18红外体温计

1、红外体温装置的设计摘要：红外体温计采用红外温度传感器实现测量体温计方法，利用GE公司的红外热电堆温度传感器ZTP135实现对温度信号的非接触测量；微弱的电压信号放 大则采用低失调、低漂移的精密运算放大器 OP07实现两级放大。模数转换用自 带ADC的16位单片机mega16实现。从硬件技术和软件方法上详细阐述了该仪 器的实现手段。系统具有自动精确测温和长时间无操作自动关机的功能，具有智能化的特点。关键字：红外温度传感器；AVR单片机；体温；放大器 OP07前言：（制作背景）随着2009猪流感的袭击，在中国迅速诞生了一支专门针对传染性疾病的医 疗仪器队伍，特别是在红外体温检测仪的研发方面取得了突

2、出的成就。国家相关部门也在重点强调非接触式体温计的研发。体温生理参数是人体最重要、最基本 的生命指标，对危重病人进行生命指标参数的监测是医务工作者及时了解病情状 况的重要手段之一，它有利于对有生命危险的伤病员进行及时有效的治疗和抢救 处理。体温是人体最基本的生理参数，对于日常护理和病情检测都是非常重要的。 有许多疾病都能通过体温的变化来预测。本次设计了一种红外体温装置，其中要解决问题有：体温信号的非接触测量、 微弱电压信号的放大、传感器的环境温度补偿等。其中体温测量选用带温度补偿 功能的红外热电堆温度传感器ZTP135;电压放大利用低失调、低漂移的精密运 算放大器OP07;环境温度软件补偿，A

3、/D转换、系统控制等功能都用 AVR单 片机mega16实现。1.系统的硬件设计本文所设计的红外体温装置包括以下几个硬件模块：传感器、放大电路、电源、单片机控制、显示。图1硬件模块连接图1.1传感器模块1.1.1红外温度传感器的原理自然界一切温度高于绝对零度(-273 . 15°C)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普朗克(plank)定律！红外测温的原理是一样的，都是根据 普朗克原理！一般理解红外测量 的是 物体 的温度其实测 的是 目标物与传感 器或者说是物体与环境温度之间的差值!物体辐射能量的大小

4、直接与该物体 的温度有关具体地说，是 与该物体热力学温度 的4次方成正比用公式可表达为：e= 5 £ (t4-t4o) (1)式中，e是辐射出射度单位是w/m35是 斯蒂芬一波尔兹曼常数，5 . 67x10-8w/ (m2 k4);5是物体的辐射率：t是物体的温度(k);to是 物体周围 的环境温度(k)!人体主要辐射波长为9卩n10卩m的红外线.通过对人体自身辐射红外 能量的测量便能准确地测定人体表面温度！由于该波长范围内的光线不被空气 所吸收，因而也可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度！红外温度传感器利用热电偶原理，测量目标物与传感器或者物体与环境温度之间 的差值！热电

5、偶 的原理是 二种不同 的金属a和b构成一个闭合回路， 当二个接触端温度不同时(t>to)，回路中产生热电势eab，其中t称为热端、 工作端或测量端，to称为冷端、自由端或参比端！a和b称为热电极！热电势 的 大小由接触电势(也叫伯尔贴电势)和温差电势(也叫汤姆逊电势)决定！1.1.3 ztpl35s r的工作原理和性能Ztp-135的性能指标如下图:*位条件暫片尺寸mm2i.ax is懂隔鹿尺寸mrn214 x 1,460mm20.7 X 0.7内阻也60 ±3025-C抗阻温度乗数<0.12响应度v/w6? ± 30%SOCK 1Hz崎应度磊IS系歆鈿9-0

6、.1Typical煤声电压nV nms32R.MS, TypicalNEPnvJ/i/Tlz0.535(X1 K, 1Hz：, Typicol探测灵駁度cmvHz/W1.30E+08500 K, lHi, Typical时间堆SIm&255U0K, lHi, Typicol工作温發9-20 100存篠蟲度迂120遍度补偿热敏电馆-咱值knM = 3觸-Seto 值K397C 1%封装形式TO5其外形和引脚排列如图2、3所示图2 ZTP135外观图3.7 ±0.15225+0.1<TOPVIEW>10,1ki175_0±0_2TKflMORlEGND TH

7、ERMOPILEGND THERMISTORTHERM BTDR< BOTTOM 7JEW >OFTICALCISIAESECTION A-A图3传感器底部管脚图测物体 的辐射能经过窗口和光阑聚焦在接收元件（热电堆）的受热片上， 受热 片上有60只串联 的热电偶每只热电偶 的热端在受热片 的中央部位围成一 圈，焊接在一起，从引线就可以得到所有电偶 的热电势之和！这种结构设计具 有较小 的热惯性和较高 的灵敏度！传感器采用负温度系数电热调节器进行环境 温度补偿！图4、图5和图6分别示出该传感器 的灵敏度变化曲线、内阻变化率曲线 和传输波形！»e620406030 lOO初殊

8、渥度/P ( 25P )-2 Om2传惑部灵敏度穽化曲线图3传总器内阻变化率曲线x4传感器传输波形1.2放大电路模块本设计所采用的放大器是低功耗精密运算放大器OP07,它的特点是超低失调、低漂移、高精度，电路正比特性好，零点失调电压小。OP07可以通过在1、8管脚之间加上一个电位器进行输入漂移调零，这对于低输出的信号的放大效果非常好。其低输入偏置电流为1.8nA，供电范围为3V到22V，超低失调的最大 值为150mV。它的性能正好解决了红外温度传感器对运放的特殊要求。由于热 电堆的内阻较高（约60K ），而输出电压又非常小（1mV左右），须使用具有高输入 阻抗（ 1012 ）的CMOS输入运算

9、放大器。irwcing 咖打并廿碣蚀1计E 5 OP07输入漂移调零电路因为测量的人体温度在3442C范围内，传感器的输出电压范围为 0.71.5mV,采用两极放大的形式，将电压放大3000倍，即放大后电压为2.14.5V, 以供单片机A/D转换，单片机的A/D转换参考电压选择5V。电路图如下:图6信号放大电路1.3电源模块的设计本设计所采用的电压为5v和正负9v。在设计时，应用集成稳压器7805、7809、 7909分别实现5V,+9V,-9V电压的输出。使电路能得到稳定的电压，提供给单片 机，放大器和传感器。电路如图 7。图7电源模块电路1.4 AVR单片机外围电路本仪器中AVR单片机（A

10、TMega16）的作用主要是AD转换，并将采样结果 进行处理，最后输出显示数据。keyl为系统控制开关，key2为复位开关。LED 的8位段选接PB 口；位选接PA的高四位。ADC参考电压选择+5V的 VCC,AREF,GND,AVCC 之间通过电容并接，以使电压更稳定。图8 mega16外围电路图1.5硬件连接图元件数量（个）单价（元）总价（元）单片机11212Ztp-13523570邮费20电源12020数码管21.53Op0731.54.5三段稳压块41.24.8变阻器212电容若干3电阻若干3其它约10总计152.31.6所需全部资源2系统的软件设计本装置所采用的是AVR单片机进行编程

11、的，主要程序思想是开机后（复位）, 单片机开始工作，进行I/O 口、T/C1、ADC、MCU的初始化，单片机进入工作 模式。将模拟信号进行A/D转换，在将多次A/D转换结果取平均值，经D/A转 换后再将电压值转换为相应温度值，调用 LED显示进行温度结果显示，开定时 器，再进入工作模式。由于mega16自带有A/D转换，这样硬件电路就可以节省 A/D转换元件了。 按键按下，进入 ADC 程序；关计时器，则在整个 A/D 转换过程中不会产生时钟 溢出中断； MCUCR=0x50 使能 ADC ，并设置为 ADC 噪声抑制模式； ADCSRA|=0x40，即将ADCSRA中的ADSC置位，启动 A

12、DC ;执行sleep指令 即进入 ADC 噪声抑制模式； ADC 转换完后即进入 ADC 中断服务程序，此中断 服务程序的作用为将转换结果存放于开辟的存储变量里。主要程序：/ICC-AVR application builder : 2009-5-24 10:33:58/ Target : M16/ Crystal: 4.0000Mhz#include <iom16v.h>#include <macros.h>flashunsignedcharled_711=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x58;

13、flash unsigned char position4=0x7F,0xBF,0xDF,0xEF;unsigned char dis_buff4=10,0,0,0,posit;void port_init(void)PORTADDRA =PORTBDDRB =PORTCDDRC =PORTDDDRD = 0xF0;0xF0;= 0x00;0xFF;= 0x00; /m103 output only0x00;= 0x00;0x00;void adc_init(void) /ADC 初始化ADCSRA = 0x00;ADMUX=0x40;SFIOR=0x00;ADCSRA =0x8D;unsig

14、ned int adc_data0,adc_data1,adcc;/ ADC中断服务程序#pragma interrupt_handler adc_isr:15 void adc_isr(void)unsigned int temp1,temp2; temp1=ADCL; temp2=ADCH;adc_data0=(temp2<<8+temp1);adcc = 1; 置ADC转换完成标志/call this routine to initialize all peripherals void init_devices(void)/stop errant interrupts unt

15、il set up CLI(); /disable all interrupts port_init();adc_init();MCUCR = 0x00;GICR = 0x00;TIMSK = 0x00; /timer interrupt sourcesSEI(); /re-enable interrupts/all peripherals are now initializedvoid delay(int n) while(n*1000) n-;void display(void)/ 四位数码管动态显示程序PORTA|=0xF0;PORTB = led_7dis_buffposit; if(

16、posit=2) PORTB|= 0x80; PORTA&=positionposit;if(+posit>=4) posit=0;void main()unsigned int i,t,adc_v,adc_v1,adc_v2;init_devices();ADCSRA|=(1<<ADSC);while(!adcc)adcc = 0; / 清 ADC 转换完成标志 adc_v1=(unsigned long)adc_data0*5000/1024;ADMUX=0x41;ADCSRA|=(1<<ADSC); while(!adcc) adcc = 0;adc

17、_v2=(unsigned long)adc_data0*5000/1024;t=adc_v1/300+340*(1+0.02*adc_v2); for(i=1;i<4;i+)dis_buffi=t%10;t/=10;posit=0;while(1)display();delay(1);3小结：红外体温计是通过测量额头的辐射亮度，非接触地实现对人体温度的测量。 只需将探头对准内耳道或额头， 按下测按钮， 仅有几秒钟就可得到测量数据， 非 常适合急重病患者、 老人、婴幼儿等使用。 非接触式体温计是根据黑体辐射原理 通过测量人体辐射的红外线而测量温度的。 它用的红外传感器只是吸收人体辐射 的红外线而不向人体发射任何射线，它采用的是被动式且非接触式的测量方式， 因此红外体温计不会对人体产生辐射伤害。 本设计采用额头为测量部位， 由于探 头对准内额头，测量的影响因素较少。其突出优点是：控制简单，只需要一个按 键就可以实现对系统的开机、关机和测温操作。显示直观，运用数码管显示，合 理的利用了传感器的特性进行了一次实践， 但由于设计者的水平有限， 有待提高。 还可以扩展其他功能：如时钟，测量值的存储，根据时间、年龄、性别等的不