基于单片机实现红外测温仪设计Word格式.docx
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常见的温度传感器根据使用方法的不同，可分为接触式和非接触式两大类。
接触式的测温优点是简单、可靠、测量精度高，但是它响应时间长且容易受到环境的影响。
有些场合需要非接触式的测温，于是红外测温应运而生。
红外测温是根据被测物体的红外辐射的能量来确定物体的温度，不需要与被测物体接触，具有不影响被测物体温度场，温度分辨率高、响应速度快、稳定性好等特点。
因此研究红外测温不论是对工业生产，生化医疗和国防科技都有着重大的意义。
1.2本课题的研究现状与发展趋势
1.2.1国内、外研究现状
红外测温仪在工业上有着广泛的应用，但是医用红外测温仪要求有点特殊，20世纪80年代才取得技术上的突破，能精确的测量体温。
90年代该技术得到发展和完善在美欧占领了巨大的市场。
我国在这方面的起步较晚。
2003年我国爆发了非典，非典传播性极强，危害性极大，而非典最初的表现形势是低烧。
为了控制疫情我们急需能不接触人体、快速、精确的测温技术。
我国加大了对红外测温的研究终于取得了巨大的成就，医用红外测温仪在我国正式研究出来，在此之前完全不予人体接触、满足医用精度的体温计还没有问世。
随着医疗技术的快速发展人们对非接触、快速有效测温技术的需求越来越大传统的接触式人体测温仪已经不能满足现代医用领域的测温需求。
红外测温仪具有安全、可靠、非接触、快速、准确、方便、寿命长等方面不可替代的优势已被越来越多的医疗行业认识和接受。
红外测温技术在过去很长一段时间都是前沿科学，最近及时年才取得巨大的发展，目前已发展到可以扫描物体的热辐射分布，绘制出其温度分布图像，迅速检测物体与物体之间以及物体本身的隐藏温差，这就是红外热成像技术。
该项技术最初应用在军事上，作为热描系统提高搜索和打击命中目标的能力。
后渐渐地流入民用领域，用于灾难中的搜救和出入进口搜索违禁品。
瑞典在民用红外热成像领域发展的最快最为完善。
红外热成像系统分为非冷型红外热成像系统和制冷型红外热成像系统,制冷型红外热成像系统又有一代、二代、三代之分。
第一代红外热成像系统由光学扫描器机，红外传感器，显示部分和视频信号处理部分组成。
第二代红外热成像系统采用更先进的位于光学系统焦平面技术。
第二代热成像系统与第一代通用组件相比它的响应速度更快、尺寸更小、质量更轻、可靠性更好、能耗更低、自动化程度更高，视场更大、分辨率更高。
第三代红外热成像技术也已日趋成熟红外焦平面凝视式阵列也已日趋成熟，除了32*32和64*64元，凝视式中波和红外阵列以外，512*51元高密度的CMT阵列也已问世。
1995年，中国科学院吉林长春光学精密机械研究所，所采用的微机械加工的技术，已研制成低成本线列32元，128元硅微测热辐射计阵列的NEm为300mk存储时间为1ms。
2000年12月，中科院上海技术物理研究所最新引进的新工艺制成的钛酸锶钡铁的电薄膜材料性能通过了国家鉴定达到了国际先进水平，与美国的TI公司所研制的非制冷探测器采用相同的材料。
我们国家在非制冷红外热成像系统上面的研究工作主要集中在研究所、公司和个别高等院校，他们主要从事整机系统方面的开发应用工作，而红外热成像的核心技术部分即红外焦平面阵列基本上需要进口。
1.2.2本课题的发展趋势
温度是最基本的自然属性，无论是生命体征，化学反应、物理变化、甚至宇宙的形成和发展都于温度有关。
19世纪初英国物理学家F.W.赫胥尔发现了红外线，从此开辟了人类应用红外技术的广阔道路。
目前红外测温技术已日趋成熟，红外热成像技术也得到了应用和推广用于军事，搜救等很多领域。
对温度的研究是21世界最热门的科学研究方向之一，19世纪诞生了宇宙大爆炸学说其中最核心的问题就是对温度的研究，宇宙大爆炸就是更具光谱的红移，推算出宇宙的膨胀进而推出宇宙起源于大爆炸。
科学探索永无止境，温度与能量、物质、速度、时间之间的关系都有待于未来去发现去研究。
因此对温度的研究，对红外测温的研究还有很长的路要走。
1.3设计的目的和意义
自2003年非典以来各种流行性传播性强的危险性高的疾病（如禽流感，甲流）肆意侵蚀着人们的身体。
而这些类型的疾病基本上都伴有发烧等症状。
传统测温需要与被测物体接触且测温速度慢，不适合在人流量多的地方测温，因此设计出非接触式的、响应速度快、测量精度高的红外测温仪对预防流行性疾病的传播有着极其重要的意义。
温度是人体生理机能的外在反应是人们健康状况的晴雨表，对于日常护理和病情检测都是非常重要的。
有许多疾病都能通过体温的变化来预测，所以体温计在医疗领域中占有十分重要的地位。
红外测温仪能为我们提供温度监控防患于未然，人体体温测试仪应用范围不仅仅局限于医学，在军事上用于部队训练，必须实施随时监测，体温使训练能够在良好的体征下进行，提高效果；
在消防上消防员在扑火的同时也要对自己的体温做到了解，如果体温过高或者心率过快就要及时撤离，以免发生危险。
因此，在许多领域都需要这种测试仪对人体体温进行精确测试。
此次设计是根据所学的理论知识设计的基于单片机的红外测温仪设计，它主要由红外传感部分，时钟日期部分，信号处理部分，显示部分，电源模块等部分组成。
它不仅能测温还能显示日期，时间为我们的日常生活保驾护航。
1.4本课题研究的内容
随着社会的发展人们的生活节奏越来越快，由此而滋生的健康问题也越来越突出，本课题就是基于这一形势而设计出的多功能红外测温仪。
他出了是精准的测量温度外，还能显示日期、时间、星期。
整个设计大体上能分为4个模块，即时钟模块、红外传感模块、信号处理模块、显示模块。
多功能红外测温仪设计过程在硬件与软件方面进行同步设计。
根据响应的要求进行硬件设计。
红外传感器把温度信息转化为电信号送至单片机处理，同时时钟信号也送至单片机处理，然后单片机把处理的信息送至LCD显示。
然后根据相应的硬件设计进行软件设计和编程。
1.5本课题设计的任务
能实时测温并显示，同时能显示日期、时间、星期。
1.5.1本设计实现的技术指标
③距离系数：
300:
5
④重复精度：
±
4%
⑤工作波长：
8μm-14μm
⑥响应时间：
200ms
⑦显示日期、时间、星期
⑧温度超过限定蜂鸣报警
1.5.2本设计的创新点
能实现非接触式的测温并实时显示，同时还能显示日期、时间、星期
2方案分析与选择
2.1设计方案
案一：
方案二：
2.2方案论证
方案一选用普通红外探测温传感器与运放和A/D转换分开的模式，普通红外传感器输出的电压信号很微弱需要经过禁魔的较大倍数的放大，转为0～5V的电压信号，然后经过A/D转换为数字量送至单片机。
并且为了去除干扰，需要加滤波器，电路较复杂其操作困难且误差大。
方案二选用集成放大、滤波、A/D转换为一体的红外测温传感器。
其操作简单且精度高。
故选用方案二
整个设计由四部分组成及红外传感部分、时钟部分、信号处理部分、显示部分，其元件非别选取为MLX90614、DS1302、AT89C51、LCD1602。
3系统的硬件设计
3.1单片机模块
本设计的核心部分就是单片机部分（选取AT89C51），它通过加载相应的程序处理MLX90614和DS1302送来的信号然后送至LCD1602显示。
3.1.1AT89C51的特点
AT89C51是目前最常用的几种单片机之一，是MSC-51系列单片机的一种。
它是一种带有4K字节的FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的电压高、性能低的CMOS8位的微机处理器，简称单片机。
3.1.2AT89C51的引脚图以及对应的功能
—VCC：
（第40引脚）：
接+5V电源。
—VSS（第20引脚）：
接地。
输入输出（I/O）引脚
P0~P3是4个特殊功能寄存器，用于保存P0~P3四个I/O口和外部设备交换信息。
由于数据在传输的过程中，CPU需要对接口电路中用于保存输入输出数据的寄存器中的内容进行读写操作，所以在单片机中对这些寄存器像对存储单元一样进行编址。
通常情况下把接口电路中这些已经编址并能进行读写操作的寄存器称为端口简称口。
P0（第39~32引脚）
P0口是8为双向三态I/O口。
其第一功能是作为一般的I/O口用，第二功能是在CPU访问外部存储器时，分为提供低8位地址和8为双向数据，因此P0口也经常携程AD0~AD7。
如果单片机有扩展的外部数据存储器或程序存储区，则P0口只能用作第二功能。
在对EEPROM编程是，从P0koi输入指令字节：
在验证程序是，则输出指令字节（验证时要外接上拉电阻）。
P1口（第1~第8引脚）
P1口是8位准双向I/O口。
对于51子系列，P1口只能用作一般的I/O口使用。
P2口（第21~第28引脚）
P2口是8位准双向I/O口具有内部上拉电阻，其一般功能是作为一般的I/O口用，其第二功能实在CPU访问外部存储器时，作为高8位地址总线，输出高8位地址与P0口一起组成16为的地址，因此P2口又写成A8~A15。
和P0口一样，如果单片机有扩展的外部数据存储器或者程序存储区，P2只能用作第二功能。
在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址
—P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，其第一功能是作为一般的I/O口用。
第二功能是作为中断信号和外部数据存储器的读写控制信号，实际中，P3口的第二功能非常重要，因此自由存在第二功能不用是在用作I/O口。
引脚
口线
第二功能符号
第二功能名称
10
P3.0
RXD
串行数据接收
11
P3.1
TXD
串行数据发送
12
P3.2
INT0
外部中断0申请
13
P3.3
INT1
外部中断1申请
14
P3.4
T0
定时/计数器0的计数输入
15
P3.5
T1
定时/计数器1的计数输入
16
P3.6
WR
外部数据存储器写选通
17
P3.7
RD
外部数据存储器读选通
—
：
当
持续保持低电平时，访问外部ROM；
一定要主要加密方式当注意加密方式1时，
将内部锁定为为RESET时；
与此同时当
端保持高电平时，访问内部ROM。
在FLASH操作和编程期间，此引脚也可以外接12V电源用于编程（VPP）。
—RST：
为复位输入引脚。
当振荡器要复位器件时，一定要注意至少要保持RST脚两高电平两个机器周期时间以上。
—
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期
两次有效。
但是在外部程序主动访问外部数据存储器时，这两次有效的
信号将不出现。
一定要注意当程序访问外部存储器时，地址锁存器将允许用于输出电平拿来锁存地址的地位权限和高低电平字节。
在FLASH编程操作期间，此引脚用的功能是输入编程脉冲用于编程。
—XTAL1：
外接时钟引脚，片内振荡电路的输入端。
—XTAL2：
外接时钟引脚，片内振荡电路的输出端。
内部结构框图如图10所示。
图10AT89C51的内部结构框图
（3）AT89C51的基本操作
如图11所示，在X1和X2之间接一只石英振荡晶体构成了单片机的时钟电路，它还有另一种接法，是把外部振荡器的信号直接连接到XTAL1端，XTAL2端悬空不用。
AT89C51复位引脚RST/VP通过片内一个施密特触发器（抑制噪声作用）与片内复位电路相连，施密特触发器的输出在每一个机器周期由复位电路采样一次。
当振荡电路工作，并且在RST引脚上加一个至少保持2个机器周期的高电平时，就能使AT89C51完成一次复位。
复位不影响RAM的内容。
复位后，PC指向0000H单元，使单片机从起始地址0000H单元开始重新执行程序。
所以，当单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新启动。
3.1.3最小系统原理图
3.2红外测温模块
3.2.1红外测温仪的原理和性能分析
本章节首先介绍红外测温的基础理论，然后针对其理论依据进行原理剖析，还简单介绍了红外测温仪的性能指标及影响测温的主要因素，最后给出了误差的具体修正方法。
一红外基础理论
在17世纪70年代，人们发现太阳光是由多种颜色的单色光复合而成，同时，伟大的物理学家牛顿使用分光棱镜就把普通的太阳光（白光）分解为了黄、橙、红、绿、蓝青、紫等各色单色光。
19世纪初，英国著名物理学家F.W.赫胥尔，他在研究各种单色光热能的时候意外的发现了红外线。
他发现红色光带的旁边有一块高温区域：
经过多次的测量放在红色光带外的一支温度计所测得的环境温度比室内其他温度的批示数值高。
经过了反复的试验，他发现这个热量聚集最多的高温区，总是处在光带最边缘处红色光带的外面。
于是他便宣布了，太阳发出的所有辐射中除了可见光线外，另外还有一种肉眼所看不见的“热线”，它位于红色光外侧，把它叫做红外线。
红外线也是一种电磁波，具有和无线电波及可见光相同的本质，红外线的发现是人类，对自然认识的又一次飞跃，为研究，利用和发展红外技术开辟出了一条全新的广阔道路。
红外线它的波长比可见光的波长要长，在0.76～100μm之间，按照红外线波长的长度可以把红外线分为近，中，远和超远红外线，它的波长比可见光要长比无线点播要短在电磁波的连续频谱中，他的位置处在无线电波和可见光之间的区域。
红外线辐射他是自然界存在的最为广泛的电磁波辐射，它是基于，任何物体只要它的温度在绝对零度以上，都会因为自身的原子和分子无规则运动，不停向外部空间辐射红外能量，同一物体它的温度越高分子热运动就越剧烈红外辐射的能量就越大，反之温度越低分子的活跃程度越低红外辐射的能量也就越小。
通过红外探头捕获物体发射的红外辐射，然后把就收到的信号转换为电信号在经过处理并显示就能测量物体的温度
二红外线测温仪的理论依据
一切温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波。
物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有这十分密切的关系，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。
因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。
红外辐射原理—辐射定律：
（3-1）
式中：
为辐射出射度数，
；
为斯蒂芬―波尔兹曼常数，
为物体的辐射率；
为物体的温度，单位
为物体周围的环境温度，单位
。
测量出所发射的
，就可得出温度。
发射率只与被测物体本身有关及材料种类，表面粗糙程度，理化结构，材料厚度等因素有关。
所有真实的物体，包括人体各部位的表面，其
值都是某个低于1.0的数值。
人体的温度决定了人体辐射的红外线波长在9~10
之间，通过红外测温仪的探头测量汇聚其视场内的人体自身红外辐射能量，再通过信号处理和显示便能精确的测量体温。
由于这个波段的红外线不容易被空气吸收，因此测温受到环境的干扰比较少测量人体体温的误差就比较小。
响应时间短，速度快是红外测温最主要的特点
三红外线测温仪的性能指标
总的来说，测温范围、显示分辨率、精度、工作环境温度范围、重复性、相对湿度、响应时间、电源、响应光谱、尺寸、最大值显示、重量、发射率等都是红外线测温仪的性能指标。
1）测温范围：
测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。
每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。
2）目标尺寸：
红外探头的视角有限，如果被测目标太大它只能测得物体的局部温度，目标物体太小则易受环境辐射的影响。
3）距离系数（光学分辨率）：
距离系数由D：
S之比确定，
4）波长范围：
及确定红外测温的测温范围，波长又目标物体本身的材质以及温度有关。
5）响应时间：
即从开始测量到显示温度之间的时间差。
6）信号处理功能：
鉴于离散过程（如零件生产）和连续过程不同，所以要求红外测温仪具有多信号处理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。
7）环境条件考虑：
测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度甚至引起损坏。
8）红外辐射测温仪的标定：
红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。
四影响温度测量的主要因素及修正方法
影响红外人体测温仪的因素有：
1）测温目标大小与测温距离的关系：
在不同距离处，可测的目标的有效直径D是不同的，因而在测量小目标时要注意目标距离。
人体红外测温仪距离系数K的定义为：
被测目标的距离L与被测目标的直径D之比，即K=L/D。
2）选择被测物质发射率：
发射率由物体本身的材质，结构有关。
不同物体的发射率不同，因此测温是需要加上物体发射率对温度进行修正。
3）测量温度时的环境因素：
测温仪所处的环境条件对测量结果有很大的影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度。
本设计中正是利用了PM611热释电红外线传感器可以补偿温度起伏的作用，实现准确测温。
4）强光背景里目标的测量：
若被测目标有较亮背景光（特别是受太阳
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