1、摘 要红外模组是汇集其视场内目标的红外辐射能量，将红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的数字信号的传感器，它具有非接触测温方式、温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高、稳定性好和使用寿命长等一系列优点，比传统的接触式测温有更多的场合适应性。本文介绍了一种基于单片机实用温度实时检测和记录系统。它的设计思路主要是利用红外模组传感器，采集人体发射出的红外线，得到数字信号送入单片机，由 MCS-51 单片机通过温度补偿来实现温度值的转换并送入 LCD1602 显示和超温声光报警功能，同时通过无线模块进行中短距离传输到 PC 机和组态王 Kingview 进行数据的保存和后台处
2、理等功能。本设计实现了非接触式的温度测量，并且感应时间在 3 秒以内，分辨力达到 0.01C,精度在 0.5C 以内，实现了无线传输到组态王的控制，并且在组态王上实现了温度的存储、查询、报表显示等多种功能。关键词：红外测温系统；非接触式；组态王；无线传输AbstractThe Infrared module is to bring together its field of view infrared radiation energy goals will focus infrared energy on a photoelectric detector and digital signal
3、into a corresponding sensor, which has non-contact temperature measurement method, temperature, high resolution, fast response, without disturbing the measured target temperature distrbution field, high accu- racy, good stability and long life and a series of advantages over traditional contact-type
4、 temperature adaptability more occasions.This paper introduces a practical temperature based on single chip real-time detection and recording system. Its design concept is the use of the main infrared sensor module to collect the body emits infra-red, get the digital signal into the microcontroller,
5、 the MCS-51 microcontroller to achieve temperature compensation by the conversion temperature and over-temperature into the LCD1602 display and sound and light alarm , Through short-range wireless module for transmission to the PC, and Kingview preservation and back-office data processing functions.
6、 The Design and Implementation of a non-contact temperature measurement, and induction time of 3 seconds or less, resolution to 0.01 C, accuracy 0.5 C or less, to achieve the wireless transmission to the configuration control of the king and the king on the configuration Achieved temperature storage
7、, query, report shows and other features.Key Words：Infrared temperature measurement system;non- contact;Kingview;wireless-transmission目 录引言 11 红外测温系统的设计背景 21.1 单片机发展历程 21.2 体温计的发展历程 32 红外测温技术简介 42.1 温度测量技术的概述 42.2 红外测温原理 42.3 红外测温的方法 53 红外测温系统的总体方案选择 63.1 重要模块的方案对比与选择 63.1.1 温度传感器的选择 63.1.2 无线传输模块选择
8、 63.1.3显示模块的选择 63.2 芯片和组态王介绍 63.2.1 主从控制器 STC89C51 73.2.2 红外模组 TN_9 83.2.3 无线收发 CC1100E 93.2.4 电平转换芯片 MAX232 113.2.5 液晶 1602 123.2.6稳压芯片LM2576 143.2.7 组态王 Kingview 143.3 系统硬件总体设计方案 163.4 系统软件设计方案 174 红外测温系统的硬件设计 184.1 主从单片机处理模块 184.2 TN-9 红外测温模块接口设计 184.3 无线收发CC1100E模块接口设计 194.4 RS232A电平转换模块 204.5 液
9、晶显示和声光报警模块 214.6 键盘模块 214.7 电源设计模块 225 红外测温系统的软件设计 245.1 主程序的设计 245.1.1 主控制器的主程序模块 245.1.2 从控制器的主程序模块 255.2 TN_9 红外测温程序模块 265.3 无线收发 CC1100E 程序模块 295.3.1 无线发送程序 295.3.2 无线接收程序 305.4 键盘扫描程序模块 315.5 组态王与单片机通信程序模块 335.6 组态王应用设计 346 系统调试和性能分析 386.1 所用仪器 386.2 焊接与调试过程 386.3 测温系统的误差分析 386.4 系统性能分析 396.5 如
10、何减小误差 397 结论 40谢辞 41参考文献 42附录 43桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 0 页 共 49 页 引言现在社会，随着生活节奏的变快，父母在忙碌中抽出时间帮助孩子测体温是一件非常麻烦的事，而且由于儿童不稳定，好动，既耗费时间又费精力；老年人活动不便，使用传统的体温计很不方便，而且由于人老眼花，也不能看清体温计汞柱的位置；现在各种流行病比较多，传染性比较强，传统的接触式测温系统有很大的局限性，特别是在高发病的场所诸如学校或者事业单位里本文所设计的红外体温检测系统就是针对这些问题而设计开发的，该系统是将微机技术、光学聚焦技术、传感器技术、无线传输技术和上位机软件技术
11、等相结合，可以非接触式的测出人体温度，通过LCD1602来显示温度结果，当人体温度高于某一数值时作出声光报警，提醒被测者让其早作准备，同时通过无线传输传到上位机，在上位机上进行数据处理和保存，比如数据显示和报警、数据存储、数据查询、生成曲线报表等多项功能。最能体现本设计的一个例子是，曾经甲型H1N1流感盛行一时，甚至能够通过呼吸传染，在医院的隔离室里，患者采用本设计快速测温并通过无线发送到上位机，组态王界面规划了整个医院的病房号并实时显示温度和是否达到报警信号，医生通过界面能够一目了然的及时的了解到各个病好患者的基本情况，既节省时间又节省人力，在某些时候还能够避免一些悲剧的发生。本论文的第一章
12、简要地介绍了非接触式红外测温系统的设计背景；第二章是对现代红外测温的一些技术介绍；第三章介绍了对红外测温系统的总体软硬件方案的选择和在设计过程中所用到的芯片和软件；第四章则详细的介绍了本红外测温系统的各个硬件设计模块；第五章详细的介绍了系统软件设计，以流程图和重要要代码说明的方式介绍了各个功能的具体实现；第六章介绍了本设计系统的调试和性能分析。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 49 页 1 红外测温系统的设计背景随着现代科学技术的发展，传统的接触式测温方式以不能满足现代一些领域的测温需求，对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。本红外测温系统设计的出发点也正是基于此。1
13、.1 单片机发展历程单片机也被称为微控制器（Microcontroller） ，是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统
14、直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90 年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着 INTEL i960 系列特别是后来的ARM 系列的广泛应用，32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前，高端的 32 位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至 1 美元，最高端的型号也只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下
15、开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的 Windows 和 Linux 操作系统。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过 PC 机和其
16、他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。单片机是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用 PC）的主要区别。单片机芯片单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国 50 年代开发的 74 系列，桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 49 页 或者 60 年代的 CD4000 系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大 PCB 板！但是如果要是用美国 70
17、 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！1.2 体温计的发展历程体温计又称“医用温度计” 。体温计的工作物质是水银。它的液泡容积比上面细管的容积大的多。泡里的水银由于受到体温的影响，产生微小的变化，水银体积的膨胀，使管内水银柱的长度发生明显的变化。人体温度的变化一般在 35到 42之间，所以体温计的刻度通常是 35到 42，而且每度的范围又分成为 10 份，因此体温计可精确到 1/10 度。体温计是一种最高温度计，它可以记录这温度计所曾测定的最高温度。用后的体温计应“回表” ，即拿着体温计的上部用力往下猛甩，可使已
18、升入管内的水银，重新回到液泡里。其它温度计绝对不能甩动，这是体温计与其他液体温度计的一个主要区别。第一个体温计是伽利略在 16 世纪时发明的。但直到 300 年后才设计出使用方便、性能可靠的体温计。水银储存在末端的水银球内。当水银被加热时，它会发生膨胀，沿着非常狭窄的玻璃管上升。所以，体温的小小变化就会导致玻璃管内水银的大幅度上升。量完体温后，得用力甩动体温计，使水银回到水银球内。 体温计是在温度计的基础上研制成功的。1714 年，德国物理学家华伦海特研制了在水的冰点和人的体温范围内设定刻度的水银体温计。1742 年又发明了 0100的摄氏温标，从此实现了体温计的刻度标准化。1714 年，加布
19、里埃尔华伦海特 1868 年，文德利希这位德国教授出版了疾病与体温一书，书中记载了 2.5 万例病人的体温变化，而他所使用的体温计的大小是奥尔伯特体温计的两倍，每次要花 20 分钟的时间来记录体温！1980 年前后，发明了会说话的体温计。膜状液晶体温计在体温正常时呈现绿色，低烧呈现黄色，高烧呈现红色。1865 年，英国的阿尔伯特发明了一种很有特色的体温计，特点是储存水银的细管里有一狭道，当体温计接触人体后，水银很快升到人体实际体温处，取出后水银柱不下降，而是在狭道处断开，使狭道以上部分始终保持体温度数。这种温度计受到了临床的欢迎和普及应用。1988 年，出现了电子呼吸脉搏体温计，可以进行遥测。
20、到了现代，开始流行使用电子体温计。电子体温计分为实测式电子温度计和预测式电子体温计两种，可通过数字观看，比较方便。红外线体温计在“非典”流行期间曾广泛使用，分为耳式红外线体温计和红外线前额测温仪，测定时间为 1-3 秒，快速、安全。液晶体温计是 21 世纪新产品，利用液晶制成的温度计，测腋窝仅用 4-5 秒，准确、安桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 49 页 全，但价位高。2 红外测温技术简介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。2.1 温度测量技术的概述普通温度测量技术经过相当长时间的发展已近于成
21、熟。目前，随着经济的发展日益需要的是在特殊条件(如高温、强腐蚀、强电磁场条件下或较远距离)下的温度测量技术。因此，当前研究的重点也在于此。非接触式红外测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件。此温度测量系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是被测物体上某一点的温度测量；可以是便携式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工艺简单，成木较低，测温时不接触被测物体，具有响应时间短、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点，但利用红外辐射测量温度，也必然受到物体发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。在这种温度测量技术中红外温度传感器的选择是非常重
22、要的，而且不仅在点温度测量中要使用红外温度传感器，大面积温度测量也可使用红外温度传感器。本设计正是采用红外温度传感器这种温度测量技术，它具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点；另外红外温度传感器的种类较多，发展非常快，技术比较成熟，这也是本设计采用红外温度传感器设计非接触温度测量系统的主要原因之一。2.2 红外测温原理红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向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联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。黑体的光谱辐射出射度由
23、普朗克公式确定，即：（2-1）21/5CMe在不同温度下的黑体光谱辐射度如图2.1。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 49 页 图2.1 不同温度下的黑体光谱辐射度从图2.1可以看出黑体辐射具有几个特征:（1）在任何温度下，黑体的光谱辐射度都随着波长连续变化，每条曲线只有一个极大值；（2）随着温度的升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减小。这表明随着温度的升高，黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加；（3）随着温度的升高，黑体辐射曲线全面提高，即在任一指定波长处，与较高温度相应的光谱辐射度也较大，反之亦然。2.3 红外测温的方法通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射
24、温度的称为全辐射测温法；通过测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度测温法；通过被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化来定温的称为比色测温法。亮度测温法无需环境温度补偿，发射率误差较小，测温精度高，但工作于短波区，只适于高温测量。比色测温法的光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘影响小，测温误差小，但必须选择适当波段，使波段的发射率相差不大。本文选用全辐射测温法来计算被测量物体的温度，全辐射测温法是根据所有波长范围内的总辐射而定温，得到的是物体的辐射温度。选用这种方法是因为中低温物体的波长较大，辐射信号很弱，而且结构简单，成本较低。由普朗克公式可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系式：V=RaT 4=KT4 （2-2）式中 K=Ra，由实验确定，定标时 取 1T被测物体的绝对温度R探测器的灵敏度a与大气衰减距离有关的常数辐射率斯蒂芬玻耳兹曼常数
