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摘要：介绍一种以低功耗C8051F350单片机为控制核心，并结合TS118-3红外测温传感器及无线蓝牙技术的红外测温系统，实现了非接触红外温度测量电路、LCD显示电路和无线蓝牙数据通讯接口等硬件电路与上位机信息管理程序的设计。系统功能强大，测温精度高，响应速度快，运行可靠。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/248896.htm
关键词：C8051F350；蓝牙技术；红外测温
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.6.011
引言
传统的接触式测温仪表如水银温度计、热电偶等，因要与被测物质进行充分的热交换，需经过一定的时间后才能达到热平衡，存在着测温的延迟现象，故在连续生产质量检验中存在一定的使用局限。非接触式红外测温设备是根据黑体辐射原理[1]，不需要与被测物质进行接触，而是通过测量物体辐射的红外线来测量温度的。红外温度测量设备因具有使用方便，反应速度快，灵敏度高，测温范围广，可实现在线非接触连续测量等众多优点[2]，在电子设备故障的检测和诊断、工业生产、医疗、安检等诸多领域得到越来越广泛的应用。
基于目前市场上一些红外测温设备功能不完善、价格高等缺点，设计一种测温精度高、功耗低、功能完善的非接触红外测温系统。
1 系统硬件电路设计
1.1 整体框架设计
整个系统分为上、下位机两部分，两部分之间通过无线蓝牙模块进行数据传输和交换。整个系统结构框架图如图1所示。
下位机部分以低功耗C8051F350单片机为控制核心，该单片机集多功能于一身，设计中可进一步简化电路，从而减少复杂电路中各种元件之间的干扰。外围电路包括红外测温电路、信号放大电路、滤波电路、LCD液晶显示电路、蓝牙无线数据传输电路等构成，实现温度的采集、处理和传送功能；上位机部分通过蓝牙模块与串口通信传输将数据传送到PC机，实现信息管理系统的对测温数据接收、显示、处理、存储和查询等功能。
1.2 红外测温数据采集处理电路
本电路采用TS118-3型非接触式红外温度传感器。TS118-3是一种热电堆传感器，它将物体红外辐射量成比例地转化成对应的电压信号[3]。传感器引脚1、3分别为被测物体测量信号的正负输出端，被测物体辐射能量被热电堆接收转化为电压信号。2引脚为环境温度信号输出端，环境温度的大小根据RTD 电阻温度探测器的阻值确定。
由于传感器输出的测温电压信号为mV级，而单片机A/D模块的信号输入须为V级，电路中采用仪器放大器AD620对该信号进行放大。其放大倍数由一个精密可调电阻（R2）进行调节，本电路放大倍数设为600。
环境温度信号处理电路主要是实现环境温度检测电阻RTD到输出电压V0的转换。转换原理是由LM358运算放大器构成的电压跟随器跟踪RTD的分压电压值变化，RTD的分压电压值随RTD阻值的变化而变化。信号采集电路的电路图如图2所示。
其中V1为放大后的热电堆电压信号，也就是将要处理的体温信号，V0为环境温度信号。其中，V0由单片机ADC0中的AIN0.2输入通道进行A/D处理；V1作为下级滤波器的输入信号完成进一步的滤波。
1.3 噪声滤波电路
整个放大电路的噪声来源主要是共模输入信号，尽管前端的AD620仪器放大器能够抑制一部分噪声信号，为得到稳定、高精度的数据，以及考虑到各电路部分相互干扰和实际环境，并针对温度信号为一直流电压小信号这一特点，在红外测温信号放大之后再加一巴特沃兹低通滤波器，滤除其他噪声。然后由单片机ADC0中的AIN0.0输入通道进行A/D处理。低通滤波电路如图3所示。
1.4 LCD液晶显示电路
该电路采用一块LCD12864中文汉显液晶作为显示部分，当前测量目标温度和周围环境温度在屏幕上进行实时显示。该液晶模块与单片机采用8位并行传输方式进行数据传输，具体连接为P1.0～P1.7连接LCD12864的DB0～DB7，P2.0～P2.2分别接RS、RPW和E。
1.5 功能按键电路
下位机电路中，单片机P2.4口和P2.5口在I/O初始化中配置为上拉使能，与两个按键S1和S2相连。有按键按下时，对应I/O电平为低。按键S1的主要功能是测温，当按下此键后，系统进入开始测温模式；按键S2的主要功能是关闭报警器，当温度超过设定上限值时，报警器鸣叫时，按下此键，则报警器停止鸣叫。
1.6 报警电路设计
系统的报警功能由一个蜂鸣器和一个三极管来实现。当测得的温度值超过设定值（根据实际需求设定）时，单片机会给P2.7口一个低电平，使三极管导通，从而引起蜂鸣器的鸣叫。当系统检测到S2键按下后，则将P2.7口置高电位，此时蜂鸣器因三极管的截止而停止报警。
1.7 主从一体蓝牙模块串口通信设计
上位机和下位机的数据通信采用自带电压转接板的HC-05主从一体蓝牙模块。连接前，对两个蓝牙模块通过AT指令分别进行主机和从机配置，并通过输入配对密码进行配对，通信波特率配置为9600bps。下位机中单片机UART0中的P0.4、P0.5引脚分别与从机蓝牙模块的通信线RXD、TXD连接。上位机中PC机通过MAX232电平转换模块与主机蓝牙模块相连。测试证明，该蓝牙模块数据可靠传输范围在10米以内。
2.2 测温结果比较
用传统式的水银温度计和本红外测温系统分别对5杯不同温度的热水进行温度测量，5杯热水分别标号为1#～5#，其测量结果如表1所示。
通过表1数据对比表明，本红外测温系统的测温精度很高，与水银体温计测量的结果几乎没有差别，而且不会因为操作者不同而出现读数误差较大的现象发生。另外，在测试中红外测温速度快的优点非常明显。
上位机信息管理程序是红外测温系统的一个重要组成部分，担负着对测量温度数据管理、分析、存储和用户界面操作等任务。下位机电路将所测温度数据由蓝牙模块传至PC机，上位机对温度信息进行一系列的处理，实现温度实时显示、存储、查询、统计、删除等功能。本系统上位机信息管理系统采用C#语言实现。上位机信息管理系统显示界面如图5所示。
4 结论
本非接触红外测温系统集测温、显示、超限报警和数据管理等功能为一体，具有测温精度高、性价比高、快捷方便和性能稳定等优点，具有良好的应用价值和广阔的市场前景。
参考文献：
[1]徐迅.非接触式测温技术[J].科技传播，2012（5）：159-160.
[2]张日欣.基于MLX90614的非接触式体温测量系统设计[J].软件导刊，2009，8（3）：105-107
[3]李德贵，李思琦.基于C8051F350及CC1000的高精度无线水温测量系统设计[J].电子产品世界，2013（1） ：40-41
[4]Thermopile Sensor TS118-3 [Z]. 深圳市新世联科技有限公司[5]黄玉金，董浩斌.C8051F020高速ADC采样的代码优化[J].电子产品世界，2012（1） ：47-49
关键词：C8051F350；蓝牙技术；红外测温
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.6.011
引言
传统的接触式测温仪表如水银温度计、热电偶等，因要与被测物质进行充分的热交换，需经过一定的时间后才能达到热平衡，存在着测温的延迟现象，故在连续生产质量检验中存在一定的使用局限。非接触式红外测温设备是根据黑体辐射原理[1]，不需要与被测物质进行接触，而是通过测量物体辐射的红外线来测量温度的。红外温度测量设备因具有使用方便，反应速度快，灵敏度高，测温范围广，可实现在线非接触连续测量等众多优点[2]，在电子设备故障的检测和诊断、工业生产、医疗、安检等诸多领域得到越来越广泛的应用。
基于目前市场上一些红外测温设备功能不完善、价格高等缺点，设计一种测温精度高、功耗低、功能完善的非接触红外测温系统。
1 系统硬件电路设计
1.1 整体框架设计
整个系统分为上、下位机两部分，两部分之间通过无线蓝牙模块进行数据传输和交换。整个系统结构框架图如图1所示。
下位机部分以低功耗C8051F350单片机为控制核心，该单片机集多功能于一身，设计中可进一步简化电路，从而减少复杂电路中各种元件之间的干扰。外围电路包括红外测温电路、信号放大电路、滤波电路、LCD液晶显示电路、蓝牙无线数据传输电路等构成，实现温度的采集、处理和传送功能；上位机部分通过蓝牙模块与串口通信传输将数据传送到PC机，实现信息管理系统的对测温数据接收、显示、处理、存储和查询等功能。
1.2 红外测温数据采集处理电路
本电路采用TS118-3型非接触式红外温度传感器。TS118-3是一种热电堆传感器，它将物体红外辐射量成比例地转化成对应的电压信号[3]。传感器引脚1、3分别为被测物体测量信号的正负输出端，被测物体辐射能量被热电堆接收转化为电压信号。2引脚为环境温度信号输出端，环境温度的大小根据RTD 电阻温度探测器的阻值确定。
由于传感器输出的测温电压信号为mV级，而单片机A/D模块的信号输入须为V级，电路中采用仪器放大器AD620对该信号进行放大。其放大倍数由一个精密可调电阻（R2）进行调节，本电路放大倍数设为600。
环境温度信号处理电路主要是实现环境温度检测电阻RTD到输出电压V0的转换。转换原理是由LM358运算放大器构成的电压跟随器跟踪RTD的分压电压值变化，RTD的分压电压值随RTD阻值的变化而变化。信号采集电路的电路图如图2所示。
其中V1为放大后的热电堆电压信号，也就是将要处理的体温信号，V0为环境温度信号。其中，V0由单片机ADC0中的AIN0.2输入通道进行A/D处理；V1作为下级滤波器的输入信号完成进一步的滤波。
1.3 噪声滤波电路
整个放大电路的噪声来源主要是共模输入信号，尽管前端的AD620仪器放大器能够抑制一部分噪声信号，为得到稳定、高精度的数据，以及考虑到各电路部分相互干扰和实际环境，并针对温度信号为一直流电压小信号这一特点，在红外测温信号放大之后再加一巴特沃兹低通滤波器，滤除其他噪声。然后由单片机ADC0中的AIN0.0输入通道进行A/D处理。低通滤波电路如图3所示。
1.4 LCD液晶显示电路
该电路采用一块LCD12864中文汉显液晶作为显示部分，当前测量目标温度和周围环境温度在屏幕上进行实时显示。该液晶模块与单片机采用8位并行传输方式进行数据传输，具体连接为P1.0～P1.7连接LCD12864的DB0～DB7，P2.0～P2.2分别接RS、RPW和E。
1.5 功能按键电路
下位机电路中，单片机P2.4口和P2.5口在I/O初始化中配置为上拉使能，与两个按键S1和S2相连。有按键按下时，对应I/O电平为低。按键S1的主要功能是测温，当按下此键后，系统进入开始测温模式；按键S2的主要功能是关闭报警器，当温度超过设定上限值时，报警器鸣叫时，按下此键，则报警器停止鸣叫。
1.6 报警电路设计
系统的报警功能由一个蜂鸣器和一个三极管来实现。当测得的温度值超过设定值（根据实际需求设定）时，单片机会给P2.7口一个低电平，使三极管导通，从而引起蜂鸣器的鸣叫。当系统检测到S2键按下后，则将P2.7口置高电位，此时蜂鸣器因三极管的截止而停止报警。
1.7 主从一体蓝牙模块串口通信设计
上位机和下位机的数据通信采用自带电压转接板的HC-05主从一体蓝牙模块。连接前，对两个蓝牙模块通过AT指令分别进行主机和从机配置，并通过输入配对密码进行配对，通信波特率配置为9600bps。下位机中单片机UART0中的P0.4、P0.5引脚分别与从机蓝牙模块的通信线RXD、TXD连接。上位机中PC机通过MAX232电平转换模块与主机蓝牙模块相连。测试证明，该蓝牙模块数据可靠传输范围在10米以内。
2.2 测温结果比较
用传统式的水银温度计和本红外测温系统分别对5杯不同温度的热水进行温度测量，5杯热水分别标号为1#～5#，其测量结果如表1所示。
通过表1数据对比表明，本红外测温系统的测温精度很高，与水银体温计测量的结果几乎没有差别，而且不会因为操作者不同而出现读数误差较大的现象发生。另外，在测试中红外测温速度快的优点非常明显。
上位机信息管理程序是红外测温系统的一个重要组成部分，担负着对测量温度数据管理、分析、存储和用户界面操作等任务。下位机电路将所测温度数据由蓝牙模块传至PC机，上位机对温度信息进行一系列的处理，实现温度实时显示、存储、查询、统计、删除等功能。本系统上位机信息管理系统采用C#语言实现。上位机信息管理系统显示界面如图5所示。
4 结论
本非接触红外测温系统集测温、显示、超限报警和数据管理等功能为一体，具有测温精度高、性价比高、快捷方便和性能稳定等优点，具有良好的应用价值和广阔的市场前景。
参考文献：
[1]徐迅.非接触式测温技术[J].科技传播，2012（5）：159-160.
[2]张日欣.基于MLX90614的非接触式体温测量系统设计[J].软件导刊，2009，8（3）：105-107
[3]李德贵，李思琦.基于C8051F350及CC1000的高精度无线水温测量系统设计[J].电子产品世界，2013（1） ：40-41
[4]Thermopile Sensor TS118-3 [Z]. 深圳市新世联科技有限公司[5]黄玉金，董浩斌.C8051F020高速ADC采样的代码优化[J].电子产品世界，2012（1） ：47-49