非接触式红外体温计开题报告

非接触式红外体温计开 非接触式红外体温计控制系统设计 开题报告 姓 名:李峰 学 号:07312109 专 业:自动化 系 别:机械与电子工程系 指导老师:徐猛华 一 课题的来源、目的意义(包括应用前景)、国内外现状及水平 课题来源: 2003年，一场没有硝烟的战争无情地席卷了整个中华大地，这就是令人听了都心惊胆战的“非典”。在国家各部门投入大量人力，物力，财力抢救“非典”病人的同时，各地也积极响应党中央的号召，全力以赴做好“非典”的防控工作，尤其是在机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、写字楼、学校等人流量较大的公共场所，对“非典”病人体温的检查尤为重要。目前，国内传统的体温测量是用医用玻璃液体温度计(俗称体温表)、医用电子接触式温度计(常用热敏电阻作为它的感温元件)等插入人体内部(舌下、直肠)或置于腋下，通过接触使温度计的温度等于被测处的温度。但这些体温计的缺点是测量的速度慢(约2分钟以上)。玻璃液体温度计还易碎，在使用时容易因消毒不彻底而引起交叉感染。在SARS预防的检测中，在需测量的人很多，时间又要短时，它们就不大适用了。基于此，本文所介绍的一种不接触式的红外快速检测人体温度装置应运而生了…… 研究目的: 此次研究红外快速检测人体温度装置的主要目的，在于它能够在机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、写字楼、学校等人流量较大的公共场所，有效地避免国内传统的体温测量的缺点，在快速，准确，没有交叉感染的情况下测量出人体温度，因此不接触式的红外温度测量法就被广泛用于SARS预防的检测工作中。正是由于红外快速检测人体温度装置的种种先进特性，而可以广泛应用于各种场所，拥有很好的市场前景～同时通过这次毕业设计，提高了同学们的自学能力，熟悉产品设计程序，引用所学传感电子技术的知识解决实际问题。 国内水平: 在2003年全国防“非典”斗争中，中科院上海技术物理研究所在863计划高技术成果的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究，在短时间内开发成功了“非接触式红外测温仪”，打开了国内“非接触式测量”的新篇章...... 水银体温计虽然价格便宜但是有诸多弊端:首先，水银体温计遇热或安置不当，体温计容易破裂。其次，人体接触水后会中毒，中毒症状是恶心、头痛、腹泻、脱发等，严重者会造成血液凝固。因为水银有剧毒，一旦它污染了水源或食物，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，采用水银体温计测温需要相当长的时间(5min-l0min)，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(北京青年报2001年7月10日，《环球时报》2001年7月13日)。 二 研究的主要内容，拟解决的关键性问题和预期的成果 人体体温是鉴别人体健康状况的重要参数，所以体温在医疗领域中占有十分重要的地位。现有体温计大概分为三种类型: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。 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长的时间，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。三种体温计比较之，红外体温计的性能最好，它不仅测量速度快(测量时间小于1s)而且精度最高(?0.1?)。 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30?-50?，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位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、可重复性好。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。 1 基本原理 首先介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。 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T的黑体单色辐射出度为其中:c1是3.7418×l0-16W?m2，c2是1.438×10-2m?k。 由此可以计算出在温度位T的黑体在全部波长范围内的辐射出度为 其中:A是波尔兹曼常数。此外，由于人体皮肤不是理想的黑体，只有在大于5um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5.5um的波长才可以通过的滤波器。 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。热电堆是用半导体集成电路(IC)工艺和微机械电子(MEMS)工艺制造的，它可以等效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。 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。 红外传感器的输出特性 温度为Tobj的物体，其单位面积在全部波长的辐射功率可以表示为其中:K是波尔兹曼常数，ε是物体的发射系数ε?[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-端的环境温度，由热平衡方程，于是红外传感器其吸收的净热功率为其中:K/是一常数 (由传感器决定)，εobi和εsents分别为被测物体和传感器的发射系数，Tobi和Ta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器的输出电压其中:堤传感器的敏感度(V,W)，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。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-δ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。 三 课题研究方法，设计或论文撰写提纲 3.1课题研究方法 环境温度补偿 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 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30?到50?。在这样的范围内，只需要把传感器的输出电压看为是物体与环境的温差函数而不考虑被测物体和环境的具体温度值。通过单片机查表就可以得知被测物体与环境的温度差，再与热释电传感器测得的环境温度相加就可以得出被测物体的温度。这就是单片机处理数据的基本算法。 软件流程图 论文设计提纲 第1章 绪 论 1.1 选题背景 1.2 体温计的发展历程 1.3 体温计的分类 1.4 红外技术的发展历程及应用 1.5 单片机发展历程 1.6 本章小结 第2章 方案设计 2.1 红外测温原理 2.2 热释电红外传感器 2.3 方案比较与论证 2.3.1 温度传感器的选择 2.3.2 A/D转换器的选择 2.3.3 显示器件的选择 2.4 设计方案 第3章 系统硬件设计 3.1 软硬件设计环境简介 3.2信号采集电路 3.2.1 D203S简介 3.2.2 菲涅尔透镜简介 3.2.3 LM324简介 3.2.4 信号采集电路设计 3.3 A/D转换电路 3.3.1 MCP3204简介 3.3.2 A/D转换电路设计 3.4 单片机控制电路 3.4.1 AT89S51简介 3.4.2 时钟电路与复位电路 3.4.3 控制电路设计 3.5 时钟电路 3.5.1 DS1307简介 3.5.2 时钟电路设计 3.6 显示电路 3.6.1 74LS164简介 3.6.2 显示译码器 3.6.3 显示电路设计 3.7 供电电源 3.7.1 电源简介 3.7.2 电源电路设计 第4章 系统软件设计及仿真 4.1 系统流程图 4.2 软件设计过程 4.3 软件仿真 第5章 硬件制作与调试 5.1所用仪器 5.2焊接与调试过程 四 课题研究准备情况(参考文献，完成任务所具备的条件) 机械工业出版社 1999 369—374 侯关士 李缙海 基于因特网数据管理系统的设计与实现 微机应用 2011，22(3);134——137 崔志尚 温度计量与测试 北京 中国计量出版社 1998 [14] 何希才，伊兵，杜煜.实用电子电路设计[M].电子工业出版社，1998. [15]皮红梅,李英顺.单片机开发中的定时方法.沈阳石油化工高等专科学校学报 [N].2002年12月 [16]肖金球.单片机原理与接口技术.清华大学出版社[M]，2002. [17]陈杰，黄鸿.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社，2004，1 [18]沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现.北京:电子工业出版社，2005 [19]Maxim公司.Newreleases Data Book 1996. [20]Mark1.Montrose.PRINTED Circuit Board Design Techniques for EMC compliance[J].IEE Press series.2000 五、毕业设计总体安排和进度 2月21日-----3月22日 实习;文献检索和熟悉内容。 3月23日----4月16日 方案确定，草图绘制。 4月16日----5月7日 结构设计，绘图。 5月8日----5月20日 修改图样和整理设计计算书。 6月6日----6月10日 提交论文，答辩