单击片毕业设计论文智能红外测温计的设计.doc
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1、河南理工大学毕业设计(论文)说明书 I 摘要摘要 传统的温度计多采用物理原理,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,这种方法不太方便,且测量需 要的时间较长。本项目提供一种新的温度测量方案,采用具有 SPI(Serial Peripheral Interface 串行外围接口)接口的 TN 系列红 外温度传感器来测量温度信号,可同时测量目标温度和环境温度,并将 测量的数据送给 SPCE061A 单片机处理,之后送数码管显示,同时利用 SPCE061A 单片机的语音功能播报温度值。红外测温打破了传统的测温模 式,它响应快、测量精度高、可靠性高、范围广,为非接触测量,
2、因而 不易损坏。该温度计以其准确快捷的测量功能、清晰易懂的数字化显示 方便人们日常生活使用,语音播报功能使其更加智能化、人性化。 关键词关键词:红外测温;SPCE061A 单片机;语音播报 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 II A Design of Intelligent Infrared Thermometer Abstract Most of the traditional thermometers adopts mercury column which has the physical principle that it expands with heat and contract
3、s with cold along with the change of temperature, and we can read the temperature out according to the infinity. This method is not convenient, and it takes a long time to measure. This paper proposes a new thermometer project to measure the temperature signal by using the TN series infrared tempera
4、ture sensor which has the SPI (Serial Peripheral Interface). The sensor can measure both the target temperature and environment temperature at the same time, meanwhile the temperature data which have been measured can be transferred to the SPCE061A microcontroller to process. Then, the data will be
5、transferred to data display, and will be reported by using the SPCE061As voice report function in the meanwhile. Infrared thermometer breaks through traditional temperature measurement pattern. It responses quickly, and has high accuracy and high reliability and measures in large area. It is also a
6、way of non-contact measurement, so it isnt easy to break. This thermometer can measure accurately and quickly, and has the clear and easy display. All these offer convenient condition to our daily life. Furthermore, the voice report function makes it more intelligent and human. Key words: infrared t
7、hermometry; SPCE061A microcontroller; voice report 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 III 目目 录录 1 前言1 1.1 选题的目的和意义 1 1.2 红外测温技术的发展和国内外研究概况 1 1.3 设计任务和要求 3 1.3.1 设计任务 3 1.3.2 设计要求 3 2 概述4 2.1 红外测温概况 4 2.1.1 红外测温的基础理论 4 2.1.2 红外测温的特点 7 2.2 智能化测量仪表概述 7 2.2.1 智能化测量仪表的基本组成及其发展 8 2.2.2 智能化测量仪表的设计方法 9 3 系统方案论证.11 3.1 任务分析
8、.11 3.2 方案选择 .11 3.2.1 方案一 .11 3.2.2 方案二 .11 3.3 系统工作原理 .12 4 系统硬件设计.14 4.1 主控模块 .14 4.1.1 SPCE061A 简介.14 4.1.2 SPCE061A 精简开发板.15 4.1.3 主控模块电路 .16 4.2 电源和音频输出电路 .16 4.2.1 电源电路 .16 4.2.2 音频输出电路 .16 4.3 红外测温模块 .16 4.3.1 红外测温模块的引脚介绍 .18 4.3.2 红外测温模块时序图 .18 4.3.3 红外测温模块温度值的计算 .19 4.4 键盘显示模块 .20 4.4.1 键盘
9、显示电路 .20 4.4.2 模块功能及接口说明 .20 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 IV 4.5 系统总体硬件电路图 .21 5 系统软件设计.22 5.1 主程序 .22 5.2 测温程序 .22 5.3 播报显示程序 .22 5.4 中断服务程序 .22 5.5 软件结构 .22 6 抗干扰技术.29 6.1 单片机抗干扰技术概述 .29 6.1.1 干扰的来源和后果 .29 6.1.2 硬件抗干扰技术 .30 6.1.3 软件抗干扰技术 .32 6.2 本系统采用的抗干扰技术 .34 7 结论.36 致谢.37 参考文献.38 附录一 智能红外测温计的程序.39 1 主程序 .
10、39 2 读测量数据的用户函数 .41 3 红外测温模块驱动函数 .43 4 显示并播放温度值函数 .46 5 共阴数码管显示驱动程序 .48 6 初始化键盘函数和扫描键盘函数 .55 7 中断服务程序 .57 附录二 系统总体硬件电路图59 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 1 1 前言前言 1.1 选题的目的和意义选题的目的和意义 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 要指标之一。在目前的日常生活中,人们使用最广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, 它有着诸多缺点:传统温度计在使用时,要和被测量者接触,往往要等 待较长时
11、间,以期让其充分受热,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,报纸上就曾多次刊登小孩因咬碎水银泡 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、 有效地用于密集人群的体温测量。非接触红外测温计针对特定人群,比 如儿童或老人,极其方便。且利用单片机技术开发的语音功能便可克服 传统体温计的许多缺陷。它不但可以以数字的方式显示出测量结果,使 测量过程变得直观,而且可以根据需要以语音播报出当前的温度值,除 此之外,语音体温计还具有较
12、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。 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。红外测温为测量人体体温提供了快速、非接触测量 手段,可广泛、有效地用于密集人群的体温排查,例如 2003 年“非典” 期间,红外测温得到了广泛的应用。非接触测量计对特定人群,比如儿 童或老年人,有很好的效果。红外测温技术也是一门很实用和前沿的技 术,以此作为毕业设计,利于理论联系实际,形成个人在这一方面的知 识体系,是对本科阶段学习内容的升华,特别是对单片机控制、传感器 技术知识深入,它对学生自身综合素质与工程能力的培养也有重要意义。 1.2 红
13、外测温技术的发展和国内外研究概况红外测温技术的发展和国内外研究概况 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 2 1800 年,英国天文学家威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
14、论并成功的应用于医学、工农业、 矿业等领域。 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 在近几年才开始。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。表1.1和表1.2分别是国内和 国外红外测温产品性能的简单比较。 表1.1 国内红外测温产品性能 生产厂家产品型号 测温 范围 距离 系数 分辨 率 精度 瞄准方 式 发射 率 西光仪器厂HCW-III300300:1 15% 单激光0.6-1 海达仪表厂HDTJ-2800-140070:1 10.5% 单激光0.1-1
15、 香港CEMDT-8818-50-20012:1 0.12% 单激光0.95 清华紫光TH-IR101F30-45 0.10.2 (环温23 ) 表1.2 国外红外测温产品性能 生产厂家产品型号 测温 范围 距离系数分辨率精度 瞄准方 式 发射率 LTDL3-30-120075: 1 11% 双激光0.1-1.0 LRL3-30-1200120: 1 11% 单激光0.1-1.0Rayoger 1ML3600-3000180: 1 10.5% 单激光0.1-1.0 美国HAS-201-20- 200300: 1 0.51% 单激光0.1-1.0 ST20-32-40012: 1 0.20.1%
16、 单激光0.95 Raytek ST80-32-76050:1 0.10.1% 环激光0.1-1.0 德国826-T1-50-4003: 1 0.10.2 单激光 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 3 从表中可以看出,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也不如国外产品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得更加普 及,会有更多厂家和科研机构进行这方面的研究,会推动我国红外测温 产品性能的提高,以满足工农业生产的需要。2003年,一场“非典”疫 情袭击我国,要求快速而非接触的体温测量技术,由此红外测温技术得 到了广泛的应
17、用,催生出很多红外测温仪器。 1.3 设计任务和要求设计任务和要求 1.3.1 设计任务设计任务 利用单片机作为控制板,控制红外测温模组实现温度测量,并能实 现温度的显示和播放功能,完成一个完整的智能化红外温度计设计: 1.3.2 设计要求设计要求 1. 通过 I/O 口控制启动测温,利用键盘控制温度测量,并能显示温 度值,同时语音播报测量值; 2. 可以测量目标温度和环境温度; 3. 测量结果表示的精度为小数点后两位。测量结果表示的精度,并 非测量精度,测量精度以传感器的性能决定。 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 4 2 概述概述 2.1 红外测温概况红外测温概况 2.1.1 红外测温的
18、基础理论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及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 0.40.75 微 米波段称为可见光波段,而把波长从 0.75 至 1000 微米的电磁波称为红 外波段,红外波段的短波端与可见光红光相邻,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
19、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,同样可以反映生物体的健康状态。科学实验证实,生物体自 身是一个天然的能量和信息辐射源,在其活体状态下,它每时每刻都在 向周围环境发射着这种特定的生物波谱信号,只是其
20、能量相对于其它辐 射源较弱而已。从医学角度看,人体是一个生物体,从物理学角度看, 人体是一个天然的特定生物信息辐射源,中医所谓的“气”,也就是人体 发出的生物信息的特定方式。 2. 人体的生物波谱 在人体生物信息场已知物理参数的实验测量中,对辐射能量比较集 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 5 中的波谱分布,取得比较一致的数值结果,JD 哈里认为,人体辐射能 量与皮肤表面温度及比辐射率有关。活体皮肤光谱范围约为 3-50m,其 中 8-14m 波段的辐射量占总能量的 46%,峰值波长约为 9.5m,虽然人 体生物波谱分布范围较宽,从可见光到微波波段,但在非能量集中区域, 信号强度较低,尤其在
21、远端的数值极其微弱。 经科学检测,不管人的肤色如何,干燥皮肤的红外辐射率(emissivity)均 为 0.98,近似为黑体。根据 Planck 定律,其波长主要分布在 2.5-25m 红 外波段范围内,根据 Wien 定律 mT2898(Km) ,人体皮肤辐射的 峰值波长约 9.5m 。 3. 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于 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(吸收率不等于 1) ,所以,黑体只是人们抽象出来的一种 理想化的物体模型
22、。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变化的定量关系。下面, 我着重介绍其中的三个基本定律。 (1) 辐射的光谱分布规律-普朗克辐射定律 一个绝对温度为 T(K)的黑体,单位表面积在波长附近单位波长间 隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度) 与波长、 ,T M 温度 T 满足下列关系: 式中,分别为第一、第二辐射常数。 1 C 2 C 普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。 (2) 斯忒藩(德)玻尔兹曼(奥) ( Stefan-Boltzmann)定律: 物体的总辐射率,即单位面积发射总功率与黑体温度的四次方及材 料表面的
23、发射率成正比。数学表示为: 2 1 ,1 1 C T T MCe (2-1) 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 6 0 e e T (,T) (,T) (,) (2-2) 4 WT 其中:,为 Stefan-Boltzmann 常数, 为材 428 Kw/m1067 . 5 料表面发射率。1879 年斯特藩从实验上总结而得到该公式,1884 年玻耳 兹曼从理论上证明了它。 斯蒂芬-玻耳兹曼定律表明,凡是温度高于开氏零度的物体都会自发 地向外发射红外热辐射,而且,黑体单位表面积发射的总辐射功率与开 氏温度的四次方成正比。而且,只要当温度有较小变化时,就将会引起 物体发射的辐射功率很大变化。那么
24、,我们可以想象一下,如果能探测 到黑体的单位表面积发射的总辐射功率,不是就能确定黑体的温度了吗? 因此,斯蒂芬-玻耳兹曼定律是所有红外测温的基础。 (3) 辐射的空间分部规律朗伯余弦定律 所谓朗伯余弦定律,就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相 对于辐射表面法线夹角的余弦成正比: (2-3) 0cos II 此定律表明,黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此,实际做 红外检测时。应尽可能选择在被测表面法线方向进行,如果在与法线成 角方向检测,则接收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的 倍。cos 4. 实际物体的红外辐射规律 (1)基尔霍夫辐射定律: 德国物理学家基尔霍夫(Gustav
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