《无线体温计的设计》8800字（论文）

无线体温计的设计目录TOC\o"1-2"\h\u18224第一章前言 253591.1无线体温计的研究目的与意义 2182741.2无线体温计的国内外研究现状 2114321.3研究内容与目标 2225041.4无线体温计的设计思路 346421.5本章小结 32036第二章无线体温计的结构分析 3285962.1无线体温计的外观结构 3309122.2无线体温计的硬件结构 422752.3红外温度传感器模块分析 5210112.4本章小结 522378第三章体温枪的结构设计 6316433.1体温枪的材料选择 6116723.2LED显示屏结构设计 6190393.3体温接收区域结构设计 8288023.4机身结构设计 927223.4体温计的内部结构分析 10206973.5本章小结 1320963第四章关键零件的校核计算 14244224.1螺钉的选型 1486774.2螺钉的强度计算 146394.3本章小结 1527871参考文献 16中文摘要无线体温计专为测量人体表面温度而设计，使用起来简单方便。可精确测温，无激光光斑，不伤眼，不需要接触人体，可规避交叉感染风险。安全测温，精准便捷。适用于很多公共场所，例如：高铁站、机场、医院等，它也可以在诊所提供给医务人员使用，也可以适用于家庭。本文对无线体温计的机构进行设计，并对机构进行优化，内容主要包括以下几个方面：系统的阐述了无线体温计的外观结构、硬件结构与模块分析，内部结构分析，单片机、红外传感器、WiFi模块的型号选择，零件的选型与优缺点比较，机械部件的系统设计，对关键部位零件的强度进行计算。本设计及优化基于市面现有产品，提高体温枪的便携适用度，延长使用寿命，提高灵敏度和准确，而且具有一定的现实意义。关键词：红外温度传感器；单片机；强度校核；前言无线测温技术在我们日常生活和工业生产中都随处可见，与传统的水银温度测量相比，红外温度测量更加灵敏、不用直接接触皮肤、不易碎可延长使用寿命、经济高效等特点。红外线测温仪分为很多种样式系别，每个系别的型号和功能都不相同，可以根据自身的需求来选择合适的无线测温设备。1.1无线体温计的研究目的与意义体温是人体健康的重要参考指标，传统的水银体温计测量体温耗时长、不精确、易碎、安全隐患大，我们对于体温测量的需求不断增大，要求也越来越高，近年来，新冠疫情的全球爆发使得人们更加重视快速测温、精准测温的研究，传统测温技术已逐步被替代。其实，在近数十年以来，无线测温技术已经引起研究者们的重视，自“非典”以来，无线体温计就悄无声息的出现在人们的视野中，无线体温计以其测量迅速、数据精确、使用率高等优点快速占领市场。目前，体温检测仪器大多采用的都是红外测温技术，国内外的研究也不断深入，让红外测温技术上实现质的飞跃，功能逐渐增强，性能得到不断完善，种类相继增加，其适用范围也不停的扩大。早在2003年全民抗击“非典”的战争中，无线红外技术在非接触式温度测量中的应用在我国就得到了深入的发展研究，因此翻开了国内“非接触式测温”的新篇章。迄今为止，在2020年“新冠”疫情的席卷时，我国的无线测温产品迅速遍及全国，我国的无线测温技术与全国人民一起，经受住了考验，向世界证明了实力。如今，无线测温产品已在许多国家达到国际水平，并广泛应用于各个领域。1.2无线体温计的国内外研究现状自身温度大于零摄氏度的物体都会发射红外辐射在其周围环境中，而自身温度的高低会影响到红外线的波长与幅度的高低，无线红外测温计通过检测物体周围环境的红外线波与幅度，就可精确计算出所测物体的温度，红外测温的设计原理就来自于此。目前，我国王俊英等人使用了一种基于边缘特征的图像捕获方法，使相同场景下可见图像和红外热图像一起转换为分辨率一致的图像，同时，利用搜索轮廓与遮罩，利用边缘检测、角点的检测和函数进行关键点的查找，两个图像处理后完成点对点匹配，不匹配的进行删除处理。对匹配结果进行透视变换，可以实现可见图像和红外热图像的自行匹配，以此达到自动检测人群体温筛查的目的。1.3研究内容与目标本文主要研究内容为完成便携枪式无线体温计的机械设计部分，主要内容有以下几点：进行文献查询，完成无线体温计的机械设计方案；熟练使用AutoCAD、SW、UG、等软件绘制零件图、仿真图；对于无线体温计主要零部件进行设计演算、强度校核；设计说明书、英文翻译、毕业实习报告、毕业设计开题报告的编写；1.4无线体温计的设计思路为提高温度检测的准确性、灵敏度与安全系数，设计一款无线体温计，首先，要对无线体温计的结构进行分析，对比SW、UG两款软件，SW倾向于机械设计的模型图绘制，UG更倾向于曲面、模具的模型图绘制，本设计使用UG软件进行无线体温计的三维模型图绘制。无线体温计的外观主要使用PC/ABS合金作为机身材料，机身模块之间采用卡扣设计，其中两瓣机身下端设计一颗螺钉来增加结构的坚固度，还需要对螺钉的强度进行校核。除机身结构外，还需要设计红外传感器模块，取合适大小的圆孔用来红外探测，探测头部分便于贴合人体结构。LED显示屏区域需要考虑美观与实用性来设计大小。其次还要对无线体温计的内部硬件结构进行分析，要对红外线传感器进行选型，单片机也要进行选择，WiFi模块需要加进电路中，最后进行总体内部工作电路设计。1.5本章小结本章对本课题的研究目的与意义进行了介绍，同时对目前国内外在该领域的研究进行了简述，最后通过介绍本课题的研究内容与目标给全文做了一个综合性概述。第二章无线体温计的结构分析2.1无线体温计的外观结构一个完整的无线温度计主要由外壳、内部电路板和电池组成。壳体采用结构设计，轻便耐用。从图一体温枪的结构图，看到电路器原件有：红外温度传感器、电池、按键、数字显示部分（LED显示屏）组成。下图为红外温度体温计三维图。图2-1无线体温计的三维图2.2无线体温计的硬件结构无线体温计的内部结构主要由以下几个部分组成。1)温度传感器：用于测量人体皮肤表面温度，温度传感器利用物质本身的各种物理特性在各种温度环境下的变化，将温度信号转化为输出信号。

2)MCU微处理器：红外温度传感器接收并处理数据后，将信号传输到A/D转换电路，相当于虚构的温度传感器，可以将接收到的信号再转化为数字信号输出。然后将其发送到MCU处理器。如果使用的是数字型温度传感器，它们可以直接发送到MCU进行处理。3)按键模块：模式切换、人体皮肤测温、按键定制，还可作为电源键、系统复位键等。

4)LCD显示：由单片机控制，用于显示温度数据。

5)蜂鸣器：指报警模块，典型温度范围为35~37.3。通过MCU，如果超过上限和下限，温度过低或过高时蜂鸣器都会发出声音。

6)晶振电路：振动的来源是单片机微处理器使用的时钟。

7)电池：电池是整个系统的主要能源。由于测温枪的机动性，设计和使用电池供电产品和电池供电产品更为谨慎。更重要的是，它具有低功耗。当系统宕机时，系统将会处于休眠状态来减少能源消耗，进一步延长电池的使用寿命。体温枪硬件结构框图如下图所示：图2-2无线体温计硬件结构框图2.3红外温度传感器模块分析无线温度计是一个简单的单芯片处理系统，它主要是一个红外温度传感器模块，它也决定了温度测量的准确性。此设计的传感器体积小、价格便宜、易于集成，并使用具有0.5摄氏度高精度的MLX90614数字传感器。其体积小，不会占用太多的空间，使产品总体体积缩小，更方便携带。已知电压越低，耗能越低。其工作电压为3V，断电模式下的电流仅为1.1微安。这说明无线体温计处在睡眠模式或断电情况下，电池也只会消耗很微弱的电量，这种模式下的耗电指标对于设计电池供电的产品尤为重要。2.4本章小结本章先是简要叙述了无线体温计的外部结构以及硬件的结构类型，然后对相对最为重要的红外测温传感器模块的选择和理由进行了系统阐述。通过前面三小节的理论分析可以看出，红外测温仪在实际测量中情况十分复杂，不仅与本身结构有直接联系，还与外界环境以及传感器类型有着很大的关联。因此，我们在对无线体温计进行设计时，既要针对性的对体温枪外形模型进行简化处理，又要结合实际情况进行实际分析；既要进行理论设计计算，又要引入虚拟仿真进行强度校核。如此，才能设计出贴合实际使用要求的无线体温计。

第三章体温枪的结构设计无线体温计的结构尺寸与测温系统、报警系统等其它零部件有着很大联系，由于相关文献资料不足以及个人知识储备限制等因素，本文针对市面上已有的无线体温计进行逆向设计，根据已知主要参数进行结构设计。3.1体温枪的材料选择为保证体温枪的轻巧和安全性，采用塑胶材料，其中使用PC/ABS合金制作机身，透红外PMMA作为镜片。PC/ABS合金取两者材料的突出特性。它在提高了ABS的耐热度和拉伸强度的同时，还降低了熔融PC的粘度，提高了可加工性。在这些操作条件下，塑料会破裂，残余应力降低，但应力开裂得到改善。常温条件下的抗冲击性比PC高3-4倍左右。它具有出色的耐沸腾性。100℃处理240小时后，抗​​拉强度和抗弯强度变化很小，几乎没有变化，抗拉强度是同等条件下处理PC的3倍以上。耐老化性能也很优越，即使在120°C下加工140小时后，其抗冲击性仍是PC的两倍以上。即使在户外暴露两年后仍具有良好的耐候性，拉伸和弯曲强度几乎没有变化，抗冲击性是PC的四倍以上。但熔体粘度降低了近三分之一，使材料成型的温度条件降低，成型环境变得不再严苛，材料成型不再困难，剩余的应力降低，塑料成品光泽更好。此外，随着成型压力的增加，使得材料的粘度降低，提高了成型性。PMMA的材料特性：普通玻璃的密度高于PMMA的密度。其密度为1170公斤/立方米左右，约为玻璃的二分之一（2400-2800公斤/立方米）。PMMA比较坚固，其抗拉伸强度比普通的有机玻璃高10倍多。此外，经过受热拉伸环境塑造过的有机玻璃，它分子间的排列是有序的，这一点就大大提高了材料的强度。此外，PMMA的透光率极高，PMMA是当下性能最高的透明高分子材料，照光透过率高达九成以上，高于玻璃。对于红外线：PMMA会发出波长很低的红外光，它可以阻挡低于两万五千纳米的长红外波长。特殊颜色的PMMA材料可以透射特定波长的红外光来达到阻挡日照光的作用。还具有耐化学性，对酸、碱、盐不容易被腐蚀，缺点是不容易保存，有机溶剂可将其融化，溶于氯仿和甲苯等多种氯化烃和芳香烃。PMMA会被浓无机酸腐蚀，同样也会被热的氢氧化钠和氢氧化钾腐蚀，PMMA易于加工，可以粘合、锯、刨、钻孔、雕刻、研磨、丝网印刷、喷砂。可弯曲成型为各种亚克力制品3.2LED显示屏结构设计根据所要设计的体温枪的轻巧与便携性能，选择LED显示屏尺寸为27mm32mm,考虑到体温计的美观与实用性，选取24mm27mm。LED体的结构示意图如下图3-1所示。图3-1LED显示屏结构示意图其三维模型见图3-2。图3-2LED显示屏三维模型图以上介绍的仅仅为LED显示屏区域的内部结构，为防止显示屏在使用中出现磕碰而碎裂的情况，在显示屏外部装上防护屏，为不影响使用，采用液晶屏。显示屏放置区域与防护屏都使用卡扣设计可以解决上壳和下壳分离的问题，卡扣用于固定产品之间的连接。屏幕是个小产品，没办法拧上去。默认情况下，它们都是循环的。产品四个角配有螺纹杆，但中间无锁紧力，可能有缝隙出现。但是为了避免这种情况，进行了扣除。3.3体温接收区域结构设计本设计红外传感器采用的是MLX90614数字式传感器，因其体积小，考虑与节约成本，设置红外传感探头为直径为6.5ｍｍ大小的圆孔，温度传感器接受区域结构示意图如下图所示。图3-3红外接收区域的结构示意图温度接收区域三维模型见下图。图3-4温度接收区三维模型图3.4机身结构设计主要使用PC/ABS合金材料制作机身，整体使用流水线型设置，机身整体圆润，其次，需要在内置蜂鸣器区域打孔，使得报警系统时蜂鸣器声音可传出。在手柄处添加突起设计，可以增加与手之间的摩擦力，防止使用时滑落。在机身的上方设置三个按钮，分别为仪器开关，温度的上调与下调，另在旁边开孔，用于观察机身内部，下图为体温计机身结构示意图。图3-5体温计机身结构示意图下图为体温枪机身三维模型图。图3-6体温枪机身三维模型图3.4体温计的内部结构分析3.4.1红外体温枪的结构红外体温传感器对人体温度进行非接触式测量，测量体温可以通过检测耳朵和额头的辐射温度来获取。传统的温度计不仅测量时间太长，还会与患者进行皮肤接触。大量广泛的使用存在一定的风险，并不适用于公共场所中对人群的迅速检测。体温枪作为一种无线便携式的体温测量设备，已经成为预防和控制传染病的重要材料。不像水银温度计和电子温度计，它们每天都在家里使用，体温计可以根据人体发出的红外能量测量体温，也称为红外感应便携式体温计。拆开红外测温仪，了解其内部结构。拆解后观察研究表明，基本技术由主控板和红外传感器两部分组成。下图显示了红外体温枪的结构。图3-4-1红外体温结构图3.4.2单片机的选择本设计采用高性能AT89S51型单片机，CMOSD8位单片机，高效率具有可编程闪存4K字节ISP（可编程）闪存仅用于存储器编程。可删除1000次并保存。ATMEL高密度技术，标准S-51指令系统ATMEL是80C51独有的，结合芯片的8位CPU和智能AT89S511微机，提供嵌入式应用管理系统解决方案。有两个主要的引脚，其中VCC用于输入，与电源相连接。GND可以接地线。XTAL1连接到输入引脚，XTAL2可以连接到输出引脚。大多数PSEN从外部存储器读取flash频率，而EA/VPP主要从内部存储器读取flash频率。从低级连接上的外部存储器读取命令，在高连接时从内部存储器读取指令。另外，AT89S51设计为0Hz振荡频率，睡眠模式可通过软件调整。在睡眠模式下，处理器将关闭，但RAM定时器、串口和外部中断系统仍然有效，允许中断或硬件复位。就功能而言，单片机相当于微处理器，但微型计算机的价位要远大于单片机的价格。单片机的价格仅仅只需要数十元。此外，随着技术的进步和各个市场的竞争要求，世界领先的制造商不断引进新技术以提高效率并下调价格。体积小，可靠性高。除了单片机通常需要的ROM、RAM、除了计时器和中断系统外，微电路还集成了尽可能多的外围功能，以减少微电路之间的通信。此外，它还具有电压低、耗能低的特点。通常，单片机工作在5V，但有些单片机工作在1.8V和3V之间的电压，将功耗降低到UA级别。微处理器的低电压和低耗能对于智能和便携式消费产品的设计和开发非常重要。3.4.3红外传感器的选择本设计采用的红外传感器的型号为MLX90614

，非接触式红外温度传感器芯片。红外热电堆传感器和定制信号调谐IC集成在单个TO-39封装中。MLX90614在信号调理IC上使用先进的低噪声放大器、17位ADC和强大的DSP组件，以提供准确的温度测量。Melexis生产的MLX906l4系列测温模块是一款实用性很强的红外测温设备。所有模块都经过工厂校准，可以直接发送兼容的线性或准线性信号，无需复杂的校准过程。无线红外测温计通过检测物体周围环境的红外线波与幅度，就可精确计算出所测物体的温度。因此，物体的温度可以使用这一原理来测量，红外测温仪内含光学系统、光电探测器、信号放大器、信号处理和输出这几个部分。光学系统将目标的红外能量聚焦到视线中，温度计的光学系统及其位置由视野决定。光电探测器检测红外能量并将光信号处理成电信号。电信号由放大器和信号处理系统转换。根据测量目标算法和单位辐射值进行修正，转换为测量目标温度值。PWM的全称是脉宽调制，其目的是通过调整脉宽和脉宽来变频和变频。要实现目标就要更改占空比。PWM控制电路广泛用于稳压电路控制、直流电机控制，以及电机变频、交流电源控制。PWM引脚可以设置为热继电器模式（热继电器）（输入的是被测物体的温度），因此传感器也可以用于恒温器或温度报警等应用以降低成本。用户可以设置温度SMBus系统应用程序将此信号发送到处理器，以便处理器可以读取测量值。这种传感器有两个版本，5V版本可以通过简单的外部电路达到8~16V的工作电压。一个特殊的过滤器将红外光过滤成可见光。这可以大大减少环境影响和太阳辐射对测量结果的影响。滤光片可以透射波长为5.5至14微米的红外线。SMBus（SystemManagementBus）由Intel于20世纪90年代提出，用于移动计算机和台式计算机系统中的低速通信。希望能够使用便宜且功能强大的总线（由两条线组成）来控制主板上的设备并收集相关信息。SMBus为系统和电源管理等任务提供控制总线。在基于SMBus的系统中，通过SMBus而不是使用单独的控制线在设备之间发送和接收消息。这节省了设备上的引脚数。没有SMBus接口的微机程序可用于仿真。MLX90614有两种数字输出方法分别为SMBus和PWM。无需特殊设置，PWM可以检测零下二十度至零上一百二十摄氏度的温度，精度可达到0.14°C。MLX90614是迈来芯(Melexis)设计制造的温度传感器。3.4.4WiFi模块的选择本设计采用的WiFi模块的型号为ESP8266，性能恒定，ESP8266X具有广泛的工作温度范围，可以保持一致的性能并适应不同的工作条件。占用的PCB空间减少。其特点是能耗低，采用专利技术实现超低能耗。ESP8266EX睡眠模式非常适合低功耗应用。ESP8266系列模组目前主要有以下几种：ESP-01有两种版本，一种是蓝色版，其中之一是黑色版本，功能相同，螺丝相同。蓝色是旧版本的产品，AI-Thinker放弃了这个版本，但市场上还在流通。而且从此ESP-01变成了全黑版本。该单元使用1MBSPI闪存和SOP-210mil封装。本机使用集成PCB3DBi天线。如果ESP8266自带应用这是设备上唯一的应用处理器。它可以直接从外部闪存下载。内置高速缓冲存储器提高了系统性能并降低了内存需求。另一种情况是，如果使用带有WiFi适配器的无线互联网连接，可以添加基于微控制器的设计。并且通过SPI/SDIO接口或AHB桥接口连接到中央处理器非常简单直接。ESP8266以最少的系统资源提供最先进的开发和功能，因为传感器和其他特定于应用程序的设备可以通过其GPIO端口集成。透明转发主机通过ESP866向ESP8266发送信息，ESP8266通过无线网络发送信息。ESP8266通过无线网络接收到的信息也是热传的。信息的内容和发送方和接收方的长度完全相同，并且传输过程清晰。ESP8266估计URT中数据传输的间隔，如果间隔大于20mm，则认为该帧结束，否则最多接收2KB的数据，ESP8266模块确定数据帧，带有URT，模块通过WIFI接口传输数据。除了传统的串口升级方式，ESP8266还支持云升级固件。当新固件版本连接到互联网时，将ESP8266上传到互联网。服务器发送更新消息。用户可以选择是否要升级。ESP8266X采用先进的电源管理和系统逻辑技术来消除不必要的任务并启动睡眠管理，连接后耗电少。功率小于1.0MW或0.5MW。在待机模式下，它们仅在实时时钟中进行测量。实时时钟可以编程为在特定时间记住，当某些情况发生时，它会自动警告您。ESP8266EX会尽快自动监控。为了满足移动设备和便携式电子产品的能源需求，通过ESP8266X软件的PA输出降低了输出功率，短时间间隔降低了总功耗，适应不同的应用场景。3.4.5内部工作电路设计根据以上无线温度计的硬件选择，设计出其内部电路图，下图为无线体温计的内部电路图。图3-4-2内部电路图3.5本章小结本章先是简要叙述了无线体温计的材料选择以及选材特性，然后对体温计从LED显示屏、温度传感接头、机身三个角度进行了系统阐述。通过前面的三节理论分析可以看出，无线体温计在实际情况中设计不仅与本身结构有直接联系，还与传感器、显示屏类型有着很大的关联。因此，我们在对无线体温计进行设计时，既要针对性的对体温计模型进行简化处理，又要结合实际情况进行实际分析；如此，才能设计出贴合实际使用要求的无线体温计。此外，本章系统的介绍了无线体温计的硬件的选择以及内部结构详细说明，包括主要功能。芯片内部结构，功耗类型，适用产品，信号调节，处理器以及工作原理。通过对无线体温计的内部硬件结构分析，可以清楚地了解各零件在各工作下的处理情况，从而针对性的对工作电路进行结构设计，以提高无线体温计的灵敏度与质量。

第四章关键零件的校核计算4.1螺钉的选型由于本设计无线体温计机身几乎全部采用卡扣设计，为增加机体的牢固程度，在机身下端设计ji螺钉结构用来提高机体的稳定性与抗摔力。考虑到机身的总体大小与材料、后期维修与拆解，选择十字槽盘头式螺钉，其中d=M1.6，螺钉的公称长度L=10，性能等级为4.8，公差产品等级为A级，材料为碳素钢。4.2螺钉的强度计算拧紧螺钉时，用所需扭矩T来克服螺钉副的螺钉阻力扭矩T1和连接件端面的摩擦扭矩T2；T=T1+T2=K∙F∙d式中F——螺钉预紧力（N）d——螺纹公称直径（m）K——拧紧力矩系数（无量纲）求螺纹预紧力F：碳素钢螺钉：F=(0.6~0.7)合金钢螺钉：F=(0.5~0.6)式中σsAS——螺纹应力截面积（m螺钉设计的等级为4.8。即该工作阶段螺钉材料的公称抗拉强度为400MPa，螺钉材料的应力应力为拉力的0.8倍。因此，螺钉边界材料的公称极限为400×0.8=320MPa。另外，查表可知，M1.6螺钉的ASM1.6螺钉的预紧力：F=0.5~0.6M1.6螺钉的拧紧力矩：T=K∙F∙d=0.24×203.2×1.6×螺钉拧紧力矩T的预紧力（螺钉的材料与母材不同）不仅受螺钉材料强度的限制，还受被连接工件材料的强度限制。.如果内螺纹的材料和外螺纹的材料相同，只需检查外螺纹的强度。对于螺纹长度较短的连接、非标准螺纹件以及承受轴向载荷且内外螺纹材料强度差异较大的螺纹连接，还应检查螺纹强度。无线体温计的基材是PC/ABS合金，其强度远低于优质合金钢，因此需要检查螺杆型材对母材的强度，主要是螺杆材料的剪应力和弯曲应力。螺纹牙型的剪应力和弯曲应力由下式确定：剪应力：τ=弯应力：σ=式中：FwD——内螺纹大径（mm）b——螺纹牙根部宽度（mm）KZh——螺纹牙的工作高度（mm）z——螺纹