医用红外测温仪.doc

医用红外测温仪及温度补偿技术的研究摘要红外测温是目前最主要的非接触式测温方式之一。它具有响应速度快、测量范围宽、灵敏度高等优点，因而被广泛应用于各行各业。红外测温仪在用于体温检测时其测量温度范围应在24.0到45.0之间，精度要求为0.1。但目前使用的红外测温仪即使其精确度指标为1%，也远远达不到测量体温的精度要求。另外，在24.0到45.0的温度范围内，红外测温仪的测量精度很容易受外界环境温度的影响，导致其测量误差增大。同时红外测温仪的精度和稳定性很容易受到外界环境温度的影响。因此，减小外界环境因素对红外测温仪的影响具有十分重要的意义。本设计针对目前医用红外测温仪的现状，在查阅了大量国内外文献的基础上，提出了一种新的环境温度的补偿方法。这种方法是根据热释电探测器的工作原理，以及被测物体与环境温度的差值作为参考量，根据其差值的大小确定补偿量的多少。通过数字测温芯片测量环境温度，采用软件补偿的方式，避免了以往用热敏电阻的缺点。在红外测温系统中，红外信号经过光学系统的汇聚、斩波器的调制和热释电探测器的接收后转变成频率为20 Hz的脉冲信号。此信号经过放大、滤波、整形和A/D转换成数字信号，再送到单片机中进行数据的处理、补偿和显示。在系统的设计过程中，采用Wave6000单片机仿真系统对单片机进行调试。为了保持各部分之间正确的时序关系，软件全部采用汇编语言来编写。系统经过定标和测试表明：本系统在测量的精度和稳定性上有所提高。关键词 红外测温仪；热释电探测器；发射率；温度补偿；单片机；定标AbstractAs a main way of non-contact measurement,infrared measurement has many advantages,such as rapid reaction,wide measurement range and high sensitivity etc.Therefore,non-contact thermometry can be used in variety of spots.When infrared thermometer is used in medicine,The range of infrared thermometer is regulated between 24.0to 45.0and its precision must be 0.1when it is used in medicine.But most of infrared thermometer couldnt achieve this regulation.Meanwhile,in this temperature range,the precision of infrared thermometer can be greatly affected by ambient temperature.The error will increased greatly too.After looked up lots of data and realized the defect of infrared thermometer in medicinal scopes,a new compensatory way on environmental temperature is presented in this paper.This new way bases on the principle of pyroelectric detector and defines the quantity of compensation according to the temperature difference between target and its surrounding.The ambient temperature is measured by a digital chip and processed with software.This new way can overcome the defect of thermal resistance.After focused by lens,chopped by chopper and received by detector, infrared signal is transformed to electric signal whose frequency is 20 Hz in this infrared system.The electric signal is processed,compensated and displayed in micro-controller system after it is amplified,filtered and adjusted by circuit. During design of this infrared system,micro-control is debugged with Wave6000 simulation system and software is compiled in assembly language because of timing relation between every part.The test of this infrared thermometer indicates that precision and stability has improved already.But it couldnt reach our countrys standards on medicinal thermometer.AbstractKeywords Infrared thermometer;Pyroelectric detector;Emissivity;Tempera-ture compensation;Micro-controller;Calibration目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 引言11.2 红外测温仪的分类 21.2.1 全辐射测温仪21.2.2 单色测温仪31.2.3 比色测温仪41.3 发射率和环境因素对红外测温仪的影响51.3.1 发射率对红外测温仪的影响51.3.2 环境因素对红外测温仪的影响61.4 医用红外测温仪的现状71.5 课题的意义和内容81.5.1 课题的意义81.5.2 课题的内容8第2章 光学系统和光电转换92.1 红外测温仪的光学系统92.1.1 红外测温仪光学系统特点92.1.2 常用红外光学系统结构92.2 红外光学系统设计122.2.1 透镜成像公式132.2.2 透镜成像的误差及对策142.2.3 透镜参数的确定142.3 光电转换152.3.1 红外探测器的种类152.3.2 热释电探测器252.4 本章小结27第3章 电路系统设计283.1 红外信号的调制283.1.1 斩波器的设计283.1.2 斩波器的驱动29 3.2 信号的放大和滤波323.2.1 有源滤波器的设计333.2.2 信号的放大和整形353.3 本章小结37第4章 数据的采集和显示384.1 数据采集384.1.1 A/D转换器的选择384.1.2 ADS7824功能简介384.1.3 单片机与A/D转换器的接口电路414.2 环境温度的检测424.2.1 DS18B20功能简介424.2.2 1-wire单总线原理434.2.3 与单片机的接口电路474.3 数据的显示474.3.1 可编程IO扩展口的设计4.3.2 数码显示电路484.4 本章小结49第5章 环境温度补偿及系统实验505.1 传统温度补偿方式及其不足505.2 课题中温度补偿模型的建立515.3 温度补偿的实验525.4 系统实验535.4.1 系统软件的设计思想535.4.2 主程序流程图545.4.3 中断子程序流程图555.4.4 软件仿真555.4.5 系统框图及实验步骤575.4.6 系统误差分析585.4.7 减小误差的措施585.5 本章小结59结论60参考文献61攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果65致谢66作者简介67第1章绪论1.1引言红外线是波长位于0.761 000m之间的电磁波1，它存在于自然界的每一个角落。事实上，一切高于绝对零度的物体都在不停地辐射红外线2。红外线是从物质内部发射出来的，物质的运动是产生红外线的根源。众所周知，物质是由分子、原子组成的，它们按照一定的规律运动着，其运动状态也在不断地发生变化，因而不断地向外辐射能量，这就是热辐射现象。红外辐射的物理本质是热辐射，这种辐射的量主要由物体的温度和材料本身的性质决定。特别是，热辐射的强度及光谱成分取决于辐射体的温度，也就是说，温度对热辐射现象起着决定性的作用3。温度是反映物体冷热程度的物理量，在一切物体的运动过程和生产过程中，几乎可以说热和温度的变化无处不在。据统计，工业生产中50%以上的检测量是温度。可以毫不夸张地说，温度的检测是现代工业的命脉。测量温度的方法可以分为接触式和非接触式测温4。传统的接触式测温方式由于其反应速度慢、测温时间长、干扰物体的温度场等缺点而使其应用范围受到限制。非接触式测温是通过测量被测温度的物理参数来求得被测温度的，它不存在热接触和热平衡带来的缺点，被广泛应用在石油化工、电子电器、航空航天5、环境监测、医疗卫生等各行各业当中。目前主要的非接触式测温方式是红外测温。红外测温不仅可以测量温度很高的、有辐射性的、高纯度的物体，而且可以测量导热性差的、小热容量的、微小的目标，运动的物体，以及固体、液体表面温度的测量6。具有响应速度快、测量范围宽、灵敏度高7、对被测温度场无干扰、热隋性误差小等特点。并可用于显微测量和远距离测量当中。二维热像仪的出现，更增加了红外技术的应用范围。正是基于红外测温的大量优点，国外有关专家曾指出：“从X光有史以来，工业领域当中，红外技术是最有力、最有前途、可视性强的监测技术8。1.2红外测温仪的分类到二十世纪初，辐射法测温的理论准备已基本完善。又经过了几十年的努力，应用于工业现场的红外测温仪，已有了三种类型的传统形式。即全辐射测温仪、单色测温仪和比色测温仪。1.2.1全辐射测温仪全辐射测温仪是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的辐射温度9。辐射温度就是指当实际物体总的辐射功率(包括所有的波长)与绝对黑体总的辐射功率相等时，则黑体的温度叫做实际物体的辐射温度。目前尚无对全光谱波段辐射均匀相应的探测器，也没有能透过全光谱波段的窗口或透镜的红外光学材料，因此，全辐射测温只是一个理想化的概念。实际使用的全辐射测温仪只是对较宽波段范围的辐射进行的测量，所接收的辐射能量为总辐射能量的大部分值。根据斯蒂芬-波耳兹曼定律 （1-1） 式中MT为绝对温度为T时物体的光谱辐出度；为物体的光谱发射率；T为物体的绝对温度；为波长；为第一辐射常数；为第二辐射常数；为物体表面的发射率；为斯蒂芬-波尔兹曼常数10。由上式可以知道，物体表面的辐射功率不仅取决于物体的温度T，还依赖于物体表面的发射率。由于不同物体的发射率差异很大，所以不能只通过测量辐射功率来单一地决定物体的温度。全辐射测温仪通常要通过黑体定标。设黑体温度为，它所对应的辐射功率为 （1-2）在仪器定标和实测时，若两者的接收功率相同，应有如下关系 (1-3)由此得 (1-4)其相对误差为11 (1-5)因为被测物体的发射率总小于1，所以全辐射测温仪的指示温度总低于物体的真实温度。显然，目标的发射率越接近于1，则测温仪的指示温度就越接近目标的真实温度；反之，发射率越小，误差就越大。1.2.2单色测温仪单色测温仪是通过测量目标发射的某一波长范围内的辐射功率来确定目标亮温的仪器12。所谓亮温是指温度为T的辐射体，如它在某一波长范围内的辐射功率与温度为的黑体在同一波长范围内的辐射功率相等，则定义为该辐射体的亮温。假如目标的光谱发射率已知，将普朗克公式在(+)内积分 （1-6）可知，测温仪接受到的辐射功率只与温度有关。若取为单位波长，在T时，式(1-6)将简化为 （1-7）若用黑体标定，由亮温的定义，这时，温度为的黑体辐射能量应等于温度为T的目标辐射能量。即 (1-8)于是得 （1-9）由式(1-9)可知，测试波长选的越短，由发射率引起的误差就越小，所以单色测温仪一般工作在短波区。但短波单色测温仪的温度覆盖范围窄，易受外界的干扰。而长波单色测温仪虽然测量误差偏大，但它有较宽的温度覆盖范围，且对太阳、炉壁、火焰等高温物体的杂散辐射引起的误差不大敏感。此外，根据维恩位移定律可知13，随着温度的升高，辐射功率最大的波长向短波方向移动。因此，测量低温目标宜选用长波波长，而测量高温目标宜选用短波波长。1.2.3比色测温仪比色测温仪是根据两个波段辐射能量的比值与物体温度的函数关系来测定物体色温的14。设实际物体的真实温度为T，在波长和2处的光谱发射率为和，当该物体在这两个波长处辐射功率之比与某一温度为的黑体在这两个波长处的辐射功率之比相等时，这个黑体的温度就叫做该物体的有色温度，简称色温。比色测温仪可在一定程度上消除因发射率不同而造成的误差。只要发射率在这两个波段内的变化是缓慢的，这两个波段上的辐射能量的比值就主要决定于被测物体的表面温度。而光学系统上的灰尘、视场局部被遮挡、测试空间有烟雾、灰尘和测距变化等等15，只要它们对这两个波段的辐射功率的影响近于相同，这些因素对测量结果就无显著影响16。同样，元件的性能或电路放大倍数的变化对测量结果也无显著影响。根据色温的定义，假定有1（1+）和2(2+)两个波长范围，且选为单位波长，T2.0V视场前截止波长7.514m噪声75%源极电压0.50.7V峰值波长6. 50.5m工作电压2.215V工作电流8.024A2.4本章小结本章详细介绍了红外测温仪光学系统的参数设计和选择。同时也介绍了红外探测器的种类、原理和探测器的选择。第3章电路系统设计3.1红外信号的调制调制实质上是对所需处理的信号或被传输的信息做某种形式上的变换，使之便于处理或传输。对于红外系统，当被测物体温度一定时，由目标所发射的辐射通量总是恒定的，位于一定距离处的红外系统所接收到的辐射通量也是恒定的。为了探测目标，需要对目标辐射能进行调制，即把红外系统接收到的恒定辐射能转换成随时间变化的断续的辐射能，以便热释电红外探测器的接收和后续电路的处理。3.1.1斩波器的设计对红外信号的调制可以通过两个途径来实现：一种是在光学系统的焦平面附近加斩波器，使红外辐射断断续续地落在探测器上，这样探测器就产生随时间变化的交流信号；另一种是让光学系统扫描，这样就可以得到交流信号。对于交流信号，可以用交流放大器进行放大和处理。斩波器是一种最简单的辐射调制器，一般用金属片制成。课题中所使用的斩波器形状如图3-1所示。当热释电红外探测器的窗口被扇形金属片遮挡时，探测器没有输出信号；当探测器不被扇形金属片遮挡时，探测器上就有输出信号。因此，斩波器不断地旋转，探测器就会输出一系列的脉冲信号。3.1.2斩波器的驱动斩波器要不停地旋转才能对红外信号进行连续地调制。为了可靠地控制斩波器的转动，课题中采用步进电机带动斩波器转动，而步进电机则由SAA1042芯片进行驱动。步进电机步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲，电机转轴就步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机具有转动惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。因而广泛应用于机电一体化产品中。课题选用丰源微特电机有限公司生产的20BY20L01型两相永磁步进电机，其主要性能指标如表3-1所示。表3-1 20BY20L01的性能指标Table 3-1 Performance index of 20BY20L01步距角相数电压电流电阻最大静转矩定位转矩转动惯量25V0.5A1075gcm30gcm0.6gcm步进电机驱动芯片 对于20BY20L01型步进电机。可以采用两相双四拍的驱动方式，按ABBABABAAB的次序，依次给四个线圈通电，步进电机就能顺时针旋转。SAA1042是适宜于两相步进电动机双极性驱动的单片集成电路。其内部结构如图3-3所示。从图中可以看到，它包含三个信号输入极、一个逻辑控制单元和两个驱动输出极。SAA1042的各引脚功能如下：三个输入端接收微处理器来的控制指令，内部均设有滞环缓冲电路，以消除噪声影响。7脚输入时钟脉冲，上跳沿起作用。10脚是Cw/Ccw控制步进电动机转向的输入端，输入逻辑电平0或1，分别对应于步进电动机顺时针(Cw)或逆时针(Ccw)方向。8脚是整步半步方式控制端。输入低电平时为整步方式，输入高电平时为半步方式。驱动输出端3、1和16、14分别接步进电动机的两相绕组L1、L2和L3、L4。四端内部均接有二极管，它们共同接至引脚2，一般从2脚到15脚之间串入稳压二级管，使绕组产生的过高正向尖脉冲得到钳位，以保护驱动级中的晶体管。 6脚输入端需外接电阻RB，其作用有两个：一、当RB接地时，给驱动级设置一定的步进电动机电流。二、在RB上加上一定电压信号作为本集成电路的状态设置(Set信号)。当此Set信号为高电平时，四个输出端被关闭呈高阻态，而Set的信号回到低电平，直到一个时钟脉冲上跳沿到来，L1、L2、L3、L4被置为1010状态。中间的4、5、12、13脚为接地端。矩形脉冲波产生电路NE555是一种用于产生矩形波振荡信号的高稳定装置，是一种应用灵活方便的集成组件，在各类检测电路中得到广泛应用。NE555工作于多谐振荡状态的外部接线图如图3-4所示。当工作于振荡状态时，其输出信号的频率和占空比由两只外接电阻R1、R2和一只外接电容C2来决定。工作时，外接电容C2通过电阻R1+R2充电，通过R2放电。因此，输出信号的频率可以通过二者的适当比值来精确调节。在这种工作方式中，电容的充电值和放电值分别在(1/3) Vcc和(2/3) Vcc之间。电容的充电时间和放电时间及输出信号的周期与电源电压无关。充电时间（输出高电平）为 （3-1）放电时间（输出低电平）为 （3-2）振荡信号的周期为 (3-3)占空比为 (3-4)本课题需要一个100 Hz，占空比为50%的方波信号。那么可选择定时电容C=0.01F，将T=0.01s代入式(3-3)中，可得R1= R2750k。步进电机的驱动电路综上所述，实际的步进电机驱动电路如图3-5所示。 图 3-5 步进电机驱动电路 Fig. 3-5 Driving circuit of electromator3.2信号的放大和滤波热释电探测器接收到经过斩波器调的红外辐射能量后，转变为交变的脉冲电信号。这种电信号是十分微弱的，通常只有几毫伏。对这种能量过于微弱的电信号，既无法直接显示，一般也很难做进一步的分析处理。若要将信号进行数字化的处理，则须把信号放大到数伏量级才能被一般的模数转换器所接受。另外，由于信号中不可避免的包含有各种噪声，所以必须要对探测器检测到的信号进行滤波，以使有用频率信号通过而同时抑制（或大为衰减）无用频率信号。以往这种滤波器主要采用无源元件R、L和C组成，六十年代以来，集成运算放大电路获得了迅速发展，由它和R、C组成的有源滤波器，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运算放大电路的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用。3.2.1有源滤波器的设计工作频率的确定 555定时器产生频率为100Hz的时钟信号，而时钟信号的每一个上跳沿都会驱动步进电机顺时针旋转。每20个时钟脉冲就会使步进电机旋转一周。根据斩波器的形状特点，步进电机每旋转一周，都会使热释电探测器接收到的红外信号变化四次。因此可以计算出来红外测温仪的工作频率为20 Hz。集成运算放大器的选择OP07是一种超低失调的集成运算放大器。其共模输入阻抗可达200 M，输出阻抗仅为60。可广泛应用于精密仪用放大器、传感放大器、桥式放大器、热偶放大器、精密测试系统、医疗器械设备、自动控制系统、波形发生与变换电路等领域。OP07的具体参数如表3-2所示 表 3-2 OP07的功能参数 Table 3-2 Function parameter of OP07参数参数值参数参数值参数参数值输入失调电压0.06mV输入失调电流0.8Na转换速率0.17V/输入偏置电流104dB共模抑制比110dB电源电压抑制比104dB静态功耗3.1失调电压温度系数0.6Hz噪声电压0.25V/Hz最大差模输入电压30V滤波电路的设计 根据系统的工作频率，设计一个带通滤波器，使其中心频率为20 Hz，带宽约为20 Hz左右。则滤波电路和放大电路的连接如图3-6所示由下列公式可计算出滤波器的中心频率和带宽式中B为滤波器的带宽，f0为滤波器的中心频率，G为滤波器的增益。对该电路进行Pspice仿真，其仿真结果如3-7图所示。从图3-7中可以看出：该电路的中心频率约在18 Hz处，带宽约为22 Hz左右。3.2.2信号的放大和整形放大电路的设计 课题中采用的放大电路如图3-8所示课题中采用两级耦合放大电路，级间采用阻容耦合方式，以消除直流信号的影响。同时，为了通过20 Hz的低频信号，在电路中分别采用了47F和20F的钽电解电容。在放大电路中，对幅值为2 mV，频率为50 Hz的方波信号进行仿真。电路的仿真结果如图3-9所示。两级电路的放大倍数约为1 000倍左右。信号的整形 热释电探测器输出的电信号是正负交变的近似方波的脉冲信号。此信号经过放大和滤波，变成了近似于正弦波的交流信号。为了便于后续电路的处理，还需要将此信号进行整形。整形电路采用四个锗二极管组成的桥式整流电路，经过整形后的信号就成为单向的脉动信号。具体电路如图3-10所示。 3.3本章小结本章详细阐述了系统信号的调制方式及其实现。同时介绍了放大电路、滤波电路的设计和仿真结果，以及其硬件电路的实现。第4章数据的采集和显示4.1数据采集4.1.1 A/D转换器的选择A/D转换器的种类繁多，特性各异。要选择合适的A/D转换器，最重要的是明确使用的目的，确定合适的转换速率和转换精度。这样，就能选择性能合适、性价比较高的模数转换器。所谓A/D的转换速率，是指能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而A/D的转换精度是指在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟电压与其理想电压之差的最大值。在本课题中，系统的工作频率为20 Hz，而每个周期需要采样20次，因此每秒需要采样400次。A/D转换器的采样频率应大于400 Hz。同时采用12位的A/D转换器以提高系统的测温精度。综合考虑，本课题选用了美国BB公司生产的ADS7824模数转换器。4.1.2 ADS7824功能简介ADS7824是美国BB公司推出的一种低功耗4通道12位并行/串行模数转换芯片。该芯片是一种开关电容式逐次逼近模数转换芯片，其内部自带采样保持器(SHA)、时钟源、+2.5 V参考电压及与微处理器的并行/串行接口。同时，它还可以在连续转换模式下对外部4通道模拟输入信号进行顺序转换。与其它ADC相比，ADS7824具有非常低的功耗和丰富的片上资源，且内部结构紧凑，集成度高，工作性能好，可在-4080范围内正常工作，非常适用于仪器仪表及便携式探测器使用。 ADS7824的基本特点和主要参数 内部带有采样保持器(SHA)，采用12位逐次逼近(SAR)模/数转换方式。采样频率为40k Hz，最大采样与转换时间为25s。数据可并行或串行输出，并带有三态输出缓冲电路，可直接与各种微处理器相连。积分非线性(INL)最大为0.5 LSB，无漏码的差分非线性(DNL)最大为12位。具有连续转换模式、转换无失码。典型信噪比(SNR)为73 dB。孔径延迟(aperture delay)时间为40 ns。内带+2.5 V基准电压，也可选用外部+2.5 V基准电压。差分电压输入范围为10 V，同时带有四通道多路选择器。采用单+5 V电源供电。正常工作情况下的功耗为50 mW；关闭模式下的功耗仅为50W。内部结构及引脚说明 图4-1所示为ADS7824的内部结构框图它采用的是具有固有采样/保持功能的电容式DAC(CDAC)转换方式，CDAC是根据电荷再分配的原理产生模拟输出电压的。它包括一列有N个按照二进制加权排列的电容，在采样阶段，阵列电容的公共端(所有电容连接的公共点)接地，所有自由端连接到输入信号。采样后，公共端与地断开，自由端与输入信号断开。这样可在电容阵列上有效的获得与输入电压成正比的电荷量。然后，所有电容的自由端接地以驱动公共端至一个负压-VIN。作为二进制搜索算法的第一步，MSB电容的自由端与地断开，并连接到VREF可驱动公共端电压向正端移动VREF/2，若此时该电压小于地电压，比较器输出为逻辑1，则预示MSB大于VREF/2，否则，比较器输出为逻辑0，此时预示着MSB小于VREF/2，接下来，下一个最大的电容与地断开，并连接到VREF，通过比较器确定下一位的数值，如此循环直到判定出全部数字位。ADS2874有28个引脚，其各引脚定义如下：AGND1(1)，AGND2(8)：模拟地。AIN0AIN3(2，3，4，5)：模拟信号输入通道03，其差分输入电压范围为10 V。CAP(6)：内部参考电压缓冲输出，通过2.2F钽电容接地，可为CDAC在整个转换周期内提供适宜的开关电流。D7D5(9，10，11)：当PAR/SER端为高时，为8位并行数据高三位输出，为低时呈高阻态。REF(7)：参考电压输入/输出端。D4(12)：当PAR/SER端为高时，该端输出8位并行数据bit 4，PAR/SER端为低时，该脚为串行时钟选择端。具体选择方式是：当该端输入高电平时，串行转换采用外部串行时钟；为低电平时，串行转换采用内部时钟。D3(13)：当PAR/SER端为高时，该端输出8位并行数据bit3，PAR/SER为低时，该端输出为同步信号SYN，当系统使用多个ADS7824时，使用该引脚可实现各个芯片数据输出的同步。DGND(14)：数字地。D2(15)：当PAR/SER端为高时，该端输出8位并行数据bit2，PAR/SER为低时，为串行时钟信号输出。D1(16)：当PAR/SER端为高时，该端输出为8位并行数据bit1，PAR/SER为低时，该端为串行数据输出。D0(17)：当PAR/SER为高时，该端输出为8位并行数据bit0，PAR/SER为低时，该端为串行输出标记端。A1，A2(18，19)：输入信号通道选择端。PAR/SER(20)：并行/串行输出选择端。BYTE(21)：字节选择控制端。在读取期间，若BYTE为0，则高8位有效；若为1，则低4位有效。R/C（非）(22)：读取/转换控制端。CS(23)（非）：片选端。BUSY(24)（非）：输出状态端。转换开始时，BUSY为低电平；转换完成后，该端输出为高电平。CONTC(25)：连续转换模式控制端，CONTC为5 V时，ADS7824工作在连续转换模式，此时芯片可对4个输入通道信号进行连续采集和转换。PWRD(26)：电源关闭模式端，高电平有效。关闭模式时，系统将切断芯片内部模拟和数字电路的电源，以使芯片处于低功耗状态。Vs1，Vs2(27，28)：+5 V电源输入端。4.1.3单片机与A/D转换器的接口电路ADS7824内含三态输出缓冲电路和串行/并行输出方式，且与CPU的接口非常灵活。图4-2为ADS7824在并行方式下数据转换的时序图56。其与AT89C51单片机的并行接口电路如图4-3所示。图中，单片机采用查询方式通过P3.2口不断查询BUSY（非）状态，BUSY（非）为1时，表示ADS782完成了一次转换。单片机通常通过两次读取操作将数据读入，当R/C（非）=1，CS（非）=0，BYTE=0时，读取高8位；当R/C（非）=1，CS（非）=0，BYTE=1时，读取低4位。数据读取完成后，单片机将R/C（非）和CS（非）端置低40 ns12s以启动下一次转换，此时BUSY输出为低电平。图4-3中，ADS7824的CS端与8051的锁存地址A2相连，BYTE与8051的锁存地址A4相连，R/C与8051的锁存地址A3相连，因此，启动ADS7824的端口地址为xxxx00 xB。同时由于74LS373的片选端CE（非）与8051的P1.1相连，所以启动之前要先将P1.1置零。ADS7824的A1端和A2端始终为零，因而选择ADS7824的通道0为模拟信号的输入端。4.2环境温度的检测4.2.1 DS18B20功能简介DS18B20是美国DALLAS公司推出的单线数字化测温IC芯片。它具有独特的单线接口方式，即与单片机接口仅需占用1根I/O口线；支持多节点，使分布式温度传感器设计大为简化；测温时无需任何外部元件，可以通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式；测温范围-55+125，测温精度为0.5，可直接将温度转换值以912位数字码的方式串行输出。其典型封装有3脚TO-92，8脚SOIC和6脚TSOC等形式。DS18B20由三部分组成：64位光刻ROM；温度传感器；永久型温度报警触发器TH和TL。其结构如图4-4所示。4.2.2 1-wire单总线原理 1-wire单总线概述 1-wire单总线是Maxim全资子公司Dallas的一项专有技术。与目前多数标准串行数据通信方式，如SPI/I2（平方）C/MICRO-WIRE不同，它采用单根信号线既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的。它具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。1-wire单总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设备。当只有一个从机位于总线上时，系统可按照单节点系统操作；而当多个从机位于总线上时，则系统按照多节点系统操作。单总线只有一根数据线。设备(主机或从机)通过一个漏极开路或三态端口，连接至该数据线，这样允许设备在不发送数据时释放数据总线，以便总线被其它设备所使用。单总线端口为漏极开路。其内部等效电路如下图所示。 单总线要求外接一个约5 k的上拉电阻，这样，单总线的闲置状态为高电平。不管什么原因，如果传输过程需要暂时挂起，且要求传输过程还能够继续的话，则总线必须处于空闲状态。位传输之间的恢复时间没有限制，只要总线在恢复期间处于空闲状态(高电平)。如果总线保持低电平超过480s，总线上的所有器件将复位。另外在寄生方式供电时，为了保证单总线器件在某些工作状态下(如温度转换期间、EEPROM写入等)具有足够的电源电流，必须在总线上提供强上拉(如图4-5所示的MOSFET)。 1-wire单总线命令序列典型的单总线命令序列如下：第一步：初始化；第二步：ROM命令(跟随需要交换的数据)；第三步：功能命令(跟随需要交换的命令)。每次访问单总线器件，必须严格遵守这个命令序列，如果出现序列混乱，则单总线器件不会响应主机。但是这个准则对于搜索ROM命令和报警搜索命令例外，在执行两者中任何一条命令之后，主机不能执行其后的功能命令，必须返回至第一步。基于单总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，初始化过程由主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成。应答脉冲使主机知道总线上有从机设备且准备就绪。在主机检测到应答脉冲后，就可以发出ROM命令。这些命令与各个从机设备的唯一64位ROM代码相关，允许主机在单总线上连接多个从机设备时，指定操作某个从机设备。这些命令还允许主机能够检测到总线上有多少个从机设备以及其设备类型，或者有没有设备处于报警状态。从机设备可能支持5种ROM命令(实际情况与具体型号有关)，每种命令长度为8位。主机在发出功能命令之前，必须送出合适的ROM命令。在主机发出ROM命令,以访问某个指定的DS18B20后，接着就可以发出DS18B20支持的某个功能命令。这些命令允许主机写入或读出DS18B20暂存器、启动温度转换以及判断从机的供电方式。 1-wire单总线的信号方式所有的单总线器件要求采用严格的通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号。并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前，这一点与多数串行通信格式不同(多数为字节的高位在前)。(1)复位和应答脉冲复位和应答脉冲如图4-6所示。在主机初始化过程，主机通过拉低单总线至少480s，以产生(Tx)复位脉冲。接着，主机释放总线，并进入接收模式(Rx)。当总线被释放后，5 k上拉电阻将单总线拉高。在单总线器件检测到上升沿后，延时1560s，通过拉低总线60240s，以产生应答脉冲。(2)读/写时隙在写时隙期间，主机向单总线器件写入数据；而在读时隙期间，主机读入来自从机的数据。在每一个时隙总线只能传输一位数据。其读/写时隙如图4-7所示。主机采用写1时隙向从机写入1，而采用写0时隙向从机写入0。所有写时隙至少需要60s，且在两次独立的写时隙之间至少需要1s的恢复时间。两种写时隙均起始于主机拉低总线。产生写1时隙的方式：主机在拉低总线后接着必须在15s之内释放总线，由5 k上拉电阻将总线拉至高电平；而产生写0时隙的方式：在主机拉低总线后，只需在整个时隙期间保持低电平(即可至少60s)。在写时隙起始后1560s期间，单总线器件采样总线电平状态。如果在此期间采样为高电平，则逻辑1被写入该器件；如果为0，则写入逻辑0。单总线器件仅在主机发出读时隙时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时隙，以便从机能够传输数据。所有读时隙至少需要60s，且在两次独立的读时隙之间至少需要1s的恢复时间。每个读时隙都由主机发起，至少拉低总线1s。在主机发起读时隙之后，单总线器件才开始在总线上发送0或1。若从机发送1则保持总线为高电平；若发送0，则拉低总线。当发送0时，从机在该时隙结束后释放总线，由上拉电阻将总线拉回至空闲高电平状态。从机发出的数据在起始时隙之后保持有效时间15s，因而，主机在读时隙期间必须释放总线，并且在时隙起始后的15s之内采样总线状态。4.2.3与单片机的接口电路DS18B20是单线接口式器件，因此它与单片机的硬件接口十分简单，只需占用单片机的一个I/O口，其接口电路如图4-8。4.3数据的显示4.3.1可编程IO扩展口的设计8255A是Intel公司生产的可编程输入输出接口芯片。它具有3个8位的并行I/O口，分别称为PA口、PB口、PC口，其中PC口分为高4位口(PC7PC4)和低4位口(PC3PC0)它们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式。8255A可以与MCS-51单片机直接接口。8255A的三个并行口PA、PB和PC，都可以选择作为输入输出工作模式，但在功能和结构上有些差异。PA口：一个8位数据输出锁存器和缓冲器；一个8位数据输入锁存器。PB口：一个8位数据输出锁存器和缓冲器；一个8位数据输入锁存器。PC口：一个8位的输出锁存器；一个8位数据输入缓冲器。通常PA口、PB口作为输入输出口，PC口可作为输入输出口，也可在软件的控制下，分为两个4位的端口，作为端口A、B选通方式操作时的状态控制信号57。4.3.2数码显示电路数码显示有静态和动态两种方式可以点亮。所谓的静态显示，就是当数码管显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。这种显示方式每一位都需要有一个8位输出口控制，静态显示的优点是较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮数码管各个位(扫描)，对于数码管的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。课题中的数码显示采用的是三个共阴极数码管，显示采用的是静态显示方式。由于受到MCU资源的限制，本系统的键盘和数码显示采用8255A进行并口扩展来实现。具体电路如4-9图所示。4.4本章小结本章主要介绍了模数转换电路和数码显示电路。同时介绍了单总线通信的原理和环境温度的测量方法。为下一章的系统实现奠定硬件基础。第5章环境温度补偿及系统实验对环境温度进行补偿和修正，是提高医用红外测温仪精度的重要步骤和措施。环境温度越低，从外界进入红外测温仪窗口的辐射能量就越少。相反，环境温度越高，从外界进入红外测温仪窗口的辐射能量就越多。当外界环境的温度远远超过被测目标的温度时，外界的噪声能量就远大于目标的有用信号能量，从而使红外测温仪的测量精度下降。因而，有必要对不同环境温度下红外测温仪的输出结果进行补偿，尽可能地消除外界环境温度地影响，减小系统的误差。5.1传统温度补偿方式及其不足传统温度补偿通常采用热敏电阻来测量环境温度的变化，利用热敏电阻与温度之间的非线性关系，采用线性化电路进行补偿。其具体补偿方式如图5-1所示。用热敏电阻进行环境温度的测量和补偿，主要存在下面两方面的不足：(1)从前文可以知道，无论正热敏电阻还是负热敏电阻，它们与温度之间近似成指数关系。环境温度对红外测温仪的影响不是成指数关系，因而这种补偿只是粗略