基于單片機(jī)的非接觸式溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

龔惠紅，劉　敏，李建雄，胡　鑫

(1.湖北科技學(xué)院　生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北　咸寧　437100;2.中南民族大學(xué)　藥學(xué)院，湖北　武漢　430079)

基于單片機(jī)的非接觸式溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

龔惠紅1，劉敏1，李建雄1，胡鑫2

(1.湖北科技學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北咸寧437100;2.中南民族大學(xué)藥學(xué)院，湖北武漢430079)

摘要：目前紅外線測溫技術(shù)由于其方便、準(zhǔn)確、快速等優(yōu)勢用于許多領(lǐng)域中。它是實(shí)現(xiàn)非接觸式測量的關(guān)鍵。本文介紹了一種基于單片機(jī)的非接觸式電子溫度測量儀。由溫度傳感器TPS434采集信號(hào)，通過運(yùn)放ICL7650和ICL082放大，可實(shí)現(xiàn)人體體溫精確測量。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；TPS434；非接觸；溫度計(jì)

溫度是常用的四大參數(shù)測量之一。傳統(tǒng)的溫度計(jì)主要以熱敏電阻為溫度敏感元件，讀數(shù)困難、測量溫度較低、可靠性和響應(yīng)時(shí)間較差，不能達(dá)到實(shí)時(shí)測量的結(jié)果。本文是基于STC89C52單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)，利用非接觸紅外測溫原理，采用TPS434溫度傳感器，將采集到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送到單片機(jī)微處理器中進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)非接觸溫度測量。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1是本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。信號(hào)采集部負(fù)責(zé)采集人體輻射出來的能量信號(hào)。由溫度傳感器TPS434收集，并轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)。采集到的電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路放大濾波后送入AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，最后傳給顯示屏顯示。

圖1　硬件結(jié)構(gòu)圖

1.單片機(jī)控制芯片

本系統(tǒng)選擇STC89C52單片機(jī)[1]作為控制芯片，STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，采用經(jīng)典的MCS-51[2]內(nèi)核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)89C51，但速度快8到12倍。具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。

2.電源部分

電源設(shè)計(jì)是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提。該溫度計(jì)所需要的電源是±5V和±8V四種類型，其中單片機(jī)、液晶、AD0804用5V供電，而TL082、ICL7650分別需要±5V，±8V供電。LM7905/LM7805,LM7908/LM7808為滿足電源方案需求的穩(wěn)壓芯片。

3.信號(hào)采集

圖2　傳感器結(jié)構(gòu)

紅外溫度傳感器是實(shí)現(xiàn)非接觸測溫的關(guān)鍵器件[3]。本系統(tǒng)選用的是PerkinElmer Optoelectronics的TPS434溫度傳感器，將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該傳感器具有良好的重復(fù)性和較高的靈敏度，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。它是由熱電堆和熱敏電阻組成的。熱電堆輸出的電壓信號(hào)不是被測物體的真實(shí)溫度，只是被測物體與熱電堆冷端的溫度，因此需要一定的環(huán)境溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償是通過熱敏電阻來實(shí)現(xiàn)的。它的阻值是隨著溫度升高而降低的，是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。

4.信號(hào)調(diào)理

由于TPS434[4]輸出的電壓比較微弱，必須經(jīng)過放大電路以便測量。前置放大電路選用ICL7650[4]具有精度高、失調(diào)小、共模抑制能力強(qiáng)的運(yùn)算放大器。TPS434有四個(gè)引腳，引腳3、引腳4接地，引腳2與ICL7650正向輸入端相連，引腳1與ICL7650的負(fù)向輸入端相連。如圖3所示，其中放大倍數(shù)可通過R4滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)。

前置放大電路對微弱的電信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大處理后，還需要后置放大電路進(jìn)一步放大。此部分采用可以擁有雙運(yùn)放功能的運(yùn)算放大器TL082，使信號(hào)控制在0～5V之間，不超過ADC的電源電壓，以便A/D轉(zhuǎn)換器處理。

圖3　前置放大電路

5.A/D轉(zhuǎn)換器

采集到的溫度信號(hào)經(jīng)過放大后送入到A/D轉(zhuǎn)換器中。A/D轉(zhuǎn)換器能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，以便單片機(jī)可以識(shí)別并進(jìn)行處理。該模塊采用高速的8位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804，其轉(zhuǎn)換時(shí)間在2.5us以內(nèi),可通過動(dòng)態(tài)測量求平均來減少誤差，提高測量的精度。擁有兩種模式供用戶使用：只讀模式和讀寫模式。如圖4所示。

圖4　A/D 轉(zhuǎn)換模塊

圖5　液晶外觀圖

6.顯示模塊

液晶顯示模塊采用LCD1602，它可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡單，價(jià)格便宜，具有很高的性價(jià)比，其外觀圖如圖5所示。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)使得A/D轉(zhuǎn)化后的電壓值以溫度值的形式在LCD液晶上顯示[5]，若溫度值超過所預(yù)設(shè)的值，則報(bào)警。系統(tǒng)主程序的軟件流程如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)主程序軟件流程圖

三、結(jié)語

本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，采用溫度傳感器TPS434實(shí)現(xiàn)非接觸溫度測量。本系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單、體積小，而且性能穩(wěn)定、測溫快速準(zhǔn)確，應(yīng)用前景廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1]李英順.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[2]汪德彪.MCS-51 單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[3]樊潔,宋小會(huì),張殿琳.紅外探測器TPS434低溫、磁場性能研究[J]．北京:光譜學(xué)與光譜分析，2010,(30).

[4]孫佳,漆隨平,王東明. 基于ICL7650的溫濕度傳感器設(shè)計(jì)[J].太原機(jī)械管理開發(fā)，2015，(143).

[5]周永東.基于DS18B20的單片機(jī)數(shù)字測溫計(jì)[J].中小企業(yè)科技，2007,(4).

文章編號(hào)：2095-4654(2016)03-0015-02

* 收稿日期：2015-11-17

基金項(xiàng)目：湖北科技學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(KY13086)

通訊作者：胡鑫(1977-)，男，湖北黃石人，中南民族大學(xué)副教授。

中圖分類號(hào)：TN721

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A