智能非接触式体温计的设计设计.docx

智能非接触式体温计的设计设计.docx

《智能非接触式体温计的设计设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能非接触式体温计的设计设计.docx（69页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能非接触式体温计的设计设计

智能非接触式体温计的设计设计

毕业论文（设计）原创性声明

本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。

对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名：

日期：

毕业论文（设计）授权使用说明

本论文（设计）作者完全了解**学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。

有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。

学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。

保密的论文（设计）在解密后适用本规定。

作者签名：

指导教师签名：

日期：

日期：

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

智能非接触式电子体温计设计

设计总说明

随着人们生活水平的不断提高，对自身健康状况越来越关注，而体温是鉴别人体健康状况的重要参数之一，对这一生理指标的测量可以更好的监测自身健康状况，因此体温计在医疗领域中占有十分重要的地位，也为人们的生活带来极大的方便。

但若使用时消毒不彻底会导致交叉感染。

新型的体温计，如电子体温计，通过热敏电阻测定体温，存在测温误差大等问题,因此，非接触式快速测温的体温计就有了研发使用的意义。

比起传统的测温方法，利用红外传感器制定的体温计有着响应时间快、使用安全及使用寿命长等优点，非常适合在机场、火车站、学校等公共场所使用。

由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，这就使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制。

传感器主要用于测量和控制系统，其性能好坏直接影响系统性能，因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制要求，且只有通过对传感器应用实例原理和智能传感器实例分析及了解，才能将传感器和信息通信、处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。

另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都是为了改革生产力、提高工效和时效，且都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。

利用红外测温是最近几年来兴起相对高端的技术，对红外线设备的设计和研究，对今后的社会应用有非常积极的影响。

从另一方面而言，体温计是民众日常生活中的必备卫生用品，尤其在“非典”和“甲型流感”流行期间，各式体温计成为了判断感染者与未感染者较为初步的仪器。

所以在本次毕业设计中，以单片机为核心，运用红外传感原理来设计基于单片机的智能非接触式电子体温计。

单片机是整个智能控制器的核心，其外围设备是检测和控制电路，单片机通过接口发出各种控制信息给检测电路，以启动测量、改变工作方式等。

当检测电路完成一次测量后，单片机读取测量数据，进行必要的加工、计算、变换等处理，最后以各种方式输出，例如经液晶显示模块显示，经语音模块播报等。

在本次智能非接触式电子体温计设计中，以AT89S51单片机为控制核心，根据红外测温原理，由红外热电堆传感器MLX90614对人体体温进行实时采集转变为电信号，经MLX90614内部的模数转换，转换成数字信号后送入单片机进行数字滤波、线性化处理、数据存储、逻辑判断，并将最后的测量结果送入液晶显示模块进行显示，且语音芯片在程序的控制下进行语音播报，同时，还具有万年历、当前时间、统计人数和声光报警等功能。

从而使测温前后的各种操作更趋于智能化和人性化。

全文主要阐述其硬件电路设计和软件程序设计。

硬件方面首先从单片机最小系统，红外热电堆传感器进行主要功能的设计，其次从万年历时钟模块、统计人数和报警电路、液晶显示模块、语音播报等功能模块分别进行论述并详细介绍了各个芯片的结构和功能。

软件部分使用KEILC语言程序设计，此语言具有语言简洁、紧凑，使用方便、灵活，生成目标代码质量高，程序执行效率高的特点。

其程序设计采用模块化结构，每个模块作为一个子程序，所以整个程序的编制和调试都比较方便，结构清晰，提高了可靠性和修改性，并给出了针对各个应用模块的设计思路及流程图。

系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、计算温度子程序、LCD显示程序、语音播报程序、万年历程序、统计人数及声光报警等程序。

在对硬件部分和软件部分的设计之后，通过Proteus软件和KEILC软件结合使用，对本次设计进行了主要功能的仿真，并达到理想的效果。

对智能非接触式体温计设计是功能性为基础，以创新性为指导，以实践性为依托，具有较好的发展前景和广泛的应用场合。

通过本次设计，希望可以为今后拓展体温监测应用领域提供新的思路和方法，使之能在各应用领域得到更广泛的应用。

关键词：

单片机，传感器，LCD显示，语音播报，仿真

Introduction

Thetechniqueoftemperaturemeasurementiswidelyusediniatrology,aviation,andstellmanufacturebecauseofitsconvenience,fastspeedandhighaccuracy.Thispaperintroduceamethodtodesignanun-touchedelectronicthermometerwhichbasedonMS51singlechipandinfaredsensorMLX90614.Also,Infraredthermomter,itusestheblackbodyradiationlawsasthetheoriesfoundation,itistheoutcomethattheopticaltheoriesandmicro-electronicslearnacomprehensivedevelopment.Comparedtothewayoftraditionaltemperaturemeasurement,ithasaseriesofmerits,suchasshortinresponsetime,non-contact,noninterferencetotemperaturefield,longusefultimeandconvenientoperation,etc.

Thepaperintroducesthebasicprincipleofinfraredthermometerandthemethodofrealization,putsforwardinfraredtrermometersystemwiththeAT89S51MCUastheCPU.Thepaperintroducesthecomposingandthemethodofthatsystemindetail,andgivesthehardwareprinciplediagramandthedesignflowchartofthesoftware.Thesystemformedbytheopticalsystem,photoelectrondetector,displayandoutputpartially.Theopticalsystemcollectstheinfraredradiationenergyoftheobjectinitsfieldofview,theinfraredenergyfocusingontheinstrumentandtransformstothecorrespondingelectricalsignal.TheAT89S51MCUisusedtostartthetemperaturesurvey,datareceive,countthevalueoftheobjecttemperaturebasedonthearithmeticwithinMCUandtheresultisdisplayedonLCD.

Intheintelligentnon-contactelectronicclinicalthermometerdesign,withtheAT89S51asthecore,accordingtotheprincipleofinfraredmeasuringtemperature,theinfraredthermopilesensorMLX90614tobodytemperaturereal-timegatheringintoelectricalsignals,afterMLX90614internalanalog-to-digitalconversion,convertedintodigitalsignalafterintosingle-chipdigitalfiltering,linearizationprocessing,datastorage,logicaljudgment,andthefinalmeasurementresultsintotheLCDmodulefordisplay,andthevoicechipspeechunderthecontroloftheprogram,atthesametime,alsohasacalendar,thecurrenttime,thenumberofstatisticsandsoundandlightalarm,andotherfunctions.Sothatthetemperaturemeasurementbeforeandafterthevariousoperationstendtobemoreintelligentandhumane.

Keyword:

microcontroller,sensor,display,voice,simulate

1绪论

随着科学技术的迅速发展，传统接触式测量体温的方式已不能满足现代一些领域测量体温的需求，对非接触、远距离测量体温技术需求越来越大。

本次智能非接触式体温计设计的出发点也正是基于此。

1.1课题研究背景

1.1.1体温计发展

人体体温是鉴别人体健康状况的重要参数，所以体温计在医疗领域中占有十分重要的地位。

随着现代科技的发展，新材料、新工艺的运用，各式各样的体温计陆续出现，探测方式在不断改进。

现有体温计大致分为三种类型：

一种是常见的玻璃水银体温计；一种是电子体温计；还有一种是红外智能非接触式电子体温计。

人们熟悉的传统体温计是水银体温计,它是根据汞受热膨胀原理制成。

由于受到体温影响，水银体积膨胀使玻璃管内水银柱的长度发生明显的变化，可使随体温升高的水银柱保持原有位置，便于使用者随时观测。

由于玻璃的结构比较致密，水银的性能非常稳定，所以玻璃体温计具有示值准确、稳定性高的特点，拥有价格低廉、不用外接电源的优点，深受人们特别是医务工作者的信赖。

但此种体温计也有诸多弊端，例如，遇热或安置不当容易破裂，人体接触水银后会中毒，轻者恶心、头痛重者会造成血液凝固等。

医用电子体温计是利用某些物质的物理参数（如电阻、电压、电流等）与环境温度之间存在的确定关系，将体温以数字的形式显示出来，读数清晰，携带方便。

许多医院也采用了电子体温计，因拥有快速、无需接触被测者等的优点而被广泛采用。

其不足之处在于示值准确度受电子元件及电池供电状况等因素影响，即性能暂不能与传统的体温计相比不如玻璃体温计。

红外测量体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重要作用。

根据红外测温原理，任何物体由于其自身分子运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。

红外体温计正是通过对物体自身辐射的红外能量的测量，准确地测定它的表面温度。

所用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线，采用的是被动式且非接触式的测量方式，因此红外体温计不会对人体产生辐射伤害。

比起前两种测温方法，红外体温计有着响应时间快、使用安全、使用寿命长及可靠性高等优点。

近20年来，红外体温计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。

1.1.2红外测温技术发展

自从1800年英国天文学家F·W·赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。

从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。

当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。

其中有些达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。

此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。

特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。

目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。

红外技术发展的先导是红外探测器的发展。

1800年，F·W·赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测哭器。

1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏型探测器。

19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。

它们都是电磁波之一，具有波动性。

20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。

30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。

40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。

50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器等到新的推动。

到60年代初期，对于1-3、3-5和8-13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。

在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。

在红外技术的发展中，需要特别指出的是：

60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段内，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。

在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。

另外，由于，这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。

1.2课题研究目的和意义

体温是机体功能活动正常进行的重要条件，人能够在环境温度不同的情况下，通过对体内产热和散热过程的调节来保持体内环境温度相对稳定，并提高对环境温度变化的适应能力。

在健康状态时，人体的体温一般是比较恒定的，即保持在37℃上下，而不因外界环境温度的改变而变化。

但是当人体内的某些机能发生改变或某些部位发生病变时，恒定的体温将产生变化。

在临床医学中，体温是一个重要的生理参数，病人的体温为医生提供了生理状态的重要信息，因此，对人体温度进行测量不仅可以确诊疾病的发生，还可以对某些重大疾病或隐藏于身体内部的健康隐患起着积极的预防与警示作用。

例如，在“非典”时期，我们可以通过对人体温度的监测来隔离那些可能患病的人群，从而达到预防“非典”传播的作用。

在公共场所进行体温监测时主要考虑以下三个基本要求：

非接触、测量的快速性和准确性。

采用红外非接触测量体温的方法进行体温测量可以满足这样的要求，因此，对非接触人体体表温度的测量方法进行研究有着非常现实的意义，是在非常时期应付突发疫情的必要工作。

在体温计的应用领域中，红外智能非接触体温计比起传统体温计也具有很多应用意义。

例如使用更便捷，在家庭使用中，在不打扰孩子睡眠或玩耍的情况下观察孩子每天的体温变化，了解孩子健康状况，孕妇、老人在测量体温时也极大的提高了方便性；测量数据更精确，智能非接触式体温计的另一个先进之处是精确，通常精度都是1度以内。

而且响应时间短，反应速度快，易于快速动态测量；使用更安全，安全是使用红外体温计最重要的益处，不同于接触式体温计，红外体温计在不与人体接触的情况下能够安全地测量和读取人体温度，有效减少病菌的交叉感染；更加节能环保，它快速精准的测温不仅提高了医学领域的效率，而且更加环保节能。

智能非接触式体温计给医学领域带来了极大的方便，正因为如此，它将促进高效节能成套新技术、新设备、新材料产业大力发展，实现传统体温计测温的更新改造，同时也产生了强大的能源环境效益，伴随着巨大的经济效益和社会效益，因此，研究红外智能非接触式电子体温计具有非常重要的意义。

1.3论文主要内容及章节安排

本论文主要利用红外测温原理，围绕智能非接触式电子测量体温这一主题进行一系列设计，并在深入理解了红外测温理论基础之上，对方案进行了整体设计，经查阅资料，设计出两种方案，进行比较最终确定比较合理的方案。

此外，对现有红外测温传感器这一主要功能模块和单片机主控芯片分别进行比较和选择，以提高整体方案的可行性。

整体方案确定之后，在硬件电路的设计中，通过所要实现的功能完成电路的搭建；在软件程序设计中，通过分模块程序设计实现此次设计的功能，最后对整个系统进行软件仿真并对系统的误差处理进行了分析。

其中，第2章是对系统的设计与论证，先对设计方案总体论证再对主要控制器件进行论证，第3章重点介绍各模块的硬件电路，并对每个芯片的引脚功能进行了详细描述，第4章为系统的软件设计，主要是各模块实现其功能的流程图的设计和程序的编写，第5章为系统仿真和误差处理，在对系统硬件设计和软件设计之后，对系统进行软件仿真以实现其相应的功能。

2系统工作原理与方案设计

2.1系统工作原理

系统主要利用红外测温原理，一切温度高于绝对零度（-273.35℃）的物体，由于分子热运动都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。

物体红外辐射能量的大小及其按波长分布与它表面温度有着十分密切的关系。

因此，通过对物体自身辐射的红外能量测量，便能准确地测定其表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。

因此，本文中的红外测温就是利用人体自身的红外辐射来测定其表面温度的一种测量温度的方法。

红外测温的原理是基于黑体辐射定律的，黑体是一种理想化的辐射体，它在任何温度下都能全部地吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量，其表面吸引率为1。

为了弄清和获得红外辐射分布的规律，普朗克提出了体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射定律，其表达式为：

（1）

式

（1）中，c为真空中的光速（2.9979×

）；

k为波尔兹曼常数（

）；

h为Plank常数（）；

λ为波长；

T为绝对黑体的温度（K）；

由式

（1）可得出在温度T时黑体在全部波长范围内的辐射出度为：

（2）

式

（2）中，σ=

由式

（2）可知：

黑体总的辐射出度与黑体的绝对温度T的四次方成正比。

因此，当用红外测温测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段内的红外辐射量，红外能量被红外温度传感器接收，并转变为相应的电信号。

该信号经过放大器和信号处理电路，并按时系统内部的算法校正后转变为被测目标的温度值，然后由测温系统计算出被测目标的温度。

基于红外测温原理，以单片机为核心，通过按键控制单片机以判断是否对采集测温。

当测温键按下时，系统利用红外温度传感器检测到人体温度，并将其转换为微弱电信号，通过红外测温模块内部A/D转换电路将电信号转换为数字信号，并将之送入单片机控制电路，这样单片机便可以对信号进行比较系统的处理，处理结果通过LCD显示电路和语音电路进行信息输出，显示模块和语音模块便能准确显示和读出人体温度。

当被测人体温超过38℃时，LED灯亮的同时蜂鸣器蜂鸣报警。

当测温键没有按下时，系统在时钟电路作用下显示当前时间及所设置温度的上下值，统计人数初始化为0。

系统设计的总体框架如图2.1所示：

图2.1系统总体框架图

2.2系统方案选择

基于本次系统的工作原理，利用红外测温传感器、单片机以及其它器件设计实现非接触式电子体温计的测温，使之达到响应时间最长不超过1s、精度达到0.2℃。

现对此次设计的总体方案进行设计与选择。

方案一

在该方案中，系统分为模拟红外温度传感器（内含环境温度测量）模块、放大电路模块、A/D转换电路模块、MCU主控模块、声光报警模块、LED显示模块和电源模块（如图2.2所示）。

通过模拟传感器输出模拟信号，并通过信号放大电路和A/D转换电路处理传输给单片机，单片机对其进行LED显示，当超出设定的温度范围时，进行声光报警。

如图2.2方案一总体设计框图所示：

图2.2方案一总体设计框图

首先模拟红外温度传感器接收人体发出的红外线，然后经过转换后输出对应的电压值，传感器同时通过片上温度传感器测量环境温度/传感器温度。

这两个红外温度传感器的输出量通过放大电路和A/D转换电路处理后传输到MCU模块进行相关的处理（软件滤波、黑体校定等），然后通过LED模块显示相应的人体温度。

如果超出所测的范围声光报警器进行报警以示提醒。

方案二

该方案与第一个方案的最大区别是：

在本方案中采用数字红外温度传感器代替模拟红外温度传感器。

由于数字红外温度传感器内部集成了运放电路、A/D转换电路、滤波电路和数字信号处理器，所以只需通过传感器的数据接口就可以把传感器所测量的人体温度数据直接传输给MCU主控模块进行处理。

在处理完被测物体表面的温度后，有两种方式向使用者提供温度信息：

第一种方式是显示在图形点阵式LCD上；第二种方式是以语音的形式播放以告知使用者温度信息。

如图2.3方案二总体设计框图所示：

图2.3方案二总体设计框图

对于方案一，模拟传感器的成本相对要低，而且整个系统设计的自由度相对要高一些，但是也使得系统电路变的更为复杂。

例如集成运放电路要用到双电源供电，这就使得电源模块