红外体温装置的设计

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出的成就

2、。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/D转换、系统控制等功

3、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传感器模块红外温度传感器的原理 自然界一切温度高于绝对零度(-27315) 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

4、小直接与该物体 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=(t4-t4o) (1)式中， e是 辐射出射度单位是 wm3；是 斯蒂芬一波尔兹曼常数， 567x10-8w(m2·k4)；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 m10 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!

5、热电偶 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 ztpl35sr 的工作原理和性能Ztp-135的性能指标如下图：其外形和引脚排列如图2、3所示图2 ZTP135外观图 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

6、， 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! 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

7、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输入运算放大器。因为测量的人体温度在3442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

8、电源模块电路1.4 AVR单片机外围电路  本仪器中AVR单片机（ATMega16）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。key1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1.6 所需全部资源 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21.53Op0731.5 4.5三段稳压块41.24.8变阻器21 2电容若干3电阻若干

9、3其它约10总计152.32系统的软件设计本装置所采用的是AVR单片机进行编程的，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

10、ADCSRA中的ADSC置位，启动ADC；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>flash unsigned char led_711=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7

11、F,0x6F,0x58;flash unsigned char position4=0x7F,0xBF,0xDF,0xEF;unsigned char dis_buff4=10,0,0,0,posit;void port_init(void) PORTA = 0xF0; DDRA = 0xF0; PORTB = 0x00; DDRB = 0xFF; PORTC = 0x00; /m103 output only DDRC = 0x00; PORTD = 0x00; DDRD = 0x00;void adc_init(void) /ADC初始化ADCSRA = 0x00;ADMUX=0x40;S

12、FIOR=0x00;ADCSRA =0x8D; unsigned int adc_data0,adc_data1,adcc;/ ADC中断服务程序#pragma interrupt_handler adc_isr:15void 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 peripheralsvoid init_devices(void)

13、/stop errant interrupts until set up CLI(); /disable all interrupts port_init(); adc_init(); MCUCR = 0x00; GICR = 0x00; TIMSK = 0x00; /timer interrupt sources SEI(); /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;

14、PORTB = led_7dis_buffposit;if(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<<

15、;ADSC); while(!adcc) adcc = 0; adc_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、性别等的不同来设定发热温度。我国是世界