非接觸式人體紅外溫度計(jì)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

葛思憶 黃 克 孫偉佳 徐雅琪 趙文超 湖州師范學(xué)院理學(xué)院

非接觸式人體紅外溫度計(jì)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

葛思憶 黃 克 孫偉佳 徐雅琪 趙文超 湖州師范學(xué)院理學(xué)院

紅外溫度測(cè)量是利用任何物體高于絕對(duì)零度而發(fā)出的特定波段的紅外線來(lái)測(cè)量物體的溫度，選用高精度的紅外傳感器來(lái)迅捷、靈敏、方便的測(cè)量，可克服以往普通溫度計(jì)的諸多弊端。本文依據(jù)紅外輻射測(cè)溫的原理設(shè)計(jì)制作了一個(gè)紅外溫度測(cè)量系統(tǒng)，主要針對(duì)人體體溫測(cè)量進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。系統(tǒng)采用高精度數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，運(yùn)用單片機(jī)STC89C52進(jìn)行運(yùn)算處理，最后通過(guò)型號(hào)為F5461BH的四位數(shù)碼管顯示溫度值。系統(tǒng)元件的測(cè)量精度理論值可以達(dá)到±0.5℃，可在大規(guī)模的檢疫和日常生活中發(fā)揮重要的作用。

溫度傳感器DS18B20；單片機(jī)STC89C52；四位數(shù)碼管F5461BH

引言

體溫是一個(gè)重要的人體生理參數(shù)，體溫計(jì)無(wú)論是在日常保健中還是在臨床診斷中都是必不可少的醫(yī)用計(jì)量器具[1]。傳統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù)通過(guò)測(cè)溫元件與測(cè)量對(duì)象直接接觸進(jìn)行充分的熱交換，基于測(cè)溫物質(zhì)（如水銀）的熱脹冷縮的原理進(jìn)行讀數(shù)測(cè)量，它具有簡(jiǎn)單直觀，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。但也存在有響應(yīng)速度慢，讀取數(shù)值比較困難，易破碎，有毒性，易污染環(huán)境等缺陷[2]。紅外測(cè)溫儀利用人體發(fā)出的特定波段的紅外線來(lái)測(cè)量人體的溫度，采用高精度的紅外傳感器和新型的微處理技術(shù)，以非接觸方式來(lái)快速、準(zhǔn)確、方便的測(cè)量，克服了傳統(tǒng)溫度計(jì)的缺陷[3]。

1.紅外測(cè)溫的原理

紅外測(cè)溫儀是以黑體輻射定律作為理論基礎(chǔ)，是光學(xué)理論和微電子學(xué)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。使用紅外線傳感器在非接觸的條件下檢測(cè)輻射的紅外線變化，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。對(duì)電信號(hào)補(bǔ)償放大，再通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化后，把電信號(hào)以數(shù)字信號(hào)的形式傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)運(yùn)算處理后通過(guò)顯示器件輸出溫度數(shù)值。如今，紅外檢測(cè)技術(shù)的精準(zhǔn)度不斷升高，已由原來(lái)的工業(yè)級(jí)精確到能夠測(cè)量人體溫度，且技術(shù)上也相對(duì)比較成熟[4]。

紅外線在地球上屬于一種非常豐富的資源，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能夠向外界輻射電磁波（包括紅外線）。物體輻射紅外線的能量符合普朗克分布定律：Mλ=[C1λ-5]/ [exp（C2/λT）-1]，其中Mλ為黑體的輻射出射度，λ為波長(zhǎng)，T為絕對(duì)溫度，C1、C2為輻射常數(shù)。由此推導(dǎo)出維恩位移定律：λm·T=2898 um·k[5]，可用來(lái)計(jì)算物體輻射電磁波的波長(zhǎng)。人體的正常體溫為36～37.5℃，即309～310.5K，其輻射出最強(qiáng)紅外線的中心波長(zhǎng)約為9.4um。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

人體紅外溫度計(jì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示，本設(shè)計(jì)包括5個(gè)模塊，包括DS18B20溫度傳感器模塊、STC89C52單片機(jī)處理模塊、按鍵模塊、數(shù)碼管顯示模塊和電源模塊；在設(shè)計(jì)中使用電池給系統(tǒng)供電，選用STC89C52單片機(jī)為處理器，通過(guò)DS18B20溫度傳感測(cè)量感受到的人體溫度后傳輸給STC89C52單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，最后通過(guò)數(shù)碼管顯示測(cè)量后的溫度，主要特點(diǎn)：

（1）利用人體紅外輻射原理來(lái)測(cè)量溫度；

（2）采用普通電池供電；

（3）響應(yīng)速度快，響應(yīng)精度高；

（4）使用簡(jiǎn)單，價(jià)格低；

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分

3.1 單片機(jī)處理模塊

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，其工作電壓在2.4V到5.5V之間，具有特殊的看門狗功能，執(zhí)行速度快，可擦寫次數(shù)多，低功耗，高性能的特點(diǎn)。

3.2 DS18B20溫度傳感器模塊

DS18B20是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器，其主要特點(diǎn)為一個(gè)引腳就可以進(jìn)行信息的傳輸，在焊接過(guò)程中不需要外圍元件，測(cè)溫范圍在-55℃到125℃之間，精度可以達(dá)到±0.5℃，可以通過(guò)電池供電，也可以通過(guò)數(shù)據(jù)線進(jìn)行供電，電壓范圍在3.0V～5.5V之間，同時(shí)可以設(shè)置報(bào)警裝置，近年來(lái)廣泛用于糧庫(kù)等需要測(cè)量和控制溫度的地方。

3.3 其他模塊

顯示模塊采用四位數(shù)碼管F5461BH顯示，有助于清晰顯示溫度，與液晶顯示屏相比較能夠有效地降低生產(chǎn)成本；鍵盤模塊用于設(shè)置溫度上限以及測(cè)量溫度；蜂鳴器在設(shè)計(jì)中起到預(yù)警作用，當(dāng)測(cè)量物體的實(shí)際溫度高于我們自身初始設(shè)置的溫度上限時(shí)，蜂鳴器立即工作，同時(shí)起到報(bào)警作用。

圖2 主程序流程圖

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分

4.1 主程序

先接通電源，在通電狀態(tài)下STC89C52單片機(jī)先進(jìn)行初始化，開始運(yùn)行程序；然后判斷按鍵是否按下，若沒(méi)有按下，則不進(jìn)行溫度的檢測(cè)，若判斷按鍵按下，則進(jìn)行溫度的檢測(cè)，顯示器會(huì)顯示檢測(cè)出來(lái)的溫度；若檢測(cè)出的溫度高于設(shè)定的溫度，則蜂鳴器會(huì)發(fā)出響聲，顯示器同時(shí)也會(huì)顯示出檢測(cè)到的溫度。整個(gè)程序的流程圖如圖2所示。

4.2 DS18B20程序

溫度傳感器是系統(tǒng)的核心器件。DS18B20溫度傳感器包括初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序，該程序的流程圖如圖3所示。

（1）初始化時(shí)序。單片機(jī)將數(shù)據(jù)線DQ電平拉低后稍作延遲，可輸出持續(xù)的低電平，單片機(jī)收到該信息后進(jìn)行操作。

（2）寫時(shí)序。當(dāng)單片機(jī)將數(shù)據(jù)線DQ電平從高電平拉到低電平時(shí)，產(chǎn)生寫時(shí)序，有寫“0”和寫“1”兩種時(shí)序。如果是低電平則為“0”；如果是高電平。則為“1”。

（3）讀時(shí)序。當(dāng)單片機(jī)從DS18B20讀取數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生讀時(shí)序。此時(shí)單片機(jī)將數(shù)據(jù)線DQ的電平從高電平拉到低電平，進(jìn)行初始化。如果此時(shí)在15μs內(nèi)，如果是低電平則為“0”；如果是高電平。則為“1”。

圖4 紅外測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)物圖

圖3 DS18B20時(shí)序流程圖

圖5 三種測(cè)試方式下溫度數(shù)據(jù)對(duì)比圖

5.系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)測(cè)試分析

圖4為實(shí)際制作的紅外測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)物圖，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)軟硬件安裝，電路焊接后，先進(jìn)行基本的功能測(cè)試調(diào)試，各項(xiàng)功能滿足設(shè)計(jì)后進(jìn)入最后的溫度測(cè)量調(diào)試。將傳統(tǒng)水銀溫度計(jì)、無(wú)透鏡系統(tǒng)和添加菲涅爾透鏡系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，圖5是三種測(cè)試方式下獲得的溫度數(shù)據(jù)對(duì)比圖。

1）由圖5中數(shù)據(jù)可知，水銀溫度計(jì)測(cè)試平均溫度值為36.42℃，平均差為0.104℃；無(wú)透鏡系統(tǒng)測(cè)試平均溫度值為35.38℃，平均差為0.216℃，相對(duì)水銀溫度計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)其不穩(wěn)定度較大。原因是水銀溫度計(jì)測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)（3分鐘），最后結(jié)果為3分鐘內(nèi)的峰值溫度，而紅外溫度測(cè)試系統(tǒng)為瞬時(shí)溫度，有出現(xiàn)誤差的可能性；同時(shí)也與紅外線的匯聚和測(cè)試方式有關(guān)系。為減小誤差，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，我們選用了菲涅爾透鏡用于匯聚紅外線，有透鏡的系統(tǒng)測(cè)試的平均溫度值為35.8℃，平均差為0.16℃，其穩(wěn)定性有了較大提高，接近水銀溫度計(jì)的穩(wěn)定性。

2）水銀溫度計(jì)價(jià)格便宜，性能穩(wěn)定，但同時(shí)也有很多缺點(diǎn)。首先，水銀溫度計(jì)中的水銀有毒，能夠污染環(huán)境，溫度計(jì)破碎后水銀流出，被人體吸收對(duì)身體會(huì)造成極大傷害；第二，利用水銀溫度計(jì)測(cè)試一般需要3到5分鐘，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)；第三，水銀溫度計(jì)存在讀數(shù)誤差，不同的人對(duì)于同一支水銀溫度計(jì)會(huì)有不同的讀數(shù)。人體紅外溫度計(jì)可以克服以上缺點(diǎn)，安全無(wú)毒，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染作用；測(cè)量速度快速，測(cè)量方式簡(jiǎn)單方便，無(wú)需與人直接接觸。

3）通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種紅外溫度測(cè)試系統(tǒng)其測(cè)試溫度均低于傳統(tǒng)水銀溫度計(jì)，主要原因是人的體表溫度低于體內(nèi)溫度，而且體表溫度還受外界環(huán)境的影響，系統(tǒng)慣有誤差的存在加上其他因素，測(cè)量溫度會(huì)有所降低[6]。市面上的測(cè)溫儀器，一部分通過(guò)對(duì)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，另一部分則是通過(guò)其他硬件優(yōu)化，第二類比較少。一般而言，添加光學(xué)系統(tǒng)可增強(qiáng)測(cè)量穩(wěn)定性，系統(tǒng)誤差可通過(guò)調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)關(guān)系即可達(dá)到體內(nèi)溫度范疇，而這需進(jìn)一步深化研究。

[1]趙小蘭，胡征，馬國(guó)欣，徐馳，陳華輝，便攜式紅外線人體測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)試，2013,22

[2]陳可中，譚翔，董建杰，鄭明輝，王戎丞，肖桂平，紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)量技術(shù)，2007,30（10）:11-14

[3]王振運(yùn)，孟立凡，張璐，紅外人體測(cè)溫儀[J].電子世界，2015,（14）：163-165

[4]曾強(qiáng)，舒芳譽(yù)，李清華.紅外測(cè)溫儀-工作原理及誤差分析[J].技術(shù)與應(yīng)用.2007（02）

[5]劉立軍，張春燕.基于維恩位移定律的一些光學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)[J]. 西華師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,34（4）:405-408

[6]曹欣榮，戴景民，環(huán)境溫度對(duì)紅外輻射式體溫計(jì)讀數(shù)的影響[N]. 計(jì)量學(xué)報(bào)，2002,23（1）：33-35

2015年度浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目 編號(hào)2015R427025