红外式人体温度测量系统的设计论文.docx
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红外式人体温度测量系统的设计论文
摘要
传统的体温测量仪器大多是采用物理原理,大多数是根据水银等随温度升降的热胀冷缩的性质原理设计的,通过读取刻度值来判断温度值,这种方法操作起来不太方便,使用范围比较局限,而且测量所需要的时间较长【1】。
为了解决快速测量和高精度的问题,本设计提供了一种新的温度测量方案,本系统是由TS118-3红外线温度传感器、16位双信道串行A/D高精度放大器AD7705、STC89C52单片机、LCD1602液晶显示器、DS1302时钟电路和报警电路等构成,从而实现了非接触式红外快速测温的目的,它能够在较短的时间内准确测量出人体的温度,当测得的温度超出设定范围时即自动启用报警电路进行超标报警,并且还能显示当前测温的时间。
运用比较方便,功能较多。
本文对该系统提出了具体的设计方案,讨论了红外线非接触式体温测量的基本原理,进行了方案的可行性论证。
同时设计出了电路图和程序流程图并编写有程序控制。
由于利用了单片机及数字控制系统的优点,使得系统的各个方面的性能得到了显著的提高。
关键词:
红外线温度传感器;非接触测量;A/D转换器;STC89C52单片机
ADesignOfIR-styleTemperaturemeasuringsystem
Student:
xxxTeacher:
xxx
Abstract:
Mostoftheconventionaltemperaturemeasuringinstrumentsistheuseofphysicalprinciples,mostofthemercurywiththetemperatureaccordingtothermalexpansionandcontractionmovementsofthenatureofthedesignprinciples,byreadingthescalevaluetodeterminethetemperature,thismethodisnotveryconvenienttooperate,useofmorelimited,andthelongertimerequiredtomeasure【1】.Inordertosolvetheproblemofrapidmeasurementandhighprecision,thedesignofanewtemperaturemeasurementprogram,thesystemiscomposedofinfraredtemperaturesensorsTS118-3,16-bitdual-channelserialA/DprecisionamplifierAD7705,STC89C52microcontroller、LCD1602LCDmonitor,DS1302clockcircuitandalarmcircuits,etc.,inordertoachievearapidnon-contactinfraredtemperaturemeasurementpurposes,itcanbeaccurateinashortperiodoftimetomeasurethebodytemperature,whenthemeasuredtemperatureexceedsthesettingrangeenabledautomaticallywhenthealarmcircuitexcessivealarm,andalsodisplaysthecurrenttemperatureofthetime.Theuseofmoreconvenient,morefunctions.
Thisarticlemadespecifictothesystemdesigndiscussednon-contactinfraredtemperaturemeasurementprinciple,carriedoutthefeasibilitydemonstration.Alsodesignedthecircuitandprogramflowchartandtoprepareaprogramcontrol.TheuseoftheMCUandtheadvantagesofdigitalcontrolsystemmakesallaspectsofsystemperformanceissignificantlyimproved.
Keywords:
infraredtemperaturesensor;non-contactmeasurement;A/Dconverter;STC89C52MCU
1.绪论
1.1引言
在临床医学中,体温是一个及其重要的生理参数。
病人的体温为医生提供了极为重要的生理状态的各种信息。
传统的水银式体温计和电子式体温计是通过口腔、腋窝、直肠等直接接触体表来测量人体的平均温度。
其缺点是测量时间比较长,受测量位置的影响较大,给使用者带来诸多不便。
2003年“非典”疫情的爆发,对人体体温测量技术提出了更高的要求,急需一种更加安全、方便、卫生的非接触测量工具进行测量人体温度。
红外辐射式体温仪应用红外线辐射测量原理实现了人体体温的非接触测量,非接触式人体体温测量是一种理想的解决方法,该测量装置不会对人体构成任何威胁。
现在市场上普遍应用德国TS118-3表面温度测量传感器,用其进行非接触式测量的体温仪具有精度高、成本低、安全的特点,市场应用前景广泛。
在2003年全国防“非典”斗争中,中科院上海技术物理研究所在863计划高技术成果的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究,在短时间内开发成功了“非接触式红外测温仪”,打开了国内“非接触式测量”的新篇章,但这种装置受一定因素影响,测量结果还有待进一步进行校正。
在国外,非接触式红外测温仪已经非常先进了,自1999年就有很多国家致力于这方面的开发研究。
到现在为止,很多国家的产品已经达到国际先进水平,并已广泛应用于各个领域。
比如,美国早在2001年就颁布了有关红外测温仪的计量标准,美国雷泰公司生产的ST系列红外测温仪已达到了世界领先水平。
由于红外测温仪测温范围宽,除了用于人体温度检测外,还可用于电器的红外测量、供暖的红外测量、运输汽车维修时的红外测温等各个领域。
因此,它具有广泛的开发前景。
本文设计的红外快速测量人体温度的装置,是由TS118-3红外温度传感器、双信道A/D转换器AD7705、STC89C52单片机、LCD1602液晶显示屏、报警和时钟电路等电路组成,从原理的设计到方案的论证,最后到实际制作和调试,都达到了预期的效果。
1.2课题研究的背景和意义
红外测温技术在生产过程中、在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了重要作用。
近20年来,非接触式红外人体测温仪在技术上得到迅速发展,性能不断完善,功能不断增强,品种不断增多,适用范围也不断扩大。
比起接触式测温方法,红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。
非接触式红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列,并备有各种选件和计算机软件,每一系列中又有各种型号及规格。
红外检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目,红外检测是一种在线监测(不停电)式高科技检测技术,它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身,通过接收物体发出的红外线(红外辐射),将其热像显示在荧光屏上,从而准确判断物体表面的温度分布情况,具有准确、实时、快速等优点。
红外诊断技术是通过吸收这种红外辐射能量,测出设备表面的温度及温度场的分布,从而判断设备发热情况。
目前应用红外诊断技术的测试设备比较多,如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。
像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像,使测试效果直观,灵敏度高,能检测出设备细微的热状态变化,准确反映设备内部、外部的发热情况,可靠性高,对发现设备隐患非常有效。
目前,我国也在研发一种体积小,成本较低,又不受外界环境温度干扰的人体红外测温仪,对医学的发展有很重大的意义。
由于医学发展的需要,在很多情况下,一般的温度计己经满足不了快速而又准确的测温要求,例如车站和机场等人口密度较大的地方进行人体温度测量。
虽然现在国外这种测温的技术都比较成熟,但是国内这方面的技术还处于发展阶段。
因此,为了适应医学发展的需要,有效地进行特殊环境下的温度测量,从而有力地控制和预防诸如甲流、非典之类型的特殊疾病的传播,急需设计一种测温速度快,准确率高的测温仪。
针对一般的工业使用的红外测温仪的精确度不够高,我们根据这种红外线测温的原理,通过关键器件的选择、瞄准系统的设计以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的精确度,从而设计了一种用红外线测温系统,用于对于人员密集且流量大的场合进行快速的人体温度测量。
1.3课题研究的内容和重点
本课题研究的是红外式人体温度测量系统,主要是通过红外传感器TS118-3采集人体向外辐射的红外能量,将其转换成电压值,通过模数转换后得到对应的数字量,再由单片机对其进行相应的处理,最后得到人体的温度,用液晶显示其处理结果。
另外还增加了时钟电路,显示当前测量的时间。
重点是信号传输的抗干扰,数据的处理,测量的精度要控制在0.1℃左右。
2.红外测温原理
2.1人体红外测温仪的理论依据
自然界一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体,由于分子的热运动,都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波,其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。
红外辐射原理—辐射定律:
(2.1)
式中:
为辐射的出射度数,单位:
;
为斯蒂芬―波尔兹曼常数,
=
;
为物体的辐射率;
为物体的温度,单位
;
为物体周围的环境温度,单位
。
测量出物体所发射的
,就可得出人体温度【1】。
利用这个原理设计的温度测量仪表叫红外温度仪。
这种测量不需要与被测对象接触,因此属于非接触式测量。
在不同的温度范围,被测对象发出的电磁波能量的波长分布不同,在常温(0~100℃)范围,能量主要集中在中红外和远红外波长。
用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪表,其具体的设计也不同。
根据式(2.1)的原理,仪表所测得的红外辐射为:
(2.2)
式中:
为光学常数,与仪表的具体设计结构有关;
为被测对象的辐射率;
为红外温度计的辐射率;
为被测对象的温度(K);
为红外温度计的温度(K);它由一个内置的温度检测元件测出。
辐射率
是一个用以表达物体发射电磁波能力的系数,数值由0至1.0。
所有真实的物体,包括人体各部位的表面,其
值都是某个低于1.0的数值。
人体主要辐射波长在9~10
的红外线,通过对人体自身辐射红外能量的测量,便能准确地测定人体表面温度。
由于该波长范围内的光线不被空气所吸收,因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。
通过对人体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定人体表面温度。
红外温度测量技术的最大优点是测试速度快。
红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。
2.2人体红外测温仪的性能指标及作用
总体上来说,测温范围、显示分辨率、精度、工作环境温度范围、重复性、相对湿度、响应时间、电源、响应光谱、尺寸、最大值显示、重量、发射率等都是红外线测温仪的性能指标。
1、确定测温范围:
测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。
每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。
2、确定目标尺寸:
红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪(辐射比色测温仪)。
对于单色测温仪,在进行测温时,被测目标面积应充满测温仪视场。
否则背景会干扰测温读数,造成误差。
对于双色测温仪,其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。
3、确定距离系数(光学分辨率):
距离系数由D:
S之比确定,即测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径之比。
如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处,而又要测量小的目标,就应选择高光学分辨率的测温仪。
光学分辨率越高,测温仪的成本也越高。
4、确定波长范围:
目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料,有低的或变化的发射率。
5、确定响应时间:
响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度,定义为到达最后读数的95%能量所需要时间,它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。
6、信号处理功能:
鉴于离散过程(如零件生产)和连续过程不同,所以要求红外测温仪具有多信号处理功能(如峰值保持、谷值保持、平均值)。
7、环境条件考虑:
测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响,应予考虑并适当解决,否则会影响测温精度甚至引起损坏。
8、红外辐射测温仪的标定:
红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。
2.3影响温度测量的主要因素及修正方法
影响红外人体测温仪的因素有:
测温目标大小与测温距离的关系、测量温度时的环境因素、强光背景里目标的测量和温度输出功能。
1、测温目标大小与测温距离的关系:
在不同距离处,可测的目标的有效直径D是不同的,因而在测量小目标时要注意目标距离。
人体红外测温仪距离系数K的定义为:
被测目标的距离L与被测目标的直径D之比,即K=L/D。
2、选择被测物质发射率:
人体红外测温仪一般都是按黑体(发射率
=1.00)分度的,而实际上,物质的发射率都小于1.00。
因此,在需要测量目标的真实温度时,必须设置发射率值。
物质发射率可从《辐射测温中有关物体发射率的数据》中查得。
3、测量温度时的环境因素:
测温仪所处的环境条件对测量结果有很大的影响,应予考虑并适当解决,否则会影响测温精度。
本设计中正是利用了PM611热释电红外线传感器可以补偿温度起伏的作用,实现准确测温。
4、强光背景里目标的测量:
若被测目标有较亮背景光(特别是受太阳光或强灯直射),则测量的准确性将受到影响,因此可用物体遮挡直射目标的强光以消除背景光干扰。
5、温度输出功能:
首先模拟信号输出:
0~5V,1~5V,0~10V,0/4~20毫安,可以加入闭环控制中。
其次高报警、低报警:
在生产过程中要求控制温度在某个范围里,可设置高,低报警值。
高报警:
在高报警设置打开的情况下,当温度高于高报警值,相应的LED灯闪烁,蜂鸣器响,并有AH常开继电器接通。
由于在温度测量时是在不确定的环境中进行的,所以外界环境会对测温造成一定的影响,对测量结果产生误差,所以要对环境温度有一个修正。
由2.1节辐射公式可得出热释电传感器的响应公式为:
(2.3)
式中:
为与热释电响应特性及物体表面发射率有关的常数,
为物体表面温度,
为环境温度。
根据表达式(2.3)可以得到不同的标定公式:
(1)简单关系式,即
(2.4)
式中:
,应用此公式所作的标定实验结果见表1,表中数据表明,
不仅与
有关,还与
有关。
(2)多项式,即
(2.5)
令
(2.6)
取三项,其实验结果表明,要使测温仪满足一定的精度,测温时的环境温度和物体表面温度要在一定的范围内,如环境温度
=30℃,物体表面温度在180℃以上时,读数误差较大。
由下表2-1可知:
首先应该对物体表面温度分段定标,因为测量范围较大,所以不同段的标定系数相差很大。
实际应用中每隔5~10℃就必须标定一个系数,当采样电压峰值落在此区间时就选择该系数。
然后再根据环境温度的不同对已选出的标定系数进行修正,达到在不同环境温度下仍然能够准确测温的目的。
分析表2-1可知,当物体表面温度较低时(78℃以下),环境温度对修正系数的影响较大。
所以对此温度范围的物体必须进行环境温度对标定系数的修正。
而当物体表面温度较高时,则修正系数基本由物体表面温度决定,这样系数就不必再依环境温度进行校正。
这就减少了标定系数的复杂性。
下表为表2-1:
表2-1不同环境温度下的标定系数
标准温度(℃)
环境温度(℃)
测量值(V)
系数Ka(V/℃)
34.00
26.0
2.613
3.061
26.5
2.605
2.879
27.0
2.588
2.704
78.00
26.0
2.960
17.57
26.5
2.948
17.47
27.0
2.925
17.44
120.00
26.0
3.392
27.71
26.5
3.388
27.59
27.0
3.384
27.48
2.4人体红外线测温仪的特点
人体红外测温仪是通过接收人体发射的红外线的能量的大小来测量其体温的仪器。
测温仪内部的灵敏探测元件将采集的能量信息输送到微处理器中进行处理,然后转换成温度读数显示。
所以人体红外测温仪具有以下优点:
1、非接触测量:
它不需要接触到人体,只需在额头前方5厘米左右测温即可,而且红外探测器只需感应人体辐射的红外线。
因此,不会干扰人体,也不会为人体带来损伤。
2、测量范围广:
因为人体红外测温仪是非接触式测温,所以测温仪并不处在较高或较低的温度场中,而是工作在正常的温度或测温仪允许的条件下进行测量的,所以测量范围比较广。
3、测温速度快:
即响应时间快。
红外探测器中灵敏元非常灵敏,只要接收到目标红外辐射即可在短时间内定温。
4、准确度高:
人体红外测温不会与普通测温一样破坏物体本身温度分布,因此测量精度高。
5、灵敏度高:
只要人体温度有微小变化,辐射能量就有较大改变,易于测出。
而且使用安全及使用寿命长。
6、体积小,方便携带。
7、受外界环境温度干扰较小:
由于本设计中所使用的红外探测器是带补偿电路,所以它可以补偿外界环境温度的高低起伏。
3.总体设计
3.1设计方案与论证
3.1.1传感器的选择
测量人体温度的红外传感器主要有热释电红外传感器、热电偶构成的红外传感器和集热电偶、热敏电阻于一体的红外传感器。
热释电红外传感器是通过吸收人体红外辐射的红外线能量,通过模数转换将其转化成电压值,以便能够测量。
一种是内部只由热电偶构成的红外传感器,如LHI778传感器,测量的是目标物体与环境温度的差值,真实的测量目标温度是要外加环境温度补偿电路,该方法的优点是传感器价格便宜,但是电路相对复杂,不易制作。
另外一种是集热电偶和热敏电阻于一体的红外传感器,如TS118-3,该传感器的优点是精度高,电路设计简单,缺点是价格比较贵。
考虑到制作的可靠性和电路的可制作性,最终选择了第二种红外温度传感器TS118-3。
3.1.2放大器的选择
传感器输出的电压只有1mV左右,输出的电压值比较小,因此单片机不能直接进行采样,所以必须经过放大后,单片机才能进行采样。
放大器可以由单个的集成运算放大器构成,从而达到放大的目的,缺点是这种方法产生的测量误差较大,并且数据也不稳定。
经过比较多款A/D转换器的综合性能,最终选择了一款16位高精度的双通道并且增益可调的A/D转换器,该芯片的好处是既能起到放大的作用,又能进行模数转换,并且带有两个输入通道,串行输出。
使得电路的设计变的非常简单。
3.1.3显示部分的选择
显示主要有两种方法,一种是数码管,另一种就是液晶。
由于加上了时钟电路,如果用数码管显示,不仅是电路结构变得很复杂,而且看起来很凌乱,功耗较大。
液晶显示屏正好可以克服这点,显示部分看来来直观简洁,耗电量较少【8】。
综合电路的结构、显示效果和耗电量等多方面因素,最终选择了LCD1602液晶显示屏。
该显示屏具有微功耗、体积小、显示内丰富、使用方便等诸多优点而被广泛应用。
3.2测量原理
自然界一切温度都是高于绝对零度(-273.15℃)的物体,由于分子的热运动,都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波,其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克(Plank)定律。
人体主要辐射波长在9~10um的红外线,通过对人体自身辐射红外能量的测量,便能准确地测定人体表面温度。
由于该波长范围内的光线不被空气所吸收,因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。
人体的红外辐射特性与它的表面温度有着十分密切的关系,因此,通过对人体自身辐射的红外能量的测量,便能准确测量人体表面温度。
红外温度测量技术的最大优点是测试速度快,1秒钟以内可测试完毕。
由于它只接收人体对外发射的红外线,所以没有任何其它物理和化学因素作用于人体,因此对人体无任何害处。
4.硬件电路的设计
4.1设计思路
所有的物体都会向外发射红外线,发射功率正比于物体表面温度,人体向外发射的红外线的波长范围在9~10um,为此我们选用了德国HL-Planartechnik公司生产的TS118-3型无接触式表面温度测量传感器,将吸收到的红外线能量转换成热量,而内部的热电容把热量成比例地转换成电压输出,输出的电压经过A/D转换器将模拟量转变成单片机能处理的数字量,然后通过一系列的算法运算将其换算成相对应的温度值,再传送给液晶显示屏显示。
如果测量温度超过了设定的人体正常体温的上下限值,则电路自动启动报警电路进行报警。
同时根据实际需要,功能的多样性,还配备了时钟电路显示当前的测量时间,便于测量人员记录测量的时间信息。
该系统主要是由红外温度传感器,放大器,模数转换器,单片机最小系统,液晶电路,时钟电路,键盘电路和报警电路等其它外围电路部分构成,系统框图如图4-1所示。
图4-1系统框图
该系统的测量原理为:
传感器探测到人体辐射红外线后,传送到A/D7705转换器经放大、然后转换为数字信号后,传送到单片机,单片机对该数字信号进行采样、量化和编码最后输送到LCD1602进行显示。
DS1302给单片机提供外部时钟,通过键盘电路可以调整LCD1602显示的时间和设定人体温度的范围,当测量的温度超过所设定的温度范围,则系统会自动启动报警,提醒测量着注意。
由于时钟电路外带电源,所以在单片机系统断电的时候,时钟电路仍能正常工作,满足了许多需要RTC的场合。
4.2传感器
4.2.1红外传感器结构
红外传感器是红外体温计的关键部件,它是由温差热电堆和热敏电阻两部分构成的。
热电堆是用半导体集成电路(IC)工艺和微机械电子(MEMS)工艺制造的,它可以等效为多个热电偶串联。
而热电偶是由两种电子密度不同的导体相连接组成的,热电偶有冷热两个端点,在测量物体的温度时,热端与被测物体接触,冷端与测量仪表接触,热电偶的同种导体上会因为存在温度梯度而产生汤姆逊电动势,两种金属的连接处会因为电子密度差而产生珀尔帖电动势,所以在热电偶的两端会产生温差电动势。
在红外传感器热电堆的热端贴有热量吸收器,它用来吸收被测物体辐射的红外线并转化为热能。
通过热电堆把辐射红外线的功率转化为电信号进行测量。
其外部机构如图4-2所示,红外温度传感器我们选用TS118-3,TS118-3红外温度传感器的环境温度补偿范围为-40℃—100℃,比较适合测量体温。
TS118-3内部结构如图4-3所示。
图4-2TS118-3外部结构图图4-3TS118-3内部结构
4.2.2红外传感器的输出特性
温度为T的物体,其单位元面积在全部波长的辐射功率可以表示为:
P≈KδT4
其中:
K是波尔兹曼常数,K≈1.38×10-23J/K,
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