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(jié)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(jié)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