非接触式红外遥感体温计的设计和实现

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毛志毅苏东明李开元＋王卫东＋陈广飞＋

（北京理工大学电子工程系北京市１０００８１）

摘要讨论缸外遥感体温计的基本原理，并论证了用之体温计的可行性。在此基础上，我们给出了使用红外传感器采实现体温计的电路原理图年口程序流程。

美键词红外体温计；热电堆；热敏电阻；ＡＤｃ（模数转换器）；单片机

中囤分类号：ＴＨ７８９文献标识码：Ａ文章编号：１００３—８８６８（２００３）０９＿００１６一０３

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１引言

人体体温是鉴别人体健康状况的重要参数，所以体温讣在医疗领域中占有十分莺要的地位。现有体温计大概分为ｊ种类型：一种是常见的玻璃水银体温计；一种是电子体温计；另一种是较高档的耳道式红外遥感体温计。

水银体温计虽然价格便宜但是有诸多弊端：首先，水银体温｝卜遇热或安置不当．体温计容易破裂。其次，人体接触水银后会中毒，中毒症状是恶心、头痛、腹泻、脱发等，严重者会造成血液凝固。因为水铤有剧毒，一旦它污染ｒ水源或食物，可以对人的肾脏、肺等造成极大的伤害，水银也能加速人神经系统退变。最后，采用水银体温士ｉ测温需要相当长的耐间（５ｍｉ”１０ｍｉｎ），使用不便。美国一些城市和医院已开始禁止使用水银体温计ｄＣ京青年报２００１年７月１０日，《环球时报》２００１年７月１３日１。

电子体温计是采用热敏电阻测量温度的，采用电子体温计测温也需要较Ｊ乏的时间，同样使用不便。耳道式体温计是根据黑体辐射原理通过测茸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。三种体温计比较之．耳式体温训‘的性能最好，它不仅测量速度快（测量时问小于１ｓ）而且精度最高（±０．１℃）。

红外温度计在工业中已有广泛的应用，其测量范围可从常温到达上千摄氏度。但是红外温度传感器的输出与被测物体的温度是非线性关系，所以会存在较大的误差，精度一般在±１％一±２％。因而其绝对误差值是较大。

人体的温度只在较小的范围内变化（３５℃４２℃），因此，只要进行较细的刻度，红外体温计就可获得较高的测量精度。为了排除环境温度变化对测量结果的影响，还要采用温度补

霞篝攀攀繁震攀鬻塑鬻黍蒸爹爹偿电路对环境温度进行补偿。我们要设计的红外体温计其测量范围是３５℃一２℃．且精度为±０．１℃。在该设计中，以低功耗单片机为主体，配有高精度放大器和１６值ＡＤｃ．测量值用ＬｃＤ进行温度显示，具有成本较低、使用方便、测量时间短、精度较高、可重复悻好。更重要的是，通过进一步设计完善，它可以与电脑连接，因此更适用于病房和护士工作站使用。以下详细阐述测温基本原理和系统实现。

２基本原理

首先舟绍红外遥感体温计的物理原理，然后介绍红外传感器的原理和结构，最后介绍环境温度补偿的方法，及其提高测量精度的可行性。

２１黑体辐射定律

红外体温计的测温原理是基于黑体辐射定律，黑体是在任何温度下都能全部的吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量。既没有反射，也没有透射的物体。同时它也向外界辐射能量。黑体的单色辐射出度是描述在某一波长辐射源单位面积上发出的辐射通量。

温度为７的黑体单色辐射出度为

ｒ

Ⅳｎ，＂＝Ｔ品一（１）

Ｘ（ｅ—ｌ、

其中：ｃＪ是３．７４１８×１０一”ｗ·ｍｊ印邑】．４３８×１０４ｍ·疋

由此可以计算出在温度位丁的黑体在全部波长范围内的辐射出度为

ｆＪ

Ｍ严Ｊ嘶Ａ，＂ｍ士丁（２）其中：提披尔兹曼常数。

此外，由于人体皮肤不是理想的黑体，只有在大于５¨ｍ

４解放军总医院北京市１００８５３

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　万方数据

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的波长范围才可以近似看成是黑体，所以在红外传感器上要装有大于５．５ＬＬｍ的波长才可以通过的滤波嚣。

２．２红外传感器结构

红外传感器是红外体温计的关键部件，它是由温差热电堆和热敏电阻两部分构成的（如图１所示）。

热电堆是用半导体集成电路（ＩＣ）工艺和微机械电子（ＭＥＭｓ）丁：艺制造的，它可以等教为多个热电偶串联组成的。而热电偶是由两种电子密度不同的导体相连接组成的。热电偶有冷热两个端点。在测量物体温度时，热端与被测物体接触，冷端与测量仪表接触。热电偶的同种导体上会因为存在温度剃度而产生汤姆孙电动势，两种金属的连接处会因为电子密度差而产生珀而粘电动势，所以在热电偶的两端会产生温差电动势（见图２）。

在红外传感器热电堆的热端贴有热量吸收器，它用来吸收被测物体辐射的红外线并转化为热能。通过热电堆把辐射红外线的功率转化为电信号进行测量（见图３）。簋降．．－同围１红外传感器结构图２热电偶测温原理图３红外传赢器删温原理２．３红外传感器的输出特性

温度为珞的物体，其单位面积在全部波长的辐射功率可以表示为

‰再ｓ乇（３）其中：七是渡尔兹曼常数，堤物体的发射系数８∈［０，１】。

当用于红外传感器测量温度时，考虑到红外传感器热电堆另一端的环境温度，由热平衡方程，于是红外传感嚣其吸收的净热功率为

只。“Ｔｉ。兀，一‰。到（４）其中：七握一常数（由传感器决定），％和‰分别为被测物体和传感器材料的发射系数，珞和Ｚ分别是被测物体温度和传感器的环境温度。

由此可得出红外传感嚣的输出电压

㈣纯ｗ％一‰彤（５）其中：姥传感器的敏感度（嘲，为一常数。

由于实际传感器只测量一定的波长范围并且其敏感度只有在一定的波长范围才可以看为是常数，所以上式可进一步修正为

Ｕ＝ＳｘＫ忙。《一８。安）ｔ６１由公式（６）可以看出，当环境温度一定时，红外传感器其输出电压与被测物体的绝对温度的４—８次方成线性关系。传感器的输出与被测物体的温度是单调的，即传感器的输出量与被测物体的温度是一一对应的，由此可以通过测量传感器的输出来确定被测物体的温度。由于环境温度是可变的，所以还要进行环境温度补偿。

２．４环境温度补偿和电路框图

Ｉ咂ｔ丽ｊ葺牙ｉ酉：‘西五垂至ｌ晤

热电堆输出端的电信号是反映热电偶冷热两端的温度差，也就是被测物体与热电堆冷端的温度差，而不是反映被测物体的真实温度。因此，还需要环境温度补偿，也就是要测出热电堆的冷端温度。环境温度补偿是通过红外传感器中负温度系数的热敏电阻完成的，它的阻值随着温度的升高而降低。由此通过测量其阻值就可以得知环境温度。

实现电路可以采用模拟电路处理方法和数字电路处理方法。

２．４．１模拟处理方法

模拟电路的处理电路原理图，如图４所示。在有限的温度范围内．热敏电阻的阻值与温度的４次方近似为线性关系。即Ｒ＝Ｒ。－∈Ｔ１“，其中：凰、￡是常数。

参考（６）式，可以通

过调整２个放大器的放

大倍数，可使得输出信

号只与被测物体温度的

４—８次方成线性关系，击

除由环境温度而产生的

输出分量。由此可确定

物体温度。圈４模拟电路处理方法模拟处理方法的测量精度不高，只能达到“℃。但灵活性好，可以通过调节放大倍数以适合不同物体的温度测量。２．４２数字处理方法

采用单片机杳表的方法分别测量环境温度和热电堆的温差，通过求和可得出被测物体的温度值。数字处理方法具有较高的精度．可达±ｏ．Ｉ。ｃ。这是我们所采用的设计方案，下面将详细介绍。

３体温计的实现

３１系统原理框图

本设计中采用的红外传感器是ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒＯｐｔｏｅｌｅｅ·ｔｒｏｎｉｃ８的ＴＰｓ３３４。单片机是１１公司的带有ＬＣＤ驱动的低功耗单片机，可以直接与ＩＣＤ屏相连而不需要另外的驱动电路，它最多可以显示９６段。ＡＤＣ采用的是ＡＤ公司带有恒定电流源的高精度的１６位∑一△ＡＤ，它为两路输入，一路与热电堆相连，另一路与热敏电阻相连。恒定电流源可以用于补偿电路中驱动热敏电阻。实现数字处理方法的系统原理框图如图５所示。

图５实现数宇虬理方法的系统框图

红外传感器的两路输出（热电堆输出电压信号和热敏电阻两端电压信号）送到ＡＤｃ，然后进到单片机，经单片机查表分别得出热电堆的两端温差和环境温度，并两值相加求出物体的真实温度，并把结果送到ＬＣＤ进行显示。

３．２数据处理方法

经数字化的温度信号，送到单片机进行查表处理。

对于红外体温计，其对温度的刻度要求就会降低，因为它的测量范围只是很小的一段，从３５℃到４２ｅｃ。在这么小的范围内，就不需要按照上述的复杂公（－．－．下转第１９页卜卜）

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