【正文】 .. 20 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 頁 共 38 頁 5 端口的定義 ...................................... 28 操作時(shí)序圖 ...................................... 29 指令說明 ......................................... 29 報(bào)警電路 ...............................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 目標(biāo)溫度 Tobj 的計(jì)算 ................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 ......................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 程序流程圖 .............................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 硬件測(cè)試 ..........................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 數(shù) 據(jù)分析 ...............................錯(cuò)誤 !未定義書簽。病人的體 溫為醫(yī) 生提供了極為重要的生理 狀態(tài) 的各種信息。其缺 點(diǎn) 是 測(cè) 量 時(shí)間 比 較長 ，受 測(cè) 量位置的影響 較 大 ， 給 使用者 帶來諸 多不便。紅 外 輻 射式體 溫 儀 應(yīng) 用 紅 外 線輻射測(cè) 量原 理實(shí)現(xiàn)了 人體體 溫 的非接觸 測(cè) 量，非接觸式人體體 溫測(cè) 量是一種理想的解 決 方法， 該測(cè) 量 裝 置不 會(huì)對(duì) 人體構(gòu)成任何威 脅 。 在 2020 年全 國 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)開發(fā) 成功了“非接觸式 紅 外 測(cè)溫儀 ”，打 開 了 國內(nèi) “非接觸式 測(cè) 量”的新篇章，但 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。到 現(xiàn) 在 為止 ，很多 國 家的 產(chǎn)品已 經(jīng)達(dá) 到 國際 先 進(jìn) 水平，并已 廣泛應(yīng) 用于各 個(gè)領(lǐng) 域。由于 紅 外 測(cè)溫儀測(cè)溫 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) 量、供暖的 紅 外 測(cè) 量、 運(yùn)輸 汽 車維 修 時(shí) 的 紅 外 測(cè) 溫 等各 個(gè)領(lǐng) 域。 本文 設(shè)計(jì) 的 紅 外快速測(cè)量人體 溫 度的 裝 置，是由 TS1183紅 外 溫 度 傳 感器 、雙 信道A/D 轉(zhuǎn)換 器 AD770 STC89C52 單 片機(jī)、 LCD1602 液晶 顯 示屏、 報(bào) 警和 時(shí)鐘電 路等電路 組成， 從 原理的 設(shè)計(jì) 到方案的 論證 ，最后到實(shí)際制作和 調(diào)試， 都 達(dá) 到了 預(yù) 期的效果。 在臨床醫(yī)學(xué)中，體溫是一個(gè)重要的人體生理參數(shù)。所以體溫計(jì)無論是在日常保 健和還是臨床診斷上，都是必不可少的醫(yī)用計(jì)量器具。水銀體溫計(jì)雖然價(jià)格便宜，性能穩(wěn)定，但也有許多弊端：其一，水銀體溫計(jì)遇熱或放置不當(dāng)，容易破裂使水銀泄露，從而造成人體陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 38 頁 接觸中毒、污染環(huán)境；其二，水銀體溫計(jì)是根據(jù)水銀隨溫度升降的熱脹冷縮的性質(zhì)，通過讀取刻度值來判斷溫度的高低，有時(shí)由于光線較暗或其它因素的影響，使觀察者難以準(zhǔn)確判斷體溫值；其三，采用水銀體溫計(jì)測(cè)量體溫時(shí)，往往要等待較長的時(shí)間，使其能夠充分受熱。雖然現(xiàn)在國外這種測(cè)溫的技術(shù)都比較成熟，但是國內(nèi)這方面的技術(shù)還處于發(fā)展階段。針對(duì)一般的工業(yè)使用的紅外測(cè)溫儀的精確度不夠高，我們根據(jù)這種紅外線測(cè)溫的原理，通過關(guān)鍵器件的選擇、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及溫度補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)調(diào)節(jié)來提高紅外線測(cè)溫儀的精確度，從而設(shè)計(jì)了一種用紅外線測(cè)溫系統(tǒng)，用于對(duì)于人員密集且流量大的場(chǎng) 合進(jìn)行快速的人體溫度測(cè)量 。紅外診斷技術(shù)是通過吸收這種紅外輻射能量，測(cè)出設(shè)備表面的溫度及溫度場(chǎng)的分布，從而判斷設(shè)備發(fā)熱情況。像紅外熱電視、紅外熱像儀等設(shè)備利用 熱成像技術(shù)將這種看不見的 “ 熱像 ” 轉(zhuǎn)變成可見光圖像，使測(cè)試效果直觀，靈敏度高，能檢測(cè)出設(shè)備細(xì)微的熱狀態(tài)變化，準(zhǔn)確反映設(shè)備內(nèi)部、外部的發(fā)熱情況，可靠性高，對(duì)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患非常有效。 發(fā)展歷史 和應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展現(xiàn)狀 1800年，英國物理學(xué)家 F 赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來研究各種色光時(shí)，發(fā)現(xiàn)了紅外線。 自從赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射至今，紅外技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了將近兩個(gè)世紀(jì)。當(dāng)時(shí)，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(dǎo)向儀、海岸用船舶偵察儀、船舶探測(cè)和跟蹤系統(tǒng)，機(jī)載轟炸機(jī)探測(cè)儀和火控系統(tǒng)等等。此后，美國、英國和前蘇聯(lián)等國競(jìng)相發(fā)展。目前，美國將紅外技術(shù)應(yīng)用于單兵裝備、裝甲車輛、航空和航天的偵察監(jiān)視、預(yù)警、跟蹤以及武器制導(dǎo)等各個(gè)領(lǐng)域。 目前世界上體積最小、重量最輕的數(shù)顯體溫計(jì)由日本松下電器產(chǎn)業(yè)公司開發(fā)，日本 持田制藥公司公布于眾。它是耳式體溫計(jì)，測(cè)量體溫時(shí)， 將其插入耳孔內(nèi)，熱電式紅外傳感器接收了耳孔內(nèi)耳膜周圍的紅外線 ，熱電傳感器的電 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 38 頁 流經(jīng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換等，便可測(cè)得體溫。 在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫度監(jiān)測(cè)與控制方面，紅外溫度傳感器以其優(yōu)異的性能，滿足了多方面的要求。在食品行業(yè)紅外溫度可以在不被污染的的情況下實(shí)現(xiàn)食品溫度記錄，因此備受歡迎。我國的醫(yī)用紅外成像技術(shù)起步比較晚， 1976年以前還是一片空白，知道上世紀(jì) 80年 代，我國才初步有了真正意義上的醫(yī)用紅外設(shè)備，但由于當(dāng)時(shí)的科技條件和生產(chǎn)制造工藝水平，其溫度分辨率，空間分辨率，和醫(yī)學(xué)分析軟件都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后西方國家。 軍事上： 50年代前期所用的紅外夜視設(shè)備，是主動(dòng)式紅外夜視儀，一般采用紅外變像管作為 接收器，工作波段在 1左右，在夜間可看見 100米處的人，數(shù)公里內(nèi)的坦克、車輛和 10公里遠(yuǎn)的艦船。 60年代后期，美國研制了一種光機(jī)掃描式紅外成像系統(tǒng)，為飛機(jī)夜航和在惡劣氣 候條件下的飛行提供觀察手段．其工作波段是 8～ 12 ．一般采用ＴｅＣｄＩ－Ｉｇ￣子探測(cè)器 接收，液氮致冷，它的技術(shù)性能比主動(dòng)式紅外夜視儀提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，夜間可觀察到 10Ｋｍ的坦克和車輛、視距內(nèi)的艦船，這種紅外熱像儀幾經(jīng)改進(jìn)，80 年代初，許多國家已形成了標(biāo)準(zhǔn)化、組件化系統(tǒng)，為部隊(duì)提供了一種簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、互換 性好的夜視設(shè)備。 今后將發(fā)展用凝視型焦面陣列 組成的熱成像系統(tǒng)．它的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能將會(huì)進(jìn)一步提高 。這種智能傳感器內(nèi)置微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器與控制單元的雙向通信，具有小型化、數(shù)字通信、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。另外，隨著便攜式紅外傳感器的體積越來越小，價(jià)格逐漸降低，在食品、采暖空調(diào)和汽車等領(lǐng)域也有了新的應(yīng)用。隨著更多的用戶對(duì)便攜式紅外溫度傳感器的了解，其潛在用戶正在增加。它采用高精度的紅外傳感器和微電子技術(shù)，能夠快速、準(zhǔn)確、方便地測(cè)出人體的溫度，解決了傳統(tǒng)水銀式溫 度計(jì)的容易破碎、水銀染環(huán)境與不易讀數(shù)等問題。 利用紅外溫度傳感器：紅外線測(cè)溫儀的理論依據(jù)：一切溫度高于絕對(duì)零度 (℃)的物體，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波。因此，通過對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。初步?jīng)Q定使用 AT89C52單片機(jī)。 2. 紅外測(cè)溫原理 紅外測(cè)溫的基礎(chǔ)理論 在自然界中，一切溫度高于絕對(duì)零度（ 176。 物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。 紅 外線是電磁波譜的一部分，這一波段位于可見光和微波之間。在電磁波譜中，我們把人眼可直接感知的 ~ ，而把波長從 ~ 600181。 而紅外區(qū)通常又可分為近紅外區(qū)（ ~ ）、中紅外區(qū)（ ~ 10181。m 以上）。它已經(jīng)廣泛應(yīng) 用于生產(chǎn)、科研、軍事、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。 D 哈里認(rèn)為，人體輻射能量與皮膚表面溫度及輻射率有關(guān)。m，其中大部分能量集中在 8~14181。雖然人體生物波普分布范圍比較寬，但在非能量集中區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度較低，尤其遠(yuǎn)端波段的數(shù)值極小。根據(jù) Planck 定律，其波長主要分布在 ~ 25181。 T=2898（ K181。 其中 黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為 1。 圖 黑體輻射曲線 （ 1）、輻射的光譜分布規(guī)律 — 普朗克輻射定律： 一個(gè)絕對(duì)溫度為 T（ K）的黑體，單位表面積在波長 λ 附近單位波長間隔內(nèi)向整個(gè)半球 空間發(fā)射的輻射功率（簡(jiǎn)稱為光譜輻射度） Mλ， T與波長 λ、溫度 T 滿足下列關(guān)系： Mλ， T = C1（ eC2/λT – 1） 1 （ 21） 式中 C C2 分別為第一、第二輻射常數(shù)。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 38 頁 （ 2）、斯忒藩（德） — 波爾茲曼（奧）（ Stefan— Boltzmann）定律： 物體的總輻射率，即單位面積發(fā)射總功率與黑體溫度的四次方及材料表面的發(fā)射率成正比。 K4，為 Stefan— Boltzmann 常數(shù)， ε 為材料表面發(fā)射率。 Stefan—Boltzmann 定律表明，凡是溫度高于開氏零度的物體都會(huì)自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，同時(shí)黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率與開氏溫度的四次方成正比。因此只要能探測(cè)到黑體的單位表面積發(fā) 射的總輻射功率，就可以確定黑體的溫度了。 （ 3）、輻射的空間分布規(guī)律 — 朗伯余弦定律： 所謂的朗伯余弦定律，就是黑體在任意方向上的輻射強(qiáng)度與觀測(cè)方向相對(duì)于輻射表面法線夾角的余弦成正比： Iθ = Iocosθ （ 23） 此定律表明，黑體在輻射表面法線方向的輻射最強(qiáng)。 （ 4）、基爾霍夫（ Kirchhoff）輻射定律與 發(fā)射率 ： 實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長外，還與夠成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。而這個(gè)輻射系數(shù)就是常說的發(fā)射率，或稱之為比輻射率，其定義為實(shí)際物體與同溫度黑體輻射性能之比。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。 因此利用在相同溫度下實(shí)際物體與黑體的輻射出度之比來表示該物體的一種特性，可以稱之為實(shí)際物體的發(fā)射率，也叫做全發(fā)射率，用 ε表示。 基爾霍夫定律揭示了熱平衡下物體的輻射與吸收的關(guān)系，指出了一個(gè)好的吸收體也是一個(gè)好的輻射體。 而為了減少測(cè)量物體溫度的誤差，我們要去除環(huán)境溫度因素的影響，所以修正的紅陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 38 頁 外輻射定律如下： E = σε（ TO4 TA4） （ 26） 式中： E 為輻射出射度數(shù)， 單位 W/m3； σ 為斯蒂芬 — 波爾茲曼常數(shù)， 108W/(m2 利 用這個(gè)原理制成的溫度測(cè)量?jī)x器叫紅外測(cè)溫儀。在不同的溫度范圍，對(duì)象發(fā)出的電磁波能量的波長分布不同，在常溫（ 0~100176。用于不同溫度范圍和用于不同測(cè)量對(duì)象的儀器，其具體的設(shè)計(jì)也不同。所有的物體，包括人體各部位的表面，其 ε值都是某個(gè)大于 0 并小于 的數(shù)值。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器 相關(guān) 的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。單色測(cè)溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測(cè)溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例 。 確定測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍是測(cè)溫儀最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。 確定目標(biāo)尺寸 ： 紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙 色測(cè)溫儀（輻射比色測(cè)溫儀）。否則背景會(huì)干擾測(cè)溫讀數(shù)，造成誤差。 確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）：距離系數(shù)由 D： S 之比確定，即測(cè)溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離 D 與被測(cè)目標(biāo)直徑之比。光學(xué)分辨率越高，測(cè)陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 38 頁 溫儀的成本也越高。 確定響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的 95%能量所需要時(shí)間，它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有 關(guān)。 環(huán)境條件考慮：測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起損壞。 影響溫度測(cè)量的主要因素及修正方法 影響紅外人體測(cè)溫儀的因素有：測(cè)溫目標(biāo)大小與測(cè)溫距離的關(guān)系 、 測(cè)量溫度時(shí)的環(huán)境因素 、 強(qiáng)光背景里目標(biāo)的測(cè)量 和 溫度輸出功能 。 人體 紅外測(cè)溫儀距離系數(shù) K的定義為：被測(cè)目標(biāo)的距離 L與被測(cè)目標(biāo)的直徑 D之比，即 K=L/D。因此，在需要測(cè)量目標(biāo)的真實(shí)溫度時(shí)， 必 須設(shè)置發(fā)射率值。 測(cè)量溫度時(shí)的環(huán)境因素：測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫精度。 強(qiáng)光背景里目標(biāo)的測(cè)量：若被測(cè)目標(biāo)有較亮背景光（特別是受太陽光或強(qiáng)燈直射），則測(cè)量的準(zhǔn)確性將受到影響，因此可用物 體 遮擋直射目標(biāo)的強(qiáng)光以消除背景光干擾。 其次 高報(bào)警、低報(bào)警 :在 生產(chǎn)過程中要求控制溫度在某個(gè)范圍里 ，可設(shè)置高 ， 低報(bào)警值。 由于在溫度測(cè)量時(shí) 是 在不確定的環(huán)境中進(jìn)行的，所以外界環(huán)境會(huì)對(duì)測(cè)溫造成一定的影響，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，所以要對(duì)環(huán)境溫度有一個(gè)修正。根據(jù)表達(dá)式 （ ） 可以得到不同的標(biāo)定公式： （ 1） 簡(jiǎn)單關(guān)系式，即 1 / 440 a a aVT T T K VS? ? ? ?