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        非接觸式人體紅外溫度計的設計與測試

        2016-04-18 05:34:53葛思憶孫偉佳徐雅琪趙文超湖州師范學院理學院
        電子制作 2016年24期
        關鍵詞:水銀溫度計時序

        葛思憶 黃 克 孫偉佳 徐雅琪 趙文超 湖州師范學院理學院

        非接觸式人體紅外溫度計的設計與測試

        葛思憶 黃 克 孫偉佳 徐雅琪 趙文超 湖州師范學院理學院

        紅外溫度測量是利用任何物體高于絕對零度而發(fā)出的特定波段的紅外線來測量物體的溫度,選用高精度的紅外傳感器來迅捷、靈敏、方便的測量,可克服以往普通溫度計的諸多弊端。本文依據(jù)紅外輻射測溫的原理設計制作了一個紅外溫度測量系統(tǒng),主要針對人體體溫測量進行設計改進。系統(tǒng)采用高精度數(shù)字式溫度傳感器DS18B20,運用單片機STC89C52進行運算處理,最后通過型號為F5461BH的四位數(shù)碼管顯示溫度值。系統(tǒng)元件的測量精度理論值可以達到±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STC89C52;四位數(shù)碼管F5461BH

        引言

        體溫是一個重要的人體生理參數(shù),體溫計無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)用計量器具[1]。傳統(tǒng)的測溫技術通過測溫元件與測量對象直接接觸進行充分的熱交換,基于測溫物質(zhì)(如水銀)的熱脹冷縮的原理進行讀數(shù)測量,它具有簡單直觀,價格低廉的優(yōu)點。但也存在有響應速度慢,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]。紅外測溫儀利用人體發(fā)出的特定波段的紅外線來測量人體的溫度,采用高精度的紅外傳感器和新型的微處理技術,以非接觸方式來快速、準確、方便的測量,克服了傳統(tǒng)溫度計的缺陷[3]。

        1.紅外測溫的原理

        紅外測溫儀是以黑體輻射定律作為理論基礎,是光學理論和微電子學綜合發(fā)展的產(chǎn)物。使用紅外線傳感器在非接觸的條件下檢測輻射的紅外線變化,并將其轉(zhuǎn)換成電信號輸出。對電信號補償放大,再通過數(shù)模轉(zhuǎn)化后,把電信號以數(shù)字信號的形式傳遞給單片機,單片機運算處理后通過顯示器件輸出溫度數(shù)值。如今,紅外檢測技術的精準度不斷升高,已由原來的工業(yè)級精確到能夠測量人體溫度,且技術上也相對比較成熟[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,T為絕對溫度,C1、C2為輻射常數(shù)。由此推導出維恩位移定律:λm·T=2898 um·k[5],可用來計算物體輻射電磁波的波長。人體的正常體溫為36~37.5℃,即309~310.5K,其輻射出最強紅外線的中心波長約為9.4um。

        圖1 系統(tǒng)總體框架圖

        2.系統(tǒng)整體設計

        人體紅外溫度計設計的系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示,本設計包括5個模塊,包括DS18B20溫度傳感器模塊、STC89C52單片機處理模塊、按鍵模塊、數(shù)碼管顯示模塊和電源模塊;在設計中使用電池給系統(tǒng)供電,選用STC89C52單片機為處理器,通過DS18B20溫度傳感測量感受到的人體溫度后傳輸給STC89C52單片機進行運算處理,最后通過數(shù)碼管顯示測量后的溫度,主要特點:

        (1)利用人體紅外輻射原理來測量溫度;

        (2)采用普通電池供電;

        (3)響應速度快,響應精度高;

        (4)使用簡單,價格低;

        3.系統(tǒng)硬件設計部分

        3.1 單片機處理模塊

        STC89C52是STC公司生產(chǎn)的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機,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。

        3.2 DS18B20溫度傳感器模塊

        DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器,其主要特點為一個引腳就可以進行信息的傳輸,在焊接過程中不需要外圍元件,測溫范圍在-55℃到125℃之間,精度可以達到±0.5℃,可以通過電池供電,也可以通過數(shù)據(jù)線進行供電,電壓范圍在3.0V~5.5V之間,同時可以設置報警裝置,近年來廣泛用于糧庫等需要測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;鍵盤模塊用于設置溫度上限以及測量溫度;蜂鳴器在設計中起到預警作用,當測量物體的實際溫度高于我們自身初始設置的溫度上限時,蜂鳴器立即工作,同時起到報警作用。

        圖2 主程序流程圖

        4.系統(tǒng)軟件設計部分

        4.1 主程序

        先接通電源,在通電狀態(tài)下STC89C52單片機先進行初始化,開始運行程序;然后判斷按鍵是否按下,若沒有按下,則不進行溫度的檢測,若判斷按鍵按下,則進行溫度的檢測,顯示器會顯示檢測出來的溫度;若檢測出的溫度高于設定的溫度,則蜂鳴器會發(fā)出響聲,顯示器同時也會顯示出檢測到的溫度。整個程序的流程圖如圖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序、寫時序和讀時序,該程序的流程圖如圖3所示。

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

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

        (3)讀時序。當單片機從DS18B20讀取數(shù)據(jù)時,產(chǎn)生讀時序。此時單片機將數(shù)據(jù)線DQ的電平從高電平拉到低電平,進行初始化。如果此時在15μs內(nèi),如果是低電平則為“0”;如果是高電平。則為“1”。

        圖4 紅外測溫系統(tǒng)實物圖

        圖3 DS18B20時序流程圖

        圖5 三種測試方式下溫度數(shù)據(jù)對比圖

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

        圖4為實際制作的紅外測溫系統(tǒng)實物圖,系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件安裝,電路焊接后,先進行基本的功能測試調(diào)試,各項功能滿足設計后進入最后的溫度測量調(diào)試。將傳統(tǒng)水銀溫度計、無透鏡系統(tǒng)和添加菲涅爾透鏡系統(tǒng)的測試結果進行對比分析,評估設計的準確性,圖5是三種測試方式下獲得的溫度數(shù)據(jù)對比圖。

        1)由圖5中數(shù)據(jù)可知,水銀溫度計測試平均溫度值為36.42℃,平均差為0.104℃;無透鏡系統(tǒng)測試平均溫度值為35.38℃,平均差為0.216℃,相對水銀溫度計測試數(shù)據(jù)其不穩(wěn)定度較大。原因是水銀溫度計測試時間較長(3分鐘),最后結果為3分鐘內(nèi)的峰值溫度,而紅外溫度測試系統(tǒng)為瞬時溫度,有出現(xiàn)誤差的可能性;同時也與紅外線的匯聚和測試方式有關系。為減小誤差,提高數(shù)據(jù)準確性,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,接近水銀溫度計的穩(wěn)定性。

        2)水銀溫度計價格便宜,性能穩(wěn)定,但同時也有很多缺點。首先,水銀溫度計中的水銀有毒,能夠污染環(huán)境,溫度計破碎后水銀流出,被人體吸收對身體會造成極大傷害;第二,利用水銀溫度計測試一般需要3到5分鐘,花費時間長;第三,水銀溫度計存在讀數(shù)誤差,不同的人對于同一支水銀溫度計會有不同的讀數(shù)。人體紅外溫度計可以克服以上缺點,安全無毒,對環(huán)境沒有污染作用;測量速度快速,測量方式簡單方便,無需與人直接接觸。

        3)通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)兩種紅外溫度測試系統(tǒng)其測試溫度均低于傳統(tǒng)水銀溫度計,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,測量溫度會有所降低[6]。市面上的測溫儀器,一部分通過對程序設計進行修改,另一部分則是通過其他硬件優(yōu)化,第二類比較少。一般而言,添加光學系統(tǒng)可增強測量穩(wěn)定性,系統(tǒng)誤差可通過調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)關系即可達到體內(nèi)溫度范疇,而這需進一步深化研究。

        [1]趙小蘭,胡征,馬國欣,徐馳,陳華輝,便攜式紅外線人體測溫儀的設計[J]. 電子測試,2013,22

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

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

        [4]曾強,舒芳譽,李清華.紅外測溫儀-工作原理及誤差分析[J].技術與應用.2007(02)

        [5]劉立軍,張春燕.基于維恩位移定律的一些光學測溫系統(tǒng)[J]. 西華師范大學學報,2013,34(4):405-408

        [6]曹欣榮,戴景民,環(huán)境溫度對紅外輻射式體溫計讀數(shù)的影響[N]. 計量學報,2002,23(1):33-35

        2015年度浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃項目 編號2015R427025

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