使用水银温度计的时候，必须把温度计与身体的皮肤接触。
这就要求在使用之前，必须对温度计进行严格的消毒。
所以这种温度计不适合对多人进行连续的温度采集。
近年来，国内外在温度传感器的研发突飞猛进，取得了巨大的进步，非接触式红外测温传感技术日趋成熟。
在单片机技术和传感器技术飞速发展的条件下本设计将应用现代电子技术实现多功能的体温检测与记录系统。
单片机是微型机的一个主要分支，它在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。
就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。
单片机的特点有这些：
集成度高、体积小、可靠性高；极强的控制功能；低功耗、低电压，便于生产便携式产品；外部总线增加了I2C、SPI等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构；单片机的系统扩展、系统配置典型、规范，容易实现各种规模的应用系统。
单片机的应用非常广泛，在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统以及人们的生活中均有用武之地。
利用单片机的智能性和传感器的精确性，可方便地实现温度检测系统。
本系统采用了AT89C51芯片，LM324芯片，LCD12864显示屏,ADC0804芯片，ANT-OTP-538U红外传感器，完成红外测温的功能。
设计采用了红外线测体温的原理：
物体因其自身的温度不同，便会发射出不同波长的红外线辐射能力，这个值是相对稳定的。
将被测物体发射的红外线具有的辐射能转变为电信号，红外线辐射能量的大小与物体本身的温度是相关的，根据转变成的电信号的大小，就可以确定物体的温度。
本设计利用这个原理，通过红外传感器进行体温测量，红外传感器将收集到的被测物体的红外线转换成电信号，电信号被放大后再经A/D转换器转换为数字信号，并将数字信号送入单片机，单片机将接受到的信号送到显示电路显示。
此外，本设计还增加了超温报警功能，当被测物体温超过50度时，LED灯亮的同时蜂鸣器蜂鸣报警。
系统的总体设计图如图1.1：
图1.1系统总体设计图
第2章红外测温仪的原理和性能分析
2.1红外测温基础理论
2.1.1红外基本理论
地球上所有物体，当它的温度高于绝对零度时候，都会一直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波长的分布——都与这些物体表面的温度有着非常紧密的关系。
因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，我们就可以准确地测量它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观原理。
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素在：
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，然后由测温系统计算出被测目标的温度，
用公式可表达为：
式（2.1）
E是辐射出射度．单位是W／m3；
δ是斯蒂芬一波尔兹曼常数，5．67x10-8W／（m2·K4）；
ε是物体的辐射率；
T是物体的温度（K）；
To是物体周围的环境温度（K）。
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：
式（2.2）
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。
2.1.2基尔霍夫定律
出射辐射能与吸收辐射能的一致性。
辐通量：
单位时间内通过某一截面的辐射能，又称辐射功率，SI单位为瓦。
光谱吸收率；表示物体对辐射到其上的辐通量可吸收的比例。
式（2.3）
式中，
为被物体吸收的辐通量；
为照射到物体单位面积上的辐通量。
：
黑体——能全部吸收辐射到其上能量的物体（理想）。
：
黑体——只能部分吸收辐射到其上能量的物体（实际）。
基尔霍夫证明了：
辐射出射度从辐射源表面单位面积发射出的辐通量，某一特定波长的辐射出射度称为单色辐射出射度。
物体的单色辐射出射度
与单色吸收比
的比值为一普适函数
式（2.4）
与温度和波长有关系。
热平衡时物体向四周的辐射功率等于它能吸收的功率：
式（2.5）
其中，
为黑体在温度为T时的光谱辐射射出射度。
为非黑体在温度为T时的光谱辐射射出射度。
式（2.6）
基尔霍夫定律：
在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。
光谱发射率：
：
实际物体与黑体在温度T时的光谱辐射出射度之比。
式（2.7）
结论：
式（2.8）
则物体的光谱发射率等于其光谱吸收率。
吸收辐射能力强的物体，受热后向外辐射的能力也强。
2.1.3斯忒潘—玻耳兹曼定律
斯忒潘—玻耳兹曼定律:
物体辐射出射度与温度间的关系。
温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度
与温度T的四次方成正比。
式（2.9）
对于非黑体的一般物体：
式（2.10）
式中：
为温度为T时全波长范围的材料发射率，也称为黑度系数。
为斯忒潘—玻耳兹曼常数，
T为物体的热力学温度。
2.2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。
2.3影响温度测量的主要因素及修正
红外测温技术的关键是检测数据结果的真实性和可靠性，判断缺陷部位的准确性和合理性。
所以，要求从事该项技术的工作人员，必须了解和掌握影响红外测温的精度和可靠性等因素及相应对策。
影响红外测温的因素有很多，如大气影响、测试背景影响、物体辐射率的影响、距离系数的影响、工作波长区域范围的影响和瞬时视场角的影响等。
（1）大气吸收影响
在红外辐射的传输过程中，由于大气的吸收作用总要受到一定的能量衰减。
大气吸收时，使一部分红外辐射能量变成其它形式的能量，成另一种光谱分布。
在接近地面 的大气中，吸收红外线的气体主要是水蒸汽和二氧化碳。
辐射能量在大气吸收中的衰减程度可由大气模式补偿，此模式可计算出大气的吸收度与物体距离、相对温度及大气温度的反应关系，但目前大多数红外测温仪没有作如此补偿，以致造成误差。
因此，在室外进行红外测温诊断时，应在无雨、无雾、空气湿度最好低于75%的空气清新的环境条件下进行。
（2）距离系数的影响
距离系数是红外测温仪的一项很重要的技术性能指标。
它是指测定目标的距离与被
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