基于单片机的无线电子体温计设计(编辑修改稿)

基于单片机的无线电子体温计设计(编辑修改稿)内容摘要：

发大型项目时非常理想。 Keil C51 uVision2 集成开发环境的主要功能有以下几点： Keil C51 uVision2：是一个集成开发环境，它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中； C51 国际际准化 C交叉编译器：从 C源代码产生可重定位的目标模块； A51 宏汇编器：从 80C51 汇编源代码产生可重定位的目标模块； BL51 链接器 /定位器：组合 由 C51 和 A51 产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块； LIB 库管理器：从目标模块生成连接器可以使用的库文件； 毕 业 论 文（设计）用 纸 佳木斯大学教务处 第 5 页 OH51 目标文件至 HEX 格式的转换器，从绝对目标模块生成 Intel Hex 文件； RTX51 实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计。 系统 元器件介绍 信号采集模块介绍 （一）黑体辐射定律 红外体温计的测温原理是基于黑体辐射定律。 在任何温度下都能全部吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量的物体称为黑体。 黑体的单色辐射出度是描述在某一波长辐射源单位面积上 发出的辐射通量。 黑体辐射定律：黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为 1。 应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。 物体发射率对辐射测温的影响：自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。 所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物 体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。 因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。 该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于 1 的数值之间。 根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。 影响发射率的主要因纱在：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。 当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温 度， 用公式可表达为： E=δε（ T4T04） E是辐射出射度．单位是 W／ m3；δ是斯蒂芬一波尔兹曼常数， 5． 67x108W／（ m2 K4）；ε 毕 业 论 文（设计）用 纸 佳木斯大学教务处 第 6 页 是物体的辐射率； T 是物体的温度（ K）； To 是物体周围的环境温度（ K）。 人体主要辐射波长在 9~10 μ m 的红外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。 由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度，便能准确地测定人体表面温度。 红外温度测量技术的最大优点是测试速度快， 1 秒钟以内可测试 完毕。 由于它只接收人体对外发射的红外辐射，没有任何其它物理和化学因素作用于人体，所以对人体无任何害。 （二） 菲涅尔透镜简介： 菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀 .菲涅尔（ )发明的，他在 1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统 —— 灯塔透镜。 菲涅尔透镜(Fresnel Lense)是一种微细结构的光学元件，从正面看其象一个飞镖盘，由一环一环的同心园组成。 菲涅尔透镜 (Fresnel lens) 多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的 ，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在 1mm 左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。 菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。 多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。 菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在 PIR 上，第二个作用是将探测区域内分为 若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在 PIR 上产生变化热释红外信号。 （三） D203S 简介 红外传感器是红外体温计的关键部件，在本设计中红外温度传感器我们选用 D203S。 D203S 是通用双元热释电红外线感测器，它是利用温度变化的特征来探测红外线的辐射，采用双灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰，提高了感测器的工作稳定性。 D203S应用非常广泛，例如：保险装置、防盗报警器、感应门、自动灯具、智能玩具等。 毕 业 论 文（设计）用 纸 佳木斯大学教务处 第 7 页 D203S 规格尺寸如下： D203S 的引脚图如图 a所示，等效电路 如图 b所示。 图 a D203S 引脚图 图 b D203S 等效电路 热释电红外传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。 它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有Δ T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷Δ Q，即在两电极之间产生一微弱电压Δ V。 传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件 PZT、场效应管 FET 等组成。 其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。 滤光片为 6mm 多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光 的短 毕 业 论 文（设计）用 纸 佳木斯大学教务处 第 8 页 波长（约 5mm 以下）可很好滤除。 热释电元件 PZT 将波长在 8mm～ 12mm 之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。 D203S 热释电红外传感器能无接触地检测人体运动时辐射出的红外线并转换成电信号输出。 人体的体温约为 3 7℃，辐射最多红外线的波长是 10μ m左右，而 D203S 对 5～ 14μ m 范围波长比较灵敏，他采用了 2个热释电元件 PZT 板， PZT 板表面吸收红外线，并在受光面的内外各自安装取出电荷的一对电极，能敏感的捕捉 到被测物体或光源，具有很高的灵敏度。 D203S 红外感测器的放置方向和器件平面图的尺寸，结合菲涅尔透镜的焦点可以获得一种最佳的光学设计。 菲涅尔透镜用于感测器的探测方位： （四） LM324 简介 LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。 与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著的优点。 该四放大器可以工作在低到 伏或者高到 32 伏的电源下，静态电流大致为 MC1741 的静态电流的五分之一（对每一个放大器而言）。 共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采 用外部偏置元件的必要性。 输 毕 业 论 文（设计）用 纸 佳木斯大学教务处 第 9 页 出电压范围也包含负电源电压。 功能特性如下： 短路保护输出； 真差动输入级； 单电源工作： 伏至 32 伏； 低输入偏置电流：最大 100 纳安； 每一封装四个放大器； 内部补偿； 共模范围扩展到负电源； 在输入端的静电放电箔位增加可靠性而不影响器件的工作。 管脚图如下图所示： 引脚功能如下表所示： 引脚 功能 电压（ V） 引脚 功能 电压（ V） 1 输出 1 8 输出 3 2 反向输入 1 9 反向输入 3 3 正向输入 1 10 正向输入 3 4 电源 11 地 0 5 正向输入 2 12 正向输入 4 6 反向输入 2 13 反向输入 4 7 输出 2 14 输出 4 由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉 毕 业 论 文（设计）用 纸 佳木斯大学教务处 第 10 页 等特点，因此它被非常广泛的应用在各种电路中。 ADC 模块介绍 （一） ADC0832 简介 此次设计中的 A/D 转换器采用 ADC0832 芯片。 ADC0832 是 8 脚双列直插式双通道 A/D转换器，能分别对两路模拟信号实现模 — 数转换，可以用在单端输入方式和差分方式下工作。 ADC0832 采用串行通信方式，通过 DI 数据输入端进行通道选择、数据采集及数据传送。 8位的分辨率（最高分辨可达 256 级），可以适应一般的模拟量转换要求。 其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 0~5V 之间。 具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。 独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。 它的特性如下： 8位分辨率； 双通道 A/D 转换； 输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容 ； 5V 电源供电时输入电压在 0~5V 之间； 工作频率为 250KHZ，转换时间为 32μ S； 一般功耗仅为 15mW； 8P、 14P— DIP（双列直插）、 PICC 多种封装； 商用级芯片温宽为 0176。 C to +70176。 C，工业级芯片温宽为 40176。 C to +85176。 C； ADC0832 管脚图如下图所示： 各引脚功能如下： CS_ 片选使能，低电平芯片使能。 毕 业 论 文（设计）用 纸 佳木斯大学教务处 第 11 页 CH0 模拟输入通道 0，或作为 IN+/使用。 CH1 模拟输入通道 1，或作为 IN+/使用。 GND 芯片参考零电位（地）。 DI 数据信号输入，选择通道控制。 DO 数据信号输出，转换数据输出。 CLK 芯片时钟输入。 Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。 ADC0832 的工作原理： 正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 CS、 CLK、 DO、 DI。 但由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时使用并与单片机的接口是双向的，所以在 I/O 口资源紧张时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线上使用。 当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平，此时芯片禁用 ， CLK 和 DO/DI 的电平可任意。 当要进行 A/D 转换时，须先将 CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。 此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟（ CLK）输入端输入时钟脉冲， DO/DI 端则使用 DI端输入通道功能选择的数据信号。 在第一个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平，表示启始信号。 在第二、三个脉冲下沉之前 DI 端应输入两位数据用于选择通道功能。 ADC0832 的工作时序 : 当 CS由高变低时，选中 ADC0832。 在时钟的上升沿， DI端的数据移入 ADC0832 内部的多路地址移位寄 存器。 在第一个时钟期间， Dl 为高，表示启动位，紧接着输入两位配置位。 当输入启动位和配置位后，选通输入模拟通道，转换开始。 转换开始后，经过一个时钟周期延迟，以使选定的通道稳定。 ADC0832 接着在第 4 个时钟下降沿输出转换数据。 数据输出时先输出最高位 (D7~DO)；输出完转换结果后，又以最低位开始重新输出一遍数据 (D7～ 毕 业 论 文（设计）用 纸 佳木斯大学教务处 第 12 页 DO)，两次发送的最低位共用。 当片选 CS为高时，内部所有寄存器清 0，输出变为高阻态。 如果要再进行一次模数转换，片选 CS必须再次从高向低跳变，后。