摘要：介紹一種以低功耗C8051F350單片機為控制核心，并結合TS118-3紅外測溫傳感器及無線藍牙技術的紅外測溫系統，實現了非接觸紅外溫度測量電路、LCD顯示電路和無線藍牙數據通訊接口等硬件電路與上位機信息管理程序的設計。系統功能強大，測溫精度高，響應速度快，運行可靠。本文網絡版地址：http：//.cn/article/248896.htm
關鍵詞：C8051F350；藍牙技術；紅外測溫
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.6.011
引言
傳統的接觸式測溫儀表如水銀溫度計、熱電偶等，因要與被測物質進行充分的熱交換，需經過一定的時間后才能達到熱平衡，存在著測溫的延遲現象，故在連續生產質量檢驗中存在一定的使用局限。非接觸式紅外測溫設備是根據黑體輻射原理[1]，不需要與被測物質進行接觸，而是通過測量物體輻射的紅外線來測量溫度的。紅外溫度測量設備因具有使用方便，反應速度快，靈敏度高，測溫范圍廣，可實現在線非接觸連續測量等眾多優點[2]，在電子設備故障的檢測和診斷、工業生產、醫療、安檢等諸多領域得到越來越廣泛的應用。
基于目前市場上一些紅外測溫設備功能不完善、價格高等缺點，設計一種測溫精度高、功耗低、功能完善的非接觸紅外測溫系統。
1 系統硬件電路設計
1.1 整體框架設計
整個系統分為上、下位機兩部分，兩部分之間通過無線藍牙模塊進行數據傳輸和交換。整個系統結構框架圖如圖1所示。
下位機部分以低功耗C8051F350單片機為控制核心，該單片機集多功能于一身，設計中可進一步簡化電路，從而減少復雜電路中各種元件之間的干擾。外圍電路包括紅外測溫電路、信號放大電路、濾波電路、LCD液晶顯示電路、藍牙無線數據傳輸電路等構成，實現溫度的采集、處理和傳送功能；上位機部分通過藍牙模塊與串口通信傳輸將數據傳送到PC機，實現信息管理系統的對測溫數據接收、顯示、處理、存儲和查詢等功能。
1.2 紅外測溫數據采集處理電路
本電路采用TS118-3型非接觸式紅外溫度傳感器。TS118-3是一種熱電堆傳感器，它將物體紅外輻射量成比例地轉化成對應的電壓信號[3]。傳感器引腳1、3分別為被測物體測量信號的正負輸出端，被測物體輻射能量被熱電堆接收轉化為電壓信號。2引腳為環境溫度信號輸出端，環境溫度的大小根據RTD 電阻溫度探測器的阻值確定。
由于傳感器輸出的測溫電壓信號為mV級，而單片機A/D模塊的信號輸入須為V級，電路中采用儀器放大器AD620對該信號進行放大。其放大倍數由一個精密可調電阻（R2）進行調節，本電路放大倍數設為600。
環境溫度信號處理電路主要是實現環境溫度檢測電阻RTD到輸出電壓V0的轉換。轉換原理是由LM358運算放大器構成的電壓跟隨器跟蹤RTD的分壓電壓值變化，RTD的分壓電壓值隨RTD阻值的變化而變化。信號采集電路的電路圖如圖2所示。
其中V1為放大后的熱電堆電壓信號，也就是將要處理的體溫信號，V0為環境溫度信號。其中，V0由單片機ADC0中的AIN0.2輸入通道進行A/D處理；V1作為下級濾波器的輸入信號完成進一步的濾波。
1.3 噪聲濾波電路
整個放大電路的噪聲來源主要是共模輸入信號，盡管前端的AD620儀器放大器能夠抑制一部分噪聲信號，為得到穩定、高精度的數據，以及考慮到各電路部分相互干擾和實際環境，并針對溫度信號為一直流電壓小信號這一特點，在紅外測溫信號放大之后再加一巴特沃茲低通濾波器，濾除其他噪聲。然后由單片機ADC0中的AIN0.0輸入通道進行A/D處理。低通濾波電路如圖3所示。
1.4 LCD液晶顯示電路
該電路采用一塊LCD12864中文漢顯液晶作為顯示部分，當前測量目標溫度和周圍環境溫度在屏幕上進行實時顯示。該液晶模塊與單片機采用8位并行傳輸方式進行數據傳輸，具體連接為P1.0～P1.7連接LCD12864的DB0～DB7，P2.0～P2.2分別接RS、RPW和E。
1.5 功能按鍵電路
下位機電路中，單片機P2.4口和P2.5口在I/O初始化中配置為上拉使能，與兩個按鍵S1和S2相連。有按鍵按下時，對應I/O電平為低。按鍵S1的主要功能是測溫，當按下此鍵后，系統進入開始測溫模式；按鍵S2的主要功能是關閉報警器，當溫度超過設定上限值時，報警器鳴叫時，按下此鍵，則報警器停止鳴叫。
1.6 報警電路設計
系統的報警功能由一個蜂鳴器和一個三極管來實現。當測得的溫度值超過設定值（根據實際需求設定）時，單片機會給P2.7口一個低電平，使三極管導通，從而引起蜂鳴器的鳴叫。當系統檢測到S2鍵按下后，則將P2.7口置高電位，此時蜂鳴器因三極管的截止而停止報警。
1.7 主從一體藍牙模塊串口通信設計
上位機和下位機的數據通信采用自帶電壓轉接板的HC-05主從一體藍牙模塊。連接前，對兩個藍牙模塊通過AT指令分別進行主機和從機配置，并通過輸入配對密碼進行配對，通信波特率配置為9600bps。下位機中單片機UART0中的P0.4、P0.5引腳分別與從機藍牙模塊的通信線RXD、TXD連接。上位機中PC機通過MAX232電平轉換模塊與主機藍牙模塊相連。測試證明，該藍牙模塊數據可靠傳輸范圍在10米以內。
2.2 測溫結果比較
用傳統式的水銀溫度計和本紅外測溫系統分別對5杯不同溫度的熱水進行溫度測量，5杯熱水分別標號為1#～5#，其測量結果如表1所示。
通過表1數據對比表明，本紅外測溫系統的測溫精度很高，與水銀體溫計測量的結果幾乎沒有差別，而且不會因為操作者不同而出現讀數誤差較大的現象發生。另外，在測試中紅外測溫速度快的優點非常明顯。
上位機信息管理程序是紅外測溫系統的一個重要組成部分，擔負著對測量溫度數據管理、分析、存儲和用戶界面操作等任務。下位機電路將所測溫度數據由藍牙模塊傳至PC機，上位機對溫度信息進行一系列的處理，實現溫度實時顯示、存儲、查詢、統計、刪除等功能。本系統上位機信息管理系統采用C#語言實現。上位機信息管理系統顯示界面如圖5所示。
4 結論
本非接觸紅外測溫系統集測溫、顯示、超限報警和數據管理等功能為一體，具有測溫精度高、性價比高、快捷方便和性能穩定等優點，具有良好的應用價值和廣闊的市場前景。
參考文獻：
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