無線遙感體溫器畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、一、課題的來源、目的意義（包括應(yīng)用前景）、國內(nèi)外現(xiàn)狀及水平課題來源： 2003年，一場(chǎng)沒有硝煙的戰(zhàn)爭(zhēng)無情地席卷了整個(gè)中華大地，這就是令人聽了都心驚膽戰(zhàn)的“非典”。在國家各部門投入大量人力，物力，財(cái)力搶救“非典”病人的同時(shí)，各地也積極響應(yīng)黨中央的號(hào)召，全力以赴做好“非典”的防控工作，尤其是在機(jī)場(chǎng)、海關(guān)、車站、賓館、商場(chǎng)、影院、寫字樓、學(xué)校等人流量較大的公共場(chǎng)所，對(duì)“非典”病人體溫的檢查尤為重要。目前，國內(nèi)傳統(tǒng)的體溫測(cè)量是用醫(yī)用玻璃液體溫度計(jì)（俗稱體溫表）、醫(yī)用電子接觸式溫度計(jì)（常用熱敏電阻作為它的感溫元件）等插入人體內(nèi)部（舌下、直腸）或置于腋下，通過接觸使溫度計(jì)的溫度等于被測(cè)處的溫度。但這些體溫

2、計(jì)的缺點(diǎn)是測(cè)量的速度慢（約2分鐘以上）。玻璃液體溫度計(jì)還易碎，在使用時(shí)容易因消毒不徹底而引起交叉感染。在SARS預(yù)防的檢測(cè)中，在需測(cè)量的人很多，時(shí)間又要短時(shí)，它們就不大適用了?；诖?，本文所介紹的一種不接觸式的紅外快速檢測(cè)人體溫度裝置應(yīng)運(yùn)而生了研究目的： 此次研究紅外快速檢測(cè)人體溫度裝置的主要目的，在于它能夠在機(jī)場(chǎng)、海關(guān)、車站、賓館、商場(chǎng)、影院、寫字樓、學(xué)校等人流量較大的公共場(chǎng)所，有效地避免國內(nèi)傳統(tǒng)的體溫測(cè)量的缺點(diǎn)，在快速，準(zhǔn)確，沒有交叉感染的情況下測(cè)量出人體溫度，因此不接觸式的紅外溫度測(cè)量法就被廣泛用于SARS預(yù)防的檢測(cè)工作中。正是由于紅外快速檢測(cè)人體溫度裝置的種種先進(jìn)特性，而可以廣泛應(yīng)用于

3、各種場(chǎng)所，擁有很好的市場(chǎng)前景！同時(shí)通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，提高了同學(xué)們的自學(xué)能力，熟悉產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序，引用所學(xué)傳感電子技術(shù)的知識(shí)解決實(shí)際問題。國內(nèi)水平： 在2003年全國防“非典”斗爭(zhēng)中，中科院上海技術(shù)物理研究所在863計(jì)劃高技術(shù)成果的基礎(chǔ)上對(duì)紅外技術(shù)應(yīng)用于非接觸式測(cè)溫進(jìn)行了深入研究，在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)成功了“非接觸式紅外測(cè)溫儀”，打開了國內(nèi)“非接觸式測(cè)量”的新篇章. 人體體溫是鑒別人體健康狀況的重要參數(shù)，所以體溫在醫(yī)療領(lǐng)域中占有十分重要的地位?，F(xiàn)有體溫計(jì)大概分為三種類型：一種是常見的玻璃水銀體溫計(jì)；一種是電子體溫計(jì)；另一種是較高檔的耳道式紅外遙感體溫計(jì)。 水銀體溫計(jì)雖然價(jià)格便宜但是有諸多弊端：首先，水銀

4、體溫計(jì)遇熱或安置不當(dāng)，體溫計(jì)容易破裂。其次，人體接觸水后會(huì)中毒，中毒癥狀是惡心、頭痛、腹瀉、脫發(fā)等，嚴(yán)重者會(huì)造成血液凝固。因?yàn)樗y有劇毒，一旦它污染了水源或食物，可以對(duì)人的腎臟、肺等造成極大的傷害，水銀也能加速人神經(jīng)系統(tǒng)退變。最后，采用水銀體溫計(jì)測(cè)溫需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間(5min-l0min)，使用不便。美國一些城市和醫(yī)院已開始禁止使用水銀體溫計(jì)(北京青年報(bào)2001年7月10日，環(huán)球時(shí)報(bào)2001年7月13日)。2、 研究的主要內(nèi)容，擬解決的關(guān)鍵性問題和預(yù)期的成果 電子體溫計(jì)是采用熱敏電阻測(cè)量溫度的，采用電子體溫計(jì)測(cè)溫也需要較長(zhǎng)的時(shí)間，同樣使用不便。耳道式體溫計(jì)是根據(jù)黑體輻射原理通過測(cè)量人體輻射的紅

5、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。三種體溫計(jì)比較之，耳式體溫計(jì)的性能最好，它不僅測(cè)量速度快(測(cè)量時(shí)間小于1s)而且精度最高(0.1)。 人體的溫度只在較小的范圍內(nèi)變化(35-42)，因此，只要進(jìn)行較細(xì)的刻度，紅外體溫計(jì)就可獲得較高的測(cè)量精度。為了排除環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，還要采用溫度補(bǔ)償電路對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償。我們要設(shè)計(jì)的紅外體溫計(jì)其測(cè)量范圍是35-42，且精度為0.1。在該設(shè)計(jì)中，以低功耗單片機(jī)為主體，配有高精度放大器和16位ADC，測(cè)量值用LCD進(jìn)行溫度顯示，

6、具有成本較低、使用方便、測(cè)量時(shí)間短、精度較高、可重復(fù)性好。更重要的是，通過進(jìn)一步設(shè)計(jì)完善，它可以與電腦連接，因此更適用于病房和護(hù)士工作站使用。以下詳細(xì)闡述測(cè)溫基本原理和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。1 基本原理首先介紹紅外遙感體溫計(jì)的物理原理，然后介紹紅外傳感器的原理和結(jié)構(gòu)，最后介紹環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，及其提高測(cè)量精度的可行性。2 黑體輻射定律紅外體溫計(jì)的測(cè)溫原理是基于黑體輻射定律，黑體是在任何溫度下都能全部的吸收投射到其表面的任何波長(zhǎng)的輻射能量。既沒有反射，也沒有透射的物體。同時(shí)它也向外界輻射能量。黑體的單色輻射出度是描述在某一波長(zhǎng)輻射源單位面積上發(fā)出的輻射通量。溫度為T的黑體單色輻射出度為其中：c1是3.74

7、18l0-16Wm2，c2是1.43810-2mk。由此可以計(jì)算出在溫度位T的黑體在全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射出度為 其中：A是波爾茲曼常數(shù)。此外，由于人體皮膚不是理想的黑體，只有在大于5um波長(zhǎng)范圍才可以近似看成是黑體，所以在紅外傳感器上要裝有大于5.5um的波長(zhǎng)才可以通過的濾波器。 紅外傳感器是紅外體溫計(jì)的關(guān)鍵部件，它是由溫差熱電堆和熱敏電阻兩部分構(gòu)成的。熱電堆是用半導(dǎo)體集成電路(IC)工藝和微機(jī)械電子(MEMS)工藝制造的，它可以等效為多個(gè)熱電偶串聯(lián)組成的。而熱電偶是由兩種電子密度不同的導(dǎo)體相連接組成的。熱電偶有冷熱兩個(gè)端點(diǎn)。在測(cè)量物體溫度時(shí)，熱端與被測(cè)物體接觸，冷端與測(cè)量?jī)x表接觸。熱電偶的同

8、種導(dǎo)體上會(huì)因?yàn)榇嬖跍囟忍甓榷a(chǎn)生湯姆孫電動(dòng)勢(shì)，兩種金屬的連接處會(huì)因?yàn)殡娮用芏炔疃a(chǎn)生珀而粘電動(dòng)勢(shì)，所以在熱電偶的兩端會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。在紅外傳感器熱電堆的熱端貼有熱量吸收器，它用來吸收被測(cè)物體輻射的紅外線并轉(zhuǎn)化為熱能。通過熱電堆把輻射紅外線的功率轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。 紅外傳感器的輸出特性 溫度為Tobj的物體，其單位面積在全部波長(zhǎng)的輻射功率可以表示為其中：K是波爾茲曼常數(shù)，是物體的發(fā)射系數(shù)0,1。當(dāng)用于紅外傳感器測(cè)量溫度時(shí)，考慮到紅外傳感器熱電堆另-端的環(huán)境溫度，由熱平衡方程，于是紅外傳感器其吸收的凈熱功率為其中：K/是一常數(shù) (由傳感器決定)，obi和sents分別為被測(cè)物體和傳感器材料的

9、發(fā)射系數(shù)，Tobi和Ta分別是被測(cè)物體溫度和傳感器的環(huán)境溫度。由此可得出紅外傳感器的輸出電壓其中：堤傳感器的敏感度(VW)，為一常數(shù)。由于實(shí)際傳感器只測(cè)量一定的波長(zhǎng)范圍并且其敏感度只有在一定的波長(zhǎng)范圍才可以看為是常數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，紅外傳感器其輸出電壓與被測(cè)物體的絕對(duì)溫度的4-次方成線性關(guān)系。傳感器的輸出與被測(cè)物體的溫度是單調(diào)的，即傳感器的輸出量與被測(cè)物體的溫度是一一對(duì)應(yīng)的，由此可以通過測(cè)量傳感器的輸出來確定被測(cè)物體的溫度。由于環(huán)境溫度是可變的，所以還要進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償。3、 課題研究方法，設(shè)計(jì)方案或論文撰寫提綱研究方法 環(huán)境溫度補(bǔ)償 熱電堆輸出端的電信號(hào)是反映熱電偶冷熱兩端的溫度差，也就

10、是被測(cè)物體與熱電堆冷端的溫度差，而不是反映被測(cè)物體的真實(shí)溫度。因此，還需要環(huán)境溫度補(bǔ)償，也就是要測(cè)出熱電堆的冷端溫度。環(huán)境溫度補(bǔ)償是通過紅外傳感器中負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻完成的，它的阻值隨著溫度的升高而降低。由此通過測(cè)量其阻值就可以得知環(huán)境溫度。實(shí)現(xiàn)電路可以采用模擬電路處理方法和數(shù)字電路處理方法。 模擬處理方法 在有限的溫度范圍內(nèi)，熱敏電阻的阻值與溫度的4次方近似為線性關(guān)系?？梢酝ㄟ^調(diào)整2個(gè)放大器的放大倍數(shù)，可使得輸出信號(hào)只與被測(cè)物體溫度的4-8次方成線性關(guān)系，去除由環(huán)境溫度而產(chǎn)生的輸出分量。由此可確定物體溫度 模擬處理方法的測(cè)量精度不高，只能達(dá)到4。但靈活性好，可以通過調(diào)節(jié)放大倍數(shù)以適合不同物

11、體的溫度測(cè)量。 數(shù)字處理方法 采用單片機(jī)查表的方法分別測(cè)量環(huán)境溫度和熱電堆的溫差，通過求和可得出被測(cè)物體的溫度值。數(shù)字處理方法具有較高的精度，可達(dá)0.1這是我們所采用的設(shè)計(jì)方案，下面將詳細(xì)介紹。 設(shè)計(jì)方案 體溫計(jì)的實(shí)現(xiàn)高精度放大電路紅外傳感器 本設(shè)計(jì)中采用的紅外傳感器是PerkinElmer Optoelectronics的TPS334。單片機(jī)是TI公司的帶有LCD驅(qū)動(dòng)的低功耗單片機(jī)，可以直接與LCD屏相連而不需要另外的驅(qū)動(dòng)電路，它最多可以顯示96段。ADC采用的是AD公司帶有恒定電流源的高精度的16位-AD，它為兩路輸入，-路與熱電堆相連，另一路與熱敏電阻相連。恒定電流源可以用于補(bǔ)償電路中驅(qū)

12、動(dòng)熱敏電阻。紅外傳感器的兩路輸出(熱電堆輸出電壓信號(hào)和熱敏電阻兩端電壓信號(hào))送到ADC，然后送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)查表分別得出熱電堆的兩端溫差和環(huán)境溫度，并兩值相加求出物；體的真實(shí)溫度，并把結(jié)果送到LCD進(jìn)行顯示。 數(shù)據(jù)處理方法 經(jīng)數(shù)字化的溫度信號(hào)，送到單片機(jī)進(jìn)行查表處理。對(duì)于紅外體溫計(jì)，其對(duì)溫度的刻度要求就會(huì)降低，因?yàn)樗臏y(cè)量范圍只是很小的一段，從35到42。在這么小的范圍內(nèi)，就不需要按照上述的復(fù)雜公式進(jìn)行計(jì)算或刻度。只需要把傳感器的輸出電壓看為是物體與環(huán)境的溫差函數(shù)而不考慮被測(cè)物體和環(huán)境的具體溫度值。通過單片機(jī)查表就可以得知被測(cè)物體與環(huán)境的溫度差，再與熱敏電阻測(cè)得的環(huán)境溫度相加就可以得出被測(cè)物體的溫度。這就是單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的基本算法。LCD顯示單片機(jī)ADC4、 課題研究準(zhǔn)備情況（參考文獻(xiàn)，完成任務(wù)所具備的條件）1 徐全民，匡建梅 計(jì)算機(jī)在細(xì)胞學(xué)診斷中的臨床應(yīng)用 上海醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)雜志 19992 機(jī)械工業(yè)出版社 1999 3693743侯