红外快速检测人体温度装置的设计.doc

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1、河南机电高等专科学校毕业设计论文河南机电高等专科学校毕业设计论文论文题目：红外快速检测人体温度装置的设计系 部 电子通信工程系 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 年 月 日摘 要红外快速人体温度检测装置系统由TPS334红外温度传感器、高精度放大器、双通道16位串行A/D转换器AD7705、AT89C51单片机、译码显示模块与报警电路等部分构成，实现非接触式红外快速测温，它能够在较短的时间内准确测量出人体的温度，而在测得温度超出某一范围时即启用报警电路进行超标报警。文中提出了具体设计方案，讨论了红外非接触式体温计的基本原理，进行了可行性论证。给出了电路图和程序流程图并附有源程序。由于

2、利用了单片机及数字控制系统的优点，系统的各方面性能得到了显著的提高。关键词：红外温度传感器；快速检测；A/D转换器；译码显示；超标报警ABSTRACT The system is consisted of tps334 infrared temperature sensor, high accuracy amplifier，the sixteen serial digital A/D switch AD7705 of binary channels, single chip of AT89C51, decoding demonstration module, warning circuit a

3、nd so on . So the non-contact type infrared clinical temperature detecting is realizedIt can be accurate to measure the temperature of human body in a short time, but if the temperature is beyond some certain scope, police electric circuit would be in use to carry on a super mark to report to the po

4、lice electric circuit in time. The article discussed basic principle of the infrared non- contact clinical thermometer, has proposed the concrete design proposal, and has carried on the feasible proof test. We have offered the circuit diagram, the program flow diagram and the source program is also

5、attached. Since we have take advantage of the single-chip and the digital control system, the functions of the system have been improved strikingly.Keywords: Infrared Temperature Sensor; Fast Check; A/D Switch; Decoding Display; Exceeded Alarm目 录摘 要I第一章 绪 论11.1 引言21.2 红外测温仪的优点与缺点31.2.1 红外测温仪的优点31.2.

6、2 红外测温仪的缺点31.3 红外快速人体温度检测装置的研究意义4第二章 红外测温原理52.1 红外测温的基础理论52.2 人体红外测温仪的性能指标及作用82.3 影响温度测量的主要因素及修正方法92.4 人体红外线测温仪的特点11第三章 红外快速人体温度检测装置的框架构思133.1 设计思路133.2 方案比较133.3 系统方框图及测量原理143.3.1 系统整体方框图143.3.2 测量电路14第四章 系统设计与工作原理164.1 系统组成164.2 单元电路设计164.2.1 传感器的选用164.2.2 测量电路设计184.2.2.1 热敏电阻处理电路194.2.2.2 热电堆处理电路

7、194.2.3 信号处理电路设计204.2.3.1 A/D转换电路204.2.3.2 单片机处理244.2.3.3 AT89C51的接口274.2.3.4 时钟电路274.2.3.5复位电路284.2.4 译码显示电路设计284.2.5 报警电路294.2.6 电源电路的设计304.2.6.1 电源电路原理图304.2.6.2 电源的技术指标和各部分的作用304.2.6.3 电源各部分电路参数计算与元器件选择304.2.6.4 电源电路原理说明314.3 系统工作原理31第五章 软件设计335.1 算法设计335.1.1 热敏电阻测量温度算法设计335.1.2 热电堆信号算法设计335.2 程

8、序设计33第六章 结束语与展望38致 谢39参考文献39附录 一41附录 二42第1章 绪 论1.1 引言在临床医学中，体温是一个及其重要的生理参数。病人的体温为医生提供了极为重要的生理状态的各种信息。传统的水银式体温计和电子式体温计是通过口腔、腋窝、直肠等直接接触体表来测量人体的平均温度。其缺点是测量时间比较长，受测量位置的影响较大，给使用者带来诸多不便。2003年“非典”疫情的爆发，对人体体温测量技术提出了更高的要求，急需一种更加安全、方便、卫生的非接触测量工具进行测量人体温度。红外辐射式体温仪应用红外线辐射测量原理实现了人体体温的非接触测量，非接触式人体体温测量是一种理想的解决方法，该测

9、量装置不会对人体构成任何威胁。现在市场上普遍应用德国TPS334表面温度测量传感器，用其进行非接触式测量的体温仪具有精度高、成本低、安全的特点，市场应用前景广泛。目前，国内传统的体温测量是用医用玻璃液体温度计（俗称体温表）、医用电子接触式温度计（常用热敏电阻作为它的感温元件）等插入人体内部（舌下、肛门）或置于腋下，通过与人体接触使温度计测出人的体温。但这些体温计的缺点是测量的速度慢（约2分钟以上）。读数相对困难，易破碎，且一旦破碎，里面的水银流淌出来会污染环境，在使用时容易因消毒不彻底而引起交叉感染。红外快速检测人体温度装置，有效地避免国内传统的体温测量的缺点，能够在机场、海关、车站、宾馆、商

10、场、影院、写字楼、学校等人流量较大的公共场所，快速，准确，没有交叉感染地测出人体温度。红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。在国外，非接触式红外测温仪已经非常先进了，自1999年就有许多国家致力于这方面的开发研究，到现在为止很多国家的产品已经达到国际先进水平，并已广泛应用于各个领域。比如：美国早在2001年就颁布了有关红外测温仪的计量标

11、准，美国雷泰公司生产的ST系列红外测温仪已达到世界领先水平。由于红外测温仪测量温度范围宽，除了用于人体温度检测外，还可用于电器的红外测温、供暖的红外测温、运输/汽车维修时的红外测温等各个领域。因此，它具有广泛的开发前景！1.2 红外测温仪的优点与缺点1.2.1 红外测温仪的优点(1) 非接触测量：它不需要接触到被测温度场的内部或表面，因此，不会干扰被测温度场的状态，测温仪本身也不受温度场的损伤。 (2) 测量范围广：因其是非接触测温，所以测温仪并不处在较高或较低的温度场中，而是工作在正常的温度或测温仪允许的条件下。一般情况下可测量负几十度到三千多度。(3) 测温速度快：即响应时问快。只要接收到

12、目标的红外辐射即可在短时间内定温。(4) 准确度高：红外测温不会与接触式测温一样破坏物体本身温度分布，因此测量精度高。(5) 灵敏度高：只要物体温度有微小变化，辐射能量就有较大改变，易于测出。可进行微小温度场的温度测量。(6) 温度分布测量，以及运动物体或转动物体的温度测量。使用安全及使用寿命长。(7) 安全。安全是使用红外线测温仪最重要的益处。不同于接触测温仪，红外线测温仪能够安全地读取难以接近的或不可到达的目标温度，在仪器允许的范围内读取目标温度。非接触温度测量还可在不安全的或接触测温较困难的区域进行，像蒸汽阀门或加热炉附近，他们不需在冒接触测温时一不留神就烧伤手指的风险。1.2.2 红外

13、测温仪的缺点 (1) 易受环境因素影响（环境温度，空气中的灰尘等）。(2) 对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大。(3) 只限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部和存在障碍物时的温度。1.3 红外快速人体温度检测装置的研究意义随着现代科学技术不断发展成熟与日益完善，红外线测温仪凭借其准确、快速、直观等特点，广泛应用于各行业，实时地在线监测和诊断设备故障。近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。红外线测温仪技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了

14、着重要作用。本文设计的红外快速测量人体温度的装置，是由TPS334红外温度传感器、双信道A/D转换器AD7705、AT89C51单片机、LCD1602液晶显示屏、报警和时钟电路等电路组成，从原理的设计到方案的论证，最后到实际制作和调试，都达到了预期的效果。通过自己手动设计与开发红外快速检测人体温度装置，提升我们的动手设计能力，团队合作与学习的能力，同时也让大家熟悉日常生活中接触的先进仪表的基本原理，培养大家科学的人生观和求实的实践观。第二章 红外测温原理2.1 红外测温的基础理论 在自然界中，一切温度高于绝对零度（-273.15C）的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段

15、在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 红外线是电磁波谱的一部分，这一波段位于可见光和微波之间。根据普朗克辐射定律，凡是绝对温度大于零度的物体都会向外辐射电磁波，物体的辐射强度与温度及表面辐射能力有关，辐射的电磁波谱分布与物体温度密切相关。在电磁波谱中，我们把人眼可直接感知的0.4 0.76m波段称为可见波段，而把波长从0.76 600m的电磁波称为红外波段。而红外区通常又可分为近红外区（0.

16、76 1.5m）、中红外区（1.5 10m）和远红外区（10m以上）。近年来，红外辐射技术已成为一门发展迅速的新兴学科。它已经广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。图2.1 电磁波波谱图JD哈里认为，人体辐射能量与皮肤表面温度及辐射率有关。一般活体皮肤光谱范围约为3 50m，其中大部分能量集中在814m波段内，峰值波长约为9.5m。虽然人体生物波普分布范围比较宽，但在非能量集中区域的信号强度较低，尤其远端波段的数值极小。经科学检测，不管人体的肤色如何，干燥皮肤的红外辐射率均为0.98，近似为黑体。根据Planck定律，其波长主要分布在2.5 25m红外波段范围内，根据Wien定律mT=2

17、898（Km），人体皮肤辐射的峰值波长同样约为9.5m。其中黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。但是，自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体，为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称“黑体辐射定律”。图2.2 黑体辐射曲线(1) 辐射的光谱分布规律普朗克辐射定律：一个绝对温度为T（K）的黑体，单位表面积在波长附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率（简称为光谱辐射度）M

18、，T与波长、温度T满足下列关系： （2-1）式中C1、C2分别为第一、第二辐射常数。普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。(2) 斯忒藩（德） 波尔兹曼（奥）（StefanBoltzmann）定律：物体的总辐射率，即单位面积发射总功率与黑体温度的四次方及材料表面的发射率成正比。其数学表示如下： （2-2）其中：，为StefanBoltzmann常数，为材料表面发射率。1879年斯忒藩从实验上总结得到该公式，1884年波尔兹曼从理论上证明了它。StefanBoltzmann定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射，同时黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方

19、成正比。而且，只要当温度有较小变化时，都会使物体发射的辐射功率发生很大的变化。因此只要能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率，就可以确定黑体的温度了。StefanBoltzmann定律是所有红外测温的基础。(3) 辐射的空间分布规律朗伯余弦定律：所谓的朗伯余弦定律，就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比： （2-3）此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检测时，应尽可能选择在被测表面法线方向最大值的cos倍。(4) 基尔霍夫（Kirchhoff）辐射定律与发射率：实验表明，实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与够成该物体的材料

20、性质及表面状态等因素有关。这里，我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，即可把黑体的基本定律应用于实际物体的红外温度测量。而这个辐射系数就是常说的发射率，或称之为比辐射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在大于0和小于1的数值区间中。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因素有：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。因此利用在相同温度下实际物体与黑体的辐射出度之比来表示该物体的一种特性，可以称之为实际物体的发射率，也叫做全发射率，用表示。数学表示为： （2-4）式中：M为

21、实际物体的辐射出度，Mo为相同条件下黑体的辐射出度。基尔霍夫定律揭示了热平衡下物体的辐射与吸收的关系，指出了一个好的吸收体也是一个好的辐射体。可以用以下公式表达： （2-5） 由此可以看出，任何处于热平衡下物体的吸收率等于发射率，即物体的辐射本领越大其吸收本领也越大。 而为了减少测量物体温度的误差，我们要去除环境温度因素的影响，所以修正的红外辐射定律如下： （2-6）式中：E为辐射出射度数，单位W/m3；为斯蒂芬波尔兹曼常数，；为物体的辐射率；TO为物体的温度，单位K；TA为物体周围的环境温度，单位K；只要测量出所发射的E的值，就可计算出对应的温度。利用这个原理制成的温度测量仪器叫红外测温仪。

22、这种测量不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测温。在不同的温度范围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0100C）范围，能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪器，其具体的设计也不同。根据式（2-6）的原理，仪器所测得的红外辐射为： （2-7）式中：A为光学常数，与仪器的具体设计结构有关；1为被测对象的辐射率；2为红外温度计的辐射率；TO为被测对象的温度（K）；TA为红外温度计的温度（K）；它由一个内置的温度检测元件测出。所有的物体，包括人体各部位的表面，其值都是某个大于0并小于1.0的数值。其中红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理

23、、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器相关的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。2.2 人体红外测温仪的性能指标及作用总体上来说，测温范围、显示分辨率、精度、工作环境温度范围、重复性、相对湿度、响应时间、电源、响应光谱、尺寸、最大值显示、重量、发射

24、率等都是红外线测温仪的性能指标。(1) 确定测温范围：测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。(2) 确定目标尺寸：红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。否则背景会干扰测温读数，造成误差。对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。 (3) 确定距离系数（光学分辨率）：距离系数由D：S之比确定，即测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径之比。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。光学

25、分辨率越高，测温仪的成本也越高。(4) 确定波长范围 ：目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。(5) 确定响应时间：响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的95%能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有 关。(6) 信号处理功能：鉴于离散过程（如零件生产）和连续过程不同，所以要求红外测温仪具有多信号处理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。(7) 环境条件考虑：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度甚至引起损坏。(8) 红外辐射测温仪的标定：红

26、外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。2.3 影响温度测量的主要因素及修正方法影响红外人体测温仪的因素有：测温目标大小与测温距离的关系、测量温度时的环境因素、强光背景里目标的测量和温度输出功能。(1) 测温目标大小与测温距离的关系：在不同距离处，可测的目标的有效直径D是不同的，因而在测量小目标时要注意目标距离。人体红外测温仪距离系数K的定义为：被测目标的距离L与被测目标的直径D之比，即K=L/D。 (2) 选择被测物质发射率：人体红外测温仪一般都是按黑体（发射率=1.00）分度的，而实际上，物质的发射率都小于1.00。因此，在需要测量目标的真实温度时，必须设置发射率值。物质发

27、射率可从辐射测温中有关物体发射率的数据中查得。(3) 测量温度时的环境因素：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大的影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度。本设计中正是利用了PM611热释电红外线传感器可以补偿温度起伏的作用，实现准确测温。 (4) 强光背景里目标的测量：若被测目标有较亮背景光（特别是受太阳光或强灯直射），则测量的准确性将受到影响，因此可用物体遮挡直射目标的强光以消除背景光干扰。 (5) 温度输出功能：首先模拟信号输出：05V，15V，010V，0/420毫安，可以加入闭环控制中。其次高报警、低报警:在生产过程中要求控制温度在某个范围里，可设置高，低报警值。高报警：在高报警

28、设置打开的情况下，当温度高于高报警值，相应的LED灯闪烁，蜂鸣器响，并有AH常开继电器接通。由于在温度测量时是在不确定的环境中进行的，所以外界环境会对测温造成一定的影响，对测量结果产生误差，所以要对环境温度有一个修正。 由2.1节辐射公式可得出热释电传感器的响应公式为： (2-8)式中：S为与热释电响应特性及物体表面发射率有关的常数，为物体表面温度，为环境温度。根据表达式（2.3）可以得到不同的标定公式： （1）简单关系式，即 （2-9）式中：，应用此公式所作的标定实验结果见表1，表中数据表明， 不仅与 有关，还与 有关。 （2）多项式，即 （2-10） 令： （2-11）取三项，其实验结果表

29、明，要使测温仪满足一定的精度，测温时的环境温度和物体表面温度要在一定的范围内，如环境温度=30，物体表面温度在180以上时，读数误差较大。由下表2-1可知：首先应该对物体表面温度分段定标，因为测量范围较大，所以不同段的标定系数相差很大。实际应用中每隔510就必须标定一个系数，当采样电压峰值落在此区间时就选择该系数。然后再根据环境温度的不同对已选出的标定系数进行修正，达到在不同环境温度下仍然能够准确测温的目的。 分析表2-1可知，当物体表面温度较低时（78以下），环境温度对修正系数的影响较大。所以对此温度范围的物体必须进行环境温度对标定系数的修正。而当物体表面温度较高时，则修正系数基本由物体表面

30、温度决定，这样系数就不必再依环境温度进行校正。这就减少了标定系数的复杂性。下表为表2-1：标准温度（）环境温度（）测量值（V）系 数 Ka（V/）34.00 26.0 2.613 3.061 26.5 2.605 2.879 27.0 2.588 2.70478.00 26.0 2.960 17.57 26.5 2.948 17.47 27.0 2.925 17.44120.00 26.0 3.392 27.71 26.5 3.388 27.59 27.0 3.384 27.48表2-1 不同环境温度下的标定系数2.4 人体红外线测温仪的特点人体红外测温仪是通过接收人体发射的红外线的能量的大小

31、来测量其体温的仪器。测温仪内部的灵敏探测元件将采集的能量信息输送到微处理器中进行处理，然后转换成温度读数显示。所以人体红外测温仪具有以下优点：(1) 非接触测量：它不需要接触到人体，只需在额头前方5厘米左右测温即可，而且红外探测器只需感应人体辐射的红外线。因此，不会干扰人体，也不会为人体带来损伤。(2) 测量范围广：因为人体红外测温仪是非接触式测温，所以测温仪并不处在较高或较低的温度场中，而是工作在正常的温度或测温仪允许的条件下进行测量的，所以测量范围比较广。(3) 测温速度快：即响应时间快。红外探测器中灵敏元非常灵敏，只要接收到目标红外辐射即可在短时间内定温。(4) 准确度高：人体红外测温不

32、会与普通测温一样破坏物体本身温度分布，因此测量精度高。(5) 灵敏度高：只要人体温度有微小变化，辐射能量就有较大改变，易于测出。而且使用安全及使用寿命长。(6) 体积小，方便携带。(7) 受外界环境温度干扰较小：由于本设计中所使用的红外探测器是带补偿电路，所以它可以补偿外界环境温度的高低起伏。第三章 红外快速人体温度检测装置的框架构思3.1 设计思路本设计中采用的红外传感器是PerkinElmer Optoelectronics的TPS334。单片机是TI公司的带有LCD驱动的低功耗单片机，可以直接与LCD屏相连而不需要另外的驱动电路，它最多可以显示96段。ADC采用的是AD公司带有恒定电流源

33、的高精度的16位-AD，它为两路输入，一路与热电堆相连，另一路与热敏电阻相连。恒定电流源可以用于补偿电路中驱动热敏电阻。红外传感器的两路输出(热电堆输出电压信号和热敏电阻两端电压信号)送到ADC，然后送到单片机，经单片机查表分别得出热电堆的两端温差和环境温度，并两值相加求出物体的真实温度，并把结果送到LCD进行显示。3.2 方案比较方案1：模拟处理方法模拟电路的处理法就是将热敏电阻和热电堆的信号通过放大器进行比较，得出相应模拟电信号转换成相应温度。其电路原理图，如图3.1所示。在有限的温度范围内，热敏电阻的阻值与温度的4次方近似为线性关系。即，其中Ro,是常数。由黑体定律知道可以通过调整2个放

34、大器的放大倍数，可使得输出信号只与被测物体温度的4-次方成线性关系，去除由环境温度而产生的输出分量，由此可确定物体温度，因而模拟处理方法的测量精度不高，不能达到测量体温的要求，但灵活性好，可以通过调节放大倍数以适合不同物体的温度测量。方案2：数字处理法数字处理法原理是将热敏电阻和热电堆的信号转换成电信号经放大，通过A/D转换由单片机采集数据在内部计算处理可以得到相应的温度值。这种数字处理法可以得到更高的精度。它的精度由传感器的性能和A/D转换的位数决定。数字处理法的框图如图3-2所示。方案比较与论证：方案1的精度得不到保证，一般只能用于工业上，不能用于人体温度测量。方案2采用数字处理法，通过对

35、信号进行放大，提高A/D转换器的分辨率是可以精确到0.1度，能够进行人体温度测量。 信号放大器 信号 比较TPS334 信号放大器 图3-1 模拟电路处理电路图红外传感器放大器A/D单片机译码显示报警电路图3-2 数字处理方框图3.3 系统方框图及测量原理 3.3.1 系统整体方框图通过以上的方案比较我们选用方案2，以数字处理法实现红外测温。系统整体方框图如图3-3所示。3.3.2 测量原理自然界一切温度高于绝对零度（-273.15oC）的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克（Plank）定律。人体主要辐射波长在

36、910 m的红外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。人体的红外辐射特性与它的表面温度有着十分密切的关系，因此，通过对人体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。红外温度测量技术的最大优点是测试速度快，1秒钟以内可测试完毕。由于它只接收人体对外发射的红外辐射，没有任何其它物理和化学因素作用于人体，所以对人体无任何害处。 主 光学系统瞄 准系 统检 测元 件信号处理单元显 示单 元报 警 电 路 电 源 图3-3 系统整体方框图第四章 系统设计与工作原理4.1 系统

37、组成本系统由红外温度传感器TPS334、A/D转换器AD7705、AT89C51单片机、显示模块、报警电路组成单片机系统。整体连接电路图见附录一。4.2 单元电路设计4.2.1 传感器的选用(1) 黑体定律红外体温计的测温原理是基于黑体辐射定律。在任何温度下都能全部吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量的物体称为黑体。黑体的单色辐射出度是描述在某一波长辐射源单位面积上发出的辐射通量。温度为T的黑体单色辐射出度为： （4-1）其中：，均为常数，=3.7418xW， =1.438x mK，e为自然对数，为该辐射源的波长。由此可以计算出在温度为T的黑体在全部波长范围内的辐射出度为： （4-2） 其中：

38、K是波尔兹曼常数， 此外，由于人体皮肤不是理想的黑体，只有在大子5的波长范围才可以近似看成是黑体，所以在红外传感器上要装有大子5.5 的波长才可以通过的滤波器。(2) 红外传感器的结构红外传感器是红外体温计的关键部件，它是由温差热电堆和热敏电阻两部分构成的。热电堆是用半导体集成电路(IC)工艺和微机械电子(MEMS)工艺制造的，它可以等效为多个热电偶串联组成的。而热电偶是由两种电子密度不同的导体相连接组成的。热电偶有冷热两个端点。在测量物体温度时，热端与被测物体接触，冷端与测量仪表接触。热电偶的同种导体上会因为存在温度梯度而产生汤姆逊电动势，两种金属的连接处会因为电子密度差而产生珀尔贴电动势，

39、所以在热电偶的两端会产生温差电动势。在红外传感器热电堆的热端贴有热量吸收器，它用来吸收被测物体辐射的红外线并转化为热能。通过热电堆把辐射红外线的功率转化为电信号进行测量。红外温度传感器我们选用TPS334，TPS334红外温度传感器的环境温度补偿范围为-40100，比较适合测量体温。(3) 红外传感器的输出特性温度为T的物体，其单位面积在全部波长的辐射功率可以表示为： （4-3） 其中：k是波尔兹曼常数，是物体的发射系数，在01之间。当用于红外传感器测量温度时，考虑到红外传感器热电堆另一端的环境温度，由热平衡方程，于是红外传感器其吸收的净热功率为： （4-4） 其中：K是一常数(由传感器决定)

40、，和分别为被测物体和传感器材料的发射系数，T和T分别是被测物体温度和传感器的环境温度。由此可得出红外传感器的输出电压为： （4-5） 其中：s是传感器的敏感度（V/W）。由传感器器本身决定。 由于实际传感器只测量一定的波长范围并且其敏感度只有在一定的波长范围才可以看成是常数，所以上式可进一步修正为： （4-6） 由公式（4.6）可以看出，当环境温度一定时，红外传感器其输出电压与被测物体的绝对温度的4-次方成线性关系。传感器的输出与被测物体的温度是单调的，即传感器的输出量与被测物体的温度是一一对应的，由此可以通过测量传感器的输出来确定被测物体的温度。由于环境温度是可变的，所以还要进行环境温度补偿

41、。(4) 环境温度补偿热电堆输出端的电信号是反映热电偶冷热两端的温度差，也就是被测物体与热电堆冷端的温度差，而不是反映被测物休的真实温度。因此，还需要进行环境温度补偿，也就是要测出热电堆的冷端温度。环境温度补偿是通过红外传感器中负温度系数的热敏电阻完成的，它的阻值随着温度的升高而降低,由此通过测量其阻值就可以得知环境温度。(5) 传感器选用红外温度传感器我们选用TPS334红外温度传感，TPS334红外温度传感器镜头带有滤波器，敏感系数高，在没有滤波器时为55V/W,有滤波器时为35V/W。环境温度测量范围为-40到100，适合测量体温。内部有热敏电阻不需要外接补偿装置。其参数表如表4-1所示

42、。TPS334红外温度传感器光学滤波器主要通过的红外光线为7.5m到13.5m。其滤波器特性如表4-2所示。表4-1 TPS334参数表参数符号范围单位备注最小平均最大电阻RTP2075100K25OC灵敏度SV203550V/W标准滤波，500K，1Hz，25OC时间常数2570ms25 OC燥声电压VRMS40nVRMS/Hz标准滤波特性参数范围单位备注最小平均最大平均传送70%通过波长为7.5m到13.5m平均传送1%通过波长为可视波长到5m过滤波长5.25.55.8m25 OC表4-2 光学滤波器特性4.2.2 测量电路设计测量电路由TLC2652组成的高精度放大器和双通16位串行A/D转换器AD7705构成。方框图如图4-1所示。高精度放大器A/D转换器信号单片机 图4-1 测量电路方框图 测量电路主要包括两个方面,一方面是热电堆信号的处理；另一方面是热敏电阻信号的处理。热电堆的信号直接是电压信号所以不需要其他处理，直接将其信号放大