【正文】 較大的地方進行人體溫度測量。因此，為了適應(yīng)醫(yī)學發(fā)展的需要，有效地進行特殊環(huán)境下的溫度測量，從而有力地控制和預(yù)防諸如甲流、非典之類 型 的特殊疾病的傳播，急需設(shè)計一種測溫速度快，準確率高的測溫儀。 紅外測溫技術(shù)的發(fā)展歷程 紅外測溫技術(shù)在生產(chǎn)過程中、在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測、設(shè)備在線故障診斷和安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了重要作用。比起接觸式測溫方法，紅外測溫有著響應(yīng)時間快、非接觸、使用安全及使 用壽命長等優(yōu)點。 紅外檢測技術(shù)是 “九五 ”國家科技成果重點推廣項目，紅外檢測是一種在線監(jiān)測 (不停電 )式高科技檢測技術(shù)，它集光電成像技術(shù)、計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一身，通過接收物體發(fā)出的紅外線 (紅外輻射 )，將其熱像顯示在熒光屏上，從而準確判斷物體表面的溫度分布情況，具有準確、實時、快速等優(yōu)點。紅外診 斷技術(shù)是通過吸收這種紅外輻射能量，測出設(shè)備表面的溫度及溫度場的分布，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，使測試效果直觀，靈敏度高，能檢測出設(shè)備細微的熱狀態(tài)變化，準確反映設(shè)備內(nèi)部、外部的發(fā)熱情況，可靠性高，對發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患非常有效。 2 第二章 人體 紅外測溫 儀的原理和特點 人體 紅外線測溫儀的理論依據(jù) 自然界一切溫度高于絕對零度 (℃ )的物體，由于分子的熱運動，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，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合輻射定律。測量出所發(fā)射的 E，就可得出溫度。這種測量不需要與被測對象接觸，因此屬于非接觸式測量。用于不同溫度范圍和用于不同測量對象的儀表，其具體的設(shè)計也不同。 輻射率 ? 是一個用以表達物體發(fā)射電磁波能力的系數(shù)，數(shù)值由 0 至 。人體主要輻射波長在 9～ 10 m? 的紅外線，通過對人體自身輻射紅外能量的測量，便能準確地測定人體表面溫度。 通過對人體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定人體表面溫度。紅外測溫儀由光學系 統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。 確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀最重要的一個性能指標。 確定目標尺寸 ： 紅外測溫儀根據(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。否則 背景會干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。 確定距離系數(shù)（光學分辨率）：距離系數(shù)由 D： S 之比確定，即測溫儀探頭到目標之間的距離 D 與被測目標直徑之比。光學分辨率越高，測溫儀的成本也越高。 確定響應(yīng)時間：響應(yīng)時間表示紅外測溫儀對被測 溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達最后讀數(shù)的 95%能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)有 關(guān)。 環(huán)境條件考慮：測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并適當解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。 影響溫度測量的主要因素及修正方法 影響紅外人體測 溫儀的因素有： 測溫目標大小與測溫距離的關(guān)系：在不同距離處，可測的目標的有效直徑 D 是不同的，因而在測量小目標時要注意目標距離。 選擇被測物質(zhì)發(fā)射率： 人體 紅外測溫儀一般都是按黑體（發(fā)射率 ? =）分度的，而實際上，物質(zhì)的發(fā)射率都小于 。物質(zhì)發(fā)射率可從《輻射測溫中有關(guān)物體發(fā)射率的數(shù)據(jù)》中查得。本設(shè)計中正是利用了 PM611熱釋電紅外線傳感器可以補償溫度起伏的作用，實現(xiàn)準確測溫。 溫度輸出功能： 首先 模擬信號輸出 ——0～ 5V， 1～ 5V， 0～ 10V， 0/4～20 毫安，可以加入閉環(huán)控制中。高報警：在高報警設(shè)置打開的情況下，當溫度高于高報警值，相應(yīng)的 LED 燈閃爍，蜂鳴器響，并有 AH 常開繼電器接通。 由 節(jié)輻射公式可得出熱釋電傳感器的響應(yīng)公式為： 440()aV S T T?? () 式中： S 為與熱釋電響 應(yīng)特性及物體表面發(fā)射率有關(guān)的常數(shù)， 0T 為物體表面溫度， aT 為環(huán)境溫度。 （ 2） 多項式 ， 即 1/440 aVTTS?? （ ） 令 201 aaS a a T aT? ? ? ? （ ） 在參考文獻 [7]中， S 取三項，其實驗結(jié)果表明，要使測溫儀滿足一定的精度，測溫時的 環(huán)境溫度 和 物體表面溫度要在一定的范圍內(nèi)，如環(huán)境溫度 aT =30℃ ，物體表面溫度 在 180℃ 以上時，讀數(shù)誤差較大。實際應(yīng)用中每隔 5~10℃ 就必須標定一個系數(shù)，當采樣電壓峰值落在此區(qū)間時就選擇該系數(shù)。 分析表 1 可知 ，當物體表面溫度較低時 （ 78℃ 以下 ） ，環(huán)境溫度對修正系數(shù)的影響較大。而當物體表面溫度較高時，則修正系數(shù)基本由物體表面溫度決定，這樣系數(shù)就不必再依環(huán)境溫度進行校正。 下圖為表 1： 表 1 不同環(huán)境溫度下的標定系數(shù) 人體 紅外線測溫儀的特點 人體 紅外測溫儀是通過接收 人體發(fā)射的紅外線的能量的大小 來測量其 體溫的儀器 。 所以人體 紅外測溫儀具有以下優(yōu)點： 非接觸測量：它不需要接觸到 人體 ， 只需在額頭前方 5 厘米左右測溫即可，而且紅外探測器只需感應(yīng)人體輻射的紅外線。 測量范圍廣：因 為人體紅外測溫儀 是非接觸 式 測溫，所以測溫儀并不處在較高或較低的溫度場中，而是工作在正常的溫度或測溫儀允許的條件下 進 行測量的，所以測量范圍比較廣 。 紅外探測器中靈敏元非常靈敏， 只要接收到目標 ― 紅外輻射即可在短時間內(nèi)定溫。 靈敏度高：只要 人 體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測出 。 體積小，方便攜帶。 7 第三章 人體 紅外測溫儀的 硬件 設(shè)計 總體設(shè) 計 下圖 所示 是人體紅外測溫儀 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。如果經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)大于所設(shè)置的預(yù)警數(shù)據(jù)，則蜂鳴器報警。 整體框圖 設(shè)計 熱 釋電紅外測溫儀 可以這樣設(shè)計整體結(jié)構(gòu)框圖 ，如圖 所示。 當測量按鈕按下時，整個電路開始工作，物體表面輻射的能量經(jīng)熱釋電傳感器接收后，將熱輻射信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)由放大電路放大后（由外界環(huán)境導致的雜亂信號經(jīng)濾波器過濾后）到達 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 89C51 單片機作為 CPU 接收經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)換成物體表面溫度顯示在 LCD 液晶顯示屏上。由于信號只有一個輸入，為了避免不必要的消耗，本設(shè)計 A/D 轉(zhuǎn)換器采用的是 ADC0804。測量物體表面輻射能量的熱釋電傳感器選用的是尼賽拉傳感器有限公司的 PM611型熱釋電傳感器，它有效調(diào)節(jié)外界環(huán)境的溫度起伏影響；液晶顯示器（ LCD）選用的是 2 行16 個字的液晶顯示屏。顯示器 (LCD)由 74LS02 譯碼器驅(qū)動，并由 89C51 單片機通過軟件控制顯示物體表面的溫度。 設(shè)計 選用的是 PM611 單元熱釋電傳感器，這種傳感器雖是單靈敏元，由于他采用一個接收元和二個并聯(lián)的補償元串接的結(jié)構(gòu)，故也能有效地補償環(huán)境溫度起伏，振動等干擾影響。而且 PM611 各項指數(shù)都比較好，因此選用了他做溫度儀的探頭。因為探測器測到的信號可能摻雜了外界環(huán)境的某些因素，所以放大電路中要加入低通濾波電路把多余的雜信號過濾掉。同時第一個放大器還兼做高通濾波器，其截止頻率為 Hz。第一個，第二個放大器分別把低于 和高于 7 Hz 的信號濾掉，使輸出的信號僅是經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制的 1 Hz 紅外輻射信號。通過放大濾波的信號就輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 Vin（ +）端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器會把收到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分電路 由于傳感器探測到紅外線后被放大的是模擬信號， 然而 需要在 LCD 液顯上顯示出來，所以 本設(shè)計 利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)這個功能。 ADC0804 是用 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。 5V。 ADC0804 芯片的外引腳圖如 所示，引腳名稱及意義如下： 11 圖 ADC0804 引腳圖 Vin（ +）、 Vin（ ）：芯片的兩個模擬信號輸出端，用來接收單極性、雙極性和差模輸入信號； D0~D7： AD 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出端； AGND：接模擬信號地； DGND：接數(shù)字信號地端； CLK IN：外電路提供時鐘脈沖輸入端； CLK R：內(nèi)部時鐘發(fā)生器外接電阻端，與 CLK IN 端配合可由芯片自身產(chǎn)生時鐘脈沖，頻率為 1/； CS：片選信號輸入端，低電平有效，一旦使用低電平，表示轉(zhuǎn)換器被選中，則開始工作。當 CS、 WR 同時為低電平時，啟動轉(zhuǎn)換。 INTR：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號，低電平有效。 本設(shè)計采用了 CLK R 端口和 CLK IN 端口配合， 芯片本身產(chǎn)生時鐘脈沖的方法， A/D 轉(zhuǎn) 換器 Vin（ +）端口接收到經(jīng)處理過的模擬信號在內(nèi)部進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，片選端口 CS 和 WR 寫信號輸入端口同為低電平時啟動轉(zhuǎn)換，因為 0804 內(nèi)部有輸出鎖存器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號存在鎖存器里，當 CS、 RD 同為低電平時，可以讀取轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號，由 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 D0~D7 端輸出，接入AT89C51 單片機的 P1 口的 ~,經(jīng)過程序燒制顯示到液晶顯示屏上。在本設(shè)計采用的字符型液晶模塊是一種用 5x7 點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為 1 行 16 個字、 2 行 16 個字、 2 行 20 個字等等，這里以常用的 2 行16 個字的 1602 液晶模塊來介紹它的編程方法。當 RS 和 RW 共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當 RS 為低電平 RW為高電平時可以讀忙信號，當 RS 為高電平 RW 為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)； 第 6 腳： E 端為使能端，當 E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令； 第 7～ 14 腳： D0～ D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線； 第 15～ 16 腳：空腳 。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，表 2 是 DM162 的內(nèi)部顯示地址。 在軟件中設(shè)置溫度的代碼是：℃ （ 00110011B， 00110000B， 00101110B， 00110000B， 01000011B）； ℃（ 00110011B， 00110111B， 00101110B， 00110000B， 01000011B） ； 60℃（ 00110110B， 00110000B， 01000011B） 。 由于 VEE 端接電源時 接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生 “鬼影 ”， 對比度過低會使屏幕模糊不清，所以 使用時可以通過一個 10K 的電位器 來 調(diào)整 它的 對比度 。液顯的RW 端口直接接單片機的 口，高電平時進行對輸入的數(shù)字信號進行讀數(shù)。 下圖 是 LC D1602 顯示電路的連接圖： 14 圖 LCD 顯示電路 連接圖 15 第四章 軟件設(shè)計 設(shè)計的思路是首先初始化系統(tǒng)，然后顯示子程序，開始測溫后復(fù)位各個端口，摁下開關(guān) ，接通電源，確定打開電源后 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 Vin（ +）輸入端讀取經(jīng)過放大濾波計算后的數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換， CS 片選端、 WR 寫入端同時設(shè)置成低電平，當芯片自身產(chǎn)生一個脈沖時，啟動轉(zhuǎn)換。讀取三次數(shù)據(jù)，滿三次后讀數(shù)正確的寫入單片機 EEPROM 存儲器。如果讀數(shù)滿三次后數(shù)據(jù)不正確，則要對單片機進行清零，復(fù)位后重新測量讀數(shù)。顯示溫度的范圍是 30~60℃，當所測溫度高于下限或者上限溫度時，報警系統(tǒng)報警。主 程序流程圖如圖 所示。 開機或復(fù)位之后啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，對環(huán)境溫度進行采樣，并在顯示器上顯示當前環(huán)境溫度。 如圖 是軟件設(shè)計部分的中斷子程序流程圖， 主要實現(xiàn)以下功能： A/D 采樣子程序完成對熱釋電傳感器放大電路輸出信號的采樣。為此，我們只有對輸出信號不斷地進行采樣，并比較各樣值，取其中的最大者作為峰值的近似值 數(shù)據(jù)處理子程序完成對采樣值的計算處理。 讀取溫度時超過 預(yù)警溫度，蜂鳴器報警，沒超過直接顯示所測溫度。 16 圖 主程序流程圖 外部中斷 0 初始化 顯示子程序 復(fù)位 讀取數(shù)據(jù) 寫入 EEPROM（超過 ） 計數(shù)器加 1 計數(shù)器清零 數(shù)據(jù)正確 滿三次 啟動鍵打開 結(jié)束 N Y Y N Y 開始 N 17 圖 中斷子 程序流程圖 讀取指令 讀取 EEPROM（超過 37度） 報警 發(fā)送數(shù)據(jù) LCD 顯示 中斷返回 Y N 外部中斷入口 18 第 五 章 小結(jié) 紅外測溫儀的使用注意事項 必須準確確定被測物體的發(fā)射率 ； 避免周圍環(huán)境高溫物體的影響 ； 對于透明材料，環(huán)境溫度應(yīng)低于被測物體溫度 ； 測溫儀要垂直對準被測物體表面，在任何情況下，角度都不能超過 30℃ ； 不能應(yīng)用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫，不能透過玻璃進行測溫 ； 正確選擇跟離系數(shù)，目標直徑必須充滿視場 ； 如果紅外測溫儀突然處于環(huán)境溫度差為 20℃ 或更高的情況下，測量數(shù)據(jù)將不準確，溫度平衡后再取其測量的溫度值。在光導纖維里 面經(jīng)過多次反射傳至檢測器。