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標題: 單片機+TN901非接觸式紅外測溫設計論文與源碼PCB等資料 [打印本頁]

作者: cuijhh 時間: 2018-7-18 20:36
標題: 單片機+TN901非接觸式紅外測溫設計論文與源碼PCB等資料
摘要
溫度測量技術應用十分廣泛，而且在現代設備故障檢測領域中也是一項非常重要的技術。但在某些應用領域中，要求測量溫度用的傳感器不能與被測物體相接觸，這就需要一種非接觸的測溫方式來滿足上述測溫需求。本論文正是應上述實際需求而設計的紅外測溫儀。
本設計將對硬件選擇以及結構進行設計，并且采用新型的可編程溫度傳感器TN901，它的優點是能直接與單片機完成數據采集和處理，實現方便、精度高，性能穩定，并且不需復雜的信號調理電路和A/D轉換電路。不需要使傳感器TN901與人體接觸，進行溫度感應后，TN901就可以感應溫度并且直接送入AT89S51單片機中，經過單片機的信號處理并將其送出，通過LCD1602顯示屏進行顯示。這樣的好處是可以快速并精準的測量出人體體溫，與傳統的水銀體溫計相比，它的優點是測量精準度高、測量時間短、并且方便讀數。

目  錄
摘  要
ABSTRACT
目  錄
1緒論
2 系統的原理及方案

2.1 溫度測量技術的概述
2.2  紅外測溫原理及方法
2.3  紅外測溫系統的方案介紹
3 紅外測溫系統的硬件設計

3.1 單片機處理模塊
3.2 紅外測溫模塊
3.3 電源模塊
3.4 鍵盤模塊
3.5 LCD顯示模塊
4 紅外測溫系統的軟件設計

4.1 主程序模塊的設計
4.2 紅外測溫程序模塊
4.3 鍵盤掃描程序模塊
4.4 顯示程序模塊
結  論

致  謝
參考文獻

附錄一
附錄二
附錄三
附錄四

1緒論

體溫計是一種測量人體體溫、輔助治療和診斷疾病的常用醫療工具。隨著現代科技的發展，新材料、新工藝的運用，各式各樣的體溫計陸續出現，探測方式在不斷改進，但是人們最常用的依然是水銀接觸式體溫計。

水銀接觸式體溫計是根據汞受熱膨脹的原理制成的，由于受到體溫的影響，水銀的體積膨脹使體溫計內水銀柱的高度發生變化達到一定的設定刻度實現測量體溫。由于人體體溫一般變化范圍在35攝氏度到42攝氏度之間，所以水銀接觸式體溫計刻度通常設定是35℃到42℃。每度的范圍分成10份，因此水銀接觸式體溫計可精確到0.1度。

近年來，電子體溫計越來越多的應用于各個行業，比如冶金、玻璃制造及體溫測量等領域。許多醫院也采用了部分電子體溫計，雖然其性能和使用范圍暫時不能與傳統水銀體溫計相比，但是因其擁有快速便捷、無需接觸被測者等優點被廣泛采用，并且在未來會被應用的越來越廣。

本體溫計采用TN901紅外傳感器測量被測者體表溫度，能直接測量被測者體表實際溫度，測量精度高，抗干擾能力強，并運用此方法制造高性能的非接觸式電子體溫計。本文提出的新型測量體溫儀器，針對傳統體溫計的測量時間長、精度差、接觸人體皮膚易交叉感染等問題作出改進，解決了傳統體溫計讀數不方便，用途單一等問題；無汞害，使用壽命長，靈敏度高，快捷方便，不易損壞，尤其適合于老年人、小孩和特殊病人群體。

自從1800年英國天文學家F.W.赫歇爾發現了紅外輻射以來，紅外技術的發展與應用已有很多年的歷史。在相當長的一段時間里，紅外技術的應用受到性能優良的紅外傳感器的制約。紅外傳感器是紅外測溫設備的關鍵部件，它把接收到的紅外輻射轉變為人們便于觀察和測量的電能或者熱能參數。紅外測溫設備發展到今天，在技術上已經趨于成熟。國外的非接觸式紅外電子測溫設備已經發展到相當的水平；在國內，雖然起步比較晚，但是經過了近十幾年的發展和研究，目前國內也能生產出高靈敏度、高分辨率的紅外傳感器，使得限制國內紅外測溫技術

應用過程中的一個技術難題得到了較好的解決。

目前，應用紅外診斷技術的測試設備比較多，像紅外測溫儀、紅外熱電視、紅外熱成像儀等等。此時，我國也在積極主動的研發一種體積小、成本低、不受外界溫度干擾、精度高的人體紅外測溫儀，也就是本課題的非接觸式電子體溫計，對醫學的發展有著很重要的意義。

本設計主體采用TN901紅外測溫模塊接收被測人體溫度信號，交由51單片機程序處理之后變成準確文字信號在1602液晶顯示屏上顯示具體讀數。紅外測溫模塊負責溫度的測量、采集，并將采集的數據通過數據端口傳送到單片機。單片機負責控制啟動溫度測量，接受測量數據，計算溫度值并輸出顯示以實現紅外測溫目的的非接觸式電子體溫計。

2 系統的原理及方案

本設計將對硬件選擇以及結構進行設計，并且采用新型的可編程溫度傳感器TN901，它的優點是能直接與單片機完成數據采集和處理，實現方便、精度高，性能穩定，并且不需復雜的信號調理電路和A/D轉換電路。不需要使傳感器TN901與人體接觸，進行溫度感應后，TN901就可以感應溫度并且直接送入AT89S51單片機中，經過單片機的信號處理并將其送出，通過LCD1602進行顯示。這樣的好處是可以快速并精準的測量出人體體溫，與傳統的水銀體溫計相比，它的優點是測量精準度高、測量時間短、并且方便讀數。

2.1溫度測量技術的概述

2.2 紅外測溫原理及方法

紅外測溫儀的測溫原理是黑體輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯系，物體的溫度越高，所發出的紅外輻射能力越強。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定，即：　

公式2-1 普朗克公式

下圖2-1是不同溫度下的黑體光譜輻射度圖：

圖2-1 不同溫度下的黑體光譜輻射度

從上圖中曲線可以看出黑體輻射具有幾個特征:

在任何溫度下，黑體的光譜輻射度都隨著波長連續變化，每條曲線只有一個極大值；
隨著溫度的升高，與光譜輻射度極大值對應的波長減小。這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長輻射所占比例增加；
隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長處，與較高溫度相應的光譜輻射度也較大，反之亦然。

2.3 紅外測溫系統的方案介紹

本設計將對硬件選擇以及結構進行設計，并且采用新型的可編程溫度傳感器TN901，它的優點是能直接與單片機完成數據采集和處理，實現方便、精度高，性能穩定，并且不需復雜的信號調理電路和A/D轉換電路。不需要使傳感器TN901與人體接觸，進行溫度感應后，TN901就可以感應溫度并且直接送入AT89S51單片機中，經過單片機的信號處理并將其送出，通過LCD1602數碼管進行顯示。這樣的好處是可以快速并精準的測量出人體體溫，與傳統的水銀體溫計相比，它的優點是測量精準度高、測量時間短、并且方便讀數。

非接觸式電子體溫計主要由TN901非接觸式溫度傳感器控制，測量采集被測目標溫度，將溫度信號轉變成電信號傳送給單片機，由程序處理之后轉變成文字信號在1602液晶顯示屏上顯示被測目標具體溫度數字。非接觸式電子體溫計由兩大部分構成，第一部分TN901非接觸式溫度傳感器；第二部分主體控制電路板，電路板由51單片機、1602液晶顯示屏、10K排阻、4.7K滑動變阻器、晶振、蜂鳴器、復位電路等構成。主要實現TN901溫度傳感器測量目標溫度，經過程序處理之后在1602液晶顯示屏上顯示目標溫度的具體數字。設置程序最大測量溫度和最小測量溫度，目標溫度超出此范圍蜂鳴器發出警報。通過按鍵復位測量完成后還原讀數。4.7K滑動變阻器調節1602液晶顯示屏亮度等。

圖2-2 TN901紅外測溫儀

表2-2極限值

參數	符號	額定值
直流電壓	V+	<7.0V
輸入電壓范圍	VIN	-0.5V to V+ + 0.5V

Note: 電壓超過額定表中給出的額定值可能引起操作錯誤或者器具的損壞。對正常工作條件見 AC/DC 參數.

表2-3直流參數 1

參數	符號	數值			單位	測試條件
參數	符號	最小值	典型值.	最大值	單位	測試條件
工作電壓	VDD	2.5	-	3.6	V
工作電流	IOP	-	4	6	mA	VDD = 3.0V, FCPU = 600KHz
靜態電流	ISTBY	-	2	3	μA	VDD = 3.0V
輸入高電平	VIH	2.0	-	-	V	VDD = 3.0V
輸入低電平	VIL	-	-	0.8	V	VDD = 3.0V
高電平輸出電流	IOH	-	-2.0	-	mA	VDD = 3.0V, VOH = 2.4V
低電平輸出電流	IOL	-	2.5	-	mA	VDD = 3.0V, VOH = 0.8V

(VDD = 3.0V, TA = 25℃)

(VDD = 4.5V, TA = 25℃)

表2-4直流參數 2

參數	符號	數值			單位	測試條件
參數	符號	最小值	典型值.	最大值	單位	測試條件
工作電壓	VDD	3.6	-	5.0	V
工作電流	IOP	-	6	9	mA	VDD = 4.5V, FCPU = 600KHz
靜態電流	ISTBY	-	3	4.5	μA	VDD = 4.5V
輸入高電平	VIH	3.0	-	-	μA	VDD = 4.5V
輸入低電平	VIL	-	-	0.8	μA	VDD = 4.5V
高電平輸出電流	IOH	-	-2.0	-	mA	VDD = 4.5V, VOH = 3.5V
低電平輸出電流	IOL	-	2.5	-	mA	VDD = 4.5V, VOL = 0.8V

表2-5 測試規范

測試條件	-33~220°C / -27~428°F
工作范圍	-10~50°C / 14~122°F
精度 Tobj=15~35°C, Tamb=25°C	+/-0.6°C
全范圍精度 #AC	+/-2%, 2°C
分辨力（-9.9~199.9°C）	1/16°C=0.0625 (fall range)
響應時間 (90%)	1秒
D:S	1:1
發射率	0.01~1 step.01
刷新頻率	1.4Hz
尺寸	12x13.7x35mm
波長	5um-14um
重量（不包括電池）	9克
電源	3V 或5V 可選擇

3 紅外測溫系統的硬件設計

本紅外測溫儀采用模塊化的設計思想，它的硬件結構由STC89C51單片機模塊，紅外測溫模塊，電源模塊，鍵盤模塊和LCD顯示模塊組成。

STC89C51單片機是本系統的控制中心，它負責控制啟動溫度測量、接收測量數據、計算溫度值、并根據取得的鍵值控制顯示過程；紅外測溫模塊負責溫度數據的采集、測量，并將采集到的數據通過數據端口傳送給STC89C51單片機； LCD顯示模塊把測量的溫度值直觀地顯示給觀測者；電源模塊負責本紅外測溫儀電源的供應。

圖3-1 紅外測溫儀系統的硬件方案設計框圖

3.1 單片機處理模塊

該紅外測溫儀是以STC89C51單片機為核心器件，此單片機模塊的工作原理是：加載相應程序的STC89C51單片機把紅外測溫模塊傳來的數據加以處理，送LCD顯示屏顯示。

圖3-2 單片機處理模塊電路圖

圖3-3 單片機引腳圖

STC89C51各引腳的功能描述如下：

（1）電源和晶振：VCC——運行和程序校驗時加的電壓；

VSS——接地；

XTAL1——輸入到振蕩器的反向放大器；

XTAL2——反向放大器輸出，輸入到內部時鐘發生器。

（2）RST：單片機的上電復位或掉電保護端；

（3）ALE: 地址鎖存有效信號輸出端；

（4）：片外程序存儲器讀選通信號輸出端。

3.2 紅外測溫模塊

圖3-4 紅外測溫電路模塊

它的測量距離大約為30米，測量回應時間大約為0.5秒。而且它具備SPI接口，可以很方便地與單片機（MCU）傳輸數據。

紅外測溫傳感器的引腳介紹:

圖3-5 紅外測溫傳感器引腳圖

紅外測溫傳感器引腳圖如圖2-4，其中V為電源引腳VCC，VCC一般為3V到5V之間的電壓，一般取3.3V；D為數據接收引腳，沒有數據接收時D為高電平；C為2KHz Clock輸出引腳；G為接地引腳；A為測溫啟動信號引腳，低電平有效。

3.3 電源模塊

STC89C51的內核共電為5v，，而此紅外測溫儀系統的紅外測溫模塊和LED鍵盤模塊的共電電壓都可為5V，所以通過此電源模塊后，將外部輸入電壓轉換成5V的單片機工作電壓，以保障紅外測溫系統的正常運行。

3.4 鍵盤模塊

本設計鍵盤模塊總共有三個按鍵，其中有啟動電源鍵、卡電重啟電源鍵、復位按鍵。

3.5 LCD顯示模塊

LCD顯示模塊：本設計采用1602LCD液晶顯示屏。數碼管顯示按顯示方式分動態顯示和靜態顯示兩種，靜態顯示雖然數據顯示穩定，占用很少的CPU時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅動電路，使用的電路硬件較多；動態顯示需要CPU時刻對顯示器件進行數據刷新，所謂的動態就是一位一位地輪流點亮各位顯示器，對每一位顯示器而言，每隔一段時間點亮一次，利用人的視覺留感達到顯示的目的。動態顯示數據有閃爍感，占用CPU時間多，但使用的硬件少，能節省線路板空間。

本設計采用的是動態顯示，顯示模塊由兩片74HC164,8個8段LCD數碼管組成。

圖3-6 LCD顯示電路原理圖

4 紅外測溫系統的軟件設計

本設計針對紅外測溫是測量人體體溫，所以本設計軟件針對的是人體測體溫方面設計，對大環境下其他方面的溫度測量設計不做介紹。

圖4-1 紅外測溫儀系統的軟件方案設計框圖

4.1 主程序模塊的設計

當紅外測溫儀接通電源時，STC89C51單片機自動復位，開始運行該程序。該程序首先對STC89C51初始化。然后給出開機顯示，接著判斷是否有鍵輸入，若沒有鍵輸入，則繼續判斷；若有鍵輸入，則判斷是否是紅外測溫。若不是就返回開機顯示，是則進行紅外測溫，接收數據，并將計算的溫度值顯示出來，如果是環境溫度通過數碼管前四位顯示，目標溫度用后四位顯示。并等待結束測溫命令。再判定是否結束溫度測量，若沒則繼續測溫，若收到結束命令則返回開機顯示，重新判斷。

圖4-2 主程序流程圖

4.2 紅外測溫程序模塊

該紅外測溫模塊的數據輸出信號和脈沖信號分別接單片機P1.5，P1.6口,測溫控制端接P1.7口。它的程序流程圖如圖3-2所示，此模塊首先定義一個字符型數組用于存放讀取到的一幀數據，然后啟動測溫，讀取數據，數據是在脈沖的下降沿一位一位傳送的。把五個字節數據都讀完后判斷第一個字節是否為0x4c或0x66并且第五個字節為0x0d，若是則計算溫度值返回，否則繼續讀取數據。

圖4-3 紅外測溫流程圖

4.3 鍵盤掃描程序模塊

鍵盤是單片機應用中不可缺少的一部分。本鍵盤的設計采用1列8行(1X8)的設計思想，74HC164在鍵盤中充當行驅動，列線接在單片機的P1.3口上，在固定的極短的時間內對鍵盤的列線進行掃描，進而判斷是否有鍵按下，有鍵按下再判斷是哪個鍵按下從而根據按鍵值在程序中做出進一步的判斷。

4.4 顯示程序模塊

在顯示模塊中，我們采用兩片74HC164,4個8段LED數碼管組成。它的工作原理是主控單片機STC89C51通過控制位選的74HC164去控制點亮不同的數碼管，而另一片74HC164是用來根據主控單片機給出的不同信息，給出不同數碼管所要顯示的不同內容，在給出點亮信號時，數碼管就顯示出74HC164輸出端的信息。4個8段數碼管是定時循環按順序被點亮，由于每次被點亮的時間間隔極短，也由于人眼對光亮的感覺延遲效應，所以在顯示不斷被刷新的同時，人眼不會有閃爍感。

本顯示程序首先定義了數碼管的字型和字位口編碼表，然后根據要讓哪個數碼管亮和讓它亮什么數據來選擇不同的字型字位口再進行查表，把查到的編碼一位位送到兩片164的數據端進行顯示。

圖4-4 LCD顯示程序流程圖

結論

本設計經過幾個月的制作與努力之后將近完工，回想這段時間的付出覺得收獲很大。所做的非接觸式電子體溫計雖然是最小電路下的最簡單的體溫計設計電路，但是能很好的完成任務書中的要求和目標。作出的實物能夠測量并顯示環境溫度和被測物體溫度。有些缺陷，測量顯示溫度比實際物體溫度有偏差，應該是TN901發出紅外線接收時有誤差，所做實物精度有待提高，所以在今后的工作中，還要不斷的學習充電，掌握更多的技能。爭取能夠在此基礎上設計出精確度更高、功能更強大的智能化儀器。

本設計主要由TN901非接觸式溫度傳感器控制，測量采集被測目標溫度，將溫度信號轉變成電信號傳送給單片機，由程序處理之后轉變成文字信號在1602液晶顯示屏上顯示被測目標具體溫度數字。

通過這次設計不僅把自己學習數字電路和模擬電路理論知識轉化為實踐成果，同時加強了自己動手能力和發現問題能力，為今后的學習和工作打下了很好的基礎。

單片機程序源碼：

//宏定義
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
//頭函數
#include <reg52.h>
//全局變量定義
float Temp;
float HJTemp,MBTemp;
//TN9溫度傳感器頭函數
#include <TN9.h>
//LCD頭函數
#include <LCD.h>
//按鍵
sbit K =P1^0;
sbit LR=P1^7;
sbit LG=P1^1;
void delay1(uint x)
{
uint a,b;
for(a=0;a<20;a++)
{ for(b=x;b>0;b--);
}
}
void delay(uint x)
{
uint a,b;
for(a=0;a<20;a++)
{ for(b=x;b>0;b--);
}
}
//主函數
void main()
{ // while(1)
//if(K==1) //屏幕初始化
Init_LCD();
//開啟指示燈
LR=1;
LG=0;
delay1(20);
//開始按鍵
//while(K==1);
//溫度顯示初始化
// Init_T();
//循環讀碼
//while(1)
while(1)
{
// Display(MBTemp,HJTemp);
if(K==0)
{ Init_T();
while(K==0)
{ LR=~LR;
//讀取目標溫度
TN_IRACK_UN();
TN_IRACK_EN();
TN_GetData(0x4c);
MBTemp=Temp;
LR=~LR;
//讀取環境溫度
TN_IRACK_UN();
TN_IRACK_EN();
TN_GetData(0x66);
HJTemp=Temp;
//顯示
Display(MBTemp,HJTemp);}
…………
…………
…………限于本文篇幅余下代碼請從51黑下載附件…………

復制代碼

Altium Designer畫的原理圖和PCB圖如下：(51hei附件中可下載工程文件)

全部資料51hei下載地址：

非接觸測溫資料.rar (5.85 MB, 下載次數: 438)

作者: 黑人臉 時間: 2018-11-6 08:00
請問，TN901可以直接與51單片機開發板連接么？做這個測溫儀，還要其他元件嗎

作者: laigs218 時間: 2018-11-26 19:46
樓主的給數據很齊，應該不需要其它組件

作者: xx不放火 時間: 2019-1-18 16:34
感謝樓主無私奉獻！

作者: 吳海晨o 時間: 2019-2-8 15:37

黑人臉發表于 2018-11-6 08:00
請問，TN901可以直接與51單片機開發板連接么？做這個測溫儀，還要其他元件嗎

tn901太貴了用其他的紅外的也就是30左右，tn百十塊錢

作者: ffme 時間: 2019-5-9 11:57
非常詳細的資料！

作者: 黑匣子li 時間: 2020-5-5 18:49

吳海晨o 發表于 2019-2-8 15:37
tn901太貴了用其他的紅外的也就是30左右，tn百十塊錢

DS18B20也可以，只是精度沒有那么好

作者: 1197444091 時間: 2022-4-24 11:26
有誰可以根據樓主提供的資料畫個仿真圖學習下嗎?

作者: 1197444091 時間: 2022-4-25 11:16
求仿真

歡迎光臨 (http://www.raoushi.com/bbs/)

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