自動化儀表課程設(shè)計--非接處式溫度儀

1、<p><b>　　自動化儀表</b></p><p><b>　　大作業(yè)</b></p><p>　　題目：非接處式溫度儀</p><p><b>　　專業(yè)：自動化</b></p><p><b>　　班級：</b></p>&l

2、t;p><b>　　姓名： </b></p><p><b>　　學(xué)號： </b></p><p><b>　　一、引言</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，新材料、新工藝的運用，各式各樣的體溫計陸續(xù)出現(xiàn)，探測方式不斷改進。國內(nèi)外體溫計的發(fā)展大致分為三個階段。第一階段是常見

3、的玻璃水銀體溫計，第二階段是電子體溫計，如今應(yīng)用最為廣泛的是非接觸式紅外體溫計，國家相關(guān)部門也在重點強調(diào)非接觸式體溫計的研發(fā)，并且紅外體溫檢測儀的研發(fā)方面取得了突出的成就。</p><p>　　水銀體溫計雖然價格便宜但是有諸多弊端：首先，水銀體溫計遇熱或安置不當(dāng)，體溫計容易破裂。其次，人體接觸水銀后會中毒，中毒癥狀是惡心、頭痛、腹瀉、脫發(fā)等，嚴(yán)重者會造成血液凝固。因為水銀有劇毒，一旦它污染了水源或食物，可以對人的

4、腎臟、肺等造成極大的傷害，水銀也能加速人神經(jīng)系統(tǒng)退變。最后，采用水銀體溫計測溫需要相當(dāng)長的時間(5min～10min)，使用不便。</p><p>　　電子體溫計是采用熱敏電阻測量溫度的，電子體溫計能快速準(zhǔn)確地測量人體溫度，與傳統(tǒng)的水銀玻璃體溫計相比，具有讀數(shù)方便、測量精度高、能記憶并有蜂鳴提示的優(yōu)點，尤其是電子體溫計不含水銀，對人體及周圍環(huán)境無害，特別適合于家庭、醫(yī)院等場合使用。但采用電子體溫計測溫也需要較長的

5、時間，并且適用范圍窄，同樣使用不便。</p><p>　　非接觸式紅外體溫計是根據(jù)黑體輻射原理通過測量人體輻射的紅外線而測量溫度的。它用的紅外傳感器只是吸收人體輻射的紅外線而不向人體發(fā)射任何射線，它采用的是被動式且非接觸式的測量方式，因此紅外體溫計不會對人體產(chǎn)生輻射傷害且價格低，體積小，實現(xiàn)了體溫的快速準(zhǔn)確測量，具有穩(wěn)定性好，精度高，測量安全，使用方便等特點。</p><p>　　非接觸式

6、人體體溫測試儀的設(shè)計技術(shù)目前已經(jīng)達到成熟，本文詳細的介紹在國內(nèi)外已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，此設(shè)計開發(fā)的全過程。此設(shè)計涉及單片機，傳感器等諸多方面的知識，主攻方向在于溫度的采集和處理，達到體溫能夠準(zhǔn)確顯示的預(yù)期效果</p><p><b>　　二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　國外紅外線技術(shù)在19世紀(jì)并發(fā)展至今，已經(jīng)有很多專利項目和大量科研成果。美國和日本幾乎壟斷

7、了紅外線技術(shù)產(chǎn)品的專利。由于紅外線技術(shù)我國起步比較晚，而且相關(guān)部件比較昂貴，對我們在生產(chǎn)生活中普及還有很長的一段路要走。所以我們要把紅外檢測技術(shù)利用到我們實際生活當(dāng)中去，利用我們能利用的知識去改進我們的生活。</p><p>　　紅外線是近年來興起的高端技術(shù)，對紅外線設(shè)備的設(shè)計和研究，對今后生產(chǎn)生活有積極的影響。體溫計是人們?nèi)粘Ｉ钪械谋貍溆闷?，尤其在SARS和H1N1等流行期間，體溫計幾乎成成為了衡量感染者與未

8、感染者的測量儀器，還有對于一些供電設(shè)備的檢查，非接觸發(fā)熱物體溫度的測量等應(yīng)用場合，在本文以下內(nèi)容中我要結(jié)合單片機，運用紅外線原理去設(shè)計一個基于單片機的紅外體溫儀器的方案。通過方案論證，選擇出最佳的方案并進行設(shè)計和制作。</p><p>　　對非接觸式測溫儀的設(shè)計是以功能性為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新性為指導(dǎo)，以實踐性為依托，具有大好的發(fā)展前景和廣泛的應(yīng)用場合。通過本次設(shè)計，希望可以為今后拓展體溫監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域提供新的思路和方法，

9、在醫(yī)學(xué)、體育、消防、軍事訓(xùn)練、等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的接觸式測溫方式以不能滿足現(xiàn)代一些領(lǐng)域的測溫需求，對非接觸、遠距離測溫技術(shù)的需求越來越大。本紅外測溫系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點也正是基于此。</p><p><b>　　三、整體設(shè)計方案</b></p><p>　　3.1.1研究步驟及方法</p

10、><p>　　1、基于本課題的研究，首先了解紅外線研究背景，發(fā)展趨勢和現(xiàn)在存在的主要問題，對研究課題的基本內(nèi)容、目的、和意義有所了解。</p><p>　　2、學(xué)習(xí)紅外線體溫傳感原理。</p><p>　　一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射

11、的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。</p><p>　　黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1。應(yīng)該指出，自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜

12、輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點，故稱黑體輻射定律。</p><p>　　物體發(fā)射率對輻射測溫的影響：自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體。所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實際物體，必須引入一個與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近

13、程度，其值在零和小于1的數(shù)值之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。影響發(fā)射率的主要因紗在：材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等。</p><p>　　當(dāng)用紅外輻射測溫儀測量目標(biāo)的溫度時首先要測量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標(biāo)的溫度，</p><p><b>　　用公式可表達為：</b></

14、p><p><b>　　(1-1)</b></p><p>　　式中 E—輻射出射度，單位是W/m3；</p><p>　　δ—斯蒂芬一波爾茲曼常數(shù)，5.67x10-8W/(m2?K4)；</p><p><b>　　ε—物體的輻射率；</b></p><p>　　T—物體的

15、溫度(K)；</p><p>　　To—物體周圍的環(huán)境溫度(K)；</p><p>　　人體主要輻射波長在9~10μm的紅外線，通過對人體自身輻射紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，因而可利用人體輻射的紅外能量精確地測量人體表面溫度，便能準(zhǔn)確地測定人體表面溫度。紅外溫度測量技術(shù)的最大優(yōu)點是測試速度快，1秒鐘以內(nèi)可測試完畢。由于它只接收人體對外發(fā)

16、射的紅外輻射，沒有任何其它物理和化學(xué)因素作用于人體，所以對人體無任何害。</p><p>　　3、學(xué)習(xí)K60單片機的原理與應(yīng)用，并上機編試程序。</p><p>　　4、通過軟硬件來實現(xiàn)紅外體溫測試。</p><p>　　5、通過長時間的更改與測試，得出最終精確的結(jié)果與結(jié)論。</p><p>　　3.1.2內(nèi)容結(jié)構(gòu)及安排</p>

17、<p>　　全文主要闡述了非接觸式人體體溫測試儀的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件方面首先談到了系統(tǒng)的總體設(shè)計，然后分別從紅外線傳感器，運算放大器，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理，顯示部分等功能模塊進行了論述并詳細介紹了各個芯片的結(jié)構(gòu)和功能，使系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，精度高，測量安全，使用方便等特點。在軟件方面，此設(shè)計使用C語言來編寫程序代碼，具有編譯速度快，運行效率高等特點，設(shè)計的軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個模塊作為一個子程序，根據(jù)系統(tǒng)功能劃分，

18、程序由模塊組成，所以整個程序的編制、調(diào)試和維護都比較方便，結(jié)構(gòu)清晰，提高了可靠性和修改性，并給出了針對各個應(yīng)用模塊的設(shè)計思路和設(shè)計框架，對各部分程序進行解釋說明，從而實現(xiàn)非接觸式人體體溫的顯示以及附加報警電路等外圍擴展。</p><p><b>　　3.2系統(tǒng)器件描述</b></p><p>　　3.2.1 主控芯片K60介紹</p><p>

19、　　本設(shè)計主控系統(tǒng)采用MK60N512VMD100（K60）控制器，其含有豐富的功能模塊。該控制器是Kinetis系列的一款32位單片機，Kinetis是低功耗可擴展和在工業(yè)上使用混合信號ARM®Cortex?-M4系列MCU的最好的組合。K60系列MCU具有IEEE1588以太網(wǎng)、全速和高速USB2.0 OTG、硬件解碼能力和干預(yù)發(fā)</p><p>　　現(xiàn)能力。芯片從帶有256KBflash的100引

20、腳的LQFP封裝到1MBflash的256引腳的MAPBGA封裝，具有豐富的電路、通信、定時器和控制外圍電路。高容量的K60系列帶有一個可選擇的單精度浮點處理單元、NAND控制單元和DRAM控制器。我們摘要k60一些優(yōu)點如下：</p><p><b>　　1、內(nèi)核：</b></p><p>　　·ARM Cortex-M4內(nèi)核提供1.25 DMIPS / M

21、Hz的DSP指令</p><p>　　· 高達32位的DMA，同時盡可能減小CPU干預(yù)。 </p><p>　　· 提供50MHz、72MHz和100MHz幾種CPU頻率（120MHz和150MHz在kinetis可用）。</p><p><b>　　2、超低功耗：</b></p><p>　　

22、83; 10種低功耗操作模式通過優(yōu)化外設(shè)執(zhí)行和喚醒時間來延長 電池壽命。 </p><p>　　· 為了增加低功耗的靈活性，增加了低漏喚醒單元、低功耗定時器和低功耗RTC。 </p><p>　　· 業(yè)界領(lǐng)先的快速換醒時間。</p><p><b>　　3、內(nèi)存：</b></p><p&g

23、t;　　· 從32 KB閃存/ 8 KB的RAM可擴展為1 MB閃存/128 KB的RAM。同時使空白的獨立閃存執(zhí)行代碼和固件更新。</p><p><b>　　4、混合模擬信號：</b></p><p>　　· 快速，高精度16位ADC、12位DAC、可編程增益放大器、高速比較器和內(nèi)部參考電壓。降低降低系統(tǒng)成本同時具有強大的信號調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)換和分析能

24、力。</p><p><b>　　5、系統(tǒng)</b></p><p>　　· 具有中斷功能的GPIO可以承受5V，寬工作電壓范圍在1.71V至3.6V的閃存可編程下降至1.71 V的全功能閃存和模擬外設(shè)。</p><p>　　· 環(huán)境工作溫度范圍從-40°C到105°C</p><p&g

25、t;　　3.2.2紅外溫度采集OTP-538U</p><p>　　OTP-538U是一個典型的TO-46熱電堆傳感器。具116種熱電偶元素，該傳感器是由浮動微膜元件具有積極直徑的系列熱電偶微米和涂黑表面吸收的熱紅外輻射組成，誘使其在輸出端電壓的響應(yīng)。該傳感器芯片的制作是一個獨特的前表面微細加工技術(shù)，從而導(dǎo)致更小的尺寸和更快的反應(yīng)環(huán)境溫度變化。</p><p>　　OTP-538U熱電堆傳

26、感器提供接近約翰遜噪聲性能，它可以通過計算其串聯(lián)的熱敏電阻來反應(yīng)溫度值。</p><p>　　OTP-538U有四個引腳，分別為VCC、GND、V+、V-，VCC為供電電壓，穩(wěn)壓為5V電壓，V+、V-分別為輸出，由于此系統(tǒng)首要是測試人體溫度，人體溫度大于35度，故我們暫不需要負電壓顯示，因此將V-接地，引腳特性為地，即與GND相連，只需將V+電壓放大即可。下一步整合好電路，緊接著測量更為寬泛的溫度。</p&

27、gt;<p><b>　　傳感器特性參數(shù)</b></p><p>　　溫度特性曲線在25℃-40℃線性關(guān)系相當(dāng)好，這也是次設(shè)計選用此元件的一個重要原因。</p><p>　　3.2.3 負電轉(zhuǎn)換芯片TPS6040介紹</p><p>　　芯片TPS6040可以將正電壓轉(zhuǎn)換為其對應(yīng)的負電壓，此芯片輸入電壓范圍從1.6 V至5.5

28、V，輸出-5v，可提供的最大輸出電流60毫安的典型轉(zhuǎn)換效率大于90%以上的寬輸出電流范圍。此設(shè)計主要是為放大器供負電，理論上LM324地線引腳接地即可，但是由于此接法不成功，不能實現(xiàn)電壓的放大，故將接地端接入負電，正常工作。</p><p>　　3.3.1 正電平轉(zhuǎn)換LM1117介紹</p><p>　　LM1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負載電流為800mA時

29、為1.2V，LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過2個外部電阻可實現(xiàn)1.25～13.8V輸出電壓范圍。另外還有5個固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號。我們選用的是此類型是+5v轉(zhuǎn)+3.3，來為單片機供電。</p><p>　　3.3.2 顯示部分</p><p>　　常用顯示器件有LED數(shù)碼管顯示器，CRT顯示器以及LCD液晶顯示器等。本次實驗我們采用OLE

30、D顯示屏。</p><p>　　OLED （Organic Light Emitting Display）即有機發(fā)光顯示器,在手機LCD上屬于新型產(chǎn)品,被稱譽為“夢幻顯示器”。OLED顯示技術(shù)與傳統(tǒng)的LCD顯示方式不同，無需背光燈，采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板，當(dāng)有電流通過時，這些有機材料就會發(fā)光。而且OLED顯示屏幕可以做得更輕更薄，可視角度更大，并且能夠顯著的節(jié)省耗電量。</p><

31、p><b>　　四、相關(guān)設(shè)計原理圖</b></p><p>　　由于k60核心板所占區(qū)域面積較大，且自帶ADC轉(zhuǎn)換，故ADC轉(zhuǎn)換電路等在此省略。</p><p>　　+5v轉(zhuǎn)3.3v LM1117典型電路接法</p><p><b>　　圖4-1</b></p><p>　　+5v轉(zhuǎn)-5v

32、 負電轉(zhuǎn)換芯片TPS6040</p><p>　　圖4-2OLED顯示電路</p><p><b>　　圖4-3</b></p><p>　　OTP-538U信號采集</p><p><b>　　圖4-4</b></p><p>　　OTP-538U信號處理</p>

33、;<p><b>　　圖4-5</b></p><p>　　小結(jié)：我們在硬件測試完畢后，再用altium designer 來重新布局畫pcb，這樣能夠減少了信號的干擾，使測試數(shù)據(jù)更加的準(zhǔn)確。</p><p>　　五、軟件的設(shè)計和調(diào)試</p><p>　　在本設(shè)計中，要實現(xiàn)其應(yīng)用，需要先分步實現(xiàn)其功能，然后再整體調(diào)試。我們暫時采用