基于51单片机红外测温的设计

                        前言

  体温是人体生命活动的基本特征，也是观察人体机能是否正常的重要标志之一。目前，人们使用最广泛的水银体温计是根据水银等随温度升降的热胀冷缩的性质，通过读取刻度值来判断温度值，它有诸多的缺陷：传统温度计在使用时要和被测量者接触，而且往往要等待较长的时间，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的，极易破碎，而且其中的水银蒸汽对人体有极强的毒害作用，因此普通的温度计有非常严重的安全隐患。

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，有效的用于密集人群的体温测量。而且可以以数字的方式显示出测量结果，使测量过程变得直观，而且耗时短，往往在几秒钟之内就能测得结果，而且寿命长，是较为理想的测温仪器。

红外测温的设计，其内容包含了电子技术，检测技术，单片机等多方面的内容，红外测温技术是一门很实用和前沿的技术，做此课题，有利于理论联系实际，更好的掌握这一方面的知识体系，是对学习内容的升华，特别是对单片机控制技术知识的深入理解，对于自身综合素质与工程能力的培养也有重要意义。   

一．概述..................................................1

    1.红外测温概况........................................1

      1.1红外测温的基础理论...............................1

      1.2红外测温的特点...................................1

      1.3设计的目的和意义.................................2

二．设计的整体思路和框架..................................2

      2.1总体设计.........................................2

      2.2系统总体结构框图.................................3

三．ATS52单片机简介.....................................3

四．红外传感器简介........................................4

五．显示模块简介..........................................5

六．软硬件调试............................................6

6.1 系统硬件调试.....................................6

    6.2 系统软件调试.....................................6

七．总结..................................................7

八.参考文献...............................................8

一．概述

1.红外测温概况

1.1红外测温的基础理论

   红外线是电磁波谱的一个部分，这一波段位于可见光和微波之间，根据普朗克辐射定理，凡是绝对温度大于零度的物体都能辐射电磁能，物体的辐射强度与温度表面的辐射能力有关，辐射的光谱分布也与物体温度密切相关。在电磁波谱中，我们把人眼可直接感知的0.4~0.75微米破段称为可见光波段，而把波长从0.75至1000微米的电磁波称为红外波段，红外波段的短波段与可见光红光相邻，长波端与微波相接。可见光辐射主要来自高温辐射源，如太阳，高温燃烧气体，灼热金属等，而任何低温，室温或加热后的物体都有红外辐射。

1.生物波谱

生物波谱，又叫生物频谱，是生物自身发出的生物物理信息的光波或频率的综合称谓，它构成生物体周围的生物信息场。科学研究表明，生物体（包括人体）可产生温度场，电场和磁场等，统称为生物信息场，可以用物理学中的电磁波谱频率或波长，温度等物理因子来表述。

生物波谱的波长覆盖范围在电磁波谱中的紫外线到弱微波之间，人体的生物波谱则主要在红外线到弱微波区域，尤其集中在红外线波段范围。因此它遵循电磁波的一切特性。

生物波谱的这种物理信息的存在,变化是与生物体自身功能状态密切相关的，同样可以反应生物体的健康状态。

2.红外辐射的发射及其规律

 先简单介绍一下黑体的红外辐射规律。所谓的黑体，简单讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等译1的物体，也就是说全吸收。显然，因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射（吸收率不等以1），所以，黑体知识人们抽象出来的一种理想化的物体模型。但黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长的定量关系。

1.2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

红外测温不像热电偶，温度计那样，需要与被测量体接触以达到热平衡，只要接触到目标的红外辐射即可测量，其响应时间在毫秒甚至微妙数量级。

3.灵敏度高

因物体温度的微小变化会引起辐射功率的较大变化，容易被探测器探出，故红外测温的可测温差很小，几乎达到零点几摄氏度。

4.准确度高

红外测温时非接触测量，不破坏物体本身的温度分布，因而所测温度真实，准确，误差可达0.1摄氏度以下。

5.测温范围广

测温范围可从负几十摄氏度到正几十摄氏度。

1.3设计的目的和意义

 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ATS52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。 

二．设计的整体思路和框架

 2.1总体设计

 在一个系统的硬件设计中应选择合适型号的单片机后，进行系统所需的扩展和配置。按照系统功能要求进行扩展和配置外围设备。要设计合适的接口电路，系统的扩展和配置应遵循以下原则： 

1）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、 模块化打下良好的基础。本次设计选取的是ATS52单片机。 

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，以便二次开发。 

3）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。 4）可靠性及干扰设计是硬件设计必不可少的一部分。 

5）单片机外围电路较多时，应考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。 

6）工艺设计必须考虑安装、调试、维护的方便。 

由此可设计出人体红外测温仪系统的总体结构框图，如图3-1所示。 由图中可以看出，红外探测仪接收到人体发出的红外线后，经过温度检测系统采样后，再在信号处理单元对所测得的信号进行放大、滤波、模数转换处理传送到单片机，经单片机运算后送给显示单元显示出温度读数。如果经过处理后的数据大于所设置的预警数据，则蜂鸣器报警。

2.2系统总体结构框图

三．ATS52单片机简介

 为了硬件系统的标准化、模块化、便于二次开发，本次设计选取的单片机 型号是ATS52。 

ATS52是一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8KB的系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。ATS52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，ATS52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。  

1.ATS52的主要特点是：                            ·与MCS-51 单片机产品兼容； ·8k可反复擦写(>1000次)Flash ROM； ·全静态操作：0Hz～33Hz； ·三级加密程序存储器； 

·32 个可编程I/O 口线；                    ·3个16 位定时器/计数器； ·8个中断源； 

·全双工UART 串行通道； 

·低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒； ·看门狗定时器及双数据指针； 

·掉电标识和快速编程特性； 

四．红外传感器简介

    利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。 　　

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。 　　

红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机 的过热情况等。 　　

特点： 热探测器主要优点是响应波段宽， 响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便， 应用相当广泛。但与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。

五．显示模块简介

   本设计采用ATS52系列单片机进行数据的采集存储和处理。由于信号只有一个输入，为了避免不必要的消耗，本设计A/D转换器采用的是ADC0804。芯片的CLKIN端和CLKR端配合可以由芯片自身产生时钟脉冲。测量物体表面辐射能量的热释电传感器选用的是尼赛拉传感器有限公司的PM611型热释电传感器，它有效调节外界环境的温度起伏影响，显示器采用4片8位LED数码管。

  电路的主要功能是将热释电传感器接收的红外辐射能量转换可为供A/D转换器接受的电信号。LED数码管由P1口驱动，并由ATS52单片机通过软件控制显示物体表面的温度。通过软件程序编制可以实现三位有效数字的显示( 100度以下显示两位整数和一位小数，100度以上显示三位整数)上图3-13是整个设计的电路连接图。

六．软硬件调试

  在硬件焊接与软件编程完成后，需要对其进行调试，以保证硬件与软件连接成系统后能够达到设计要求。系统调试是系统开发最重要的环节之一，系统成型后能否正常工作，主要取决于系统调试是否成功。 

6.1 系统硬件调试 

绘制完成原理图之后，根据原理图焊接电路板。焊接完成后，首先目测焊点是有虚焊或漏焊现象，再用万用表测量各个芯片间连接和电源与地间的连接是否正确，由于本次设计需要用排线将主板和副版连接起来，这就涉及到引脚连接的问题，所以要把主板芯片引脚与副版芯片引脚直接用万用表测量，观察是否接通，然后上电测量，要十分注意芯片是否发热。系统硬件调试方法如下： 

1）对印刷电路板质量检查、测试，是否同印刷制电路板图一致。对所用的 元器件质量检查。两者无误后进行下一步。 

2）按照印刷电路板上的器件名称、表识焊接好各个元器件。 

3）采用万用表、示波器、信号发生器等一般调试工具和测试软件对硬件电 路电气性能测试，看是否能正常工作。 

6.2 系统软件调试 

软件调试采用模块化调试方法，每一模块逐一调试，然后再将所有模块组合一起，进行整体调试。软件的调试主要有语法错误和逻辑错误两类。语法错误可直接修改，逻辑错误则需进行单步调试，看程序是否按逻辑顺序进行，然后写入到芯片内，查看程序运行效果，反复调试。系统软件调试方法如下： 

1）软件在各个子程序模块调试都正确后，再将相互有关系的模块逐块组合 起来加以调试，以解决在程序模块连接中可能出现的逻辑错误。 

2）对所有程序模块的整体组合调试是在与系统联机后进行的。

                总结

     通过此次专题实践，让我更加清楚的掌握了单片机的有关知识，认识了其强大的功能，其结构特点及其相关的一些开发平台为本系统的设计提供了便利的条件：32个可编程的I/O口使得在设计中扩展红外测温模组和键盘显示模块非常的灵活；而且具有丰富的中断源，使得系统在数据显示，报警等方面游刃有余，扩展性强。

   对的硬件的处理和软件的设计，以ATS52单片机作为本次设计的主控机，使得红外测温仪具有以下功能: 非接触测量温度；快速测量环境温度和目标温度，而且测量以后可以直观的显示，当温度达到一定数值时，可进行报警。

通过这些都在很大程度上开阔了我的视野，拓展了我的知识面，也认识到了自己的不足，所以在后续的学习过程中，一定更加努力的学习相关的课程，更好的掌握好这方面的知识。

                              参考文献

[1] ：红外测温

[2] 赵全利，肖兴达.单片机原理及应用教程(第二版)[M].北京：机械工业出版 社，2008.

[3] 黄贤武，郑筱霞.传感器实际应用电路设计[M].成都：电子科技大学出版社，

1997.