红外测温仪.docx
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红外测温仪
摘要
传统的接触式测温模式存在响应时间长、易受环境温度的影响等缺点。
而红外测温是根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，不需与被测物体接触，具有不影响被测物体温度场、温度分辨率高、响应速度快、测温范围广、不受测温上限的限制、稳定性好等特点，因此，设计一套红外测温仪。
设计的红外测温仪以AT89C51单片机为核心，红外测温传感器（MLX90614）在测量温度后，以SMbus方式与单片机进行通信，单片机读取温度数据并进行处理，之后驱动LCD模块显示测量温度。
一旦温度超过设定阀值，立刻进行声光报警。
该红外测温仪具有功能稳定，运行速度快等特点。
是一种便携式温度测量仪器。
关键词：
红外线温度测量，MLX90614传感器，AT89C51单片机
目录
第1章绪论
1.1课题开发的背景和现状
1.2课题开发的目的和意义
1.3课题技术性能指标
第2章红外测温工作原理
第3章系统设计方案的选择
3.1方案选择
3.1.1方案一
3.1.2方案二
3.1.3方案对比选择
3.2总体方案设计
第4章系统主要器件的方案选择
4.1传感器的方案选择
4.1.1红外探测器的分类
4.1.2传感器的选择
4.2显示器的方案选择
4.3单片机的方案选择
第5章系统各模块硬件设计
5.1MCU主控模块
5.2红外温度测量模块
5.2.1MLX90614的特性
5.2.2MLX90614的引脚分布和内部结构
5.2.3MLX90614的接口电路
5.3电源模块
5.4声光报警模块
5.5LCD显示模块
第6章系统软件设计
6.1MLX90614的SMBus传输协议
6.2软件流程图
6.3主程序设计
第7章系统误差分析与改进方法
第8章课程设计心得体会
第9章参考文献
附录
1总电路图
2元器件清单
第1章绪论
1．1课题开发的背景和现状
红外辐射这一物理现象被发现在1800年，但直到本世纪50年代，红外技术才开始进入广泛应用的阶段。
非接触测温技术也叫辐射测温，最早的非接触测温就是以光学高温计为代表的高温法，以后，人们根据斯蒂芬.玻尔兹曼公式，利用黑体辐射能与热力学温度的关系进行测温，这就是全辐射测温和部分辐射测温法，还有的人在光学高温计上进行改进，出现了光电高温计、红外温度计等。
红外测温优点如下：
1.它的测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度。
2.测温范围宽，在理论上无测量上限，可以测量相当高的温度
3.探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量
4.不必接触被测物体，操作方便
5.可以确定微小目标的温度
随着工农业、国防事业、医学的发展，对温度测量越来越迫切。
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，国内红外温度测量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。
但是比起国外，我们仍处于起步晚，高度低的状况，就温度仪来说，美国红外线测温仪型号:
Fluke62Mini（非接触式温度测量）特点:
较宽的温度范围到500℃；高光学分辨率；激光瞄准；高精度；背景光显示；同时显示测量的最大值温度范围:
-30-500℃（932℉）精度:
10C-30℃（50F-86℉）时为±1℃（±2℉），德国一家公司制造的，响应时间因为一秒钟，日本的温度测量技术精确度远远领先世界同种技术。
1.2课题开发的目的和意义
为了克服传统的温度计测量温度的主要缺点——需要测量者与被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，本文设计红外测温的整体系统构架。
接着根据红外测温原理，主要针对人体体温测量进行了具体的设计开发．开发包括硬件电路，外围工艺，单片机程序和主机程序，对人体的温度测量的误差低于±o．1℃。
红外测温为测量各种温度提供了快速、红外测量手段，可广泛、有效地用于密集人群的体温测量。
红外测温针对特定人群，比如儿童或老人，极其方便。
此次设计的体温测量计可以数字的方式显示出测量结果，使测量过程变得直观，而且具有较高的灵敏度，可以在几秒钟内测得结果，且寿命长，是较为理想的测温仪器。
1.3课题的技术性能指标
（1）温度测量范围—20℃~+50℃精度为±0.1℃；
（2）采用红外测温方式；
（3）从便于携带方面考虑，选用体积小、耗能少的液晶显示器显示当前环境的温度信息。
第2章红外测温工作原理
红外测温是辐射式测温的一种，是利用物体的热辐射现象来测量物体温度的。
红外辐射的基本依据是玻耳兹曼、普朗克等人的黑体辐射定律。
黑体是一种理想物体，它们在相同的温度下都发出同样的电磁波谱，而与黑体的具体成分和形状等特性无关，通过实现和计算得出黑体辐射定律。
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。
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：
1.材料种类
2.表面粗糙度
3.理化结构
4.材料厚度
自然界一切温度高于绝对零度（一273．15℃）的物体，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合基尔霍夫辐射定律。
只要测量出所发射的E，就可得出温度，这就是红外测温的原理。
利用这个原理制成的温度测量仪表在测量时不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测量。
红外测温范围很宽，从一5O℃直至高于3000℃。
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。
本设计选用的MLX90614红外测温传感器，测温范围为-70℃—380℃。
当用红外线测温，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，红外能量被红外温度传感器接收，并转变为相应的电信号。
该信号经过放大器和信号处理电路，并按照系统内部的算法校正后转变为被测目标的温度值，然后由测温系统计算出被测目标的温度。
第3章系统设计方案的选择
3.1方案选择
3.1.1方案一
在该方案中，系统可以分为模拟红外温度传感器（内含环境温度测量）模块、放大电路模块、A/D转换电路模块、MCU主控模块、声光报警模块、LED显示模块和电源模块（如图3.1所示）。
所谓的模拟传感器就是传感器的输出是模拟量，而不是可以直接进行数据处理的数字量，所以他需要通过信号放大和A/D转换等处理才能传输给单片机进行相关的处理。
图3.1方案一的系统框图
首先模拟红外温度传感器接收人体发出的红外线，然后经过转换后输出对应的电压值，传感器同时通过片上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转换电路处理后传输到MCU模块进行相关的处理（软件滤波、黑体校定等），然后通过LED模块显示相应的人体温度。
3.1.2方案二
该方案与第一个方案的最大区别是：
在本方案中采用数字红外温度传感器代替模拟红外温度传感器。
由于数字红外传感器内部集成了运放电路、A/D转换电路、滤波电路和数字信号处理器，所以只需通过传感器的数据接口就可以把传感器所测量的人体温度数据直接传输给MCU主控模块处理并显示。
系统框图如下图3.2所示
图3.2方案二的系统框图
3.1.3方案对比选择
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的更为复杂。
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，这使得设计工量大大增加。
而且对于开发者的开发环境要求较高，例如要具备黑体校定的设备等。
而虽然在方案二里采用的数字传感器的成本相对模拟传感器的较高，但整个系统的设计相对简单，数字红外温度传感器可以与MCU直接相连接（需要接上拉电阻），由于不需要额外的集成运放电路，所以也不需要用到双电源供电，因而使得电源模块的设计简化，电池的利用效率更高。
由于该方案的电路简单且集成度高，所以功耗更低。
而且相比第一个方案，无需黑体校正。
所以开发时间要比方案一少。
这也意味着方案的总体成本（硬件成本、开发时间成本等）其实要比方案一要低。
综上所述，本次设计采用方案二更合理。
3.2总体方案设计
经过论证对比后，本次设计选择了方案二的设计。
在该方案里，整个系统从硬件上可以分成5个子模块：
分别是红外温度测量模块、MCU主控模块、声光报警模块、LCD显示模块和电源模块（如图3.2所示）。
本系统主要实现以下功能：
实时检测、显示当前所测温度信息和声光报警等。
第4章系统主要器件的方案选择
4.1传感器的方案选择
4.1.1红外探测器的分类
红外探测时红外测温仪的重要组成部分，它对测量的精度和范围有着重要的意义。
它可以分为热探测仪和电子探测仪两大类。
热探测仪分为热电堆探测器、光电导探测器、光生伏特器和光电磁探测器等，而光子探测器则分为光电子发射器、光电导探测器、光生伏特器和光电磁探测器等。
热电堆探测器采用热电堆为探测元件，利用塞贝尔效应，测量比较准确。
热敏电阻探测仪是根据物体受热后电阻会发生变化的性质而制成的红外探测器，它可以响应从X射线到微波波段的整个范围，可在室温下正常工作，但由于其时间常数大，只适用于响应速度不高的场合。
气体探测器是气室内的吸收膜吸收红外辐射升温，加热工作气体，由气体膨胀给出电信号。
热释电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽、灵敏度与波长无关，因此其应用领域广、容易使用。
常用热释电探测器有硫酸三甘钛探测器、铌酸锶钡探测器等。
红外光子探测器是利用光子效应制成的红外探测器。
常用的光子探测器有光电二极管、光敏二极管、Insb光电磁探测器。
红外光子探测器的主要缺点是需要制冷，因为它需要制冷来抑制由于热运动而产生的自由载流子。
新一代近室温光电探测器利用排斥效应、提取效应以及磁集中效应能够实现静态耗尽，实现非制冷条件下的红外探测。
4.1.2传感器的选择
方案一采用红外线温度传感器IRTR。
IRTP系列是一种集信号处理电路以及环境温度补偿电路的多用途经济型红外测温探头，完全由工厂进行校准，这使它成为多用途，紧凑的，高精度红外测温头。
它是一种高效的，不受环境影响的器测温头.IRTR系列红外传感器是一种集成的多用途工业传感器，因此不能用于人体测温，故不用此方案。
方案二采用热释电红外线传感器D203S。
该型传感器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。
但这种传感器一般用于开关电路，红外防盗报警等方面，若要用于测量体温，则需要加入步进电机等进行斩光处理，硬件上的复杂性决定了它的稳定性不高，故不选此方案。
方案三采用热电堆红外传感器MLX90614,。
MLX90614是Melexis公司生产的低成本红外温度测量数字传感器,并集成了放大、滤波和A/D转换等功能。
MLX90614中的红外温度传感元件是工业级硅片，它带有的一个薄型微机械加工隔膜来过滤掉环境红外线的影响，环境温度由芯片内置的热电偶测得。
定制的内置信号调节芯片放大微小的热电偶电压并将其数字化，通过使用芯片EEPROM存储器中储存的生产厂设定校准参数，计算出物体的温度。
数字输出温度是完全线性化并对环境温度进行过补偿的。
通过SMBus或连续的PWM信号，传感器将结果输送到使用者应用中。
整个温度计系统封装在一个金属罐中。
对于OEM制造商来说，这些特性提供如下的优点：
不需要昂贵的外部组件，能够轻松将传感器整合到应用电路（PCB）上。
这种自容式系统解决了微小电压信号、环境影响和电磁兼容性的设计难题，否则这些因素会导致红外线温度测量的很多困难和麻烦。
同目前市场上的其它红外线解决方案相比，高度的集成化使得MLX90614更具价格优势，且MLX90614具有较小的热惯性和较高的灵敏度。
因此非常适合医学测温，故选方案三。
4.2显示器的方案选择
方案一选用数码管显示。
数码管具有耗能低、电压低、寿命长、对外界环境要求低等优点，但其也有电路复杂、占用资源较多、显示信息少、不宜显示大量信息等缺点，故不选此方案。
方案二选用液晶显示器显示。
液晶显示器与数码管相比，有以下明显的优点：
微功耗、尺寸小、显示信息量大、字迹美观、视觉舒适而且容易控制。
而本系统需要显示直观的信息，并且显示的信息量比较大，所以应选用显示功能更好的液晶显示器，故选择方案二。
4.3单片机的方案选择
在嵌入式领域中有多种微处理器可以选择，比如FPGA、DSP、单片机、ARM等，在这些处理器中单片机的价格最低，性能适中，适合此类场合。
方案一AVR系列单片机。
AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机。
AVR单片机废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机（CISC）追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中，广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。
方案二MSP430。
MSP430系列是一个16位、具有精简指令集、超低功耗的混合型单片机，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。
片上集成了AD、DA、PWM、LCD驱动，其比较器AD采样方式能达到很高的精度，开发系统也很便宜。
缺点是在位操作时有点麻烦，不适合用于逻辑控制以及对功耗不敏感的使用场合。
方案三51系列单片机。
51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称，其代表型号有ATMEL公司的AT89系列等，Philips、华邦、Dallas、Siemens（Infineon）等公司也有许多兼容的产品，它广泛应用于工业控制系统、白色家电等领域之中。
目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在今后很长的一段时间内将占有大量市场。
从成本、开发的难易程度考虑，选择方案三。
选用ATMEL公司的AT89C51单片机。
它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器，与80C51产品指令和引脚完全兼容，有8K字节的Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时／计数器，1个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
第5章系统各模块硬件设计
5.1MCU主控模块
该红外测温仪系统是以AT89C51单片机为核心器件，此MCU主控模块的工作原理是：
加载相应程序的AT89C51单片机把红外测温模块传来的数据加以处理，送LED显示器显示和在温度超限时声光报警。
MCU主控电路如下图5.1所示
图5.1MCU主控电路
图5.2时钟电路图图5.3复位电路图
单片机的时钟电路选用的是晶振时钟电路，其具体电路如图5.2所示。
采用晶体时钟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系统非常重要的技术要求。
其复位电路如图5.3所示，复位电路必须确保上电时能够自动复位，在必要时还可以手动复位，上电自动复位电路通过采用一种RC定时电路来实现的，手动复位电路采用的是按键复位电路。
在按键按下时，单片机的复位端的电平为高电平，单片机复位，在按键松开时，单片机的复位端的电平为低电平，单片机退出复位状态，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。
5.3红外温度测量模块
此红外温度测量模块采用非接触手段，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，测量范围广等优点。
红外测温器件MLX90614内部集成了放大、A/D转换、滤波和数字信号处理等功能，其可以测量的温度范围为-70℃—380℃，对于测体温是完全可以满足要求。
5.3.1MLX90614的特性
MLX90614系列测温芯片是Melexis公司生产的一种使用方便的高精度红外测温芯片，它具有数字PWM和SMBus两种输出方式。
热量由芯片热电偶测得。
MLX90614在其信号调节芯片中采用了先进的低噪音放大器，一个17位的数模转换器和数字信号处理单元，放大微小的热电偶电压并将其数字化，通过使用芯片EEPROM存储器中储存的生产厂设定的校准参数，计算出物体的温度。
数字输出温度是完全线性化并对环境温度进行过补偿的。
使得它能保持0.01℃温度精确度，在0℃-50℃的物体温度范围内，标准的MLX90614具有±0.5℃的绝对精确度；在该范围以外，精确度为±1℃。
调试后，可以达到±0.2℃。
MLX90614允许-40℃-125℃的超大工作温度范围，以及-70℃-380℃的扩展物体温度范围。
以上两个温度的上下限制为其工作的极限范围，如果需要较小的测温范围，可以通过SMBus总线修改E²PROM里相应温度上下限控制字来改变这个范围，从而提高精度。
5.3.2MLX90614的引脚分布和内部结构
MLX90614采用4脚罐形封装（TO239），顶端引脚分布视图如图5.4所示。
具体的引脚功能如表5.1所示。
图5.4MLX90614的顶端引脚分布视图
引脚号
SMBUS模式
PWM模式
引脚名称
功能
引脚名称
功能
1
SCL
串行时钟输入
Vz
由外部电路置高电平
2
SDA
串行数据输入输出接口
PWM
做为PWM波的输出接口
3
VDD
外部电源输入
VDD
外部电源输入
4
VSS
地，和外壳相连
VSS
地，和外壳相连
表5.1MLX90614的引脚功能表
MLX90614由红外温度传感器、低噪声放大器、A／D转换器、DSP单元、脉宽调制电路及逻辑控制电路构成，MLX90614内部的结构框图如图5.5所示。
热电堆输出的温度信号经过内部高性能、低噪声的运算放大器放大后，送给模数转换器（ADC），ADC输出的17位数字经过可编程FIR和IIR低通滤波器（即框图中的DSP）处理后输出，该输出作为测量结果保存在MLX90614内部RAM存储单元中，可以通过SMBus读取；同时测量结果送到后级数子式脉冲宽度调制电路，将测量结果以PWM的方式输出。
图5.5MLX90614内部的结构框图
5.3.3MLX90614的接口电路
MLX90614的SCL/Vz管脚和PWM/SDA管脚直接连接单片机的普通I/O即可，由于MLX90614的输入输出接口是漏级开路结构，需要加上拉电阻。
多个MLX90614可以用于一个系统中，每个MLX90614对应一个不同地址，通过地址的不同而访问不同的MLX90614，最多可以达到127个。
MLX90614的接口电路如图5.6所示。
图5.6MLX90614的接口电路图
5.4电源模块
本次设计所用的电源都是+5V的直流电源，为使系统便于携带电源采用可充电电池，其充电器电路如图5.7所示。
电路输入电源由变压器T1降压，二极管D1-D4整流，三端集成稳压器U1稳压及C1，C2滤波后供给，通电后可输出稳定的9V直流电压供给充电器使用。
电压比较器由时基电路U2组成，在他的控制端5脚由一个稳压二极管D6（稳压电压为5V），所以将电路的复位电平在5V，发光二极管D5为充电指示器。
将电池装入充电支架后，合上电源开关S1，便可开始充电。
电路工作过程：
由于电容C3两端电压不能突变，刚通电时，U2的2引脚为低电平，U2被触发，3脚输出高电平，次高电平经电位器R4、二极管D7向电池充电，改变R4值可以调节充电电流的大小。
因此U2的7脚被悬空，D5发光指示电路在充电。
随着充电不断进行，电池两端电压逐渐升高，当升至5V时，U2复位，3脚输出低电平，充电自动终止，同时U2内部放电管导通，7脚输出低电平，D5熄灭表示充电结束。
图5.7充电器电路图
5.5声光报警模块
报警装置部分采用的是声光报警，当目标温度超过设定的上/下限温度后，蜂鸣器长响，发光二极管同时亮，提示目标温度超范围，如图5.8所示。
在本次设计中报警信号是由单片机的P2.7引脚输入，其电路接法见附录的总电路图。
图5.8声光报警电路图
5.6LCD显示模块
LCD1602是金鹏公司生产的液晶显示器，具有微功耗、尺寸小、显示信息量大、字迹美观、视觉舒适而且容易控制等特点。
这是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD。
LCD是一种被动显示器件，主要靠调制外界光来实现显示，具体来说，它是利用液晶材料的光电效应，通电时，使液晶分子光学特性发生变化，控制通过光线的数量，达到显示的目的。
可以由外部控制施加给液晶分子的电压，控制显示点的明暗及色彩。
其显示电路如图5.8所示
图5.8LCD显示电路
第6章系统软件设计
6.1MLX90614的SMBus传输协议
MLX90615与单片机之间的数据传输通过SMBus协议进行传输，单片机作为主设备与作为从设备的MLX90614进行通信。
读、写数据的格式分别见图6.1、图6.2。
其中，S为起始位，SlaveAddress为从器件地址，Wr为写标志，Command
为命令字节，Rd为读标志，PEC为出错数据包，P为停止位。
图6.1读数据格式
图6.2写数据格式
数据传输时序如图6.3所示，在SCL变为低电平300ns后，将16位数据分2次传输，每次传送一个字节。
每个字节都是按照高位（MSB）在前，低位（LSB）在后的格式传输，2个字节中间的第9个时钟为应答时钟。
图6.3SMBus数据传输时序图
6.2软件流程图
红外测温仪系统主程序流程图如图6.4所示。
系统首先对SMBus总线和液晶LCD1602进行初始化设置，然后系统循环读取温度显示温度，并在温度超限时声光报警。
图6.4主程序流程图图6.5读取MLX90614温度流程图
系统主要是讲解红外测温仪，其中MLX90614的温度读取程序流程图如图6.5所示.首先写开始条件、写从地址、写命令07H，表示要读取温度。
然后编写操作为读操作，重新发开始条件，写读命令，先读取温度低字节，后读取温度高字节，最后读取错误信息码。
程序带回2字节的温度数据，可以在显示子程序中转换为具体的温度数据显示。
6.3主程序设计
1main（）:
主函数
在主函数中，主要是对系统SMBus初始化，对LCD液晶初始化设置。
然后程序循环读取温度模块MLX90614的温度数据，然后送液晶显示屏显示当前温度数据，通过延时延长循环时
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