【正文】 。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、方便地測出人體的溫度 ，解決了 傳統(tǒng)水銀 式溫度計的容易破碎、水銀染環(huán)境與不易讀數(shù) 等 問題 。 第二章 紅外溫度傳感器測溫原理 紅外 測溫 的基礎(chǔ)理論 在自然界中，一切溫度高于絕對零度（ 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： 一個絕 對溫度為 T（ K）的黑體，單位表面積在波長 λ 附近單位波長間隔內(nèi)向整個半球 空間發(fā)射的輻射功率（簡稱為光譜輻射度） 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)。 （ 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自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，同時黑體單位表面積發(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)度與觀測方向相對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 ： 實驗表明，實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，指出了一個好的吸收體也是一個好的輻射體。 而為了減少測量物體溫度的誤差，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 利用這個原理制成的溫度測量儀器叫紅外測溫儀。在不同的溫度范圍，對象發(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 同測量對象的儀器，其具體的設(shè)計也不同。所有的物體，包括人體各部位的表面，其 ε 值都是某個大于 0并小于 的數(shù)值。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，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目標(biāo)的溫度值。單色測溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例 。 這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱作熱釋電效應(yīng) 。 其中 溫差電堆由若干熱電偶串聯(lián)組成 ， 熱電偶傳感器測定溫度與輸出電壓的關(guān)系的測溫點(diǎn)在接收到紅外輻射能量后溫度升高，因為“塞貝克效應(yīng)”而產(chǎn)生熱電動勢，其輸出電壓和測定點(diǎn)的溫度 近似成正比例關(guān)系 ，這是紅外 溫度傳感器 測 量體 溫所依據(jù)的基礎(chǔ)。濾光片的波長可通過下式計算： λ=2898/T。m） 是波長， T（ K） 是絕對溫度。C ，則 T =310K； λ=。m的光學(xué)濾光片，其帶通特性有利于溫度的測量。同時也適合用于人體測溫。它只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可測量，其響應(yīng)速度在毫 秒甚至微秒數(shù)量級。 （ 4）、準(zhǔn)確度高：紅外測溫是非接觸測量，不破壞物體本身的溫度分布，因此所測溫度相對較為準(zhǔn)確。 本章小結(jié) 本章主要闡述了紅外線測溫的一些基礎(chǔ)理論和紅外測溫傳感器的結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)?，F(xiàn)在隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外線人體測溫技術(shù)已經(jīng)非常成熟了，市面上也有非常多的相關(guān)產(chǎn)品供人們選擇。常見的紅外人體測溫儀主要有兩種 ： 一種是 紅外耳溫計 ，另一種是 紅外 額 溫計 ； 這兩種形式的紅外體溫計各有自己的優(yōu)缺點(diǎn) 。由于鼓膜的溫度穩(wěn)定，且可 以 直接體現(xiàn)人體內(nèi)部 核心 溫度，因此當(dāng)使用方法正確時耳溫計的示數(shù)可以作為醫(yī)學(xué)確認(rèn)。 它常用于對衛(wèi)生要求比較高的醫(yī)院和家庭里。 其優(yōu)點(diǎn)是完全無需與人體接觸（真正意義上的無接觸測量），這就意味著無需 使用一次性的探頭蓋 ，從而節(jié)約使用成本和避免人群交叉感染。這樣測量得出的溫度數(shù)據(jù)不能反映出人體溫度的真實信息，而且這些因素的影響是不確定的，因此難以通過合適的溫度補(bǔ)償來消除誤差。 這兩種紅外體溫計實際上應(yīng)用的原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是基本一致的，只是兩者有一些細(xì)微的差別而已。同時 對于個人使用者來說，體溫測量并不是每天都進(jìn)行的，所以并不會增加太多的額外成本；而對于醫(yī)院使用者來說，這些 使用成本也是在可承受范圍內(nèi)的。 經(jīng)過初步分析可以得知，整個系統(tǒng)可以劃分為幾個大模塊，紅外測溫模塊、單片機(jī)處理模塊、外圍電路（輸入按鍵、 LCD 等）模塊和電源模塊。 所要設(shè)計的系統(tǒng)的幾個基本要求和指標(biāo)如下所示： （ 1）、 利用人體紅外輻射的原理來測量體溫 ，即采用 紅外溫度傳感器 ； （ 2）、體溫測量的準(zhǔn)確度要高； （ 3）、 系統(tǒng)采用電池供電，且功耗要低； （ 4）、系統(tǒng)響應(yīng)速度要快，要在 1~2s 內(nèi)完成測溫； （ 5）、要使用簡單，有良好的人機(jī)界面； （ 6）、總體成本（硬件成本、設(shè)計時間成本等）要低。其中一種方案是采用模擬紅外溫度傳感器來實現(xiàn)設(shè)計，另一種方案是采用數(shù)字紅外溫度傳感器來實現(xiàn)設(shè)計。 方案對比與選擇 方案一： 在該方案里，系統(tǒng)可以分為模擬紅外溫度傳感器（內(nèi)含環(huán)境溫度測量）模塊、放大電路模塊、 AD 轉(zhuǎn)換 電路模塊、 MCU 主控模塊、按鍵模塊、蜂鳴器模塊、 LCD 模塊和電源模塊（如圖 所示） 。 圖 方案 一的 系統(tǒng)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(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸出對應(yīng)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。 方案二： 該方案與第 一個方案的最大區(qū)別就是：在本方案中采用數(shù)字紅外溫度傳感器來代替模擬紅外溫度傳感器。 圖 方案 二的 系統(tǒng)框圖 方案對比和選擇： 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(shè)計的自由度相對要高一些，但是也使得系統(tǒng)電路變得更為復(fù)雜。同時在軟件設(shè)計方面，要涉及到濾波處理、溫度線性校準(zhǔn)處理和黑體校定等，這使得設(shè)計工作量大大增加。 而雖然在方案二里采用的數(shù)字傳感器的成本相對模擬傳感器要高，但整個系統(tǒng)的設(shè)計相對簡單，數(shù)字紅外溫度傳感器可以與 MCU 直接相連接（需要接上拉電阻）。由于該方案的電路簡單且集成度高，所以功耗更 低。所以開發(fā)時間也比方案一要少。 綜上所述，方案二是本系統(tǒng)最合適的設(shè)計。在該方案里，整個系統(tǒng)從硬件上可以分成六個子模塊：分別是紅外溫度測量模塊、 MCU 主控模塊、按鍵輸入模塊、聲音提示模塊、LCD 顯示模塊和電源模塊（如圖 所示）。 MLX90615 中的 紅外溫度 傳感元件是工業(yè)級硅片，它帶有的一個薄型微機(jī)械加工隔膜 來過濾掉環(huán)境紅外線的影響 ， 環(huán)境溫度 由芯片 內(nèi)置的 熱電 偶 測得。數(shù)字輸出溫度是完全線性化并對環(huán)境溫度進(jìn)行過補(bǔ)償?shù)摹Ｕ麄€溫度計系統(tǒng)封裝在一個 金屬罐 中。這種自容式系統(tǒng)解決了微小電壓信號、環(huán)境影響和電磁兼容性的設(shè)計難題，否則這些因素會導(dǎo)致紅外線溫度測量的很多困難和麻煩。 本系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：系統(tǒng)設(shè)置（ 短摁表示背光開啟 /關(guān)閉，長摁表示聲音開啟 /關(guān)閉 ）； 體溫數(shù)據(jù)查詢，并至少存儲十組數(shù)據(jù)；超出量程提示（ H/L）；電源低壓提示；體溫快速測量；系統(tǒng)休眠功能（當(dāng)測溫儀長時間不使用的時候，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)以減少功耗）；等等。然后對兩種不同的方案進(jìn)行了對比和分析，最后決定使用第二個方案作為該課題的最終方案。從軟件上可以分為三個程序子模塊：主控程序模塊（內(nèi)含按鍵掃描等子程序）、 LCD 驅(qū)動程序模塊和MLX90615 程序模塊。 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 電源模塊 PT1301 簡介 PT1301 是一款最低啟動電壓可低于 1V的小尺寸高效率升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，采用自適應(yīng)電流模式 PWM 控制環(huán)路。 PT1301 能在較寬的負(fù)載電 流范圍內(nèi)穩(wěn)定和高效的工作，并且不需要任何外部補(bǔ)償電路。 PT1301 內(nèi)部含有 2A 功率開關(guān)，在 使用 鋰電池供電時最大輸出電流可達(dá) 300mA，同時 PT1301 還 提供用于驅(qū)動外部功率器件（ NMOS 或 NPN）的驅(qū)動端口，以便在應(yīng)用需要更大負(fù)載電流時，擴(kuò)展輸出電流。 其 輸出電壓由兩個外部電阻設(shè)定。 其特點(diǎn)如下所示 : ● 低靜態(tài)（開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)）工作電流： 14μA ● 低啟動輸入電壓： （ 典型 ） ● 高供電能力 ： 由一節(jié)堿性電池提供 ；一節(jié)鋰電池提供 5V/300mA ● 關(guān)斷狀態(tài)零工作電流 ● 高效率 ： 90% ● 固定開關(guān)頻率 ： 500KHz ● 可選擇內(nèi)部或外部功率管開關(guān) ● 封裝形式 ： SOT26， SOT895（在本設(shè)計中，采用 SOT26 封裝的 PT1301） 圖 PT1301 引腳排列示意圖 表 PT1301 引腳說明 引腳序號 （ SOT26） 符號 說明 1 CE 使能端， CE 為低電平時， PT1301 關(guān)斷 2 EXT 外接功率開關(guān)驅(qū)動輸出端 3 GND 地 4 LX 內(nèi)部功率開關(guān)輸出 5 VDD 電源管腳 6 FB 反饋輸入管腳 圖 PT1301 電路框 圖 （內(nèi)部） PT1301 應(yīng)用設(shè)計指導(dǎo) 如下 ： 輸出電壓 參考典型應(yīng)用電路圖，輸出電壓 Vout 由電阻 R1 和 R2 按以下公式設(shè)定： Vout=（ 1+ R1/R2） (單位： V) （ 41） 反饋環(huán)路設(shè)計 在 典型應(yīng)用參考電路圖 中 ，電阻 R1 和 R2 阻值的選擇，除要符合上述 Vout 公式外，還須在系統(tǒng)的靜態(tài)電流和抗干擾能力方面做權(quán)衡。 （ 2）、 較低的電阻取值則可獲得較好的抗噪聲和抗干擾能力，降低對 PCB 布圖寄生參數(shù)的敏感 度，提高 系統(tǒng) 穩(wěn)定性。 為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可在 FB 端與 Vout 之間接一電容，該電容的經(jīng)驗取值是：當(dāng)上述電阻為 MΩ 級時，取值約 100pF，當(dāng)上述電阻取值為幾十至幾百 KΩ 時，取值在 10nF～ 之間。 電源模塊電路設(shè)計 因為 要考慮到系統(tǒng)的便攜性，所以該系統(tǒng)采用電池供電。其中干電池幾乎在每個商店都有出售， 這就在很大程度上方便了使用者更換電池。整個系統(tǒng)各模塊的工作電壓都約等于 3V，雖然意味著系統(tǒng)可以直接使用兩節(jié)干電池（共 3V），但事實上干電池在使用的過程中電壓會不斷地降低，這就很可能導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。 以上兩種方法各有 優(yōu)缺點(diǎn)：雖然第一種方法簡單可靠，但是也會使得系統(tǒng)得體積和重量有所增加，顯然這不利于系統(tǒng)的便攜性；而第二種方法只使用 一個干電池作為供電源，這就使得系統(tǒng)更加緊湊和使用方便。 鑒于 整個系統(tǒng)并不屬于高速高頻電路，所以輸出電壓的波紋對整個系統(tǒng)影響不大。由于 PT1301 的 啟動輸入電壓 可低于 以及實測效率高于 80%，所以整個系統(tǒng)可 以有效地利用干電池的電能（一般干電池的空載輸出電壓低于 時就沒多少電量了）。根據(jù)式 41，我們可得知系統(tǒng)電源模塊的輸出電壓取決于 R1 和 R2 的比值。 即電源模塊的輸出電壓為 Vout=（ 1+ R1/R2）=，其電路設(shè)計圖如下所示。它的輸出數(shù)據(jù)和物體溫