红外快速检测人体温度装置的设计与研制.docx
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红外快速检测人体温度装置的设计与研制
编号:
200600802079
毕业设计
题目红外快速检测人体温度装置的设计与研制
指导教师王春玲
学生姓名秦军红
学号200600802079
专业电子信息工程
教学单位物理系（盖章）
二O一O年六月一日
德州学院毕业设计开题报告书
2010年3月15日
院（系）
物理系
专业
电子信息工程
姓名
秦军红
学号
200600802079
设计题目
红外快速检测人体温度装置的设计与研制
一、选题目的和意义
目前，国内传统的体温测量是用医用玻璃液体温度计、医用电子接触式温度计等插入人体内部或置于腋下，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。
玻璃水银温度计还易碎，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，没有交叉感染地测量出人体温度。
正是由于红外快速检测人体温度装置的种种先进特性,而可以广泛应用于各种场所,拥有良好的市场前景!
二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势
在2003年全国防“非典”斗争中，中科院上海技术物理研究所在863计划高技术成果的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究，在短时间内开发成功了“非接触式红外测温仪”，打开了国内“非接触式测量”的新篇章，但由于这种装置受一定因素影响，测量结果还有待进一步进行校正。
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，并为从更远的距离或同样的距离测量较小物体的温度而改变光学分辨率,它为专业人员提供了精度和价格合理的组合,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。
三、课题设计方案
①设计或选用将人体温度快速转换为电信号的传感器及与之配套的电子线路；
②设计主光学系统，它有两个作用：
a）把被测处的红外线集中到检测元件上，b）把进入仪表的红外线发射面，限制在固定范围内；
③设计信号处理单元，把检测元件输出的信号，用电子技术和计算机技术进行处理，变成人们需要的各种模拟量和数字量信息；
④设计显示单元，把处理过的信号变成人们可阅读的数字或画面；报警电路，当人体温度超出预设温度值时进行报警。
本设计中采用的热释电红外传感器是PerkinElmerOptoelectronics的P7187。
温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的DS18B20。
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。
利用红外传感器对被测目标时的热辐射进行采集，通过转换电路将红外传感器采集到的光信号转换成电信号，再将电信号通过放大电路，A/D转换等单元电路处理后送到单片机中，最后单片机将带有数据信息的电信号进行分析处理，将电信号转变成与之相对应大小的温度值并将结果送到LCD进行显示。
四、计划进度安排
我的安排进度如下：
第一周搜集论文资料，确定方案，画出方框图，布置写开题报告；
第二至五周设计与选用传感器和测量电路，并对参数进行计算, 写检查报告；
第六至十一周画出元件安装图。
实习并撰写毕业论文初稿,交毕业论文初稿，制作样机并对系统进行调试仿真；
第十二周修改、打印毕业设计论文，进行毕业答辩。
五、主要参考文献（只列出最重要的5—6种）
[1]周继明，江世明，传感技术与应用，中南大学出版社，2005
[2]赵亮侯国锐.单片机C语言编程与实例,人民邮电出版社,2003.
[3]求是科技,单片机典型模块设计实例导航,人民邮电出版社,2004.
[4]毛志毅，苏东明，非接触式红外遥感体温计的设计和实现，医疗卫生装备，2003
[5]郭培源，光电子技术基础教程，北京航空航天大学出版社，2005.9
[6]张建奇，红外物理，西安电子科技大学出版社，2004.6
指导教师意见及建议：
签名：
年月日
教学单位领导小组审批意见：
组长签名：
年月日
德州学院毕业论文（设计）中期检查表
院（系）：
物理系专业：
电子信息工程2010年04月15日
毕业论文（设计）题目：
红外快速检测人体温度装置的设计与研制
学生姓名
秦军红
学号
200600802079
指导教师
王春玲
职称
计划完成时间：
2010年05月20日
毕业论文（设计）的进度计划：
第一周：
根据搜集的论文资料，通过认真分析和整理，确定方案，画出方框图，布置写开题报告并上交；
第二至五周：
设计与选用传感器和测量电路，并对参数进行计算, 写中期检查报告表；
第六至十一周：
根据确定的设计方案画出元件安装图。
实习并撰写毕业论文初稿，交毕业论文初稿；
第十二周：
修改论文初稿、最终定稿并打印毕业论文，进行毕业答辩。
完成情况：
已经根据搜集的论文资料确定了方案和论文整体构思并画出了方框图，上交了开题报告，正在对所搜集的资料进行学习、分析，设计和选用传感器及测量电路，并已草拟出毕业论文框架。
指导教师评议
评议人：
年月日
备注：
摘要及关键词
引言
1.设计思路与原理方框图
1.1设计思路
1.2系统方框图及测量原理
2.器件选择
2.1红外器件的选择
2.2LM358放大器件
2.3温度传感器DS18B20
2.4A/D转换器TLC549
2.5AT89C51单片机
2.6显示器件LM016L
3.电路设计
3.1复位电路设计
3.2上下限温度控制电路
3.3报警电路
3.4显示电路
3.5P7187红外传感电路
4.系统的调试仿真
5.源程序
参考文献
致谢
红外快速检测人体温度装置的设计与研制
秦军红
（德州学院物理系，山东德州253023）
摘要系统由红外热释传感器、温度传感器DS18B20、高精度放大器、A/D转换器TLC549、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。
具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点；同时也有测量值受被测物体发射率、反射热源、气氛干扰影响的弱点。
关键词红外热释传感器；温度传感器；快速检测；非接触测量；A/D转换器；单片机；译码显示；超标报警
AbstractThissystembyinfraredpyroelectricsensor，temperaturesensorDS18B20,highaccuracyamplifier，A/DswitchTLC549,AT89C51microcomputermastercontrolpartconstitution,decodingdemonstrationmoduleandwarningcircuit.Realizedthenon-contacttypeinfraredclinicalthermometer．Itcanbeaccurateinshortertimetomeasureatemperatureofhumanbody,butatmeasurethetemperatureoutrunsomeonescopebeinusetoreporttothepoliceelectriccircuittocarryonasupermarktoreporttothepolicenamely.Inthearticlediscussedtheinfrarednon-contacttypeclinicalthermometerbasicprinciple,proposedtheconcretedesignproposal,andhascarriedonthefeasibleproof.Andwehaveproducedthecircuitdiagramandtheprogramflowdiagramandattachthesourceprogram.Follow-ontrendofabroaddigitizewasatpresentcompliedwithinthedesignofthissystem,andtheexploitsinglymeritofpiecemachineandnumericalcontrolsystemmakestheeachsidefunctionofsystemgetthenotableraise.Withatemperaturehighresolution,fastresponse,non-disturbancemeasuredtargettemperaturedistributionfield,highaccuracyandstabilityandgood;alsohavemeasuredvaluesbythemeasuredobjectemissivity,reflectiveheat,theatmospheredisturbancesweaknesses.
KeywordsPyroelectricInfraredSensors，temperaturesensor，fastcheck，noncontactmeasurement,A/Dswitch，singlechipcomputer,decodingdemonstration,excesswarning
引言
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）。
玻璃水银温度计还易碎，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。
在2003年全国防“非典”斗争中，中科院上海技术物理研究所在863计划高技术成果的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究，在短时间内开发成功了“非接触式红外测温仪”，打开了国内“非接触式测量”的新篇章，但由于这种装置受一定因素影响，测量结果还有待进一步进行校正。
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！
这里设计的红外快速检测人体温度装置，由红外热释传感器、温度传感器DS18B20、高精度放大器、A/D转换器TLC549、AT89C51单片机、译码显示模块与报警电路等部分构成，从原理上进行设计计算，并进行初步的制作与调试。
1.设计思路与原理方框图
1.1设计思路
本设计中采用的热释电红外传感器是PerkinElmerOptoelectronics的P7187。
温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的DS18B20。
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。
利用红外传感器对被测目标时的热辐射进行采集，通过转换电路将红外传感器采集到的光信号转换成电信号，再将电信号通过放大电路，A/D转换等单元电路处理后送到单片机中，最后单片机将带有数据信息的电信号进行分析处理，将电信号转变成与之相对应大小的温度值并将结果送到LCD进行显示。
1.2系统方框图及测量原理
1.2.1系统方框图
根据设计要求，建立总的系统设计框架。
总体框架图如1.2-1
1.2-1红外测温装置袭击框架
1.2.2测量原理
自然界一切温度高于绝对零度（-273.15℃）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，其辐射能量与物体本身的温度关系符合辐射定律。
E=δε（T4-T04）
（公式一）
公式一中：
E为辐射出射度，表现物体辐射能力的强弱，单位是W／m3；δ为斯蒂芬—彼尔兹曼常数，5.67×10-8W／（m2·K4）；ε为物体的辐射率；T为物体的温度，单位K；T0为物体周围的环境温度，单位K。
物体的温度越高，辐射功率就越大。
相反，物体辐射功率越大，其温度也越高，利用这个公式，我们就可以知道所测量物体的温度。
人体主要辐射波长在9～10μm的红红外线，通过对人体量的测量，便能准确的测量人体表面温度。
由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而能更准确的测量人体表面温度。
红外测温最大的优点是测量速度快，并由于它只吸收人体对外发射的红外辐射，没有任何化学、生物因素作用于人体，所以可以安全放心使用。
红外快速检测人体温度装置是利用红外传感器对被测目标时的热辐
射进行采集，通过转换电路将红外传感器采集到的光信号转换成电信号，再将电信号通过放大电路，A/D转换等单元电路处理后送到单片机中，最后单片机将带有数据信息的电信号进行分析处理，将电信号转变成与之相对应大小的温度值显示输出。
当人体靠近红外探测器的有效范围后，人体释放的电磁波或红外辐射会被红外热释传感器所吸收，从而引起红外热释传感器输出电压的变化。
但因其输出电压信号特别小，所以要经过一定的放大处理。
然后经过A/D转换等电路处理后送入单片机，单片机将传送过来的数据信号分析处理，并将起转换为相应大小的温度值显示输出。
当显示的温度低于所设置的温度（T＜TL）就会启动报警电路声光报警；当显示的温度高于所设置的最高温度（T＞TH），也会启动声光电路报警。
图1.2-2是红外测温的系统原理图。
1.2-2系统原理图
2器件选择
2.1红外器件的选择
2.1.1热释电效应
当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。
通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电性不能表现出来。
某些晶体（如：
PZT，LiTaO3，PVFZ等）的表面接受了红外线的辐射能量，其表面产生温度变化，随着温度的上升或下降，这些物质表面上就会产生电荷的变化。
图2.1.1-1为热释电晶体表面电荷随温度变化的移动情况。
图2.1.1-1热释电效应图
可见，当红外线照射热释电元件时，其内部极化作用发生很大的变化，其变化部分作为电荷释放出，从外部取出该电荷就变成传感器的输出电压。
由此可见，热释电传感器只有在温度变化时才有输出电压。
2.1.2P7187热释电红外传感器
热释电红外传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。
它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。
传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。
其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。
滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。
热释电元件PZT将波长在8mm～12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。
P7187热释电红外探测器是由热释电红外传感器、菲涅耳透镜及电子电路组成的一种光电检测装置。
他能无接触地检测人体运动时辐射出的红外线并转换成电信号输出。
人体的体温约为37℃，辐射最多红外线的波长是10μm左右，而P7187对7～20μm范围波长比较灵敏，他采用了2个热释电元件PZT板，PZT板表面吸收红外线，并在受光面的内外各自安装取出电荷的一对电极，能敏感的捕捉到被测物体或光源，具有很高的灵敏度。
这2个受光电极反向串联，可有效地防止背景波动以及干扰光照射时的误动作（一是环境变化引起的误动作，二是使用光调制器时的误动作）对传感器的影响，当2个受光电极同时受到红外线照射时，输出电压相互抵消而无输出，只有当人体移动时才有电压的输出，输出电压比较精确的反映了人体移动的情况。
图2.1.2-1为组成结构图和P7187等效电路图。
图2.1.2-1P7187热释电红外传感器结构图与等效电路图
2.2LM358放大器件
（1）LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
（2）LM358参数特性
·内部频率补偿；
·内部频率补偿；
·直流电压增益高（约100dB）；
·单位增益频带宽（约1MHz）；
·电源电压范围宽：
单电源（3—30V）；
·双电源（±1.5一±15V）；
·低功耗电流，适合于电池供电；
·低输入偏流；
·低输入失调电压和失调电流；
·共模输入电压范围宽，包括接地；
·差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；
·输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）；
2.3温度传感器DS18B20
2.3.1DS18B20性能特点
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。
DS18B20的性能特点如下：
●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；
●无须外部器件；
●可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；
●零待机功耗；
●温度以９或１２位数字；
●用户可定义报警设置；
●报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
●负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；
2.3.2DS18B20内部结构
DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2.3.2-1
图2.3.2-1DS18B20其内部结构框图
64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3所示。
头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
该字节各位的定义如图2.3.2-2所示。
低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。
图2.3.2-2DS18B20的字节定义
由图2.3.2-3可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。
因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
R1
R0
分辨率/位
温度最大转向时间/ms
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
图2.3.2-3
高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。
第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。
单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。
当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S＝1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。
图2.3.2-4是一部分温度值对应的二进制温度数据。
DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。
若T＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。
因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。
在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。
主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。
DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数据2的脉冲输入。
器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将0℃所对应的一个基数分别置入减
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