红外快速人体温度检测装置的设计与开发.doc
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学号
毕业设计(论文)
题目:
红外快速人体温度检测装置的设计与开发
作者届别
院别专业
指导教师职称
完成时间
毕业设计(论文)
摘要
红外快速人体温度检测装置系统由TPS334红外温度传感器、高精度放大器、双通道16位串行A/D转换器AD7705、AT89C51单片机、译码显示模块与报警电路等部分构成,实现非接触式红外快速测温,它能够在较短的时间内准确测量出人体的温度,而在测得温度超出某一范围时即启用报警电路进行超标报警。
文中提出了具体设计方案,讨论了红外非接触式体温计的基本原理,进行了可行性论证。
给出了电路图和程序流程图并附有源程序。
由于利用了单片机及数字控制系统的优点,系统的各方面性能得到了显著的提高。
关键词:
红外温度传感器;快速检测;A/D转换器;译码显示;超标报警
ABSTRACT
Thesystemisconsistedoftps334infraredtemperaturesensor,highaccuracyamplifier,thesixteenserialdigitalA/DswitchAD7705ofbinarychannels,singlechipofAT89C51,decodingdemonstrationmodule,warningcircuitandsoon.Sothenon-contacttypeinfraredclinicaltemperaturedetectingisrealized.Itcanbeaccuratetomeasurethetemperatureofhumanbodyinashorttime,butifthetemperatureisbeyondsomecertainscope,policeelectriccircuitwouldbeinusetocarryonasupermarktoreporttothepoliceelectriccircuitintime.Thearticlediscussedbasicprincipleoftheinfrarednon-contactclinicalthermometer,hasproposedtheconcretedesignproposal,andhascarriedonthefeasibleprooftest.Wehaveofferedthecircuitdiagram,theprogramflowdiagramandthesourceprogramisalsoattached.Sincewehavetakeadvantageofthesingle-chipandthedigitalcontrolsystem,thefunctionsofthesystemhavebeenimprovedstrikingly.
Keywords:
InfraredTemperatureSensor;FastCheck;A/DSwitch;DecodingDisplay;ExceededAlarm
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
1引言 1
1.1发展概况 1
1.2红外测温仪的优点与缺点 1
1.2.1红外测温仪的优点 1
1.2.2红外测温仪的缺点 2
1.3红外快速人体温度检测装置的研究意义 2
2红外快速人体温度检测装置的框架构思 4
2.1设计思路 4
2.2方案比较 4
2.3系统方框图及测量原理 5
2.3.1系统整体方框图 5
2.3.2测量原理 5
3系统设计与工作原理 7
3.1系统组成 7
3.2单元电路设计 7
3.2.1传感器的选用 7
3.2.2测量电路设计 9
3.2.3信号处理电路设计 11
3.2.4译码显示电路设计 20
3.2.5报警电路 20
3.2.6电源电路的设计 21
3.3系统工作原理 23
4软件设计 24
4.1算法设计 24
4.1.1热敏电阻测量温度算法设计 24
4.1.2热电堆信号算法设计 24
4.2程序设计 24
5结论 27
参考文献 28
致谢 29
附录 30
IV
1引言
1.1发展概况
目前,国内传统的体温测量是用医用玻璃液体温度计(俗称体温表)、医用电子接触式温度计(常用热敏电阻作为它的感温元件)等插入人体内部(舌下、肛门)或置于腋下,通过与人体接触使温度计测出人的体温。
但这些体温计的缺点是测量的速度慢(约2分钟以上)。
读数相对困难,易破碎,且一旦破碎,里面的水银流淌出来会污染环境,在使用时容易因消毒不彻底而引起交叉感染。
红外快速检测人体温度装置,有效地避免国内传统的体温测量的缺点,能够在机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、写字楼、学校等人流量较大的公共场所,快速,准确,没有交叉感染地测出人体温度。
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。
光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量,视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。
红外能量聚焦在光电探测器上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,并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。
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,但由于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年就有许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世界领先水平。
由于红外测温仪测量温度范围宽,除了用于人体温度检测外,还可用于电器的红外测温、供暖的红外测温、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!
1.2红外测温仪的优点与缺点
1.2.1红外测温仪的优点
(1)非接触测量:
它不需要接触到被测温度场的内部或表面,因此,不会干扰被测温度场的状态,测温仪本身也不受温度场的损伤。
(2)测量范围广:
因其是非接触测温,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。
一般情况下可测量负几十度到三千多度。
(3)测温速度快:
即响应时问快。
只要接收到目标的红外辐射即可在短时间内定温。
(4)准确度高:
红外测温不会与接触式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:
只要物体温度有微小变化,辐射能量就有较大改变,易于测出。
可进行微小温度场的温度测量。
(6)温度分布测量,以及运动物体或转动物体的温度测量。
使用安全及使用寿命长。
(7)安全。
安全是使用红外线测温仪最重要的益处。
不同于接触测温仪,红外线测温仪能够安全地读取难以接近的或不可到达的目标温度,在仪器允许的范围内读取目标温度。
非接触温度测量还可在不安全的或接触测温较困难的区域进行,像蒸汽阀门或加热炉附近,他们不需在冒接触测温时一不留神就烧伤手指的风险。
高于头顶25英尺的供/回风口温度的精确测量就在手边测量一样容易。
红外测温仪有激光瞄准,便于识别目标区域。
1.2.2红外测温仪的缺点
(1)易受环境因素影响(环境温度,空气中的灰尘等)。
(2)对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大。
(3)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。
1.3红外快速人体温度检测装置的研究意义
随着现代科学技术不断发展成熟与日益完善,红外线测温仪凭借其准确、快速、直观等特点,广泛应用于各行业,实时地在线监测和诊断设备故障。
近20年来,非接触红外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,市场占有率逐年增长。
红外线测温仪技术在生产过程中,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着重要作用。
这里设计的红外快速检测人体温度装置,由TPS334红外温度传感器、高精度放大器、A/D转换器AD7705、AT89C51单片机、译码显示模块与报警电路等部分构成,从原理上进行设计计算,并进行初步的制作与调试。
通过自己手动设计与开发红外快速检测人体温度装置,提升我们的动手设计能力,团队合作与学习的能力,同时也让大家熟悉日常生活中接触的先进仪表的基本原理,培养大家科学的人生观和求实的实践观。
2红外快速人体温度检测装置的框架构思
2.1设计思路
本设计中采用的红外传感器是PerkinElmerOptoelectronics的TPS334。
单片机是TI公司的带有LCD驱动的低功耗单片机,可以直接与LCD屏相连而不需要另外的驱动电路,它最多可以显示96段。
ADC采用的是AD公司带有恒定电流源的高精度的16位∑-△AD,它为两路输入,一路与热电堆相连,另一路与热敏电阻相连。
恒定电流源可以用于补偿电路中驱动热敏电阻。
红外传感器的两路输出(热电堆输出电压信号和热敏电阻两端电压信号)送到ADC,然后送到单片机,经单片机查表分别得出热电堆的两端温差和环境温度,并两值相加求出物体的真实温度,并把结果送到LCD进行显示。
2.2方案比较
方案1:
模拟处理方法
模拟电路的处理法就是将热敏电阻和热电堆的信号通过放大器进行比较,得出相应模拟电信号转换成相应温度。
其电路原理图,如图2.1所示。
在有限的温度范围内,热敏电阻的阻值与温度的4次方近似为线性关系。
即,其中Ro,是常数。
由黑体定律知道可以通过调整2个放大器的放大倍数,可使得输出信号只与被测物体温度的4-次方成线性关系,去除由环境温度而产生的输出分量,由此可确定物体温度,因而模拟处理方法的测量精度不高,不能达到测量体温的要求,但灵活性好,可以通过调节放大倍数以适合不同物体的温度测量。
方案2:
数字处理法
数字处理法原理是将热敏电阻和热电堆的信号转换成电信号经放大,通过A/D转换由单片机采集数据在内部计算处理可以得到相应的温度值。
这种数字处理法可以得到更高的精度。
它的精度由传感器的性能和A/D转换的位数决定。
数字处理法的框图如图2-2所示。
方案比较与论证:
方案1的精度得不到保证,一般只能用于工业上,不能用于人体温度测量。
方案2采用数字处理法,通过对信号进行放大,提高A/D转换器的分辨率是可以精确到0.1度,能够进行人体温度测量。
信号
比较
信号放大器
信号放大器
TPS334
图2-1模拟电路处理电路图
译码显示
红外传感器
单片机
A/D
放大器
报警电路
图2-2数字处理方框图
2.3系统方框图及测量原理
2.3.1系统整体方框图
通过以上的方案比较我们选用方案2,以数字处理法实现红外测温。
系统整体方框图如图2-3所示。
2.3.2测量原理
自然界一切温度高于绝对零度(-273.15oC)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9~10μm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秒钟以内可测试完毕。
由于它只接收人体对外发射的红外辐射,没有任何其它物理和化学因素作用于人体,所以对人体无任何害处。
报警电路
主光学系统
瞄准系统
检测元件
信号处理单元
显示单元
红外线
电源
图2-3系统整体方框图
3系统设计与工作原理
3.1系统组成
本系统由红外温度传感器TPS334、A/D转换器AD7705、AT89C51单片机、显示模块、报警电路组成单片机系统。
整体连接电路图如图3-1所示。
图3-1系统整体电路图
3.2单元电路设计
3.2.1传感器的选用
(1)黑体定律
红外体温计的测温原理是基于黑体辐射定律。
在任何温度下都能全部吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量的物体称为黑体。
黑体的单色辐射出度是描述在某一波长辐射源单位面积上发出的辐射通量。
温度为T的黑体单色辐射出度为:
M(,T)=(3.1)
其中:
,均为常数,=3.7418xW,=1.438xmK,e为自然对数,e=2.718,λ为该辐射源的波长。
由此可以计算出在温度为T的黑体在全部波长范围内的辐射出度为:
(3.2)
其中:
K是波尔兹曼常数,K=1.38x10-23J/K
此外,由于人体皮肤不是理想的黑体,只有在大子5的波长范围才可以近似看成是黑体,所以在红外传感器上要装有大子5.5的波长才可以通过的滤波器。
(2)红外传感器的结构
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组成的。
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贴电动势,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。
红外温度传感器我们选用TPS334,TPS334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。
(3)红外传感器的输出特性
温度为T的物体,其单位面积在全部波长的辐射功率可以表示为:
(3.3)
其中:
k是波尔兹曼常数,K=1.38x10-23J/K,是物体的发射系数,在0~1之间。
当用于红外传感器测量温度时,考虑到红外传感器热电堆另一端的环境温度,由热平衡方程,于是红外传感器其吸收的净热功率为:
(3.4)
其中:
K是一常数(由传感器决定),和分别为被测物体和传感器材料的发射系数,T,和T,分别是被测物体温度和传感器的环境温度。
由此可得出红外传感器的输出电压为:
(3.5)
其中:
s是传感器的敏感度(V/W)。
由传感器器本身决定。
由于实际传感器只测量一定的波长范围并且其敏感度只有在一定的波长范围才可以看成是常数,所以上式可进一步修正为:
(3.6)
由公式(3.6)可以看出,当环境温度一定时,红外传感器其输出电压与被测物体的绝对温度的4-次方成线性关系。
传感器的输出与被测物体的温度是单调的,即传感器的输出量与被测物体的温度是一一对应的,由此可以通过测量传感器的输出来确定被测物体的温度。
由于环境温度是可变的,所以还要进行环境温度补偿。
(4)环境温度补偿
热电堆输出端的电信号是反映热电偶冷热两端的温度差,也就是被测物体与热电堆冷端的温度差,而不是反映被测物休的真实温度。
因此,还需要进行环境温度补偿,也就是要测出热电堆的冷端温度。
环境温度补偿是通过红外传感器中负温度系数的热敏电阻完成的,它的阻值随着温度的升高而降低,由此通过测量其阻值就可以得知环境温度。
(5)传感器选用
红外温度传感器我们选用TPS334红外温度传感,TPS334红外温度传感器镜头带有滤波器,敏感系数高,在没有滤波器时为55V/W,有滤波器时为35V/W。
环境温度测量范围为-40℃到100℃,适合测量体温。
内部有热敏电阻不需要外接补偿装置。
其参数表如表3-1所示。
TPS334红外温度传感器光学滤波器主要通过的红外光线为7.5m到13.5m。
其滤波器特性如表3-2所示。
表3-1tps334参数表
参数
符号
范围
单位
备注
最小
平均
最大
电阻
RTP
20
75
100
KΩ
25OC
灵敏度
SV
20
35
50
V/W
标准滤波,500K,1Hz,25OC
时间常数
ζ
25
70
ms
25OC
燥声电压
VRMS
40
nVRMS/Hz
标准滤波特性
参数
范围
单位
备注
最小
平均
最大
平均传送
70
%
通过波长为7.5μm到13.5μm
平均传送
1
%
通过波长为可视波长到5μm
过滤波长
5.2
5.5
5.8
μm
25OC
表3-2光学滤波器特性
3.2.2测量电路设计
信号
测量电路由TLC2652组成的高精度放大器和双通16位串行A/D转换器AD7705构成。
方框图如图3-2所示。
A/D转换器
单片机
高精度放大器
图3-2测量电路方框图
测量电路主要包括两个方面,一方面是热电堆信号的处理;另一方面是热敏电阻信号的处理。
热电堆的信号直接是电压信号所以不需要其他处理,直接将其信号放大处理得到A/D转换器能够检测分辨的电压信号就可以了。
负温度系数的热敏电阻的信号是其电阻值的变化。
我们需要将其电阻值的变化转换为电信号。
(1)热敏电阻处理电路
本设计中我们选用高精度16位高精度A/D转换器,其分辨率相当高,高达76V,所以在转换电路不需要用电桥。
只需要用电阻串联分压就能满足要求了。
采用100K电阻与其串联分压。
令热敏电阻的阻值为,电源用直流5V电压供电,则其电压计算公式为:
U=(3.7)
热敏电阻处理电路如图3-3所示。
图3-3热敏电阻处理电路
(2)热电堆处理电路
本设计中我们选用的高精度16位高精度A/D转换器AD7705,是一个片内带有增益可编程放大器的A/D转换器。
可通过软件编程来直接测量传感器输出的各种微小信号。
AD7705片内的增益可编程放大器PGA可选择1、2、4、8、16、32、64、128等八种增益之一,并可利用它将不同幅度范围的各类输入信号放大到接近A/D转换器的满标度电压再进行A/D转换。
该应用电路中不使用放大电路,因此有利于提高转换质量。
所以我们选用A/D转换器的片内放大器作为热电堆信号的放大电路。
根据计算如果选用放大128倍工作方式A/D转换器可以感知到的热电堆信号的最小变化为0.596。
这已经是一个很微弱的信号了。
同时如果选用外部集成放大器,在使用时不方便,一般集成放大器需要双电源供电,对于便携式仪器来说不太现实。
所以在选用放大器时没有必要选用外部放大器。
3.2.3信号处理电路设计
三极管
信号的处理通过单片机读取数据后内部算法计算来实现,把温度经过译码用4位数码管显示。
我们选用单片机端口动态扫描显示,不需要外接译码器驱动LED。
其框图如图3-4所示。
A/D转换电路
单片机
LED
图3-4处理电路框图
(一).A/D转换电路
本次设计中选用的AD7705集成模块是AD公司推出的16位∑-△A/D转换器,可用于测量低频模拟信号。
这种器件带有增益可编程放大器,可通过软件编程来直接测量传感器输出的各种微小信号。
AD7705具有分辨率高、动态范围广、自校准等特点,因而非常适合于工业控制、仪表测量等领域。
具有两个全差分输入通道。
在设计中非常实用,只需要用1片AD芯片节约了硬件成本。
(1)AD7705的主要特点如下:
①具有16位无丢失代码;
②非线性度为0.003%;
③增益可编程,其可调整范围为1~128;
④输出数据更新率可编程;
⑤可进行自校准和系统校准;
⑥带有三线串行接口;
⑦采用3V或5V工作电压;
⑧功耗低。
AD7705的引脚排列如图3-5所示。
(2)各引脚的功能说明如下:
图3-5AD7705引脚排列图
①SCLK:
串行接口时钟输入端。
②MCLKIN:
芯片工作时钟输入。
可以是晶振或外部时钟,其频率范围为500KHz到5MHz。
③MCLKOUT:
时钟信号输出。
当用晶振作为芯片的工作时钟时,晶振必须接在MCLKIN和MCLKOUT之间。
如果采用外部时钟,则MCLKOUT可用于输出反相时钟信号,以作为其他芯片的时钟源。
该时钟输出可以通过编程来关闭。
④/CS:
片选端,低电平有效。
⑤/RESET:
芯片复位端口。
当该端为低电平时,芯片内的接口逻辑、自校准、数据滤波器等均为上电状态。
⑥AIN2(+):
为第2个差分输入通道的正端;AIN2(-):
为第2个差分输入通道的负端。
⑦AIN1(+):
为第1个差分输入通道的正端;AIN1(-):
为第1个差分输入通道的负端。
⑧REFIN(+):
为参考电压的正端;REFIN(-):
为参考电压的负端。
⑨DRDY:
A/D
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