18紅外體溫計(jì)

1、紅外體溫裝置的設(shè)計(jì)摘要：紅外體溫計(jì)采用紅外溫度傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量體溫計(jì)方法，利用GE公司的紅外熱電堆溫度傳感器ZTP135實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的非接觸測(cè)量；微弱的電壓信號(hào)放 大則采用低失調(diào)、低漂移的精密運(yùn)算放大器 OP07實(shí)現(xiàn)兩級(jí)放大。模數(shù)轉(zhuǎn)換用自 帶ADC的16位單片機(jī)mega16實(shí)現(xiàn)。從硬件技術(shù)和軟件方法上詳細(xì)闡述了該儀 器的實(shí)現(xiàn)手段。系統(tǒng)具有自動(dòng)精確測(cè)溫和長時(shí)間無操作自動(dòng)關(guān)機(jī)的功能，具有智能化的特點(diǎn)。關(guān)鍵字：紅外溫度傳感器；AVR單片機(jī)；體溫；放大器 OP07前言：（制作背景）隨著2009豬流感的襲擊，在中國迅速誕生了一支專門針對(duì)傳染性疾病的醫(yī) 療儀器隊(duì)伍，特別是在紅外體溫檢測(cè)儀的研發(fā)方面取得了突

2、出的成就。國家相關(guān)部門也在重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)非接觸式體溫計(jì)的研發(fā)。體溫生理參數(shù)是人體最重要、最基本 的生命指標(biāo)，對(duì)危重病人進(jìn)行生命指標(biāo)參數(shù)的監(jiān)測(cè)是醫(yī)務(wù)工作者及時(shí)了解病情狀 況的重要手段之一，它有利于對(duì)有生命危險(xiǎn)的傷病員進(jìn)行及時(shí)有效的治療和搶救 處理。體溫是人體最基本的生理參數(shù)，對(duì)于日常護(hù)理和病情檢測(cè)都是非常重要的。 有許多疾病都能通過體溫的變化來預(yù)測(cè)。本次設(shè)計(jì)了一種紅外體溫裝置，其中要解決問題有：體溫信號(hào)的非接觸測(cè)量、 微弱電壓信號(hào)的放大、傳感器的環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)取Ｆ渲畜w溫測(cè)量選用帶溫度補(bǔ)償 功能的紅外熱電堆溫度傳感器ZTP135;電壓放大利用低失調(diào)、低漂移的精密運(yùn) 算放大器OP07;環(huán)境溫度軟件補(bǔ)償，A

3、/D轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)控制等功能都用 AVR單 片機(jī)mega16實(shí)現(xiàn)。1.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的紅外體溫裝置包括以下幾個(gè)硬件模塊：傳感器、放大電路、電源、單片機(jī)控制、顯示。圖1硬件模塊連接圖1.1傳感器模塊1.1.1紅外溫度傳感器的原理自然界一切溫度高于絕對(duì)零度(-273 . 15°C)的物體！由于分子 的熱運(yùn)動(dòng)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)系符合普朗克(plank)定律！紅外測(cè)溫的原理是一樣的，都是根據(jù) 普朗克原理！一般理解紅外測(cè)量 的是 物體 的溫度其實(shí)測(cè) 的是 目標(biāo)物與傳感 器或者說是物體與環(huán)境溫度之間的差值!物體輻射能量的大小

4、直接與該物體 的溫度有關(guān)具體地說，是 與該物體熱力學(xué)溫度 的4次方成正比用公式可表達(dá)為：e= 5 £ (t4-t4o) (1)式中，e是輻射出射度單位是w/m35是 斯蒂芬一波爾茲曼常數(shù)，5 . 67x10-8w/ (m2 k4);5是物體的輻射率：t是物體的溫度(k);to是 物體周圍 的環(huán)境溫度(k)!人體主要輻射波長為9卩n10卩m的紅外線.通過對(duì)人體自身輻射紅外 能量的測(cè)量便能準(zhǔn)確地測(cè)定人體表面溫度！由于該波長范圍內(nèi)的光線不被空氣 所吸收，因而也可利用人體輻射的紅外能量精確地測(cè)量人體表面溫度！紅外溫度傳感器利用熱電偶原理，測(cè)量目標(biāo)物與傳感器或者物體與環(huán)境溫度之間 的差值！熱電

5、偶 的原理是 二種不同 的金屬a和b構(gòu)成一個(gè)閉合回路， 當(dāng)二個(gè)接觸端溫度不同時(shí)(t>to)，回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)eab，其中t稱為熱端、 工作端或測(cè)量端，to稱為冷端、自由端或參比端！a和b稱為熱電極！熱電勢(shì) 的 大小由接觸電勢(shì)(也叫伯爾貼電勢(shì))和溫差電勢(shì)(也叫湯姆遜電勢(shì))決定！1.1.3 ztpl35s r的工作原理和性能Ztp-135的性能指標(biāo)如下圖:*位條件暫片尺寸mm2i.ax is懂隔鹿尺寸mrn214 x 1,460mm20.7 X 0.7內(nèi)阻也60 ±3025-C抗阻溫度乗數(shù)<0.12響應(yīng)度v/w6? ± 30%SOCK 1Hz崎應(yīng)度磊IS系歆鈿9-0

6、.1Typical煤聲電壓nV nms32R.MS, TypicalNEPnvJ/i/Tlz0.535(X1 K, 1Hz：, Typicol探測(cè)靈駁度cmvHz/W1.30E+08500 K, lHi, Typical時(shí)間堆SIm&255U0K, lHi, Typicol工作溫發(fā)9-20 100存篠蟲度迂120遍度補(bǔ)償熱敏電館-咱值knM = 3觸-Seto 值K397C 1%封裝形式TO5其外形和引腳排列如圖2、3所示圖2 ZTP135外觀圖3.7 ±0.15225+0.1<TOPVIEW>10,1ki175_0±0_2TKflMORlEGND TH

7、ERMOPILEGND THERMISTORTHERM BTDR< BOTTOM 7JEW >OFTICALCISIAESECTION A-A圖3傳感器底部管腳圖測(cè)物體 的輻射能經(jīng)過窗口和光闌聚焦在接收元件（熱電堆）的受熱片上， 受熱 片上有60只串聯(lián) 的熱電偶每只熱電偶 的熱端在受熱片 的中央部位圍成一 圈，焊接在一起，從引線就可以得到所有電偶 的熱電勢(shì)之和！這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具 有較小 的熱慣性和較高 的靈敏度！傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)電熱調(diào)節(jié)器進(jìn)行環(huán)境 溫度補(bǔ)償！圖4、圖5和圖6分別示出該傳感器 的靈敏度變化曲線、內(nèi)阻變化率曲線 和傳輸波形！»e620406030 lOO初殊

8、渥度/P ( 25P )-2 Om2傳惑部靈敏度穽化曲線圖3傳總器內(nèi)阻變化率曲線x4傳感器傳輸波形1.2放大電路模塊本設(shè)計(jì)所采用的放大器是低功耗精密運(yùn)算放大器OP07,它的特點(diǎn)是超低失調(diào)、低漂移、高精度，電路正比特性好，零點(diǎn)失調(diào)電壓小。OP07可以通過在1、8管腳之間加上一個(gè)電位器進(jìn)行輸入漂移調(diào)零，這對(duì)于低輸出的信號(hào)的放大效果非常好。其低輸入偏置電流為1.8nA，供電范圍為3V到22V，超低失調(diào)的最大 值為150mV。它的性能正好解決了紅外溫度傳感器對(duì)運(yùn)放的特殊要求。由于熱 電堆的內(nèi)阻較高（約60K ），而輸出電壓又非常?。?mV左右），須使用具有高輸入 阻抗（ 1012 ）的CMOS輸入運(yùn)算

9、放大器。irwcing 咖打并廿碣蝕1計(jì)E 5 OP07輸入漂移調(diào)零電路因?yàn)闇y(cè)量的人體溫度在3442C范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓范圍為 0.71.5mV,采用兩極放大的形式，將電壓放大3000倍，即放大后電壓為2.14.5V, 以供單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換參考電壓選擇5V。電路圖如下:圖6信號(hào)放大電路1.3電源模塊的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)所采用的電壓為5v和正負(fù)9v。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用集成穩(wěn)壓器7805、7809、 7909分別實(shí)現(xiàn)5V,+9V,-9V電壓的輸出。使電路能得到穩(wěn)定的電壓，提供給單片 機(jī)，放大器和傳感器。電路如圖 7。圖7電源模塊電路1.4 AVR單片機(jī)外圍電路本儀器中AVR單片機(jī)（A

10、TMega16）的作用主要是AD轉(zhuǎn)換，并將采樣結(jié)果 進(jìn)行處理，最后輸出顯示數(shù)據(jù)。keyl為系統(tǒng)控制開關(guān)，key2為復(fù)位開關(guān)。LED 的8位段選接PB 口；位選接PA的高四位。ADC參考電壓選擇+5V的 VCC,AREF,GND,AVCC 之間通過電容并接，以使電壓更穩(wěn)定。圖8 mega16外圍電路圖1.5硬件連接圖元件數(shù)量（個(gè)）單價(jià)（元）總價(jià)（元）單片機(jī)11212Ztp-13523570郵費(fèi)20電源12020數(shù)碼管21.53Op0731.54.5三段穩(wěn)壓塊41.24.8變阻器212電容若干3電阻若干3其它約10總計(jì)152.31.6所需全部資源2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本裝置所采用的是AVR單片機(jī)進(jìn)行編程

11、的，主要程序思想是開機(jī)后（復(fù)位）, 單片機(jī)開始工作，進(jìn)行I/O 口、T/C1、ADC、MCU的初始化，單片機(jī)進(jìn)入工作 模式。將模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在將多次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果取平均值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn) 換后再將電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)溫度值，調(diào)用 LED顯示進(jìn)行溫度結(jié)果顯示，開定時(shí) 器，再進(jìn)入工作模式。由于mega16自帶有A/D轉(zhuǎn)換，這樣硬件電路就可以節(jié)省 A/D轉(zhuǎn)換元件了。 按鍵按下，進(jìn)入 ADC 程序；關(guān)計(jì)時(shí)器，則在整個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換過程中不會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘 溢出中斷； MCUCR=0x50 使能 ADC ，并設(shè)置為 ADC 噪聲抑制模式； ADCSRA|=0x40，即將ADCSRA中的ADSC置位，啟動(dòng) A

12、DC ;執(zhí)行sleep指令 即進(jìn)入 ADC 噪聲抑制模式； ADC 轉(zhuǎn)換完后即進(jìn)入 ADC 中斷服務(wù)程序，此中斷 服務(wù)程序的作用為將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放于開辟的存儲(chǔ)變量里。主要程序：/ICC-AVR application builder : 2009-5-24 10:33:58/ Target : M16/ Crystal: 4.0000Mhz#include <iom16v.h>#include <macros.h>flashunsignedcharled_711=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x58;

13、flash unsigned char position4=0x7F,0xBF,0xDF,0xEF;unsigned char dis_buff4=10,0,0,0,posit;void port_init(void)PORTADDRA =PORTBDDRB =PORTCDDRC =PORTDDDRD = 0xF0;0xF0;= 0x00;0xFF;= 0x00; /m103 output only0x00;= 0x00;0x00;void adc_init(void) /ADC 初始化ADCSRA = 0x00;ADMUX=0x40;SFIOR=0x00;ADCSRA =0x8D;unsig

14、ned int adc_data0,adc_data1,adcc;/ ADC中斷服務(wù)程序#pragma interrupt_handler adc_isr:15 void adc_isr(void)unsigned int temp1,temp2; temp1=ADCL; temp2=ADCH;adc_data0=(temp2<<8+temp1);adcc = 1; 置ADC轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志/call this routine to initialize all peripherals void init_devices(void)/stop errant interrupts unt

15、il set up CLI(); /disable all interrupts port_init();adc_init();MCUCR = 0x00;GICR = 0x00;TIMSK = 0x00; /timer interrupt sourcesSEI(); /re-enable interrupts/all peripherals are now initializedvoid delay(int n) while(n*1000) n-;void display(void)/ 四位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示程序PORTA|=0xF0;PORTB = led_7dis_buffposit; if(

16、posit=2) PORTB|= 0x80; PORTA&=positionposit;if(+posit>=4) posit=0;void main()unsigned int i,t,adc_v,adc_v1,adc_v2;init_devices();ADCSRA|=(1<<ADSC);while(!adcc)adcc = 0; / 清 ADC 轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志 adc_v1=(unsigned long)adc_data0*5000/1024;ADMUX=0x41;ADCSRA|=(1<<ADSC); while(!adcc) adcc = 0;adc

17、_v2=(unsigned long)adc_data0*5000/1024;t=adc_v1/300+340*(1+0.02*adc_v2); for(i=1;i<4;i+)dis_buffi=t%10;t/=10;posit=0;while(1)display();delay(1);3小結(jié)：紅外體溫計(jì)是通過測(cè)量額頭的輻射亮度，非接觸地實(shí)現(xiàn)對(duì)人體溫度的測(cè)量。 只需將探頭對(duì)準(zhǔn)內(nèi)耳道或額頭， 按下測(cè)按鈕， 僅有幾秒鐘就可得到測(cè)量數(shù)據(jù)， 非 常適合急重病患者、 老人、嬰幼兒等使用。 非接觸式體溫計(jì)是根據(jù)黑體輻射原理 通過測(cè)量人體輻射的紅外線而測(cè)量溫度的。 它用的紅外傳感器只是吸收人體輻射 的紅外線而不向人體發(fā)射任何射線，它采用的是被動(dòng)式且非接觸式的測(cè)量方式， 因此紅外體溫計(jì)不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生輻射傷害。 本設(shè)計(jì)采用額頭為測(cè)量部位， 由于探 頭對(duì)準(zhǔn)內(nèi)額頭，測(cè)量的影響因素較少。其突出優(yōu)點(diǎn)是：控制簡單，只需要一個(gè)按 鍵就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的開機(jī)、關(guān)機(jī)和測(cè)溫操作。顯示直觀，運(yùn)用數(shù)碼管顯示，合 理的利用了傳感器的特性進(jìn)行了一次實(shí)踐， 但由于設(shè)計(jì)者的水平有限， 有待提高。 還可以擴(kuò)展其他功能：如時(shí)鐘，測(cè)量值的存儲(chǔ)，根據(jù)時(shí)間、年齡、性別等的不