1、陕西理工学院毕业设计第 页 共 38 页0 毕 业 论 文 设 计 任 务 书院(系) 机械工程学院 专业班级 测控 092 班 学生姓名 石涛 一、毕业论文设计题目 红外人体温度测量系统的设计 二、毕业论文设计工作自 2012 年 11 月 19 日 起至 2013 年 6 月 20 日止三、毕业论文设计进行地点: 校内 四、毕业论文设计 的内容要求：1、设计课题简介： 人体温度是表征人正常生理活动的重要指标之一，也是临床上诊断疾病需要检测的生理指标之一。普通的体温计虽然可以准确测量人体温度，但测量时间较长，红外温度测量可以实现非接触、短时间准确测量人体温度，尤其适合在人流密度高、流行病高发
2、区使用。本次设计要求在熟悉目前红外人体温度测量原理基础之上，完成红外人体温度测量系统方案设计，要求方案能够实现连续测量、数据保存、清零、数据检索、测量前校准、超限报警、系统复位等功能，方案整体简便可行；针对制订出的设计方案，完成硬件电路部分设计（包括数据采集部分、信号调理、数字显示部分设计、元器件选型等） ，并完成相应的图纸和设计说明书（论文） ，完成专业外文资料翻译任务。 2、设计内容及要求： 1).搜集有关资料，撰写毕业设计开题报告。 2).根据现有条件，在充分了解目前红外温度测量原理的基础上提出合理的系统总体设计方案。 3).拟定红外人体温度测量系统方案，完成相应的设计计算，绘制方案原理
3、图，硬件接线图，软件设计，硬件搭接、系统联调及标定，要求能够正确实现测量功能。 4）设计说明书：1 份。3、设计说明书格式要求： 设计说明书应包括：序言、目录、摘要（中英文） 、关键词（中英文） 、中图分类号、正文（含设计方案论证、设计及其它说明等） 、结束语和参考文献等内容，并按照封页、设计任务书、序言、目录、摘要、关键词、正文、结束语、参考文献和封底的顺序装订。指 导 教 师 张士勇 系 (教 研 室 ) 系(教研室) 主任签名 批 准 日 期 接 受 论 文 (设 计 )任 务 开 始 执 行 日 期 学 生 签 名 石涛 陕西理工学院毕业设计第 页 共 38 页1 红外人体温度测量系统
4、的设计石涛（陕西理工学院机械工程学院测控092班， 陕西 汉中 723003）指导教师：张士勇摘要 传统的体温测量仪器大多是采用物理原理，大多数是根据水银等随温度升降的热胀冷缩的性质原理设计的，通过读取刻度值来判断温度值，这种方法操作起来不太方便，使用范围比较局限，而且测量所需要的时间较长 【1】 。为了解决快速测量和高精度的问题，本设计提供了一种新的温度测量方案，本系统是由 TS118-3 红外线温度传感器、16 位双信道串行 A/D 高精度放大器AD7705、STC89C52 单片机、LCD1602 液晶显示器、DS1302 时钟电路和报警电路等构成，从而实现了非接触式红外快速测温的目的，
5、它能够在较短的时间内准确测量出人体的温度，当测得的温度超出设定范围时即自动启用报警电路进行超标报警，并且还能显示当前测温的时间。运用比较方便，功能较多。本文对该系统提出了具体的设计方案，讨论了红外线非接触式体温测量的基本原理，进行了方案的可行性论证。同时设计出了电路图和程序流程图并编写有程序控制。由于利用了单片机及数字控制系统的优点，使得系统的各个方面的性能得到了显著的提高。关键词 红外线温度传感器；非接触测量；A/D 转换器；STC89C52 单片机陕西理工学院毕业设计第 页 共 38 页2 A Design Of IR-style Temperature measuring systemS
6、hi tao（Grade09,class2,Mechanical Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003， Shaanxi ）Tutor：zhang shi yongAbstract:Most of the conventional temperature measuring instruments is the use of physical principles, most of the mercury with the temperature according to thermal expansion a
7、nd contraction movements of the nature of the design principles, by reading the scale value to determine the temperature, this method is not very convenient to operate, use of more limited, and the longer time required to measure【1】 . In order to solve the problem of rapid measurement and high preci
8、sion, the design of a new temperature measurement program, the system is composed of infrared temperature sensors TS118-3, 16-bit dual-channel serial A / D precision amplifier AD7705, STC89C52 microcontroller、 LCD1602 LCD monitor, DS1302 clock circuit and alarm circuits, etc., in order to achieve a
9、rapid non-contact infrared temperature measurement purposes, it can be accurate in a short period of time to measure the body temperature, when the measured temperature exceeds the setting range enabled automatically when the alarm circuit excessive alarm, and also displays the current temperature o
10、f the time. The use of more convenient, more functions. This article made specific to the system design discussed non-contact infrared temperature measurement principle, carried out the feasibility demonstration. Also designed the circuit and program flow chart and to prepare a program control. The
11、use of the MCU and the advantages of digital control system makes all aspects of system performance is significantly improved.Key words: infrared temperature sensor; non-contact measurement; A/D converter; STC89C52 MCU陕西理工学院毕业设计第 页 共 38 页3 陕西理工学院毕业设计第 页 共 38 页4 目录1 绪 论 .11.1 引言 .11.2 选题目的和研究意义 .11.3
12、 发展历史和应用领域及发展现状 .21.4 发展趋势和研究方向及研究方法 .32. 红外测温原理 .42.1 红外测温的基础理论 .42.2 人体红外测温仪的性能指标及作用 .82.3 影响温度测量的主要因素及修正方法 .82.4 人体红外线测温仪的特点 .103. 总体设计 .113.1 设计方案与论证 .113.1.1 传感器的选择 .113.1.2 放大器的选择 .113.1.3 显示部分的选择 .113.1.4 控制部分的选择 .113.2 测量原理 .124 硬件电路的设计 .124.1 设计思路 .124.2 传感器 .134.2.1 红外传感器结构 .134.2.2 红外传感器的
13、输出特性 .144.2.3 环境温度补偿 .154.3 测量电路 .154.3.1 AD7705 简介和应用 .154.3.2 信号处理电路 .194.4 时钟电路 .194.4.1 DS1302 芯片介绍 .194.4.2 DS1302 时钟信号设置模式 .204.4.3 DS1302 与单片机之间的接口 .214.5 控制电路 .214.5.1 STC89C52 主要性能介绍 .224.5.2 最小系统电路 .234.5.3 外界时钟源电路 .244.5.4 复位电路 .244.6 LCD1602 液晶介绍 .25陕西理工学院毕业设计第 页 共 38 页5 4.6.1 端口的定义 .254
14、.6.2 操作时序图 .264.6.3 指令说明 .274.7 报警电路 .295. 软件设计 .295.1 设计思路 .295.2 测量原理 .305.2.1 环境温度 Tamb 的计算 .305.2.2 目标温度 Tobj 的计算 .305.2.3 滤波程序的设计 .315.2.4 数据格式转换 .325.2.5 时钟子程序 .335.3 程序流程图 .356. 测试方法和数据分析 .366.1 测试方法 .366.2.1 硬件测试 .366.1.2 软件测试 .366.2 数据分析 .377. 结 论 .37陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 38 页1 绪 论1.1 引言在临床医学中，
15、体温是一个及其重要的生理参数。病人的体温为医生提供了极为重要的生理状态的各种信息。传统的水银式体温计和电子式体温计是通过口腔、腋窝、直肠等直接接触体表来测量人体的平均温度。其缺点是测量时间比较长，受测量位置的影响较大，给使用者带来诸多不便。2003 年“非典”疫情的爆发，对人体体温测量技术提出了更高的要求，急需一种更加安全、方便、卫生的非接触测量工具进行测量人体温度。红外辐射式体温仪应用红外线辐射测量原理实现了人体体温的非接触测量，非接触式人体体温测量是一种理想的解决方法，该测量装置不会对人体构成任何威胁。现在市场上普遍应用德国 TS118-3 表面温度测量传感器，用其进行非接触式测量的体温仪
16、具有精度高、成本低、安全的特点，市场应用前景广泛。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 年就有很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
17、到了世界领先水平。由于红外测温仪测温范围宽，除了用于人体温度检测外，还可用于电器的红外测量、供暖的红外测量、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。本文设计的红外快速测量人体温度的装置，是由 TS118-3 红外温度传感器、双信道 A/D 转换器 AD7705、STC89C52 单片机、LCD1602 液晶显示屏、报警和时钟电路等电路组成，从原理的设计到方案的论证，最后到实际制作和调试，都达到了预期的效果。1.2 选题目的和研究意义 改进传统的测温方式，让测温变的更加简便快速准确。 在临床医学中，体温是一个重要的人体生理参数。它是人体生命活动的基本特征，也是观测人体机能
18、是否正常的重要指标之一。所以体温计无论是在日常保健和还是临床诊断上，都是必不可少的医用计量器具。传统的体温计主要是水银式体温计。水银体温计虽然价格便宜，性能稳定，陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 38 页但也有许多弊端：其一，水银体温计遇热或放置不当，容易破裂使水银泄露，从而造成人体接触中毒、污染环境；其二，水银体温计是根据水银随温度升降的热胀冷缩的性质，通过读取刻度值来判断温度的高低，有时由于光线较暗或其它因素的影响，使观察者难以准确判断体温值；其三，采用水银体温计测量体温时，往往要等待较长的时间，使其能够充分受热。由于医学发展的需要，在很多情况下，传统的温度计己经满足不了快速而又准确的测
19、温要求，例如车站和机场等人口密度较大的地方进行人体温度测量。虽然现在国外这种测温的技术都比较成熟，但是国内这方面的技术还处于发展阶段。因此，为了适应医学发展的需要，有效地进行特殊环境下的温度测量，从而有力地控制和预防诸如甲流、非典之类型的特殊疾病的传播，急需设计一种测温速度快，准确率高的测温仪。针对一般的工业使用的红外测温仪的精确度不够高，我们根据这种红外线测温的原理，通过关键器件的选择、瞄准系统的设计以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的精确度，从而设计了一种用红外线测温系统，用于对于人员密集且流量大的场合进行快速的人体温度测量。红外检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目，红外检测是
20、一种在线监测(不停电)式高科技检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，通过接收物体发出的红外线(红外辐射)，将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况，具有准确、实时、快速等优点。红外诊断技术是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况。目前应用红外诊断技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。
21、目前，我国也在研发一种体积小，成本较低，又不受外界环境温度干扰的人体红外测温仪，对医学的发展有很重大的意义。1.3 发展历史和应用领域及发展现状1800年，英国物理学家 F W赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了红外线。红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。自从赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这
22、些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。其中有些达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。此后，美国、英国和前苏联等国竞相发展。特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。半个世纪以来随着光学技术和半导体技术的发展，红外检测技术也日趋完善。目前世界上体积最小、重量最轻的数显体温计由日本松下电器产业公司开发，日本 持田制药公司公布于众。这种体温计体积为158ram-55mm-18mm，包括电池在内
23、的总 陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 38 页重量仅75克，其优点是直观、快速（每秒可测定85次） 。它是耳式体温计，测量体温时，将其插入耳孔内，热电式红外传感器接收了耳孔内耳膜周围的红外线，热电传感器的电 流经转换等，便可测得体温。其中红外测温技术也形成了完整的理论并成功地应用于医学、农业和工业等领域。 在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的要求。在产品加工行业，特别是需要对温度进行远距离监测的场合，都是温度传感器大显身手的地方。在食品行业红外温度可以在不被污染的的情况下实现食品温度记录，因此备受欢迎。医学上：从传统的水银测温计到红外温度测温仪，再到
24、红外成像仪等。我国的医用红外成像技术起步比较晚，1976年以前还是一片空白，知道上世纪80年代，我国才初步有了真正意义上的医用红外设备，但由于当时的科技条件和生产制造工艺水平，其温度分辨率，空间分辨率，和医学分析软件都远远落后西方国家。但随着现代科技技术的进步，和我国综合国力的增强，这部分技术也在逐步赶超西方国家！目前比较先进的有：计算机辅助红外热图像诊断技术，红外激光内窥镜治疗技术等。军事上：50年代前期所用的红外夜视设备，是主动式红外夜视仪，一般采用红外变像管作为 接收器，工作波段在1左右，在夜间可看见100米处的人，数公里内的坦克、车辆和10公里远的舰船。现代红外夜视设备主要有红外热像仪
25、，红外电视和改进的主动红外夜视 仪等。60年代后期，美国研制了一种光机扫描式红外成像系统，为飞机夜航和在恶劣气 候条件下的飞行提供观察手段其工作波段是812 一般采用子探测器 接收，液氮致冷，它的技术性能比主动式红外夜视仪提高了一个数量级，夜间可观察到10的坦克和车辆、视距内的舰船，这种红外热像仪几经改进，80 年代初，许多国家已形成了标准化、组件化系统，为部队提供了一种简便、经济、互换 性好的夜视设备。当前，红外夜视设各已广泛应用于陆、海、空三军，如用作坦克、车 辆、飞机、舰船等的夜间驾驶用的观察设备，轻武器的夜瞄仪，战术导弹和火炮的火控 系统战场前沿的监视和观察设备单兵侦察设备等。今后将发
26、展用凝视型焦面阵列 组成的热成像系统它的战术技术性能将会进一步提高。1.4 发展趋势和研究方向及研究方法随着红外测温技术的普遍应用，一种新型的红外技术智能数字红外传感技术正在悄然兴起。这种智能传感器内置微处理器，能够实现传感器与控制单元的双向通信，具有小型化、数字通信、维护简单等优点。当前，各传感器用户纷纷升级其控制系统，智能红外传感器的需求量将会继续增长，预计短期内市场还不会达到饱和。另外，随着便携式红外传感器的体积越来越小，价格逐渐降低，在食品、采暖空调和汽车等领域也有了新的应用。比如用在食品烘烤机、理发吹风机上，红外传感器检测温度是否过热，以便系统决定是否进行下一步操作，如停止加热，或是
27、将食品从烤箱中自动取出，或是使吹风机冷却等。随着更多的用户对便携式红外温度传感器的了解，其潜在用户正在增加。其中红外线人体测温仪是红外测温技术的一个重要应用，它是利用人体发出的红外线来测量出人体的温度。它采用高精度的红外传感器和微电子技术，能够快速、准确、方便地测出人体的温度，解决了传统水银式温度计的容易破碎、水银染环境与不易读数等问题。这可以说是医学测量的一个重大进步。陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 38 页利用红外温度传感器：红外线测温仪的理论依据：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。物体的红外辐射能量的大小
28、及其按波长的分布与它的表面温度有这十分密切的关系，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 除此之外还要用单片机处理采集的信息及处理数据。初步决定使用 AT89C52单片机。还要用到 protues 软件来模拟电路。2. 红外测温原理2.1 红外测温的基础理论在自然界中，一切温度高于绝对零度（-273.15C）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，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面
29、温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 红外线是电磁波谱的一部分，这一波段位于可见光和微波之间。根据普朗克辐射定律，凡是绝对温度大于零度的物体都会向外辐射电磁波，物体的辐射强度与温度及表面辐射能力有关，辐射的电磁波谱分布与物体温度密切相关。在电磁波谱中，我们把人眼可直接感知的 0.4 0.76m 波段称为可见波段，而把波长从 0.76 600m 的电磁波称为红外波段。而红外区通常又可分为近红外区（0.76 1.5m） 、中红外区（1.5 10m）和远红外区（10m 以上） 。近年来，红外辐射技术已成为一门发展迅速的新兴学科。它已经广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。
