人体红外测温仪毕业设计论文.docx
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人体红外测温仪毕业设计论文
人体红外测温仪
摘要:
为了克制传统温度计测量温度的主要缺点——需要测量者与被测目标近距离接触和测量不方便。
在顾及仪器测量高精度前提下,以追求最低本钱为原那么,研制了非接触式热释电红外测温仪,实现了对物体外表温度快速准确的测量。
本文也设计了红外测温仪的整体系统构架。
根据热释电原理,主要针对人体体温测量进展了具体的设计开发,开发包括整体方案,硬件电路,单片机程序和主机程序。
并利用设计出来的红外测温仪在环境温度30℃下对人体温度和水温进展了测量,对人体的温度测量的误差低于±0.1℃,提高了测量精度。
人体测温仪的设计主要为适应人体体温快速无接触测量的需要。
主要介绍热释电红外传感器的工作原理以及最适宜人体红外线检测的热释电传感器PM611的优点和等效电路,阐述了基于热释电传意器的红外测温仪的工作原理,讨论了该系统的设计与实现方法,简单介绍了测温系统的适用条件。
关键词:
温度测量,热释电,AT89C51
Temperaturemeasuringbasedonbodyinfraredray
Abstract:
Todecreasethelimitationoftraditionalmethodoftemperaturemeasuringsuchasclosecontactbetweenmeasurerandthetargetandinconveniencewhenmeasuring,wedevelopedanon-contacttypepiezoelectricinfraredthermometer,realizesfastandaccuratesurfacetemperaturemeasurements.Thisarticlealsodesignedtheoverallsystemarchitectureinfraredthermometer.Thenunderthepiezoelectricprinciple,aimedathumanbodytemperaturemeasurementforaspecificdesign,developmentincludinghardware,peripheralstechnology,SCM,andthehostprogram.Designedbyusingtheinfraredthermometeratambienttemperature30℃,temperatureandwatertemperatureonthehumanbodyweremeasuredonthehumanbodytemperaturemeasurementerrorislessa±0.1℃improvethemeasurementaccuracy.Thisthermometermainlyappliestono-contact,speedybody-heatmeasurement.ThisarticlemainlyintroducesoperationalprinciplesofpiezoelectricinfraredsensorandthestructureofhydroelectricallysensorPM611.Itformulatesthetheoryofthethermometerbasedonhydroelectricallysensorandstudieshowtodesignandimplementofthesystem.Finally,itindicatestheconditionaldemandofthesystem.
Keywords:
temperaturemeasurement,piezoelectric,AT89C51
第一章红外线测温仪的研发背景
1.1 红外测温仪的实际应用
由于医学开展的需要,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展人体温度测量。
虽然现在国外这种测温的技术都比拟成熟,但是国这方面的技术还处于开展阶段。
因此,为了适应医学开展的需要,有效地进展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。
针对一般的工业用的红外测温仪的准确度不够高,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准确度,设计了一种用红外线测温电路,用于人员密集且流量大的场合进展快速的人体温度测量。
1.2红外测温技术的开展历程
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平安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开展,性能不断完善,功能不断增强,品种不断增多,适用围也不断扩大。
比起接触式测温方法,红外测温有着响应时间快、非接触、使用平安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工程,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,从而准确判断物体外表的温度分布情况,具有准确、实时、快速等优点。
任何物体由于其自身分子的运动,不停地向外辐射红外热能,从而在物体外表形成一定的温度场,俗称“热像〞。
红外诊断技术是通过吸收这种红外辐射能量,测出设备外表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拟多,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,本钱较低,又不受外界环境温度干扰的人体红外测温仪,对医学的开展有很重大的意义。
第二章 人体红外测温仪的原理和特点
2.1 人体红外线测温仪的理论依据
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:
为辐射出射度数,
;
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
。
测量出所发射的
,就可得出温度。
利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度仪表。
这种测量不需要与被测对象接触,因此属于非接触式测量。
在不同的温度围,对象发出的电磁波能量的波长分布不同,在常温〔0~100℃〕围,能量主要集中在中红外和远红外波长。
用于不同温度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,与仪表的具体设计构造有关;
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,包括人体各部位的外表,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外表温度。
由于该波长围的光线不被空气所吸收,因而可利用人体辐射的红外能量准确地测量人体外表温度。
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外表温度。
红外温度测量技术的最大优点是测试速度快,1秒以可测试完毕。
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、显示输出等局部组成。
2.2人体红外线测温仪的性能指标及作用
总的来说,测温围、显示分辨率、精度、工作环境温度围、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、确定测温围:
测温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,在进展测温时,被测目标面积应充满测温仪视场。
否那么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,测温仪的本钱也越高。
4、确定波长围:
目标材料的发射率和外表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响速度,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,否那么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:
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,否那么会影响测温精度。
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:
假设被测目标有较亮背景光〔特别是受太或强灯直射〕,那么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,可以参加闭环控制中。
其次高报警、低报警─生产过程中要求控制温度在某个围里,可设置高,低报警值。
高报警:
在高报警设置翻开的情况下,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展的,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外表发射率有关的常数,
为物体外表温度,
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,表中数据说明,
不仅与
有关,还与
有关。
〔2〕多项式,即
〔2.5〕
令
〔2.6〕
在参考文献[7]中,
取三项,其实验结果说明,要使测温仪满足一定的精度,测温时的环境温度和物体外表温度要在一定的围,如环境温度
=30℃,物体外表温度在180℃以上时,读数误差较大。
由下表1可知:
首先应该对物体外表温度分段定标,因为测量围较大,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展修正,到达在不同环境温度下仍然能够准确测温的目的。
分析表1可知,当物体外表温度较低时〔78℃以下〕,环境温度对修正系数的影响较大。
所以对此温度围的物体必须进展环境温度对标定系数的修正。
而当物体外表温度较高时,那么修正系数根本由物体外表温度决定,这样系数就不必再依环境温度进展校正。
这就减少了标定系数的复杂性。
下列图为表1:
表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展处理,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展测量的,所以测量围比拟广。
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。
而且使用平安及使用寿命长。
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的,所以它可以补偿外界环境温度的上下起伏。
第三章人体红外测温仪的硬件设计
3.1总体设计
下列图3.1所示是人体红外测温仪系统的总体构造框图。
图3.1 系统总体构造框图
由上图可以看出,红外探测仪接收到人体发出的红外线后,经过检测系统确定后,再在信号处理单元对所测得的信号进展放大、滤波、再计算,模数转换处理传送到显示单元显示出温度读数。
如果经过处理后的数据大于所设置的预警数据,那么蜂鸣器报警。
如果检测完信号后送达处理系统处理,所测的数据有误,那么可以通过控制器〔按钮〕来进展重新检测,直到显示正确温度。
3.1.1整体框图设计
热释电红外测温仪可以这样设计整体构造框图,如图3.2所示。
按下开关即可测量,每次测量结果显示在显示器上。
当测量按钮按下时,整个电路开场工作,物体外表辐射的能量经热释电传感器接收后,将热辐射信号转化为电信号,经由放大电路放大后〔由外界环境导致的杂乱信号经滤波器过滤后〕到达A/D模数转换器,89C51单片机作为CPU接收经A/D转换后的数字信号,经数据处理后转换成物体外表温度显示在LCD液晶显示屏上。
图3.2 总体电路框图
3.1.2电路设计
本设计采用89C51系列单片机进展数据的采集存储和处理。
由于信号只有一个输入,为了防止不必要的消耗,本设计A/D转换器采用的是ADC0804。
芯片的CLKIN端和CLKR端配合可以由芯片自身产生时钟脉冲。
测量物体外表辐射能量的热释电传感器选用的是尼赛拉传感器的PM611型热释电传感器,它有效调节外界环境的温度起伏影响;液晶显示器〔LCD〕选用的是2行16个字的液晶显示屏。
电路的主要功能是将热释电传感器接收的红外辐射能量转换为可供A/D转换器承受的电信号。
显示器(LCD)由74LS02译码器驱动,并由89C51单片机通过软件控制显示物体外表的温度。
通过软件程序编制可以实现三位有效数字的显示(100度以下显示两位整数和一位小数,100度以上显示三位整数)下列图3.3是整个设计的电路连接图:
图3.3 红外人体测温仪电路
3.2温度传感器
本设计的探头使用的是红外线传感器,它能接收人体发射出的红外线并使之转换成电压信号。
设计选用的是PM611单元热释电传感器,这种传感器虽是单灵敏元,由于他采用一个接收元和二个并联的补偿元串接的构造,故也能有效地补偿环境温度起伏,振动等干扰影响。
他的工作温度是-20℃——+70℃,特别适合测量人体的温度。
而且PM611各项指数都比拟好,因此选用了他做温度仪的探头。
如图3.4所示:
图3.4 传感器的部典型连接电路
3.3放大电路的设计
由于传感器探测到的人体红外线信号较弱,当转化为电压后需要通过放大器放大电压信号。
因为探测器测到的信号可能掺杂了外界环境的某些因素,所以放大电路中要参加低通滤波电路把多余的杂信号过滤掉。
如图3.5所示:
图3.5 放大局部电路
传感器输出的信号经47μF电容耦合到第一个同相放大器,它的闭环增益为23~24之间。
同时第一个放大器还兼做高通滤波器,其截止频率为0.3Hz。
第二个放大器是一个低通滤波器,其闭环增益约为1,截止频率为7Hz。
第一个,第二个放大器分别把低于0.3Hz和高于7Hz的信号滤掉,使输出的信号仅是经过调制器调制的1Hz红外辐射信号。
通过第二章的原理可知由信号转换为电压再转化成温度才显示出来的,那么这个过程将在第三个放大器中完成。
通过放大滤波的信号就输入到模数转换器的Vin〔+〕端,模数转换器会把收到的信号进展模数转换。
调试:
在实验过调节放大器1输出端的10KΩ变阻器,使第三个放大器的输出信号大小发生改变,当最后一个也就是第三个信号放大器的输出小于5V时,可以适应下面系列的处理,因此第三个放大器的两个电位器用来调节最后信号输出的大小,确保在高温时不超过5V。
3.4模数转换局部电路
由于传感器探测到红外线后被放大的是模拟信号,然而需要在LCD液显上显示出来,所以本设计利用模数转换器来实现这个功能。
因为只用到了一个输入信号,所以为了节省不必要的累赘,采用ADC0804把有用的模拟信号转换成数字信号,最后显示出来。
ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比拟型模数转换芯片。
分辨率8位,输入电压围是0~5V,增加一些外部电路后,输入模拟电压为±5V。
此芯片有输出锁存器,当与计算机连接时,转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上,不用再加接口电路。
ADC0804芯片的外引脚图如3.6所示,引脚名称及意义如下:
图3.6ADC0804引脚图
Vin〔+〕、Vin〔-〕:
芯片的两个模拟信号输出端,用来接收单极性、双极性和差模输入信号;
D0~D7:
AD转换器的数据输出端;
AGND:
接模拟信号地;
DGND:
接数字信号地端;
CLKIN:
外电路提供时钟脉冲输入端;
CLKR:
部时钟发生器外接电阻端,与CLKIN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲,频率为1/1.1RC;
CS:
片选信号输入端,低电平有效,一旦使用低电平,表示转换器被选中,那么开场工作。
WR:
写信号输入,低电平有效。
当CS、WR同时为低电平时,启动转换。
RD:
读信号输入,低电平有效,当CS、RD同时为低电平时,可以读取转换输出的数据。
INTR:
转换完毕输出信号,低电平有效。
如果输出低电平表示此次转换已经完成。
本设计采用了CLKR端口和CLKIN端口配合,芯片本身产生时钟脉冲的方法,A/D转换器Vin〔+〕端口接收到经处理过的模拟信号在部进展模数转换,片选端口CS和WR写信号输入端口同为低电平时启动转换,因为0804部有输出锁存器,转换后的数字信号存在锁存器里,当CS、RD同为低电平时,可以读取转换输出的数字信号,由A/D模数转换器的D0~D7端输出,接入AT89C51单片机的P1口的P1.7~P1.0,经过程序烧制显示到液晶显示屏上。
A/D模数转换电路连接图如下列图3.7:
图3.7ADC0804模数转换电路
3.5LCD1602显示电路
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示容丰富、超薄轻巧的诸多优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
在本设计采用的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器,根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等,这里以常用的2行16个字的1602液晶模块来介绍它的编程方法。
1602采用标准的16脚接口,其中:
第3脚:
VEE为液晶显示器比照度调整端;
第4脚:
RS为存放器选择,高电平时选择数据存放器、低电平时选择指令存放器;
第5脚:
RW为读写信号线,高电平时进展读操作,低电平时进展写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据;
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令;
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线;
第15~16脚:
空脚。
液晶显示模块是一个慢显示器件,所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平,表示不忙,否那么此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址,也就是告诉模块在哪里显示字符,表2是DM-162的部显示地址。
表2 1602的部显示地址
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
序号
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
0A
0B
0C
0D
0E
0F
第一行
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
4A
4B
4C
4D
4E
4F
第二行
1602液晶模块部的字符发生存储器〔CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码。
在软件中设置温度的代码是:
30.0℃〔00110011B,00110000B,00101110B,00110000B,01000011B〕;37.0℃〔00110011B,00110111B,00101110B,00110000B,01000011B〕;60℃〔00110110B,00110000B,01000011B〕。
在液显电路连接上,LCD1602显示模块可以直接和单片机AT89C51直接接口,液晶显示的D0~D7八个双向端口接AT89C51单片机的P0口的P0.0~P0.7,单片机的P0口可以作为通用的输入,输出端口使用,此时,假设要驱动NMOS或其他拉电流负载时,需外接上拉电阻,才能使该位高电平有效,所以中间接10K的排阻,来决定显示器上下点位,是否要显示。
由
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