人体红外测温仪 毕业设计论文27326.docx
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人体红外测温仪毕业设计论文27326
人体红外测温仪
摘要:
为了克服传统温度计测量温度的主要缺点——需要测量者和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，以追求最低成本为原则，研制了非接触式热释电红外测温仪，实现了对物体表面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行了具体的设计开发，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行了测量，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TN901的优点和等效电路，阐述了基于热释电传感器的红外测温仪的工作原理，讨论了该系统的设计和实现方法，简单介绍了测温系统的适用条件。
关键词：
温度测量，热释电，STC89C52
Temperaturemeasuringbasedonbodyinfraredray
Abstract:
Todecreasethelimitationoftraditionalmethodoftemperaturemeasuringsuchasclosecontactbetweenmeasurerandthetargetandinconveniencewhenmeasuring,wedevelopedanon-contacttypepiezoelectricinfraredthermometer,realizesfastandaccuratesurfacetemperaturemeasurements.Thisarticlealsodesignedtheoverallsystemarchitectureinfraredthermometer.Thenunderthepiezoelectricprinciple,aimedathumanbodytemperaturemeasurementforaspecificdesign,developmentincludinghardware,peripheralstechnology,SCM,andthehostprogram.Designedbyusingtheinfraredthermometeratambienttemperature30℃,temperatureandwatertemperatureonthehumanbodyweremeasuredonthehumanbodytemperaturemeasurementerrorislessa±0.1℃improvethemeasurementaccuracy.Thisthermometermainlyappliestono-contact,speedybody-heatmeasurement.ThisarticlemainlyintroducesoperationalprinciplesofpiezoelectricinfraredsensorandthestructureofhydroelectricallysensorTN901.Itformulatesthetheoryofthethermometerbasedonhydroelectricallysensorandstudieshowtodesignandimplementofthesystem．Finally，itindicatestheconditionaldemandofthesystem.
Keywords:
temperaturemeasurement,piezoelectric,STC89C52
第一章红外线测温仪的研发背景
1.1红外测温仪的实际使用
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，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行快速的人体温度测量。
1.2红外测温技术的发展历程
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。
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，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。
红外诊断技术是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况。
目前使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。
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内的电磁波，其辐射能量密度和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；T为物体的温度，单位K；T0为物体周围的环境温度，单位K。
测量出所发射的E，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。
这种测量不需要和被测对象接触，因此属于非接触式测量。
在不同的温度范围，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：
A为光学常数，和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；T1为被测对象的温度（K）；T2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，1秒以内可测试完毕。
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、显示输出等部分组成。
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和被测目标直径之比。
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，它和光电探测器、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：
1、测温目标大小和测温距离的关系：
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和被测目标的直径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TN901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。
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：
为和热释电响应特性及物体表面发射率有关的常数T0为物体表面温度，Ta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：
，使用此公式所作的标定实验结果见表1，表中数据表明，
不仅和Ta有关，还和T0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。
实际使用中每隔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
在这里我们使用的是TN901模块，他内已经集成了采集，温度补偿和ADC转换功能，所以我们通过模块读出来的是数字信号。
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：
人体红外测温不会和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的，所以它可以补偿外界环境温度的高低起伏。
第三章人体红外测温仪的硬件设计
3.1总体设计
下图3.1所示是人体红外测温仪系统的总体结构框图。
图3.1系统总体结构框图
由上图可以看出，红外传感器接收到人体发出的红外线后，经过TN901模块对信号处理单元对所测得的信号进行放大、滤波、再计算，模数转换处理，将最终的信号转换成SPI总线传输，单片机读取SPI总线信号将信息传送到显示单元显示出温度读数。
如果检测完信号后送达处理系统处理，所测的数据有误，则可以通过LCD输出错误信息。
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结构框图，如图3.2所示。
上电后开始测量，每次测量结果显示在显示器上。
当测量时红灯亮起，物体表面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）输出SPI总线信号，单片机作为CPU接收经经过TN901数字信号，经数据处理后转换成物体表面温度显示在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STC89系列单片机进行数据的采集存储和处理。
由于信号有两个输入源和一个控制线。
芯片的CLK端和Data端配合可以给芯片自身产生时钟脉冲。
测量物体表面辐射能量的热释电传感器选用的是台湾ZyTemp传感器有限公司的TN901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单片机接收的数字信号。
显示器（LCD）由单片机P0端口驱动，并由89C51单片机通过软件控制显示物体表面的温度。
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）下图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红外线传感器
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数字号。
设计选用的是TN901单元热释电传感器，这种传感器虽是内部集成滤波，放大，数模转换的一体非接触温度传感器。
他的工作温度是-33℃—220℃，特别适合测量人体的温度。
而且TN901各项指数都比较好，因此选用了他做温度仪的传感器。
如图3.4所示：
图3.4传感器的实物图
TN901的具体操作时序我们在后面的软件介绍中会详细介绍，它主要使用的是SPI的协议流程，通过SCK和Data完成传输。
3.3LCD1602显示电路
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗使用系统中得到越来越广泛的使用。
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为液晶显示器对比度调整端；
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；
第5脚：
RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
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，否则此指令失效。
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的内部显示地址。
表21602的内部显示地址
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液晶模块内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STC89C52直接接口，液晶显示的D0~D7八个双向端口接STC89C52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，若要驱动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，来决定显示器高低点位，是否要显示。
由于VEE端接电源时接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，对比度过低会使屏幕模糊不清，所以使用时可以通过一个10K的电位器来调整它的对比度。
LCD1602的RS寄存器选择端口接单片机的P2.7口，通过软件程序中对此端口的设置来决定选择的寄存器。
液显的RW端口直接接地，因为我们不需要读取内部内容，高电平时进行对输入的数字信号进行读数。
使能E端接单片机的P2.6口，使能端由高电平到低电平时开始执行命令，把读数显示出来。
下图3.8是LCD1602显示电路的连接图：
图3.8LCD显示电路连接图
第四章软件设计
第五章小结
5.1红外测温仪的使用注意事项
1、必须准确确定被测物体的发射率；
2、避免周围环境高温物体的影响；
3、对于透明材料，环境温度应低于被测物体温度；
4、测温仪要垂直对准被测物体表面，在任何情况下，角度都不能超过±26.56°；
5、不能使用于光亮的或抛光的金属表面的测温，不能透过玻璃进行测温；
6、正确选择跟离系数，目标直径必须充满视场；
5.2改进方案
由于普通红外测温仪只限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部和存在障碍物时的温度，所以可以在其检测头部加一段光导纤维，并在其前端装一个小视角的透镜，这样被测物体的辐射能经过透镜到光导纤维内部。
在光导纤维里面经过多次反射传至检测器。
因为光纤可以自由弯曲，使辐射能自由转向，这就解决了物体内部温度的测量问题，可以测量有障碍物挡住的角落等地方的温度。
5.3推广及使用
由于SARS和H1NI甲流的出现，这样，红外测温仪就用于人体温度的测量和大量人群的初步筛检。
但是非接触式人体红外测温仪测量的是表体温度而非精确体温，所以有关人体表面温度和传统的用体温计测得的腋下温度之间的相关性还正在研究之中，且发表的相关文章少之又少。
到目前为止，还没有任何结论性的证据表明，其中一种温度可以可靠地、一致性地表示为另一种温度。
本文通过研究部分受试人员的温度测试结果发现：
手持式红外侧温仪所测得的人体表面温度和体温（腋下温度）相比较，其温差因人体个体差异而一致性较差。
从本设计试验结果来看，如果将温差判据确定为2℃-4℃时，将仍然有35%左右的人员漏查和不必要的进一步待查。
而按照现在一些相关单位暂时提出的红外测温值修正1℃-3℃，那么可能漏查的人员更多！
基于普朗克辐射理论的红外非接触测温技术，由于被测物体均非物理惫义上的黑体（发射率ε=1）,而是灰体（发射率ε（λ,R,……）<1），而被测物体的发射率ε（λ,R,……）和辐射波长λ，辐射物体表面粗糙度R，被测物体的材料等有关，因而其测温的准确度受到限制。
相对于工业用途的红外测温来讲，人体表面的红外测温因每个人的个体差异较大（诸如人体自身对周围环境温度的适应调节能力，皮肤状况，化妆，出汗，肤色等），因而很难准确地（标准体温计的准确度为±0.15℃）地给出人体温度。
参考文献
[1]那彦.电子及通信毕业设计[M].西安：
西安电子科技大学出版社，2008.
[2]程玉兰.红外诊断实用技术[M].北京：
机械工业出版社，2002.
[3]赵全利，肖兴达.单片机原理及使用教程（第二版）[M].北京：
机械工业出版社，2008.
[4]彭承琳.生物医学传感器原理及使用[M].北京；高等教育出版社，2000.
[5]何希才.传感器及其使用实例[M].北京：
机械工业出版社，2004.
[6]黄贤武，郑筱霞.传感器实际使用电路设计[M].成都：
电子科技大学出
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