【文章內容簡介】 隨時觀測。由于玻璃的結構比較致密，水銀的性能非常穩(wěn)定，所以玻璃體溫計具有示值準確、穩(wěn)定性高的特點， 擁有 價格低廉、不用外接電源的優(yōu)點，深受人們特別是醫(yī)務工作者的信賴。但此種體溫計也有諸多弊端 ，例如， 遇熱或安置不當容易破裂 ， 人體接觸水銀后會中毒 ，輕者 惡心、頭痛重者會造成血液 凝固 等 。 醫(yī)用 電子體溫計是 利用某些物質的物理參數(shù)（如電阻、電壓、電流等）與環(huán)境溫度之間存在的確定關系，將體溫以數(shù)字的形式顯示出來，讀數(shù)清晰，攜帶方便。許多醫(yī)院也采用了電子體溫計，因擁有快速、無需接觸被測者等的優(yōu)點而被廣泛采用。其不足之處在于示值準確度受電子元件及電池供電狀況等因素影響，即性能暫不能與傳統(tǒng)的體溫計相比不如玻璃體溫計。 紅外 測量體 溫 技術在生產過程中，在產品質量控制和監(jiān)測，設備在線故障診斷和安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮重要作用。根據紅外測溫原理，任何物體由于其自身分子運動，不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場，俗稱“熱像”。紅外體溫計正是通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，準確地測定它的表面溫度。所用的紅外傳感器只是吸收人體輻射的紅外線，采用的是被動式且非接觸式的測量方式，因此紅外體溫計不會對人體產生輻射傷害。比起前兩種測溫方法，紅外體溫計有著響應時間快、使用安全、使用壽命長及可靠性高等優(yōu)點。近 20 年來，紅外體溫計 在技術上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴大。 智能非接觸式電子體溫計設計 第 2 頁 共 58 頁 紅外測溫技術發(fā)展 自從 1800 年英國天文學家 F W 赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射至今，紅外技術的發(fā)展經歷了將近兩個世紀。從那時開始，紅外輻射和紅外元件、部件的科學研究逐步發(fā)展，但發(fā)展比較緩慢，直到 1940 年前后才真正出現(xiàn)現(xiàn)代的紅外技術。當時，德國研制成硫化鉛和幾種紅外透射材料，利用這些元、部件制成一些軍用紅外系統(tǒng)，如高射炮用導向儀、海岸用船舶探測和跟蹤系統(tǒng)，機載轟炸機探測儀和火控系統(tǒng)等等。其中有些達到實驗室試驗階段，有 些已小批量生產，但都未來得及實際使用。此后，美國、英國、前蘇聯(lián)等國競相發(fā)展。特別是美國，大力研究紅外技術在軍事方面的應用。目前，美國將紅外技術應用于單兵裝備、裝甲車輛、航空和航天的偵察監(jiān)視、預警、跟蹤以及武器制導等各個領域。 紅外技術發(fā)展的先導是紅外探測器的發(fā)展。 1800 年， F W 赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射時使用的是水銀溫度計，這是最原始的熱敏型紅外探測哭器。 1830 年以后，相繼研制出溫差電偶的熱敏型探測器。 19 世紀，科學家們使用熱敏型紅外探測器，認識了紅外輻射的特性及其規(guī)律，證明了紅外線與可見光具有相同的物理性質，遵守相同的規(guī)律。它們都是電磁波之一，具有波動性。 20 世紀初開始，測量了大量的有機物質和無機物質的吸收、發(fā)射和反射光譜，證明了紅外技術在物質分析中的價值。 30 年代，首次出現(xiàn)紅外光譜代，以后，它發(fā)展成在物質分析中不可缺少的儀器。 40 年代初，光電型紅外探測器問世，以硫化鉛紅外探測器為代表的這類探測器，其性能優(yōu)良、結構牢靠。 50 年代，半導體物理學的迅速發(fā)展，使光電型紅外探測器等到新的推動。到 60 年代初期，對于 135 和 813 微米三個重要的大氣窗口都有了性能優(yōu)良的紅外探測器。在同一時期內，固體物理、光學、電子學、精密機械和微型致冷器等方面的發(fā)展，使紅外技術在軍、民兩用方面都得到了廣泛的應用。 在紅外技術的發(fā)展中，需要特別指出的是： 60 年代激光的出現(xiàn)極大地影響了紅外技術的發(fā)展，很多重要的激光器件都在紅外波段內，其相干性便于移用電子技術中的外差接收技術，使雷達和通信都可以在紅外波段實現(xiàn)，并可獲得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，紅外技術僅僅能探測非相干紅外輻射，外差接收技術用于紅外探測，使探測性能比功率探 測高好幾個數(shù)量級。另外，由于，這類應用的需要，促使出現(xiàn)新的探測器件和新的輻射傳輸方式，推動紅外技術向更先進的方向發(fā)展。 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 共 58 頁 課題研究 目的和 意義 體溫 是機體功能活動正常進行的重要條件， 人能夠在環(huán)境溫度不同的情況下， 通過對體內產熱和散熱過程的調節(jié)來保持體內環(huán)境溫度 相對穩(wěn)定，并提高對環(huán)境溫度變化的適應能力。在健康狀態(tài)時 ， 人體的體溫一般是比較恒定的，即保持在 37℃上下，而不因外界環(huán)境溫度的改變而變化。但是當人體 內的某些機能發(fā)生改變或某些部位發(fā)生病變時，恒定的體溫將產生變化。 在臨床醫(yī)學中，體溫是一個重要的生理參 數(shù)，病人的體溫為醫(yī)生提供了生理狀態(tài)的重要信息 ， 因此，對人體溫度進行測量不僅可以確診疾病的發(fā)生，還可以對某些重大疾病或隱藏于身體內部的健康隱患起著積極的預防與警示作用。例如， 在“非典”時期，我們可以通過對人體溫度的監(jiān)測來隔離那些可能患病的人群，從而達到 預防“非典”傳播的作用 。 在公共場所進行體溫監(jiān)測時主要考慮以下三個基本要求：非接觸、測量的快速性和準確性。采用紅外非接觸測量體溫的方法進行體溫測量可以滿足這樣的要求 ， 因此，對非接觸人體體表溫度的測量方法進行研究有著非常現(xiàn)實的意義，是在非常時期應付突發(fā)疫情的必要工 作。在體溫計的應用領域中，紅外智能非接觸體溫計比起傳統(tǒng)體溫計也具有很多應用意義。例如使用更便捷，在家庭使用中， 在不打擾孩子睡眠或玩耍的情況下觀察孩子每天的體溫變化，了解孩子 健康狀況 ， 孕婦、老人在測量體溫時也極大的提高了方便性； 測量 數(shù)據更精確，智能非接觸式體溫計的另一個先進之處是精確，通常精度都是 1度以內。而且響應時間短，反應速度快，易于快速動態(tài)測量；使用更安全，安全是使用紅外體溫計最重要的益處，不同于接觸式體溫計，紅外體溫計在不與人體接觸的情況下能夠安全地測量和讀取 人體溫度，有效 減少病菌的交叉感染；更加節(jié)能環(huán)保，它快速精準的測溫不僅提高了醫(yī)學領域的效率，而且更加環(huán)保節(jié)能。 智能非接觸式體溫計給醫(yī)學領域帶來了極大的方便，正因為如此，它將 促進高效節(jié)能成套新技術、新設備、新材料產業(yè) 大力發(fā)展，實現(xiàn)傳統(tǒng)體溫計測溫的更新改造，同時也產生了強大的能源環(huán)境效益，伴隨著巨大的經濟效益和社會效益，因此，研究紅外智能非接觸式電子體溫計 具有 非常重要的意義。 論文主要內容及章節(jié)安排 本論文主要利用紅外測溫原理，圍繞智能非接觸式電子測量體溫這一主題進行一系列設計，并 在深入 理解了紅 外測溫理論基礎之上 ， 對方案進行了整體設計，經查閱資料，設計出兩種方案，進行比較最終確定比較合理的方案。此外，對現(xiàn)有紅外測溫傳感器這智能非接觸式電子體溫計設計 第 4 頁 共 58 頁 一主要功能模塊和單片機主控芯片分別進行比較和選擇，以提高整體方案的可行性。整體方案確定之后，在硬件電路的設計中，通過所要實現(xiàn)的功能完成電路的搭建；在軟件程序設計中，通過分模塊程序設計實現(xiàn)此次設計的功能，最后對整個系統(tǒng)進行軟件仿真并對系統(tǒng)的誤差處理進行了分析。 其中，第 2 章是對 系統(tǒng)的設計與論證，先對設計方案總體論證再對主要控制器件進行論證，第 3 章重點介紹各模塊的硬件電路，并對每個芯片的引腳功能進行了詳 細描述，第 4 章為系統(tǒng)的軟件設計，主要是各模塊實現(xiàn)其功能的流程圖的設計和程序的編寫，第5 章為系統(tǒng)仿真和誤差處理，在對系統(tǒng)硬件設計和軟件設計之后，對系統(tǒng)進行軟件仿真以實現(xiàn)其相應的功能。 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 共 58 頁 2 系統(tǒng)工作原理與方案設計 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)主要利用紅外測溫原理， 一切溫度高于絕對零度（ ℃）的物體 ，由于分子 熱運動 都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體紅外輻射能量的大小及其按波長 分 布與它表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量 測量，便能準確地測定 其 表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。因此，本文中的紅外測溫就是利用人體自身的紅外輻射來測定其表面溫度的一種測量溫度的方法。 紅外測溫 的 原理是基于黑體輻射定律的，黑體是一種理想化的輻射體，它在任何溫度下都能全部地吸收投射到其表面的任何波長的輻射能量，其表面吸引率為 1。為了弄清和獲得紅外輻射分布的規(guī)律，普朗克提出了體腔輻射的量子化振子模型，從而導出了普朗克黑體輻射定律，其表達式為： 2521( , )1hckThcMTe ??? ???? （ 1） 式 （ 1） 中， c為真空中的光速（ ）； k 為波爾茲曼常數(shù)（ ）； h 為 Plank 常數(shù)（）； λ為波長； T 為絕對黑體的溫度（ K）； 由 式 （ 1） 可得出在溫度 T時黑體在全部波長范圍內的輻射出度為： 40( ) ( , )M T M T d T? ? ????? （ 2） 式 （ 2） 中， σ = 由式 （ 2） 可知：黑體總的輻射出度與黑體的絕對溫度 T 的四次方成正比。因此，當用紅外測溫測量目標的溫度時首先要測量出目標在其波段內的紅外輻射量，紅外能量被紅外溫度傳感器接收，并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘枴Ｔ撔盘柦涍^放大器和信號處理電路，并按時系統(tǒng)內部的算法校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值，然后由測溫系統(tǒng)計算出被測目智能非接觸式電子體溫計設計 第 6 頁 共 58 頁 標的溫度。 基于紅外測溫原理，以單片機為核心，通過按鍵控制單片機以判斷是否對采集測溫。當測溫鍵按下時， 系統(tǒng)利用紅外溫度傳感器檢測到 人體 溫度，并將其轉換為微弱電信號，通過 紅外測溫模塊內部 A/D 轉 換電路將電信號轉換為數(shù)字信號，并將之送入單片機控制電路，這樣單片機便可以對信號進行比較系統(tǒng)的處理， 處理結果 通 過 LCD 顯示電路 和語音電路進行信息輸出 ，顯示模塊 和語音模塊 便能準確顯示 和讀出 人體溫度。當 被測人體溫超過 38℃ 時 ， LED 燈亮 的同時蜂鳴器蜂鳴 報警 。當 測溫鍵沒有按下時，系統(tǒng)在時鐘電路作用下顯示當前時間 及所設置溫度的上下值，統(tǒng)計人數(shù)初始化為 0。 系統(tǒng)設計的總體框架如 圖 所示： 按 鍵 控 制溫 度 采 集單 片 機 控 制 單 元信 息 輸 出聲 光 報 警 圖 系統(tǒng)總體框架圖 系統(tǒng)方案選擇 基于本次系統(tǒng)的工作原理，利用紅外測溫傳感器、單片機以及其它器件設計實現(xiàn)非接觸式電子體溫計的測溫，使之達到響應時間最長不超過 1s、精度達到 ℃ ?，F(xiàn)對此次設計的總體方案進行 設計與選擇 。 方案一 在該方案中，系統(tǒng)分為模擬紅外溫度傳感器（內含環(huán)境溫度測量）模塊、放大電路模塊、 A/D 轉換電路模塊、 MCU 主控模塊、聲光報警模塊、 LED 顯示模塊和電源模塊（如圖 所示） 。通過模擬傳感器輸出模擬信號， 并 通過 信號 放大 電路 和 A/D 轉換 電路 處理傳輸給單片機 ，單片機對其 進行 LED 顯示，當超出設定的溫度范圍時，進行聲光報警 。如圖 方案一總體設計框圖所示： 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 共 58 頁 模 擬 紅 外 傳 感 器 放 大 電 路 A / D 轉 換 電 路 M C U 主 控 電 路 L E D 顯 示聲 光 報 警電 源 電 路 圖 方案一 總體設計框圖 首先模擬紅外溫度傳感器接收人體發(fā)出的紅外線，然后經過轉換后輸出對應的電壓值，傳感器同時通過片上溫度傳感器測量環(huán)境溫度 /傳感器溫度。這兩個紅外溫度傳感器的輸出量通過放大電路和 A/D 轉換電路處理后傳輸?shù)?MCU 模塊進行相關的處理（軟件濾波、黑體校定等），然后通過 LED 模塊顯示相應的人體溫度 。如果超出所測的范圍聲光報警器進行報警以示提醒。 方案二 該方案與第一個方案的最大區(qū)別是：在本方案中采用數(shù)字紅外溫度傳感器代替模擬紅外溫度傳感器。由于數(shù)字紅外 溫度 傳感器內部集成了運放電路、 A/D 轉換電路、濾波電路和數(shù)字信號處理器，所以只需通過傳感器的數(shù)據接口就可以把傳感器所測量的人體溫度數(shù)據直接傳輸給 MCU 主控模塊進行處理 。 在處理完 被測物體表面的溫度后，有兩種方式向使用者提供溫度信息：第一種方式是顯示在圖形點陣式 LCD 上 ； 第二種方式是以語音的形式播放以告知使用者溫度信息。 如 圖 所示 ： 熱電堆傳感器濾 波電 路放 大電 路A /D轉換電路數(shù) 字 紅 外 傳 感 器M C U 主 控 電 路報 警 電 路電 源 電 路語 音 播 報液 晶 顯 示 圖 方案二 總體設計框圖 智能非接觸式電子體溫計設計 第 8 頁 共 58 頁 對于方案一，模擬傳感器的成本相對要低，而且整個系統(tǒng)設計的自由度相對要高一些，但是也使得系統(tǒng)電路變的更為復雜。例如集成運放電路要用到雙電源供電，這就使得電源模塊的設計變得復雜、功耗變大和效率變得更低，這對于使用電池供電的便攜式系統(tǒng)是不利的 ； 同時在軟件設計方面，要涉及到濾波處理、溫度線性校準處理和黑體校定等，這使得設計工作量大大增加 ， 而且對于開發(fā)者的開發(fā)環(huán)境要求較高，例如要具備黑體校定的設備等。 而 在方案二里采用 數(shù)字傳感器的成本雖然相對模擬傳感器的較高，但整個系統(tǒng)的設計相對簡單，數(shù)字紅外