【正文】 3。 參考文獻(xiàn) 致謝 3 紅外快速檢測(cè)人體溫度裝置的設(shè)計(jì)與研制 秦軍紅 (德州學(xué)院物理系，山東德州 253023) 摘 要 系統(tǒng)由 紅外熱釋傳感器 、 溫度傳感器 DS18B高精度放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC54AT89C51 單片機(jī)、譯碼顯示模塊與報(bào)警電路等部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)非接觸式紅外快速測(cè)溫，它能夠在較短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量出人體的溫度，而在測(cè)得溫度超出某一范圍時(shí)即啟用報(bào)警電路進(jìn)行超標(biāo)報(bào)警。文中提出了具體設(shè)計(jì)方案，討論了紅外非 接觸式體溫計(jì)的基本原理，進(jìn)行了可行性論證。給出了電路圖和程序流程圖并附有源程序。由于利用了單片機(jī)及數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)的各方面性能得到了顯著的提高。 具有溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、不擾動(dòng)被測(cè)目標(biāo)溫度分布場(chǎng)、測(cè)量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)也有測(cè)量值受被測(cè)物體發(fā)射率、反射熱源、氣氛干擾影響的弱點(diǎn)。 關(guān) 鍵 詞 紅外熱釋傳感器 ； 溫度傳感器；快速檢測(cè)；非接觸測(cè)量； A/D 轉(zhuǎn)換器；單片機(jī)；譯碼顯示；超標(biāo)報(bào)警 Abstract This system by infrared pyroelectric sensor， temperature sensor DS18B20, high accuracy amplifier ， A/D switch TLC549, AT89C51 microputer master control part constitution ,decoding demonstration module and warning circuit . Realized the noncontact type infrared clinical thermometer． It can be accurate in shorter time to measure a temperature of human body, but at measure the temperature outrun some one scope be in use to report to the police electric circuit to carry on a super mark to report to the police namely. In the article discussed the infrared non contact type clinical thermometer basic principle, proposed the concrete design proposal, and has carried on the feasible proof. And we have produced the circuit diagram and the program flow diagram and attach the source program. Followon trend of abroad digitize was at present plied with in the design of this system, and the exploit singly merit of piece machine and numerical control system makes the each side function of system get the notable raise. With a temperature high 4 resolution, fast response, nondisturbance measured target temperature distribution field, high accuracy and stability and good。 also have measured values by the measured object emissivity, reflective heat, the atmosphere disturbances weaknesses. Key words Pyroelectric Infrared Sensors， temperature sensor， fast check， non contact measurement, A/D switch， single chip puter, decoding demonstration, excess warning 引言 目前，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的體溫測(cè)量是用醫(yī)用玻璃液體溫度計(jì)（俗稱體溫表）、醫(yī)用電子接觸式溫度計(jì)（常用熱敏電阻作為它的感溫元件等插入人體內(nèi)部 （舌下 、 肛門）或置 于腋下，通過(guò)與人體接觸使溫度計(jì)測(cè)出人的體溫。但這些體溫計(jì)的缺點(diǎn)是測(cè)量的速度慢 （約 2 分鐘以上）。玻璃水銀溫度計(jì)還易碎，在使用時(shí)容易因消毒不徹底而引起交叉感染。紅外快速檢測(cè)人體溫度裝置，有效地避免國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的體溫測(cè)量的缺點(diǎn)，能夠在機(jī)場(chǎng)、海關(guān)、車站、賓館、商場(chǎng)、影院、寫字樓、學(xué)校等人流量較大的公共場(chǎng)所，快速，準(zhǔn)確，沒(méi)有交叉感染地測(cè)出人體溫度。 在 2021 年全國(guó)防 “非典 ”斗爭(zhēng)中，中科院上海技術(shù)物理研究所在 863 計(jì)劃高技術(shù)成果的基礎(chǔ)上對(duì)紅外技術(shù)應(yīng)用于非接觸式測(cè)溫進(jìn)行了深入研究，在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)成功了 “非接觸式紅外測(cè)溫儀 ”，打開(kāi)了國(guó)內(nèi) “非接觸式測(cè)量 ”的新篇章，但由于這種裝置受一定因素影響，測(cè)量結(jié)果 還有待進(jìn)一步進(jìn)行校正。 在國(guó)外，非接觸式紅外測(cè)溫儀已經(jīng)非常先進(jìn)了，自 1999 年就有許多國(guó)家致力于這方面的開(kāi)發(fā)研究，到現(xiàn)在為止很多國(guó)家的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。比如：美國(guó)早在 2021 年就頒布了有關(guān)紅外測(cè)溫儀的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)雷泰公司生產(chǎn)的 ST 系列紅外測(cè)溫儀已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。由于紅外測(cè)溫儀測(cè)量溫度范圍寬，除了用于人體溫度檢測(cè)外，還可用于電器的紅外測(cè)溫、供暖的紅外測(cè)溫、運(yùn)輸 /汽車維修時(shí)的紅外測(cè)溫等各個(gè)領(lǐng)域。因此，它具有廣泛的開(kāi)發(fā)前景！ 這里設(shè)計(jì)的紅外快速檢測(cè)人體溫度裝置， 由 紅外熱釋傳感器 、 溫度傳感器DS18B高精度放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC54 AT89C51 單片機(jī)、譯碼顯示模 5 塊與報(bào)警電路等部分構(gòu)成 ， 從原理上進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并進(jìn)行初步的制作與調(diào)試。 1. 設(shè)計(jì)思路與原理方框圖 設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)中采用的 熱釋電紅外傳感器 是 PerkinElmer Optoelectronics 的 P7187。溫度傳感器是美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司最新推出的 DS18B20。 單片機(jī)是 TI 公司的帶有 LCD 驅(qū)動(dòng)的低功耗單片機(jī)，可以直接與 LCD 屏相連而不需要另外的驅(qū)動(dòng)電路，它最多可以顯示 96 段 。 ADC 采用的是 AD 公司帶有恒定電流源的高精度的 16 位 ∑△ AD，它為兩路輸入，一路與熱電堆相連，另一路與熱敏電阻相連。恒定電流源可以用于補(bǔ)償電路中驅(qū)動(dòng)熱敏電阻。 利用紅外傳感器對(duì)被測(cè)目標(biāo)時(shí)的熱輻射進(jìn)行采集，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將紅外傳感器采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將電信號(hào)通過(guò)放大電路， A/D 轉(zhuǎn)換等單元電路處理后送到單片機(jī)中，最后單片機(jī)將帶有數(shù)據(jù)信息的電信號(hào)進(jìn)行分析處理，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成與之相對(duì)應(yīng)大小的溫度值 并 將 結(jié)果送到 LCD 進(jìn)行顯示。 系統(tǒng)方框圖及測(cè)量原理 系統(tǒng)方框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，建立總 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架?？傮w框架圖如 紅外測(cè)溫裝置襲擊框架 測(cè)量原理 自然界一切溫度高于絕對(duì)零度 (℃ )的物體，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，都 6 在 不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其輻射能量 與物體本身的溫度關(guān)系符合輻射定律 。 公式一 中： E 為輻射出射度， 表現(xiàn)物體輻射能力的強(qiáng)弱，單位是 W／ m3； δ為斯蒂芬 — 彼 爾茲曼常數(shù) ， 10 8W／ (m2K4) ； ε 為物體的輻射率； T 為物體的溫度，單位 K； T0 為物體周圍的環(huán)境溫度，單位 K。 物體的溫度越高，輻射功率就越大。相反，物體輻射功率越大，其溫度也越高，利用這個(gè)公式，我們就可以知道所測(cè)量物體的溫度。 人體主要輻射波長(zhǎng)在 9～ 10μ m 的紅紅外線，通過(guò)對(duì)人體 量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確的測(cè)量人體表面溫度。由于該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，因而能更準(zhǔn)確的測(cè)量人體表面溫度。紅外測(cè)溫最大的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快，并由于它只吸收人體對(duì)外發(fā)射的紅外輻射，沒(méi)有任何化學(xué)、生物因素作用于人體，所以可以安全放心使用。 紅外快速檢測(cè)人體溫度裝置 是利用紅外傳感器對(duì)被測(cè)目標(biāo)時(shí)的熱輻 射進(jìn)行采集，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將紅外傳感器采集 到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將電信號(hào)通過(guò)放大電路， A/D 轉(zhuǎn)換等單元電路處理后送到單片機(jī)中，最 后單片機(jī)將帶有數(shù)據(jù)信息的電信號(hào)進(jìn)行分析處理，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成與之相對(duì)應(yīng)大小的溫度值顯示輸出。 當(dāng)人體靠近紅外探測(cè)器的有效范圍后，人體釋放的電磁波或紅外輻射會(huì)被紅外熱釋傳感器所吸收，從而引起紅外熱釋傳感器輸出電壓的變化。但因其輸出電壓信號(hào)特別小，所以要經(jīng)過(guò)一定的放大處理。然后經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換等電路處理后送入單片機(jī)，單片機(jī)將傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)分析處理，并將起轉(zhuǎn)換為相應(yīng)大小的溫度值顯示輸出。當(dāng)顯示的溫度低于所設(shè)置的溫度（ T＜ TL） 就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警電路聲光報(bào)警；當(dāng)顯示的溫度高于所設(shè)置的最高溫度（ T＞ TH），也會(huì)啟動(dòng)聲光電路報(bào)警。圖 是紅外測(cè)溫的系統(tǒng)原理圖。 E=δε（ T4T04) (公式一 ) 7 系統(tǒng)原理圖 2 器件選擇 紅外器件的選擇 熱釋電效應(yīng) 當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著在晶體表面的自由電子所 中和，其自發(fā)極化電 性 不能表現(xiàn)出來(lái)。 某些 晶體 (如： PZT， LiTaO3， PVFZ 等 )的表面接受了紅外線的輻射能量，其表面產(chǎn)生溫度變化，隨著溫度的上升或下降，這些物質(zhì)表面上就會(huì)產(chǎn)生電荷的變化。 圖 為 熱釋電 晶體表面電荷隨溫度變化的移動(dòng)情況。 圖 熱釋電效應(yīng)圖 可見(jiàn)，當(dāng)紅外線照射熱釋電元件時(shí)，其內(nèi)部極化作用發(fā)生很大的變化，其變化部分作為電荷釋放出，從外部取出該電荷就變成傳感器的輸出電壓。由此可見(jiàn)，熱釋電傳感器只有在溫度變化時(shí)才有輸出電壓。 8 P7187 熱釋電紅外傳感器 熱釋電 紅外 傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有 ΔT 的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷 ΔQ ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓 ΔV 。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件 PZT、場(chǎng)效應(yīng)管 FET 等組成。其中，濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過(guò)的窗口。濾光片為6mm 多層膜干涉濾光片，對(duì)太陽(yáng)光和熒光燈光的短波長(zhǎng)（約 5mm 以下）可很好濾除。熱釋電元件 PZT 將波長(zhǎng)在 8mm～ 12mm 之間的紅外信號(hào)的微 弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，為了只對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅耳濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。 P7187 熱釋電紅外探測(cè)器是由熱釋電紅外傳感器、菲涅耳透鏡及電子電路組成的一種光電檢測(cè)裝置。他能無(wú)接觸地檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)輻射出的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出 。 人體的體溫約為 3 7℃ ，輻射最多紅外線的波長(zhǎng)是 10μm 左右，而 P7187 對(duì) 7～ 20μm 范圍波長(zhǎng)比較靈敏，他采用了 2 個(gè)熱釋電元件 PZT 板， PZT 板表面吸收紅外線，并在受光面的內(nèi)外各自安裝取出電荷的一對(duì)電極，能敏感的捕捉到被測(cè)物體或光源，具 有很高的靈敏度。這 2 個(gè)受光電極反向串聯(lián)，可有效地防止背景波動(dòng)以及干擾光照射時(shí)的誤動(dòng)作 (一是環(huán)境變化引起的誤動(dòng)作，二是使用光調(diào)制器時(shí)的誤動(dòng)作 )對(duì)傳感器的影響，當(dāng) 2 個(gè)受光電極同時(shí)受到紅外線照射時(shí)，輸出電壓相互抵消而無(wú)輸出，只有當(dāng)人體移動(dòng)時(shí)才有電壓的輸出，輸出電壓比較精確的反映了人體移動(dòng)的情況。 圖 為組成結(jié)構(gòu)圖和 P7187 等效電路圖。 圖 P7187 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖與等效電路圖 9 LM358 放大器件 （ 1） LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻 率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。 （ 2） LM358 參數(shù)特性 內(nèi)部頻率補(bǔ)償 ； 內(nèi)部頻率補(bǔ)償 ； 直流電壓增益高 (約 100dB)； 單位增益頻帶寬 (約 1MHz)； 電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?(3— 30V)； 雙電源 (177。 一177。 15V)； 低功耗電流，適合于電池供電 ； 低輸入偏流 ； 低輸入失調(diào)電壓和失 調(diào)電流 ； 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 ； 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 ； 18