紅外快速檢測人體溫度裝置的設計.doc

河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計論文河南機電高等專科學校畢業(yè)設計論文論文題目：紅外快速檢測人體溫度裝置的設計系 部 電子通信工程系 專 業(yè) 班 級 學生姓名 學 號 指導教師 年 月 日摘 要紅外快速人體溫度檢測裝置系統(tǒng)由TPS334紅外溫度傳感器、高精度放大器、雙通道16位串行A/D轉(zhuǎn)換器AD7705、AT89C51單片機、譯碼顯示模塊與報警電路等部分構(gòu)成，實現(xiàn)非接觸式紅外快速測溫，它能夠在較短的時間內(nèi)準確測量出人體的溫度，而在測得溫度超出某一范圍時即啟用報警電路進行超標報警。文中提出了具體設計方案，討論了紅外非接觸式體溫計的基本原理，進行了可行性論證。給出了電路圖和程序流程圖并附有源程序。由于利用了單片機及數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點，系統(tǒng)的各方面性能得到了顯著的提高。關(guān)鍵詞：紅外溫度傳感器；快速檢測；A/D轉(zhuǎn)換器；譯碼顯示；超標報警ABSTRACT The system is consisted of tps334 infrared temperature sensor, high accuracy amplifier，the sixteen serial digital A/D switch AD7705 of binary channels, single chip of AT89C51, decoding demonstration module, warning circuit and so on . So the non-contact type infrared clinical temperature detecting is realizedIt can be accurate to measure the temperature of human body in a short time, but if the temperature is beyond some certain scope, police electric circuit would be in use to carry on a super mark to report to the police electric circuit in time. The article discussed basic principle of the infrared non- contact clinical thermometer, has proposed the concrete design proposal, and has carried on the feasible proof test. We have offered the circuit diagram, the program flow diagram and the source program is also attached. Since we have take advantage of the single-chip and the digital control system, the functions of the system have been improved strikingly.Keywords: Infrared Temperature Sensor; Fast Check; A/D Switch; Decoding Display; Exceeded Alarm目 錄摘 要I第一章 緒 論11.1 引言21.2 紅外測溫儀的優(yōu)點與缺點31.2.1 紅外測溫儀的優(yōu)點31.2.2 紅外測溫儀的缺點31.3 紅外快速人體溫度檢測裝置的研究意義4第二章 紅外測溫原理52.1 紅外測溫的基礎理論52.2 人體紅外測溫儀的性能指標及作用82.3 影響溫度測量的主要因素及修正方法92.4 人體紅外線測溫儀的特點11第三章 紅外快速人體溫度檢測裝置的框架構(gòu)思133.1 設計思路133.2 方案比較133.3 系統(tǒng)方框圖及測量原理143.3.1 系統(tǒng)整體方框圖143.3.2 測量電路14第四章 系統(tǒng)設計與工作原理164.1 系統(tǒng)組成164.2 單元電路設計164.2.1 傳感器的選用164.2.2 測量電路設計184.2.2.1 熱敏電阻處理電路194.2.2.2 熱電堆處理電路194.2.3 信號處理電路設計204.2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路204.2.3.2 單片機處理244.2.3.3 AT89C51的接口274.2.3.4 時鐘電路274.2.3.5復位電路284.2.4 譯碼顯示電路設計284.2.5 報警電路294.2.6 電源電路的設計304.2.6.1 電源電路原理圖304.2.6.2 電源的技術(shù)指標和各部分的作用304.2.6.3 電源各部分電路參數(shù)計算與元器件選擇304.2.6.4 電源電路原理說明314.3 系統(tǒng)工作原理31第五章 軟件設計335.1 算法設計335.1.1 熱敏電阻測量溫度算法設計335.1.2 熱電堆信號算法設計335.2 程序設計33第六章 結(jié)束語與展望38致 謝39參考文獻39附錄 一41附錄 二42第1章 緒 論1.1 引言在臨床醫(yī)學中，體溫是一個及其重要的生理參數(shù)。病人的體溫為醫(yī)生提供了極為重要的生理狀態(tài)的各種信息。傳統(tǒng)的水銀式體溫計和電子式體溫計是通過口腔、腋窩、直腸等直接接觸體表來測量人體的平均溫度。其缺點是測量時間比較長，受測量位置的影響較大，給使用者帶來諸多不便。2003年“非典”疫情的爆發(fā)，對人體體溫測量技術(shù)提出了更高的要求，急需一種更加安全、方便、衛(wèi)生的非接觸測量工具進行測量人體溫度。紅外輻射式體溫儀應用紅外線輻射測量原理實現(xiàn)了人體體溫的非接觸測量，非接觸式人體體溫測量是一種理想的解決方法，該測量裝置不會對人體構(gòu)成任何威脅?，F(xiàn)在市場上普遍應用德國TPS334表面溫度測量傳感器，用其進行非接觸式測量的體溫儀具有精度高、成本低、安全的特點，市場應用前景廣泛。目前，國內(nèi)傳統(tǒng)的體溫測量是用醫(yī)用玻璃液體溫度計（俗稱體溫表）、醫(yī)用電子接觸式溫度計（常用熱敏電阻作為它的感溫元件）等插入人體內(nèi)部（舌下、肛門）或置于腋下，通過與人體接觸使溫度計測出人的體溫。但這些體溫計的缺點是測量的速度慢（約2分鐘以上）。讀數(shù)相對困難，易破碎，且一旦破碎，里面的水銀流淌出來會污染環(huán)境，在使用時容易因消毒不徹底而引起交叉感染。紅外快速檢測人體溫度裝置，有效地避免國內(nèi)傳統(tǒng)的體溫測量的缺點，能夠在機場、海關(guān)、車站、賓館、商場、影院、寫字樓、學校等人流量較大的公共場所，快速，準確，沒有交叉感染地測出人體溫度。紅外測溫儀由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾娦盘枴Ｔ撔盘柦?jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標的溫度值。在國外，非接觸式紅外測溫儀已經(jīng)非常先進了，自1999年就有許多國家致力于這方面的開發(fā)研究，到現(xiàn)在為止很多國家的產(chǎn)品已經(jīng)達到國際先進水平，并已廣泛應用于各個領域。比如：美國早在2001年就頒布了有關(guān)紅外測溫儀的計量標準，美國雷泰公司生產(chǎn)的ST系列紅外測溫儀已達到世界領先水平。由于紅外測溫儀測量溫度范圍寬，除了用于人體溫度檢測外，還可用于電器的紅外測溫、供暖的紅外測溫、運輸/汽車維修時的紅外測溫等各個領域。因此，它具有廣泛的開發(fā)前景！1.2 紅外測溫儀的優(yōu)點與缺點1.2.1 紅外測溫儀的優(yōu)點(1) 非接觸測量：它不需要接觸到被測溫度場的內(nèi)部或表面，因此，不會干擾被測溫度場的狀態(tài)，測溫儀本身也不受溫度場的損傷。 (2) 測量范圍廣：因其是非接觸測溫，所以測溫儀并不處在較高或較低的溫度場中，而是工作在正常的溫度或測溫儀允許的條件下。一般情況下可測量負幾十度到三千多度。(3) 測溫速度快：即響應時問快。只要接收到目標的紅外輻射即可在短時間內(nèi)定溫。(4) 準確度高：紅外測溫不會與接觸式測溫一樣破壞物體本身溫度分布，因此測量精度高。(5) 靈敏度高：只要物體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測出?？蛇M行微小溫度場的溫度測量。(6) 溫度分布測量，以及運動物體或轉(zhuǎn)動物體的溫度測量。使用安全及使用壽命長。(7) 安全。安全是使用紅外線測溫儀最重要的益處。不同于接觸測溫儀，紅外線測溫儀能夠安全地讀取難以接近的或不可到達的目標溫度，在儀器允許的范圍內(nèi)讀取目標溫度。非接觸溫度測量還可在不安全的或接觸測溫較困難的區(qū)域進行，像蒸汽閥門或加熱爐附近，他們不需在冒接觸測溫時一不留神就燒傷手指的風險。1.2.2 紅外測溫儀的缺點 (1) 易受環(huán)境因素影響（環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等）。(2) 對于光亮或者拋光的金屬表面的測溫讀數(shù)影響較大。(3) 只限于測量物體外部溫度，不方便測量物體內(nèi)部和存在障礙物時的溫度。1.3 紅外快速人體溫度檢測裝置的研究意義隨著現(xiàn)代科學技術(shù)不斷發(fā)展成熟與日益完善，紅外線測溫儀憑借其準確、快速、直觀等特點，廣泛應用于各行業(yè)，實時地在線監(jiān)測和診斷設備故障。近20年來，非接觸紅外測溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴大，市場占有率逐年增長。紅外線測溫儀技術(shù)在生產(chǎn)過程中，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測，設備在線故障診斷和安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。本文設計的紅外快速測量人體溫度的裝置，是由TPS334紅外溫度傳感器、雙信道A/D轉(zhuǎn)換器AD7705、AT89C51單片機、LCD1602液晶顯示屏、報警和時鐘電路等電路組成，從原理的設計到方案的論證，最后到實際制作和調(diào)試，都達到了預期的效果。通過自己手動設計與開發(fā)紅外快速檢測人體溫度裝置，提升我們的動手設計能力，團隊合作與學習的能力，同時也讓大家熟悉日常生活中接觸的先進儀表的基本原理，培養(yǎng)大家科學的人生觀和求實的實踐觀。第二章 紅外測溫原理2.1 紅外測溫的基礎理論 在自然界中，一切溫度高于絕對零度（-273.15C）的物體，由于分子的熱運動，都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合輻射定律。物體的紅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關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎。 紅外線是電磁波譜的一部分，這一波段位于可見光和微波之間。根據(jù)普朗克輻射定律，凡是絕對溫度大于零度的物體都會向外輻射電磁波，物體的輻射強度與溫度及表面輻射能力有關(guān)，輻射的電磁波譜分布與物體溫度密切相關(guān)。在電磁波譜中，我們把人眼可直接感知的0.4 0.76m波段稱為可見波段，而把波長從0.76 600m的電磁波稱為紅外波段。而紅外區(qū)通常又可分為近紅外區(qū)（0.76 1.5m）、中紅外區(qū)（1.5 10m）和遠紅外區(qū)（10m以上）。近年來，紅外輻射技術(shù)已成為一門發(fā)展迅速的新興學科。它已經(jīng)廣泛應用于生產(chǎn)、科研、軍事、醫(yī)學等各個領域。圖2.1 電磁波波譜圖JD哈里認為，人體輻射能量與皮膚表面溫度及輻射率有關(guān)。一般活體皮膚光譜范圍約為3 50m，其中大部分能量集中在814m波段內(nèi)，峰值波長約為9.5m。雖然人體生物波普分布范圍比較寬，但在非能量集中區(qū)域的信號強度較低，尤其遠端波段的數(shù)值極小。經(jīng)科學檢測，不管人體的膚色如何，干燥皮膚的紅外輻射率均為0.98，近似為黑體。根據(jù)Planck定律，其波長主要分布在2.5 25m紅外波段范圍內(nèi)，根據(jù)Wien定律mT=2898（Km），人體皮膚輻射的峰值波長同樣約為9.5m。其中黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1。但是，自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體，為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點，故稱“黑體輻射定律”。圖2.2 黑體輻射曲線(1) 輻射的光譜分布規(guī)律普朗克輻射定律：一個絕對溫度為T（K）的黑體，單位表面積在波長附近單位波長間隔內(nèi)向整個半球空間發(fā)射的輻射功率（簡稱為光譜輻射度）M，T與波長、溫度T滿足下列關(guān)系： （2-1）式中C1、C2分別為第一、第二輻射常數(shù)。普朗克輻射定律是所有定量計算紅外輻射的基礎。(2) 斯忒藩（德） 波爾茲曼（奧）（StefanBoltzmann）定律：物體的總輻射率，即單位面積發(fā)射總功率與黑體溫度的四次方及材料表面的發(fā)射率成正比。其數(shù)學表示如下： （2-2）其中：，為StefanBoltzmann常數(shù)，為材料表面發(fā)射率。1879年斯忒藩從實驗上總結(jié)得到該公式，1884年波爾茲曼從理論上證明了它。StefanBoltzmann定律表明，凡是溫度高于開氏零度的物體都會自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，同時黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率與開氏溫度的四次方成正比。而且，只要當溫度有較小變化時，都會使物體發(fā)射的輻射功率發(fā)生很大的變化。因此只要能探測到黑體的單位表面積發(fā)射的總輻射功率，就可以確定黑體的溫度了。StefanBoltzmann定律是所有紅外測溫的基礎。(3) 輻射的空間分布規(guī)律朗伯余弦定律：所謂的朗伯余弦定律，就是黑體在任意方向上的輻射強度與觀測方向相對于輻射表面法線夾角的余弦成正比： （2-3）此定律表明，黑體在輻射表面法線方向的輻射最強。因此，實際做紅外檢測時，應盡可能選擇在被測表面法線方向最大值的cos倍。(4) 基爾霍夫（Kirchhoff）輻射定律與發(fā)射率：實驗表明，實際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長外，還與夠成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。這里，我們引入一個隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的輻射系數(shù)，即可把黑體的基本定律應用于實際物體的紅外溫度測量。而這個輻射系數(shù)就是常說的發(fā)射率，或稱之為比輻射率，其定義為實際物體與同溫度黑體輻射性能之比。該系數(shù)表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在大于0和小于1的數(shù)值區(qū)間中。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。影響發(fā)射率的主要因素有：材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等。因此利用在相同溫度下實際物體與黑體的輻射出度之比來表示該物體的一種特性，可以稱之為實際物體的發(fā)射率，也叫做全發(fā)射率，用表示。數(shù)學表示為： （2-4）式中：M為實際物體的輻射出度，Mo為相同條件下黑體的輻射出度?；鶢柣舴蚨山沂玖藷崞胶庀挛矬w的輻射與吸收的關(guān)系，指出了一個好的吸收體也是一個好的輻射體?？梢杂靡韵鹿奖磉_： （2-5） 由此可以看出，任何處于熱平衡下物體的吸收率等于發(fā)射率，即物體的輻射本領越大其吸收本領也越大。 而為了減少測量物體溫度的誤差，我們要去除環(huán)境溫度因素的影響，所以修正的紅外輻射定律如下： （2-6）式中：E為輻射出射度數(shù)，單位W/m3；為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，；為物體的輻射率；TO為物體的溫度，單位K；TA為物體周圍的環(huán)境溫度，單位K；只要測量出所發(fā)射的E的值，就可計算出對應的溫度。利用這個原理制成的溫度測量儀器叫紅外測溫儀。這種測量不需要與被測對象接觸，因此屬于非接觸式測溫。在不同的溫度范圍，對象發(fā)出的電磁波能量的波長分布不同，在常溫（0100C）范圍，能量主要集中在中紅外和遠紅外波長。用于不同溫度范圍和用于不同測量對象的儀器，其具體的設計也不同。根據(jù)式（2-6）的原理，儀器所測得的紅外輻射為： （2-7）式中：A為光學常數(shù)，與儀器的具體設計結(jié)構(gòu)有關(guān)；1為被測對象的輻射率；2為紅外溫度計的輻射率；TO為被測對象的溫度（K）；TA為紅外溫度計的溫度（K）；它由一個內(nèi)置的溫度檢測元件測出。所有的物體，包括人體各部位的表面，其值都是某個大于0并小于1.0的數(shù)值。其中紅外測溫儀由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾娦盘?。該信號?jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器相關(guān)的算法和目標發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標的溫度值。當用紅外輻射測溫儀測量目標的溫度時首先要測量出目標在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標的溫度。單色測溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例。2.2 人體紅外測溫儀的性能指標及作用總體上來說，測溫范圍、顯示分辨率、精度、工作環(huán)境溫度范圍、重復性、相對濕度、響應時間、電源、響應光譜、尺寸、最大值顯示、重量、發(fā)射率等都是紅外線測溫儀的性能指標。(1) 確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀最重要的一個性能指標。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。(2) 確定目標尺寸：紅外測溫儀根據(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。對于單色測溫儀，在進行測溫時，被測目標面積應充滿測溫儀視場。否則背景會干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。 (3) 確定距離系數(shù)（光學分辨率）：距離系數(shù)由D：S之比確定，即測溫儀探頭到目標之間的距離D與被測目標直徑之比。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠離目標之處，而又要測量小的目標，就應選擇高光學分辨率的測溫儀。光學分辨率越高，測溫儀的成本也越高。(4) 確定波長范圍 ：目標材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應波長對于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。(5) 確定響應時間：響應時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，定義為到達最后讀數(shù)的95%能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)有 關(guān)。(6) 信號處理功能：鑒于離散過程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過程不同，所以要求紅外測溫儀具有多信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。(7) 環(huán)境條件考慮：測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大影響，應予考慮并適當解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。(8) 紅外輻射測溫儀的標定：紅外測溫儀必須經(jīng)過標定才能使它正確地顯示出被測目標的溫度。2.3 影響溫度測量的主要因素及修正方法影響紅外人體測溫儀的因素有：測溫目標大小與測溫距離的關(guān)系、測量溫度時的環(huán)境因素、強光背景里目標的測量和溫度輸出功能。(1) 測溫目標大小與測溫距離的關(guān)系：在不同距離處，可測的目標的有效直徑D是不同的，因而在測量小目標時要注意目標距離。人體紅外測溫儀距離系數(shù)K的定義為：被測目標的距離L與被測目標的直徑D之比，即K=L/D。 (2) 選擇被測物質(zhì)發(fā)射率：人體紅外測溫儀一般都是按黑體（發(fā)射率=1.00）分度的，而實際上，物質(zhì)的發(fā)射率都小于1.00。因此，在需要測量目標的真實溫度時，必須設置發(fā)射率值。物質(zhì)發(fā)射率可從輻射測溫中有關(guān)物體發(fā)射率的數(shù)據(jù)中查得。(3) 測量溫度時的環(huán)境因素：測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大的影響，應予考慮并適當解決，否則會影響測溫精度。本設計中正是利用了PM611熱釋電紅外線傳感器可以補償溫度起伏的作用，實現(xiàn)準確測溫。 (4) 強光背景里目標的測量：若被測目標有較亮背景光（特別是受太陽光或強燈直射），則測量的準確性將受到影響，因此可用物體遮擋直射目標的強光以消除背景光干擾。 (5) 溫度輸出功能：首先模擬信號輸出：05V，15V，010V，0/420毫安，可以加入閉環(huán)控制中。其次高報警、低報警:在生產(chǎn)過程中要求控制溫度在某個范圍里，可設置高，低報警值。高報警：在高報警設置打開的情況下，當溫度高于高報警值，相應的LED燈閃爍，蜂鳴器響，并有AH常開繼電器接通。由于在溫度測量時是在不確定的環(huán)境中進行的，所以外界環(huán)境會對測溫造成一定的影響，對測量結(jié)果產(chǎn)生誤差，所以要對環(huán)境溫度有一個修正。 由2.1節(jié)輻射公式可得出熱釋電傳感器的響應公式為： (2-8)式中：S為與熱釋電響應特性及物體表面發(fā)射率有關(guān)的常數(shù)，為物體表面溫度，為環(huán)境溫度。根據(jù)表達式（2.3）可以得到不同的標定公式： （1）簡單關(guān)系式，即 （2-9）式中：，應用此公式所作的標定實驗結(jié)果見表1，表中數(shù)據(jù)表明， 不僅與 有關(guān)，還與 有關(guān)。 （2）多項式，即 （2-10） 令： （2-11）取三項，其實驗結(jié)果表明，要使測溫儀滿足一定的精度，測溫時的環(huán)境溫度和物體表面溫度要在一定的范圍內(nèi)，如環(huán)境溫度=30，物體表面溫度在180以上時，讀數(shù)誤差較大。由下表2-1可知：首先應該對物體表面溫度分段定標，因為測量范圍較大，所以不同段的標定系數(shù)相差很大。實際應用中每隔510就必須標定一個系數(shù)，當采樣電壓峰值落在此區(qū)間時就選擇該系數(shù)。然后再根據(jù)環(huán)境溫度的不同對已選出的標定系數(shù)進行修正，達到在不同環(huán)境溫度下仍然能夠準確測溫的目的。 分析表2-1可知，當物體表面溫度較低時（78以下），環(huán)境溫度對修正系數(shù)的影響較大。所以對此溫度范圍的物體必須進行環(huán)境溫度對標定系數(shù)的修正。而當物體表面溫度較高時，則修正系數(shù)基本由物體表面溫度決定，這樣系數(shù)就不必再依環(huán)境溫度進行校正。這就減少了標定系數(shù)的復雜性。下表為表2-1：標準溫度（）環(huán)境溫度（）測量值（V）系 數(shù) Ka（V/）34.00 26.0 2.613 3.061 26.5 2.605 2.879 27.0 2.588 2.70478.00 26.0 2.960 17.57 26.5 2.948 17.47 27.0 2.925 17.44120.00 26.0 3.392 27.71 26.5 3.388 27.59 27.0 3.384 27.48表2-1 不同環(huán)境溫度下的標定系數(shù)2.4 人體紅外線測溫儀的特點人體紅外測溫儀是通過接收人體發(fā)射的紅外線的能量的大小來測量其體溫的儀器。測溫儀內(nèi)部的靈敏探測元件將采集的能量信息輸送到微處理器中進行處理，然后轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)顯示。所以人體紅外測溫儀具有以下優(yōu)點：(1) 非接觸測量：它不需要接觸到人體，只需在額頭前方5厘米左右測溫即可，而且紅外探測器只需感應人體輻射的紅外線。因此，不會干擾人體，也不會為人體帶來損傷。(2) 測量范圍廣：因為人體紅外測溫儀是非接觸式測溫，所以測溫儀并不處在較高或較低的溫度場中，而是工作在正常的溫度或測溫儀允許的條件下進行測量的，所以測量范圍比較廣。(3) 測溫速度快：即響應時間快。紅外探測器中靈敏元非常靈敏，只要接收到目標紅外輻射即可在短時間內(nèi)定溫。(4) 準確度高：人體紅外測溫不會與普通測溫一樣破壞物體本身溫度分布，因此測量精度高。(5) 靈敏度高：只要人體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測出。而且使用安全及使用壽命長。(6) 體積小，方便攜帶。(7) 受外界環(huán)境溫度干擾較?。河捎诒驹O計中所使用的紅外探測器是帶補償電路，所以它可以補償外界環(huán)境溫度的高低起伏。第三章 紅外快速人體溫度檢測裝置的框架構(gòu)思3.1 設計思路本設計中采用的紅外傳感器是PerkinElmer Optoelectronics的TPS334。單片機是TI公司的帶有LCD驅(qū)動的低功耗單片機，可以直接與LCD屏相連而不需要另外的驅(qū)動電路，它最多可以顯示96段。ADC采用的是AD公司帶有恒定電流源的高精度的16位-AD，它為兩路輸入，一路與熱電堆相連，另一路與熱敏電阻相連。恒定電流源可以用于補償電路中驅(qū)動熱敏電阻。紅外傳感器的兩路輸出(熱電堆輸出電壓信號和熱敏電阻兩端電壓信號)送到ADC，然后送到單片機，經(jīng)單片機查表分別得出熱電堆的兩端溫差和環(huán)境溫度，并兩值相加求出物體的真實溫度，并把結(jié)果送到LCD進行顯示。3.2 方案比較方案1：模擬處理方法模擬電路的處理法就是將熱敏電阻和熱電堆的信號通過放大器進行比較，得出相應模擬電信號轉(zhuǎn)換成相應溫度。其電路原理圖，如圖3.1所示。在有限的溫度范圍內(nèi)，熱敏電阻的阻值與溫度的4次方近似為線性關(guān)系。即，其中Ro,是常數(shù)。由黑體定律知道可以通過調(diào)整2個放大器的放大倍數(shù)，可使得輸出信號只與被測物體溫度的4-次方成線性關(guān)系，去除由環(huán)境溫度而產(chǎn)生的輸出分量，由此可確定物體溫度，因而模擬處理方法的測量精度不高，不能達到測量體溫的要求，但靈活性好，可以通過調(diào)節(jié)放大倍數(shù)以適合不同物體的溫度測量。方案2：數(shù)字處理法數(shù)字處理法原理是將熱敏電阻和熱電堆的信號轉(zhuǎn)換成電信號經(jīng)放大，通過A/D轉(zhuǎn)換由單片機采集數(shù)據(jù)在內(nèi)部計算處理可以得到相應的溫度值。這種數(shù)字處理法可以得到更高的精度。它的精度由傳感器的性能和A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)決定。數(shù)字處理法的框圖如圖3-2所示。方案比較與論證：方案1的精度得不到保證，一般只能用于工業(yè)上，不能用于人體溫度測量。方案2采用數(shù)字處理法，通過對信號進行放大，提高A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是可以精確到0.1度，能夠進行人體溫度測量。 信號放大器 信號 比較TPS334 信號放大器 圖3-1 模擬電路處理電路圖紅外傳感器放大器A/D單片機譯碼顯示報警電路圖3-2 數(shù)字處理方框圖3.3 系統(tǒng)方框圖及測量原理 3.3.1 系統(tǒng)整體方框圖通過以上的方案比較我們選用方案2，以數(shù)字處理法實現(xiàn)紅外測溫。系統(tǒng)整體方框圖如圖3-3所示。3.3.2 測量原理自然界一切溫度高于絕對零度（-273.15oC）的物體，由于分子的熱運動，都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克（Plank）定律。人體主要輻射波長在910 m的紅外線，通過對人體自身輻射紅外能量的測量，便能準確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，因而可利用人體輻射的紅外能量精確地測量人體表面溫度。人體的紅外輻射特性與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系，因此，通過對人體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定人體表面溫度。紅外溫度測量技術(shù)的最大優(yōu)點是測試速度快，1秒鐘以內(nèi)可測試完畢。由于它只接收人體對外發(fā)射的紅外輻射，沒有任何其它物理和化學因素作用于人體，所以對人體無任何害處。 主 光學系統(tǒng)瞄 準系 統(tǒng)檢 測元 件信號處理單元顯 示單 元報 警 電 路 電 源 圖3-3 系統(tǒng)整體方框圖第四章 系統(tǒng)設計與工作原理4.1 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)由紅外溫度傳感器TPS334、A/D轉(zhuǎn)換器AD7705、AT89C51單片機、顯示模塊、報警電路組成單片機系統(tǒng)。整體連接電路圖見附錄一。4.2 單元電路設計4.2.1 傳感器的選用(1) 黑體定律紅外體溫計的測溫原理是基于黑體輻射定律。在任何溫度下都能全部吸收投射到其表面的任何波長的輻射能量的物體稱為黑體。黑體的單色輻射出度是描述在某一波長輻射源單位面積上發(fā)出的輻射通量。溫度為T的黑體單色輻射出度為： （4-1）其中：，均為常數(shù)，=3.7418xW， =1.438x mK，e為自然對數(shù)，為該輻射源的波長。由此可以計算出在溫度為T的黑體在全部波長范圍內(nèi)的輻射出度為： （4-2） 其中：K是波爾茲曼常數(shù)， 此外，由于人體皮膚不是理想的黑體，只有在大子5的波長范圍才可以近似看成是黑體，所以在紅外傳感器上要裝有大子5.5 的波長才可以通過的濾波器。(2) 紅外傳感器的結(jié)構(gòu)紅外傳感器是紅外體溫計的關(guān)鍵部件，它是由溫差熱電堆和熱敏電阻兩部分構(gòu)成的。熱電堆是用半導體集成電路(IC)工藝和微機械電子(MEMS)工藝制造的，它可以等效為多個熱電偶串聯(lián)組成的。而熱電偶是由兩種電子密度不同的導體相連接組成的。熱電偶有冷熱兩個端點。在測量物體溫度時，熱端與被測物體接觸，冷端與測量儀表接觸。熱電偶的同種導體上會因為存在溫度梯度而產(chǎn)生湯姆遜電動勢，兩種金屬的連接處會因為電子密度差而產(chǎn)生珀爾貼電動勢，所以在熱電偶的兩端會產(chǎn)生溫差電動勢。在紅外傳感器熱電堆的熱端貼有熱量吸收器，它用來吸收被測物體輻射的紅外線并轉(zhuǎn)化為熱能。通過熱電堆把輻射紅外線的功率轉(zhuǎn)化為電信號進行測量。紅外溫度傳感器我們選用TPS334，TPS334紅外溫度傳感器的環(huán)境溫度補償范圍為-40100，比較適合測量體溫。(3) 紅外傳感器的輸出特性溫度為T的物體，其單位面積在全部波長的輻射功率可以表示為： （4-3） 其中：k是波爾茲曼常數(shù)，是物體的發(fā)射系數(shù)，在01之間。當用于紅外傳感器測量溫度時，考慮到紅外傳感器熱電堆另一端的環(huán)境溫度，由熱平衡方程，于是紅外傳感器其吸收的凈熱功率為： （4-4） 其中：K是一常數(shù)(由傳感器決定)，和分別為被測物體和傳感器材料的發(fā)射系數(shù)，T和T分別是被測物體溫度和傳感器的環(huán)境溫度。由此可得出紅外傳感器的輸出電壓為： （4-5） 其中：s是傳感器的敏感度（V/W）。由傳感器器本身決定。 由于實際傳感器只測量一定的波長范圍并且其敏感度只有在一定的波長范圍才可以看成是常數(shù)，所以上式可進一步修正為： （4-6） 由公式（4.6）可以看出，當環(huán)境溫度一定時，紅外傳感器其輸出電壓與被測物體的絕對溫度的4-次方成線性關(guān)系。傳感器的輸出與被測物體的溫度是單調(diào)的，即傳感器的輸出量與被測物體的溫度是一一對應的，由此可以通過測量傳感器的輸出來確定被測物體的溫度。由于環(huán)境溫度是可變的，所以還要進行環(huán)境溫度補償。(4) 環(huán)境溫度補償熱電堆輸出端的電信號是反映熱電偶冷熱兩端的溫度差，也就是被測物體與熱電堆冷端的溫度差，而不是反映被測物休的真實溫度。因此，還需要進行環(huán)境溫度補償，也就是要測出熱電堆的冷端溫度。環(huán)境溫度補償是通過紅外傳感器中負溫度系數(shù)的熱敏電阻完成的，它的阻值隨著溫度的升高而降低,由此通過測量其阻值就可以得知環(huán)境溫度。(5) 傳感器選用紅外溫度傳感器我們選用TPS334紅外溫度傳感，TPS334紅外溫度傳感器鏡頭帶有濾波器，敏感系數(shù)高，在沒有濾波器時為55V/W,有濾波器時為35V/W。環(huán)境溫度測量范圍為-40到100，適合測量體溫。內(nèi)部有熱敏電阻不需要外接補償裝置。其參數(shù)表如表4-1所示。TPS334紅外溫度傳感器光學濾波器主要通過的紅外光線為7.5m到13.5m。其濾波器特性如表4-2所示。表4-1 TPS334參數(shù)表參數(shù)符號范圍單位備注最小平均最大電阻RTP2075100K25OC靈敏度SV203550V/W標準濾波，500K，1Hz，25OC時間常數(shù)2570ms25 OC燥聲電壓VRMS40nVRMS/Hz標準濾波特性參數(shù)范圍單位備注最小平均最大平均傳送70%通過波長為7.5m到13.5m平均傳送1%通過波長為可視波長到5m過濾波長5.25.55.8m25 OC表4-2 光學濾波器特性4.2.2 測量電路設計測量電路由TLC2652組成的高精度放大器和雙通16位串行A/D轉(zhuǎn)換器AD7705構(gòu)成。方框圖如圖4-1所示。高精度放大器A/D轉(zhuǎn)換器信號單片機 圖4-1 測量電路方框圖 測量電路主要包括兩個方面,一方面是熱電堆信號的處理；另一方面是熱敏電阻信號的處理。熱電堆的信號直接是電壓信號所以不需要其他處理，直接將其信號放大處理得到A/D轉(zhuǎn)換器能夠檢測分辨的電壓信號就可以了。負溫度系數(shù)的熱敏電阻的信號是其電阻值的變化。我們需要將其電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號。4.2.2.1 熱敏電阻處理電路本設計中我們選用高精度16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率相當高，高達76V，所以在轉(zhuǎn)換電路不需要用電橋。只需要用電阻串聯(lián)分壓就能滿足要求了。采用100K電阻與其串聯(lián)分壓。令熱敏電阻的阻值為，電源用直流5V電壓供電，則其電壓計算公式為： （4-7）熱敏電阻處理電路如圖4-2所示。圖4-2熱敏電阻處理電路4.2.2.2 熱電堆處理電路本設計中我們選用的高精度16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器AD7705，是一個片內(nèi)帶有增益可編程放大器的A/D轉(zhuǎn)換器?？赏ㄟ^軟件編程來直接測量傳感器輸出的各種微小信號。AD7705 片內(nèi)的增益可編程放大器PGA 可選擇1、2、4、8、16、32、64、128等八種增益之一，并可利用它將不同幅度范圍的各類輸入信號放大到接近A/D轉(zhuǎn)換器的滿標度電壓再進行A/D轉(zhuǎn)換。該應用電路中不使用放大電路，因此有利于提高轉(zhuǎn)換質(zhì)量。所以我們選用A/D轉(zhuǎn)換器的片內(nèi)放大器作為熱電堆信號的放大電路。根據(jù)計算如果選用放大128倍工作方式A/D轉(zhuǎn)換器可以感知到的熱電堆信號的最小變化為這已經(jīng)是一個很微弱的信號了。同時如果選用外部集成放大器，在使用時不方便，一般集成放大器需要雙電源供電，對于便攜式儀器來說不太現(xiàn)實。所以在選用放大器時沒有必要選用外部放大器。4.2.3 信號處理電路設計信號的處理通過單片機讀取數(shù)據(jù)后內(nèi)部算法計算來實現(xiàn)，把溫度經(jīng)過譯碼用4位數(shù)碼管顯示。我們選用單片機端口動態(tài)掃描顯示，不需要外接譯碼器驅(qū)動 LED。其框圖如圖3-4所示。單片機LED三極管A/D轉(zhuǎn)換電路 圖4-3 處理電路框圖4.2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路本次設計中選用的AD7705集成模塊是AD公司推出的16位-A/D轉(zhuǎn)換器，可用于測量低頻模擬信號。這種器件帶有增益可編程放大器，可通過軟件編程來直接測量傳感器輸出的各種微小信號。AD7705具有分辨率高、動態(tài)范圍廣、自校準等特點，因而非常適合于工業(yè)控制、儀表測量等領域。具有兩個全差分輸入通道。在設計中非常實用，只需要用1片AD芯片節(jié)約了硬件成本。(1) AD7705的主要特點如下： 具有16 位無丟失代碼； 非線性度為0.003%； 增益可編程，其可調(diào)整范圍為1128； 輸出數(shù)據(jù)更新率可編程； 可進行自校準和系統(tǒng)校準； 帶有三線串行接口； 采用3V或5V工作電壓； 功耗低。 AD7705的引腳排列如圖4-4所示。圖4-4 AD7705引腳排列圖(2) 各引腳的功能說明如下： SCLK：串行接口時鐘輸入端。 MCLK IN：芯片工作時鐘輸入?？梢允蔷д窕蛲獠繒r鐘，其頻率范圍為500KHz到5MHz。 MCLK OUT：時鐘信號輸出。當用晶振作為芯片的工作時鐘時，晶振必須接在MCLK IN 和MCLK OUT之間。如果采用外部時鐘，則MCLK OUT可用于輸出反相時鐘信號，以作為其他芯片的時鐘源。該時鐘輸出可以通過編程來關(guān)閉。 /CS：片選端，低電平有效。 /RESET：芯片復位端口。當該端為低電平時，芯片內(nèi)的接口邏輯、自校準、數(shù)據(jù)濾波器等均為上電狀態(tài)。 AIN2（+）：為第2個差分輸入通道的正端；AIN2（-）：為第2個差分輸入通道的負端。 AIN1（+）：為第1個差分輸入通道的正端；AIN1（-）：為第1個差分輸入通道的負端。 REF IN（+）：為參考電壓的正端；REF IN（-）：為參考電壓的負端。 DRDY：A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束標志。 DOUT：轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端；DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端。(3) 讀寫時序：AD7705可以直接與單片機進行接口。用到的數(shù)據(jù)線有片選/CS、串行時鐘輸入SCLK、指令或數(shù)據(jù)輸入DIN 以及轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出DOUT等。只有在狀態(tài)信號DRDY指示輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準備就緒時，單片機才可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖4-5和圖4-6分別給出了讀寫數(shù)據(jù)周期的時序圖。(4) 片內(nèi)寄存器：AD7705 內(nèi)含八個寄存器。對芯片的所有操作都必須先從寫通信寄存器開始。當上電或復位后，芯片的等待指令數(shù)據(jù)即被寫入通信寄存器。寄存器地址如表4-3所示。通信寄存器的格式如表4-4所示。MSBLSBSCLKDOUT圖4-5 AD7705讀數(shù)據(jù)時序圖CSSSCLKDINMSBLSBt18圖4-6 AD7705寫數(shù)據(jù)時序圖表4-3 寄存器地址表RS2RS1RS0寄存器寄存器位數(shù)000通信寄存器8位001設置寄存器8位010時鐘寄存器8位011數(shù)據(jù)寄存器16位100測試寄存器8位101無操作110偏移寄存器24位111增益寄存器24位表4-4 通信寄存器控制字/DRDY（0）RS2（0）RS1（0）RS0（0）R/W（0）STBY（0）CH1（0）CH0（0）格式中括號內(nèi)的數(shù)字為上電復位的缺省值，左邊為最高位，右邊是最低位?，F(xiàn)說明如下：/DRDY：寫操作時，必須把“0”寫到此位，以保證對通信寄存器寫操作的順利完成。若將“1”寫到此位，則后續(xù)的各位將不能被寫入該寄存器。RS2RS0：寄存器選擇位。用于選擇下次操作要訪問的寄存器。常用的寄存器有通信寄存器（000），設置寄存器（001）和數(shù)據(jù)寄存器（011）等。R/W：讀與寫選擇，用于指明下次對寄存器的操作是讀還是寫。STBY：等待模式。寫“1”時器件處于等待或掉電狀態(tài)，此時電流約為10uA。寫“0”時為正常工作模式。CH0、CH1：輸入通道選擇。對應關(guān)系如表4-5所示：表4-5 CH0、CH1關(guān)系對應表CH1CH0AIN(+)AIN(-)校準寄存器對00AIN1(+)AIN1(-)寄存器對001AIN2(+)AIN2(+)寄存器對110AIN1(-)AIN1(-)寄存器對011AIN1(-)AIN2(-)寄存器對2(5) 設置寄存器： 設置寄存器也是一個8 位寄存器，該寄存器必須先在通信寄存器中選擇后才能進行讀或?qū)憽Ｋ饕糜谶x擇工作模式和輸入增益?？刂谱秩绫?-6所示。表4-6 設置寄存器控制字MD1(0)MD0(0)G2(0)G1(0)G0(0)B/U(0)BUF(0)FSYNC(0)MD0和MD1 為工作模式控制位。