基于单片机的红外测温系统的设计

目录

中文摘要 (Ⅰ)

英文摘要 (Ⅱ)

1绪论 (1)

1.1选题的目的和意义 (1)

1.2红外测温技术国内外发展概况 (2)

1.3红外探测器的分类 (2)

1.3红外测温的特点 (3)

2方案设计与器件选型 (4)

2.1总体方案设计 (4)

2.2器件选型 (4)

2.2.1传感器的选择 (4)

2.2.2显示器的选择 (5)

2.2.3单片机的选择 (5)

3系统硬件设计 (6)

3.1信号采集部分设计 (6)

3.1.1元器件简介 (6)

3.1.2信号采集电路 (7)

3.2STC12C5616AD单片机 (8)

3.2.1A/D转换功能 (9)

3.2.2复位电路设计 (10)

3.2.3时钟电路设计 (11)

3.3显示器接口设计 (11)

3.4电源模块设计 (37)

3.5按键电路设计 (38)

3.6报警电路设计 (39)

4系统软件设计 (16)

4.1主程序设计 (40)

4.2子程序设计 (40)

4.2.1键盘扫描子程序设计 (42)

4.2.2A/D转换子程序设计 (19)

4.2.3液晶显示子程序设计 (20)

4.2.4报警处理子程序设计 (21)

结束语 (22)

致谢 (23)

参考文献 (24)

附录一原理图 (25)

附录二源程序 (26)

1 绪论

1.1 选题的目的和意义

由于2003年非典的袭击，我国迅速诞生了一支专门抗击非典的医疗仪器研发队伍，特别是在红外体温仪器的研发方面取得了突出的成就。由于现代科技的发展、新材料、新工艺的运用，各式各样的体温计陆续出现，探测方式不断改进。国内外体温计的发展大致分为三个阶段：第一阶段是常见的玻璃水银体温计；第二阶段是电子体温计；第三阶段是非接触式红外体温计。

水银体温计虽然价格便宜，但是有许多弊端。首先，水银体温计遇热或安置不当，体温计容易破裂。人体接触到水银后会中毒，中毒症状是恶心、头痛、腹泻、脱发等，严重者会造成血液凝固。其次，采用水银体温计测温需要相当长的时间(5min～10min)，这对人们来说相当不方便。

电子体温计是采用热敏电阻测量温度的，电子体温计能快速准确地测量人体温度，与传统的水银玻璃体温计相比，具有读数方便、测量精度高、能记忆并有蜂鸣提示的优点，尤其是电子体温计不含水银，对人体及周围环境无害，特别适合于家庭、医院等场合使用。但电子体温计测温也是需要接触测量的，因此也需要较长的时间，同样使用不方便。

非接触式红外体温计是根据黑体辐射原理，通过测量人体辐射的红外线而测量温度的。它的红外传感器只吸收人体辐射的红外线而不向人体发射任何射线，因此它对人体及环境是无害的。由于它的测量方式是非接触式的，因此它具有了测温方便、便于在公众场合使用的优点。此外，它还具有测温时间短、使用简单等优点。红外体温计的这些特点满足了人们的生活需求，给人们带来了极大的方便，因此选取红外测温系统作为毕业设计课题有很大的实用价值。

由于人的体温值基本上是恒定的，只在较小的范围内变化(35℃～42℃)。因此，为了提高测量结果的精度，并且排除环境温度的变化对测量结果的影响，本系统设计了温度补偿电路对环境温度进行补偿。本设计以STC12C5616AD单片机为控制核心，辅以信号采集模块、电源模块、超限报警模块、按键模块和温度显示模块等外围电路来实现温度的测量的。本系统具有使用方便、测温时间短、精度比较高、可重复性好等特点。

红外测温技术是一门很实用和前沿的技术，其内容涉及电子技术、检测技术、单

片机技术等多方面内容，以此作为毕业设计，有利于理论联系实际，提高个人的综合能力，同时这也是对本科阶段学习内容的升华。通过对红外测温系统的设计不仅能加强自己对单片机控制、传感器技术等知识的了解，同时也能培养自己解决问题的能力。

1.2 红外测温技术国内外发展概况

1800年，英国天文学家威2赫谢耳在研究太阳光谱部分的热效应时，发现热效应最大的位置在红光之外，当时称之为“不可见光”。到1935年，安培称之为红外线，也可称之为红外辐射。之后，人们花了一百多年时间认识红外辐射的电磁本质，并建立了热辐射的基本规律，为红外技术的应用奠定了理论基础。近代红外技术始于二战，推动技术发展的原因主要是由于军事上的迫切需要和航天工程的蓬勃开展。半个世纪以来随着光学技术、半导体技术、电子技术的发展，红外技术也日趋完善，其中红外测温技术也形成了完整的理论并成功的应用于医学、工农业、矿业等领域[1] [2]。

我国的红外技术研究起步于60年代，70年代后期开始了红外玻璃测温计的研究，并取得了可喜成果，但至今未形成系列产品，工业应用仅在近些年才开始。国外的红外测温技术发展较早，技术比较成熟，红外测温产品种类繁多，测温精度及分辨率较高。国内红外测温技术相对来说技术落后，产品种类比较单一，测温精度及测温分辨率较低，在技术性能上国内产品与国外产品相比还有一定差距。但随着红外产品在国内应用的越来越普及，以及更多厂家和科研机构进行这方面的研究，这将推动我国红外测温产品性能的快速提高和进步。

随着红外材料及传感器类型的不断开发研究，新型测温仪器正逐步替代传统的测试手段。目前美、英等国正致力于加强前视红外系统信息处理能力(如自动人工目标分类)来解决研究领域和工业领域中的问题。世界上除了一些大军工企业公司(如美国的Honeuwell公司、休斯飞机公司)之外，许多大商业公司(如三菱电气、日本横河电机(株)、瑞典AGA公司、法国Pyro公司、Sofradier公司、HGH红外系统工程公司等)也正在积极从事红外测温、热成像技术的研究及产品开发。在国内，近年来随着我国工业迅速发展和产品更新换代的加速，对测温仪器的需求量越来越大，尽管热电偶(热电阻)一类接触性测温传感器件仍然具有很大的优势，但非接触性的红外测温仪器正日益受到各行业的关注。

1.3 红外探测器的分类

红外探测器是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。它可以分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器分为热电堆探测器、热敏电阻探测器、气体探测器和热释电探测器等，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[3]。

热电堆探测器采用热电堆为探测元件，利用塞贝克效应，测量比较准确。热敏电阻探测器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，只适用于响应速度要求不高的场合。气体探测器是气室内的吸收膜吸收红处辐射升温，加热工作气体，由气体膨胀给出电信号。热释电探测器是利用热释电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、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。常用的热释电探测器有硫酸三甘钛 (TGS) 探测器、铌酸锶钡(SBN )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光电磁探测器等。红外光子探测器的主要缺点是需要制冷，因为它需要用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。

1.4 红外测温的特点

（1）远距离和非接触测量

红外测温不需要与被测物体接触，并可远距离测量，它特别适合于对高速运动物体、旋转体、带电体和高温高压下物体的温度测量。

（2）响应速度快

红外测温不象普通温度计那样，需要与被测量体接触以达到热平衡，它只要接到目标的红外辐射即可测量，其响应时间在毫秒甚至微秒数量级。

（3）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，因而所测温度真实、准确。

（4）测温范围广

由于红外测温是非接触测温的，所以测量仪器本身并不处在较高或较低的环境之中，而是工作在正常温度或测量仪器允许的温度之下，因此测温范围可从负几十摄氏度到正几千摄氏度。

2 方案设计与器件选型

2.1 总体方案设计

本系统主要有信号采集模块、显示模块、键盘输入模块、超限报警模块等部分组成。本设计的系统框图如图2.1所示。

图2.1 系统总体框图

系统的工作原理如下：首先由热电堆红外传感器采集人体体温信号和环境温度信号并以电压形式输出。由于传感器输出的电压信号很微小，因此须对这些电压信号进行放大处理。放大后的电压信号经过单片机自带A/D模块的A/D转换后，由单片机对这些数字量进行处理和分析。最后由LCD显示器显示出体温值和环境温度值，并由单片机判断是否进行蜂鸣器报警。

2.2 器件选型

2.2.1 传感器的选择

方案一采用红外线温度传感器IRTP。IRTP系列红外传感器是一种集成的多用途工业测温传感器，因此不能用作人体测温，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TS118-1。TS118-1是德国HL2 Planartechnik公司生产的非接触式红外温度传感器。它以非接触的方式检测物体发射出来的红外线能

量，并将其转换成相应的电压信号输出。由于TS118-1具有较小的热惯性和较高的灵敏度，因此非常适用于医学测温，故选方案三。

2.2.2 显示器的选择

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。

2.2.3 单片机的选择

方案一采用MCS-51系列单片机。传统的单片机具有价格低廉、易于掌握等特点，但也有功能单一、RAM、ROM空间小等缺点。而且在本设计中还需要设计A/D 转换电路，电路比较复杂，故不选此方案。

方案二采用STC12C5616AD单片机。该单片机不仅具有代码完全兼容传统8051单片机、运算速度快等特点，而且还有较大的RAM、ROM空间和8路10位的A/D 转换功能。因此，它能够低设计的复杂性和节省元器件，故选用该方案。

3 系统硬件设计

硬件电路设计是整个系统设计的重要组成部分，整个系统功能的实现其实就是所有子模块的功能的实现。硬件系统的设计一般需要遵循一些设计原则，这些原则主要有以下几点：

（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。这能够为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

（2）系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。

（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但由软件实现的硬件功能，一般响应时间比较长。

（4）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。

（5）要仔细考虑硬件设计的可靠性及抗干扰性，它包括去耦滤波、通道隔离等。

（6）尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多，器件之间的相互干扰也就越强，功耗也就越大，也就不可避免地降低了系统的稳定性。

在设计中，要尽量做到上述要求，以便使设计出的系统能够满足实际需求。

本系统的硬件电路主要由电源、信号采集、显示器接口、键盘以及超限报警等模块组成。下面详细介绍各模块的设计。

3.1 信号采集部分设计

3.1.1 元器件简介

TS118-1传感器：TS118-1型红外温度传感器是一种专门用于非接触体温测量的传感器。它的测量的原理是:所有的物体都会向外发射红外线，而发射功率正比于物体的表面温度，那么精确测量物体的红外线发射功率就能确定物体的表面温度。TS118-1应用微结构薄膜技术在硅底板上集成了许多个基于热电效应的热电偶，热电偶的热端和冷端之间用隔热的SiNx隔膜隔开，热端的吸收区把引入的红外线转换成热量，而热电偶把热量成比例地转换成电压输出[4]。

TS118-1在距离人体 5cm范围内红外线吸收效率接近100%，也就是说有效测量距离为≤5cm 。在TS118-1内还集成了一个热敏电阻，用于测量环境温度。其主要参数如表3.1所示。

表3.1 TS118-1传感器的主要参数

参数单位值条件

内阻kΩ43±8 @25℃

稳定时间ms 25±5 500k,1Hz

视角°120

工作温度℃-20～100

热敏电阻阻值Ω1000±4 @25℃

Beta值ppm/K 3970±150 0℃~ 100℃AD620：运算放大器AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至1000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP 封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3 mA)，因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用，其工作电压为4.6V～36V或±2.3V～±18V。

LM358：运算放大器LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。其单电源为3～30V，双电源为±1.5～±15V，而且它的输出电压摆幅比较大，很适合于电池供电。

3.1.2 信号采集电路

信号采集电路有两部分组成：体温信号放大电路和环境温度信号处理电路。体温信号放大电路是由仪用放大器AD620和参考电压电路组成；环境温度信号处理电路是由运算放大器LM358构成的电压跟随器组成。

体温信号放大电路：由于传感器输出的体温信号为mV级，而单片机A/D模块的信号输入须为V级，因此需用运放AD620对该信号进行放大[5]。其放大倍数由一个精密可调电阻（R13）进行调节，放大倍数可在1～1000之间调节。本设计将放大倍数设为600倍。

环境温度信号处理电路：环境温度信号处理电路主要是实现环境温度检测电阻Rrt到输出电压Vrt的转换。转换原理是由LM358运算放大器构成的电压跟随器跟踪Rt的分压电压变化，Rt的分压电压随Rt阻值的变化而变化[6] [7]。

信号采集电路的电路图如图3.1所示。其中V0为放大后的热电堆电压信号，也就是将要处理的体温信号，V1为参考电压，V2为环境温度信号，它们分别接单片机

（4）通用I/O有23个

（5）自带8路10位精度A/D转换器（6）有EEPROM功能

（7）工作温度范围：0～75℃

3.2.1 单片机的A/D功能

STC12C5616AD单片机的A/D转换口在P1口(P1.7~ P1.0)，为8路10位高速A/D 转换器，速度可达到100KHz (10万次/秒)。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O 口，用户可以通过软件设置将8 路中的任何1路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O 口使用。

A/D转换结束后，最终的转换结果保存到转换结果寄存器ADC_DA TA和ADC_LOW2，同时，置位控制寄存器ADC_CONTR中的A/D转换结束标志位ADC_FLAG，以供程序查询或发出中断申请。模拟通道的选择控制由控制寄存器ADC_CONTR中的CHS2 ~ CHS0确定。其转换速度由控制寄存器中的SPEED1和SPEED0确定。在使用之前，应先给ADC上电，也就是置位控制寄存器中的ADC_POWER位。

STC12C5616AD单片机的A/D转换功能的控制主要有ADC_CONTR控制寄存器来实现，其各个位的功能如表3.2所示。

表3.2特殊功能寄存器ADC_CONTR

Address B7 B6 B5 B4 B3 B2~B0

C5H ADC_POWER SPEED1 SPEED0 ADC_FLAG ADC_START CHS2~CHS0 单片机的A/D转换口为P1.7~P1.0，需要作为A/D转换用的I/O口需要首先将其设置为高阻输入或开漏模式。在P1M0、P1M1中对相应的位进行设置，其具体设置如表3.3所示。

表3.3P1M0、P1M1的设置

P1M0 P1M1 I/O口模式（P1.x 如做A/D使用，需先将其设置成开漏或高阻输入）

0 0 准双向口（传统8051 I/O口模式），灌电流可达20mA，拉电流为230μA

0 1 推挽输出（强上拉输出，可达20mA，尽量少用）

1 0 仅为输入（高阻），如果该I/O口徐作为A/D使用，可选次模式

1 1 开漏，如果该I/O口需作为A/D使用，可选此模式

通过对ADC_CONTR 的CHS2、CHS1、CHS0 3个位的设置可以控制A/D通道的选择。它的具体设置如表3.4所示。

表3.4 模拟输入通道的选择

C H S 2 C H S 1 C H S 0 模拟输入通道选择

0 0 0 选择P1.0作为A / D 输入来用

0 0 1 选择P1.1作为A / D 输入来用

0 1 0 选择P1.2作为A / D 输入来用

0 1 1 选择P1.3作为A / D 输入来用

1 0 0 选择P1.4作为A / D 输入来用

1 0 1 选择P1.5作为A / D 输入来用

1 1 0 选择P1.6作为A / D 输入来用

1 1 1 选择P1.7作为A / D 输入来用

ADC_START为模数转换器转换启动控制位，设置为“1”时，开始转换, 转换结束后为0 。ADC_FLAG为模数转换器转换结束标志位，当A/D 转换完成后，ADC_FLAG = 1，要由软件清0。ADC_POWER为电源控制位，当它为“0”时，关闭A/D转换器电源，当为“1”时，打开A/D转换器电源。特殊功能寄存器ADC_DA TA / ADC_LOW2用于保存A/D 转换结果。

3.2.2 复位电路设计

操作。开关复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。常用的上电复位且开关复位电路如图3.3所示。上电后，由于电容充电，使RST 持续一段高电平时间。当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使RST 持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。

3.2.3 时钟电路设计

将引脚XTAL1和XTAX2外接晶体振荡器，就构成了一个时钟电路。本设计选用12MHZ 的晶振。时钟电路如图3.4所示。

C730PF

C630PF

12MHZ

XTAL2XTAL1

B为数据类型选择：H表示数据是显示数据，L表示数据是控制指令 C 固定为 0

第二字节：8位数据的高4位——格式 DDDD0000

第三字节：8位数据的低4位——格式 0000DDDD

3.4 电源模块设计

单片机系统的电源设计是单片机应用系统设计中的一项重要工作，电源的精度和可靠性等各项指标，直接影响着系统的整体性能。单片机系统的数字和模拟两部分电路对电源的要求有所不同。

数字部分：以脉冲方式工作，电源功率的脉冲性较为突出，如LED显示器的动态扫描会引起电源脉动，此外，数字电源还要有足够的余量。

模拟部分：对电源的要求不同于数字部分，模拟放大电路对电源电压的精度、稳定性和纹波系数要求很高，如果供电电压的纹波较大，回路中存在脉冲干扰，将直接影响放大后信号的质量。

如果模拟和数字部分使用同一个电源，会使数字部分产生的高频有害噪声耦合到模拟部分。因此，在模拟电路和数字电路混合的单片机系统中，需要注意考虑两种电路独立供电。单片机系统中的模拟放大等电路需要高精度、高稳定性的供电电源和参

3.5 按键电路设计

键盘是电子设备常见的输入装置，它是人们与电子设备交流的重要途径，一旦按键出错或不稳定，将影响到电子设备的整体使用。所以键盘电路部分的设计虽然简单，但键盘的稳定性、可靠性应引起足够的重视。当按键少时可接成独立连接式键盘；当按键较多时，可以将键盘接成矩阵形式，这种形式节省口线。本系统由于所需键盘数目不多，只有测温开始键和消音键，不占用太多的I/O口，所以采用结构简单、使用

方便的独立连接式键盘[14] [15]。其电路图如图3.8所示。

其中按键S1的主要功能是测温，当按下此键后，系统开始进行测温；按键S2的主要功能是关闭报警器，当报警器鸣叫时，按下此键，则报警器停止鸣叫。

S1S2

R310K R410K

VCC 5

P1.5P1.4

D

4 系统软件设计

软件设计就是编写能使单片机运行并控制外围电路的程序，然后把程序烧入单片机，对单片机进行控制，以完成硬件的功能。

本设计的软件部分是用C语言进行编写的。C语言用途广泛、语言简洁，为完成某一功能所写的源程序代码往往比用其他语言写得简短，使得程序输入工作量减少。C语言能直接访问物理地址和端口，并能进行位操作，因此能实现汇编语言的大部分功能。而且，由C语言生成的可执行代码内容量少，执行效率高。因此，红外测温系统的软件设计，C语言成了首选。

本设计的系统软件主要包括主程序、液晶刷新子程序、按键扫描子程序、测温子程序和液晶初始化子程序等。

4.1 主程序设计

整个测温系统在主程序的组织、管理下，完成数据的采集、处理、显示、报警等功能。主程序主要对I/O口、定时器、液晶显示器等进行初始化操作，以及通过对子程序的调用来实现温度的循环测量。主程序流程图如图4.1所示。

4.2 子程序设计

在一个程序中经常会遇到反复多次执行某程序段的情况，如果重复书写这个程序段，会使程序变得冗长而杂乱。对此，可把重复的程序编写为一个子程序，通过主程序调用而使用它。这样，不仅减少了编成的工作量，而且也缩短了程序的长度。在原来的主程序中需要执行该任务时，调用子程序，执行完该任务后，又返回主程序，继续以后的操作，这样就简化了程序的逻辑结构，便于调试，节省了程序的空间。

本节对各子程序模块的设计进行了阐述，主要包括A/D转换子程序、液晶显示子程序、按键扫描子程序和报警处理子程序的设计。

图4.1 主程序流程图

本设计采用的是独立式按键，扫描过程比较简单，即先对各个口进行扫描，然后设置键盘标志位的值，最后返回标志位的值。考虑到在键盘按下的过程中，会发生一定的抖动。由于抖动的缘故，很多时候会导致误操作，为此，在扫描是否有按键按下的过程中，我们加入了一个延时子程序来消除键盘的抖动，使其能够更加准确的检测出当前按下的键。键盘扫描子程序流程如图4.2所示。

图4.2 键盘扫描子程序流程图