人体人体红外测温系统红外测温系统 生物医学传感器课程报告 卢维彪 02092018 020921 班 背景 体温是人体基本生理指标之一，是临床疾病和生命体征判断的重要依据。传 统体温测量是使用水银温度计进行接触式测量，具有性能稳定，误差小等优点， 但存在测量时间长、交叉传染风险大、玻璃破碎易引起汞中毒等缺点。而红外测 温仪是基于红外辐射原理测量物体温度， 具有非接触、 测量距离远、 响应速度快、 灵敏度高、准确度高、测温范围广等优点，广泛应用于军事、医疗、教育、食品 检验、交通等领域。 目前，电子体温计和红外体温仪代替含汞体温计和血压计已成为一种趋势。 2005 年欧盟委员会作出决定：为了彻底消除水银对健康的危害，今后 4 年内， 水银温度计将逐步退出欧洲市场，2011 年禁止水银温度计出口。2001 年起，美 国已有多个州和城市禁售水银温度计。2004 年 10 月，中国台湾责令各医疗单 位逐渐停止使用水银温度计和血压计，2006 年全面禁用。针对目前红外测温仪 受环境温度和红外辐射距离等因素影响较大、准确度和重复度不够高等缺点，研 究和设计一种低成本的人体红外测温系统具有重要意义。 非接触式体温测量法是利用红外测温原理测量人体温度，是红外技术和微电 子技术相结合的新型温度测量仪器，是体温测量仪器的趋势。非接触式体温测量 法具有非接触、测量时间短、不干扰被测温度场、操作简便等优点，但易受发射 率、测量距离、环境温度、烟尘和水蒸气等外界因素影响。按照测量方式的不同 可分为红外耳温计、手持式额温计和医用红外热像仪。 红外耳温计是通过红外传感器采集耳腔和鼓膜的红外辐射并转化为数字信 号， 主控单元将数字信号转换为温度值并显示在液晶屏上。下视丘是大脑控制体 温的重要器官，与耳朵最接近。机体深部平均温度发生变化，耳朵的温度也迅速 发生变化，并且耳朵内部为封闭区域，受外界因素影响小，因此耳温与体温最接 近。 红外耳温计是通过测量人体耳道和鼓膜的红外辐射来测量人体温度，具有高 精度、 高分辨率、 测量速度快、 操作简便、 安全舒适等优点。 当使用方式正确时， 红外耳温计的读数可以作为医学确认。 本报告以研究人体红外测温系统为目的，阐述红外测温原理，扼要描述了英 飞凌 XC866 单片机、系统的硬件结构和软件设计。该系统的硬件结构主要包括 OTP-538U 红外温度传感器、单片机最小系统、液晶显示电路等部分，软件设计 采用 Keil4 集成开发环境进行基于 C 语言的模块化设计。系统具有非接触、低 功耗、响应速度快、灵敏度高、测量范围广、成本低等优点，适用于人员密集且 流量大的场合进行快速的人体温度测量。 关键词: XC866 单片机；红外测温；液晶显示 目录 人体红外测温系统 . 1 第一章 红外测温原理 . 4 第二章 系统总体设计 . 7 第三章 系统实现 . 8 3.1 红外温度传感器 opt-538u . 8 3.2 信号的获取与放大 . 10 3.3 ADC 与 MCU 10 3.4 数据处理与显示 16 附录：系统完整电路图 . 17 第一章第一章 红外测温原理红外测温原理 1800 年,赫胥尔首先发现了红外辐射，经过几代科学家 100 多年的探索、实 验与研究， 总结出了正确的辐射定律，为成功地研制红外辐射测温仪奠定了理论 基础。20 世纪 60 年代以后,由于各种高灵敏度红外探测器、干涉滤光片以及数 字信号处理技术的发展,大大促进了红外技术应用的进程。近几十年来,比色测温 仪、 光纤测温仪、 扫描测温仪等满足各种需要的红外测温仪相继出现和不断改进, 使红外技术的研究与应用有了新的飞跃。 虽然红外测温技术问世的时间并不很长, 但是它安全、可靠、非接触、快速、准确、方便、寿命长等不可替代的优势,已 被越来越多的企业与厂家所认识和接受,在冶金、石化、电力、交通、水泥、橡 胶等行业得到了广泛的应用,成为企业故障检测、产品质量控制和提高经济效益 的重要手段。 热辐射基本定律就是红外测温的基本原理： (一) 基尔霍夫定律 0 ( )( )f TMT 或( )( )TT 出射辐射能与吸收辐射能 的一致性 辐通量：单位时间内通过某一截面的辐射能，又称辐射功率，SI 单位为瓦。 光谱吸收率( )T ：表示物体对辐射到其上的辐通量可吸收的比例。 ( , ) ( ) ( ) dT T d 式中，( , )dT 为被物体吸收的辐通量；( )d 为照射到物体单位面积上的辐通 量。 ( )1: T 黑体能全部吸收辐射到其上能量的物体（理想）。 ( )1: T 非黑体只能部分吸收辐射到其上能量的物体（实际）。 辐射出射度：从辐射源表面单位面积发射出的辐通量，某一特定波长的辐射出射 度称为单色辐射出射度。 M ( )( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) TTfT MT fT T fT 物体的单色辐射出射度与单色吸收比的比值为一普适函数 与温度及波长有关。 热平衡时物体向周围辐射的功率等于它吸收的功率 0 0 ( )( )( ) ( )T ( )T MTT MT MT MT 其中， 为黑体在温度 时的光谱辐射出射度； 为非黑体在温度 时的光谱辐射出射度。 基尔霍夫定律 0 ( )( )f TMT ：在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单 色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等， 并等于该温度下黑体对同一波长的单 色辐射出射度。 0 TT ( ) ( ) ( ) MT T MT 光谱发射率（ ）：实际物体与黑体在温度时的光谱辐射出射度之比。 结论：( )( )TT 即物体的光谱发射率等于其光谱吸收率。吸收辐射能力强的物体，受热后向外辐 射的能力也强。 (二) 斯忒潘玻耳兹曼定律物体辐射出射度与温度间的关系 温度为 T 的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出 射度 与温度 T 的四次方成正比。 04 4 24 ( ) ( ) T T MTT M TT T W m K T -8 对于非黑体的一般物体： 式中： 为温度为 时全波长范围的材料发射率，也称为黑度系数； 为斯忒潘玻耳兹曼常数； 5.67032 10 为物体的热力学温度 这是辐射式温度计测温的理论根据。 （三）普朗克定律（单色辐射强度定律）描述辐射能量在各波长上的分布关 系 温度为 T 的单位面积元的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为的辐射 出射度为 2 025151 1 ( )2(1)(1) Chc k TT MThceCe 式中， c光速； h普朗克常数，6.62617610-34Js； k波尔兹曼常数，1.3806624410-23J/K； C1第一辐射常数，3.741810-16Wm2； C2第二辐射常数，1.438810-12mK； T绝对温度。 四）维恩位移定律最大辐射波长与温度的关系 热辐射光谱中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长 与物体自 身的绝对温度 T 成以下关系 2897 mT m K 从图 9-11 曲线中可以看出: (1) 随着温度升高,辐射能量增加,这是红外辐射理论的出发点,也是单波段红外测 温仪的设计依据。 (2) 随着温度升高,辐射峰值波长向短波方向移动,其规律符合维恩位移定律,即: Tm = 2897. 8 (mK),其中 T 为热力学温度,m 为峰值响应波长。这个公 式告诉我们为什么高温测温仪多工作在短波处,低温测温仪多工作在长波处。 (3) 辐射能量随温度的变化率,短波处比长波处大,即短波处工作的测温仪相对信 噪比高(灵敏度高) ,抗干扰性强。测温仪应尽量选择工作在峰值波长处,特别是低 温小目标的情况下,这一点显得尤为重要。 温度升高： 单色辐射强度随温度升高而 增加； 总辐射能量增加； 峰值波长减小。 每一条曲线下的面积表示该 温度下物体辐射能量的总 和， 与温度的四次方成正比。 第二章第二章 系统总体设计系统总体设计 系统总体框图如图 2.1 所示。 其中，单片机最小系统包括电源、晶振、复位；电源选择 7805 作稳压芯片； 红外温度传感器可以选择数字集成红外传感器 MLX90615，它具有低功耗、 宽温度范围、高精度、高分辨率、发射率可调节、SMBus 兼容的数字接口等优 点，但是成本过高，不利于产品普及，本设计选择了热电堆式红外温度传感器 OTP-538U，它输出微弱的模拟信号，需要放大和 AD 转换； 采用单片集成差分放大器 AD620 来放大传感器输出的信号，简化硬件设计， 增加系统可靠性，用电容作简单的滤波处理； 单片机选择英飞凌的XC866高性价比8位单片机， A/D是内嵌在单片机里的； 用 TL431 基准电压芯片作为 AD 的基准电压源。 LCD 显示选择经典的 LCD1602。 图 2.1 系统框图 红外传感器输出与被测目标物温度成近似线性关系的微弱电压信号，经仪动 放大器 AD620 放大后送入单片机 P2 口的 AD 输入端，转换成数字信号，然后通 过查表法与分段插值得出目标物的温度，用 LCD 显示出来。 红外温度传感器 放大 ADC 单片机 最小系统 LCD 显示 第三章第三章 系统系统实现实现 本章详细介绍了各模块的硬件设计，主要包括红外传感器、放大与滤波、单 片机最小系统与 AD、LCD 显示。 3.1 红外温度传感器红外温度传感器 opt-538u 输出与入射的红外线成比例，且对通频带内的红外线产生持续信号响应。 产品特征： 非接触式温度测量 电压输出，便于信号采集 零功耗 测温范围宽 应用领域： 医疗应用：耳温枪 家庭应用：微波炉、吹风机、防盗、空调 工业应用：进程监控与控制、红外测温 汽车应用：红外感应系统 传感器特性： Otp-538u是一款采用经典TO-46封装的热电堆 传感器。它由 116 种热电偶元素组成，经过独特的 微细加工，可快速感应环境温度变化，导致输出端 电压响应。它的红外滤光片是一个带通滤波器，波 长为 5-14um 的红外线透过率大于 50%。传感器的 被测物温度与传感器输出电压曲线： 图 3.1 温度与电压关系 电压输出与入射角度： 图 3.2 电压输出与入射角关系 由 figure3 可知， 应使入射角度保持在 30 度以内才能保证较好的测量准确度。 也就是说，测量尺寸较小的目标物时，应使传感器与目标物的距离足够近。 3.2 信号的获取信号的获取与与放大放大 如图 3.3 是信号获取与放大模块电路；红外温度传感器 otp538-u 感应入射红 外线，在 1、3 引脚之间输出毫伏级电压信号，经仪用放大器 AD620 采集放大后 送入 XC866 单片机的 AD 输入端 P2.7 引脚。 图 3.3 信号获取与放大 AD620是一款低成本、 高精度仪表放大器， 仅需要一个外部电阻来调节增益， 增益范围为 1-10000。此外，AD620 采用 8 引脚 SOIC 和 DIP 封装，尺寸小于分立 元件，并且功耗更低（最大工作电流仅 1.3mA） ，因而非常适合于电池供电及便 携式（或远程）应用。 AD620 具有高精度（最大非线性度 40ppm） 、低失调电压（最大 50uV）和低 失调漂移（最大 0.6uV/）特性，是电子称及传感器接口等精密数据采集系统的 理想之选。由于其输入级采用 SuperBeta 处理，因此可以实现最大 1.0nA 的低输 入偏置电流。 AD620 极低的输入电压噪声和电流噪声使得其作为前置放大器使用 效果很好。AD620 还非常适合于多路复用应用，其 0.01%建立时间为 15us，而且 成本低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。 本