人体红外测温仪电路系统设计与实现Word文档下载推荐.docx

1、Traditional temperature measurement method of operation is not convenient to use and the measurement time is longer,infrared thermometer provides a fast and non-contact means for the body surface temperature,can be used in people body surface temperature measurement widely and effectively.This paper

2、 describes the implementation of human infrared thermometer to make improvements,combined with pyroelectric principle.the STC89C52 microcontroller as its core control components and infrared temperature measurement probe TN901 as the basis for the analysis of the data.Then through the LCD to display

3、 the results,and set the alarm value.Compared with the traditional temperature measurement method,the method has a series of advantages,such as easy operation,short response time,long service life,noncontact and so on.The experimental results show that the error of the human body surface temperature

4、 measurement is less than 0.5 degrees Celsius in the temperature measurement distance is not less than 10cm.Keyword:The STC89C52 SCM Infrared Temperature Measurement Non contact 引言 在国内发展的红外测温仪的起步还是比国外晚一点,而且发展的方向也有些不同的方式,红外波长 0.76 100 m 之间，按波长的限制，可分为近红外，红外，远红外，超远红外四种，它是无线电波，在最后的位置，在电磁波频谱的可见位置之间。红外辐射是

5、最常见的一种是电磁辐射的性质，它通常是基于环境中的任意对象将改变分子的元素和子元素的原子不规则活动，不断辐射红外线能量，分子元素和原子元素的活动愈强烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小 使用红外辐射的方法开始温度检测的仪器是从单一到繁杂渐渐的研发而成的。红外测温仪是在一个点的温度限制为对象的早期检测，然后对检测线的温度，并不能显示物体的形状和表面的温度。直到第二十世纪五十或六十，由于红外探测器的光子探测器的迅速提高和有效出来，导致实验，热成像系统的理论基础。SARS 爆发后，人们越来越重视公共卫生和安全。非接触、高精度医用红外温度计的研发，能够让在公共场合、大流量人群的迅速检测具备首要的意

6、义。它不但具备强大的商业价值，并且又具有重要的社会价值。由于红外资源及传感器范畴创新的开发，新式测温仪器正逐渐替换传统的检测手法。如今美、英等国正悉力于增强前视红外系统信息处理本领（如智能人工目标分类），便携式个人电脑机可以实时生成高分辨率的图像，以解决缺陷方面的研究和产业化。世界上除少许大型军工企业公司（如美国 Honeuwell 公司、休斯飞机公司）除外，极多大商业公司（如三菱电气、日本横河（株）、瑞典 AGA公司、法国 Pyro 公司、Sofradier公司、HGH红外系统工程公司等）也正在积极地从事红外测温、热成像能力的科研及产品研发。在中国，近年来，随着中国工业的快速发展加速、产品升

7、级的需求，越来越多的温度计，虽然热电偶（热电阻）一类的接触感温元件仍然具有很大的优势，但非接触红外测温仪已被业界关注。经过对非接触式红外测温仪资料的搜集，我们可以看到，近年来重要的发展趋势是：非制冷红外自动测温仪有了很大的进步。非制冷红外传感器的研究进展中可以看出，红外阵列传感器应用在过去，是量子型红外探测装置液氮冷却，现在是用于非致冷红外阵列传感器的使用，红外自动温度记录仪具有小，重量轻，价格低的特点。国内外近来成功地研发了具有杰出抵抗干扰的等效温差传感器，它的温度记录精度在0.060.08,这是一个衡量毫米阵列式主动红外温度记录仪的热辐射的标准。近年来，红外自动温度记录仪的快速发展，使温度

8、检测的高分辨率，高精度、高速度成为可能。1.红外测温仪的背景及研究意义 1.1 红外测温技术的发展历程 在 19世纪，英国天文学家赫歇尔 F.W.发现红外线。20世纪 70年代，热成像系统和 CCD成功应用，这世纪末，焦平面阵列（FPA）红外装置已成功应用，红外技术核心是红外探测器。具有光学，光电，量子结构的光子检测器，热探测器与热敏电阻，热电偶，热电类型。从第一代红外探测器和多台设备上扫描成像到第四代的快速发展，带动了相关技术和相应的红外应用技术的飞速发展，红外材料，光学元件加工和涂层，冰柜，特别的信号电路处理，图像处理，系统设计，系统测试。仿真和测试技术，已经形成了比较完整的科研生产体系。

9、红外探测是一种高科技检测技术在线监控（不间断）的风格，它集光电成像技术，计算机技术，图像处理技术于一身，由于其分子运动的任何对象，不断向外辐射的红外线热，以便在物体表面，以形成一定的温度场，通常被称为“图像”。通过接收对象发射红外线（红外线）时，屏幕上的热图像显示，红外诊断技术是通过测量设备的表面温度和温度场分布的红外辐射能量的吸收，从而判断加热设备的情况。确定表面温度的分布，准精确，实时，快速等特点。红外测温技术在生产过程和产品质量控制和监测中，在机械故障的诊断和安全保护中发挥重要作用。在近 20年来，技术的非接触式红外测温仪得到了快速发展，也不断提高性能，功能也不断增强，品种不断增多，适用

10、范围正在扩大。比起接触式测温，红外测温有着响应时间快，非接触，安全性和使用寿命长等优点。目前，红外诊断技术检测设备的应用程序，如红外测温仪，红外热电视和红外热成像仪等。如使用热成像技术将这种看不到“热”转化为可见光图像直接使测试结果红外热电视和红外热成像仪器，灵敏度高，可检测的热设备微妙的变化，准确地反映设备内部，外部加热，高可靠性，及时发现设备隐患非常有效。1.2 红外测温仪的研究意义 由于需要用于医学的发展，在许多情况下，普通温度计满足不了快速和精确的温度测量的要求，诸如用于测量体温火车站和机场在人口密度大的地方。虽然现在国外，这个温度测量技术相对成熟，但技术仍处于发展阶段。因此，为了适应

11、医疗发展的需要，有效地为温度测量的特殊环境，从而有效地控制和预防诸如流，非典型特殊疾病的传播，有必要设计一种快速测定，高温测量精度。一般工业用红外线温度计的精度不够高，我们根据红外线温度测量原理，通过关键部件，其目的是系统设计和自动调节的温度补偿的选择，以提高红外线的精度温度计，设计了一种用于场合人员密集和大流量快速体温测量的红外温度测量电路。非接触式红外温度计可以通过使用最新的红外技术快速方便地测量物体的表面温度。与对象没有机械接触来进行测量和快速测量温度读数。只需要在对象瞄准进行测量时，按下扳机，在液晶显示读数的温度数据。红外线体温计具有重量轻，体积小，便于使用，携带方便和热，危险或难以到

12、达的对象准确测量的优点，而不会污染或损坏待测定对象。每秒接触温度计测量将需要的时间数分钟，每秒红外测温仪可以测量多个读数。在温度测量技术上红外线温度传感器的选择是非常重要的，不仅在温度测量使用红外线温度传感器，大面积的温度测量也可以使用红外线温度传感器。本次设计就是使用红外线温度传感器的温度测量技术，它具有高的温度分辨率，响应速度快的优点，而不会干扰测量的目标温度分布场，测量精度高，稳定性好;还有更多类型的红外线温度传感器，发展非常快，技术比较成熟，这是由设计红外温度传感器设计的非接触温度测量仪是主要的原因之一。2.系统总体方案选择 2.1 红外测温模块的方案论证 方案一：在这个方案中，该系统

13、分为红外温度传感器模块，MCU模块，按键模块，报警（蜂鸣器）模块，液晶显示模块和电源模块的模拟。所谓的模拟传感器的输出是一个传感器是模拟的，而不是可以直接进行的数字数据的处理，因此它需要通过一个信号放大和 AD转换可被发送到微控制器用于处理。在这个方案中，要通过红外线温度传感器的模拟接收人体发射红外线，则对应于通过传感器传出感温度的电压值的输出转换后。通过在液晶显示模块放大电路和 AD转换电路和发送到微控制器模块进行处理，然后将两个红外线温度传感器输出以显示相应的体温。方案二：这个项目的第一个方案的最大区别是：在该方案由 TN901 红外温度传感器来取代模拟红外温度传感器。由于 TN901红外

14、线温度传感器内部集成运算放大电路，AD转换电路，滤波电路和数字信号处理器，所以只能 TN901 传感器的直接传递到微控制器处理模块和液晶显示模块显示的测定温度数据传感器数据接口。方案对比和选择：两种方案比较，相对较低的方案，而是要设计要求和系统电路变得更加复杂，从而使功率增加，以及效率将降低，在工作量增加，但也带来了更多的要求。两种计划的比较，虽然 TN901模块成本的第二个计划是高的，但整个系统相对是比较简单的，传感器和 MCU可以直接连接。它不仅简化了电路，而不是电源模块带来更多的消费，因此电源效率将提高到一个新水平。考虑到各方面的问题，我认为方案二更适合这种设计。2.2.电源模块选取的方

15、案论证 方案一：采用 USB接口进行供电。随着科技的不断发达，电脑等产品的不断升级，电子产品智能化，很多电子产品的供电已经开始慢慢的转向 USB供电，USB供电不仅即插即用，而且更环保、更方便、更普遍，更能跟上时代的步伐。由电池供电。电池电源有着悠久的历史，并一直延续到现在，许多遥控器，手电筒等常用的家电产品也已经在使用电池供电，电池供电方便，易于更换电源。比较方案的选择：电池供电与 USB供电比起来更加便携，但是，在市场上电池的种类繁多，比如干电池、锂电池和纽扣电池等。电量都会很快消耗掉，而且 USB供电更方便快捷、即插即用、更环保，并且能符合电子产品的走势，所以还是采取 USB供电。综上所

16、述：本设计采用 0.5米的 USB供电线作为电源模块部分的设计。2.3控制部分的选择 从 ATS 和 STC 单片机我们可以了解到，51 和 52 单片机占了大多数，但 51单片机内存小而且由于设计的更高的要求，所以对于初学者来说，我选择 52，价格低廉,具有较高的价比。STC89C52 是 STC 司生产的 种低功耗、高性能 CMOS8 位控制,具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。在单芯片上，因其拥有灵活的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 功能，使得 STC89C52 为很多嵌入式控制应用系统提供了高效、灵活的解决方案。STC89C52 具有以下所示标准功能：8k 字节

17、 Flash，512 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，3个 16位定时器/计数器，一个 6向量 2 级中断结构，全双工串行口1。此外，STC89C52可以减少到 0赫兹静态逻辑操作，支持两种软件可选省电模式。在空闲模式下 CPU 停止工作，并允许RAM，定时器/计数器，串行口和中断系统工作。掉电保护模式,信息得以被保存，振荡器被冻结，单片机机器的所有工作停止，直到中断或硬件复位，最高工作频率35MHz 时，有 6T/12T 可选。P1口是 8 位双向 I/O 口内部上拉端口，P1 输出缓冲器可驱动 4 个 TTL逻辑电平。

18、P1 口，写入“1”，内部上拉端口电阻升高，这可以被用作输入。作为输入，外部上拉引脚为低电平，由于内部的输出电流（IIL）的阻力。此外，P1.0 和 P1.2分别定时器/计数器 2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器 2触发输入端口），在闪存编程和低 8 位地址接收的字节在 P1 口。P2口是一个具有内部上拉电阻的 8位双向 I/O口，P2输出缓冲器能驱动 4 个 TTL逻辑电平。对 P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将作为输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储

19、器（例如执行MOVXDPTR）时，P2 口送出高八位地址。在此时，P2口使用很强的内部上拉电阻。在使用 8位地址（如 MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2口输出 P2 锁存器的内容。在 flash 编程和校验时，P2 口也接收高 8位地址字节和控制信号。综合以上功能我选择 STC89C52 作为方案的控制部分的单片机。3.人体红外测温仪的原理和特点 3.1 人体红外线测温仪的理论依据 所有自然界的高于绝对零度（-273.15）的物体，由于分子的热运动，在不停止对周围空间辐射红外波段的电磁波,通过能量密度的辐射温度依赖性和对象本身与辐射法可得出红外辐射理论，辐射定律为：（3.1）式中：为辐射

20、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，就可得出其温度。这种测量不需要与要被测量的物体接触，因此它属于非接触测量。在不同的温度范围和对象发射电磁波能量波长分布是不同的，在室温下范围，能量主要集中在红外和远红外波长（0至 100）。对于不同的温度范围和在仪器的不同的测量对象，具体的设计也是不同的。根据式（3.2）的原理，仪器通过红外辐射测量：（3.2）式中：为光学的常数，与仪表具体的设计结构有关；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

21、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。我们人体主要辐射波长约在 910 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，所以可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面的温度。通过在红外能量人体辐射的测量可以精确地测量身体表面温度。红外测温技术的最大优势之一就是测试速度快，不到 1秒就可以完成测试。由光学系统，光电检测器，信号放大器和信号处理，显示输出部件红外线温度计。3.2 人体红外线测温仪的原理 红外测温仪的温度测量是基于黑体辐射

22、定律，传感器是测量温度信息的主要载体，通过传感器把经过的温度信息放大到电路 先转换成为毫伏级的电压信号把弱电压信号慢慢放大到单片机能够自由处理的可调控范围之内,然后再通过输入 A/D转换器把电压信号转换成为数字信号然后再通过相应的软件把得到的数字信号成功地输入到主机中去。在使用单片机对信号进行采集的时候一般为了提高测量的准确度,必须要求在采样的同时对信号进行数字滤波2。所有高于绝对零度的物体的性质已辐射能量，物体的向外辐射能量的改变与按波长的排布与它的表面温度有着相对贴切的因质，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。根据黑体光谱辐射亮度的普朗克公式，即：（3.3）式中第一辐射常数:,第二辐

23、射常数:其中：-波尔兹曼常数；-普朗克常数；-电磁在真空中的传播速度。3.3 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。红外测温仪是利用红外传感器对被测目标时的热辐射进行采集，测温仪内部的灵敏探测元件将采集的能量信息输送到单片机的微处理器中进行处理，然后转换为温度读数显示在 LCD显示屏中。所以人体红外测温仪的优点有：（1）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。（2）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。（3）非接触测量：它不需要接触到人体，只

24、需在额头前方 10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。（4）测量范围广：因为人体红外测温仪是非接触式的，所以测温仪不会处在很高或很低的温度环境中，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。（5）体积小，方便携带。（6）灵敏度高：只要人体温度有微小变化，辐射能量就会有较大改变，容易测出来。而且使用寿命长及使用安全。（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。3.4 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

25、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，所以应该考虑进去，检测仪器接收到的红外辐射包括目 标自身红外辐射和其它部位及周围环境的辐射，以及目标对太阳和环境辐射的反 射与散射。因此为准确对设备进行红外诊断，则必须考虑环境背景的辐射影响，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，实现准确的测温。（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）来分度的，而实际上，物质的发射率一般都小于 1.00，在需要测量目标的真实温度时，必须要设置发射率值。（3）温度测量范围和测定对象的大小之间的关系：在不同的距离，有效直径 D的衡量

26、的目标是不同的，并且在靶的测量应注意到目标的距离。红外线温度计距离系数 K的定义是测量的距离 L与靶的直径 D的测量比，即,。（4）目标的背景光测量：如果用一个明亮的背景光来测量物体（尤其是受阳光直射或强光），测量精度会受到影响，因此可以使用对象遮挡目标直接光消除背景光的干扰。（5）温度输出功能：首先，我们模拟输出信号-05V，15V，010V，0/4mA会加入到闭环控制。其次，低报警，高报警，在控制温度在一定范围内所需的生产工艺可设置高低报警值。高报警：高报警设置为打开的情况下，当温度低于上限报警值越高，对应的 LED 灯闪烁，继电器接通蜂鸣器会响。（6）如在温度测量是在一个不确定的环境下，

27、所在外部环境将会对温度测量以及测量误差的结果有一定的影响，所以需要一个校正环境温度。由节辐射公式可得出热释电传感器的响应公式为：（3.4）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（3.5）可以得到不同的标定公式：（1）简单关系式，即 （3.5）式中：，表中数据表明，不仅与 有关，还与 有关。（2）多项式，即 （3.6）令 （3.7）其实验结果表明，测温时的环境温度和物体表面温度要在一定的范围内，要使测温仪满足一定的精度，如环境温度=30，物体表面温度超出 180以上时，读数误差就会较大。从表 3.1所示：首先，它应该是分段标定物体的表面温度，因

28、为测量范围大，校准系数差异，所以细分的话影响也很大。实际应用中以 5为间隔，在 10下对系数校准，采样电压峰值在对系数的选择的时间内间隔下降。然后根据不同的环境温度和已被选定的校准系数，保证在不同的环境温度仍然可以精确的测量温度。分析表 3.1显示，当表面温度较低（78）时，经修改的系数受环境温度影响较大。校准系数在这个温度范围对象必须对环境温度修正。当表面温度较高时，修正系数基本上是由物体的表面温度来确定，这样的系数不必根据环境温度校正，这减少了校准系数的复杂性。下面表 3.1是不同环境下温度系数：表 3.1 不同环境下的温度系数 标准温度（）环境温度（）测量值（V）系 数 Ka（V/）34

29、.00 26.0 2.612 3.061 26.5 2.605 2.879 27.0 2.578 2.704 78.00 26.0 2.961 17.58 26.5 2.948 17.48 27.0 2.935 17.44 120.00 26.0 3.392 27.72 26.5 3.387 27.49 27.0 3.384 27.48 4.人体红外测温仪的硬件设计 4.1 总体设计 下图 4.1所示是人体红外测温仪系统的总体结构框图。图 4.1 系统总体结构框图 由上图 4.1可以看出，红外传感器接收到人体发出的红外线后，经过检测系统确定后，再在信号处理模块对所测得到的信号进行放大、滤波、再

30、进行一系列的计算，再由单片机处理传送到显示模块显示出温度读数。当外界温度超过或低于此温度时，1 脚会输出高电平或低电平，完成对温度的判断，进而实现对温度的控制或进行报警，如果经过处理后的数据大于所设置的预警数据，则蜂鸣器报警。如果检测完信号后送达处理系统处理，所测的数据有误，则可以通过控制器（按钮）来进行重新检测，直到显示正确温度。如下图 4.2是电路的电路原理图的处理模块：图 4.2 红外人体测温仪电路原理图 基于单片机 STC89C52红外测温仪是目前使用较多的设计理念的硬件设计的一部分，整个系统分为五个模块：红外测温模块;MCU 处理模块;电源模块;键盘模块和液晶显示模块。可以把一个复杂的问题分解