非接触式人体红外温度计的设计与测试

葛思忆 黄 克 孙伟佳 徐雅琪 赵文超 湖州师范学院理学院

非接触式人体红外温度计的设计与测试

葛思忆 黄 克 孙伟佳 徐雅琪 赵文超 湖州师范学院理学院

红外温度测量是利用任何物体高于绝对零度而发出的特定波段的红外线来测量物体的温度，选用高精度的红外传感器来迅捷、灵敏、方便的测量，可克服以往普通温度计的诸多弊端。本文依据红外辐射测温的原理设计制作了一个红外温度测量系统，主要针对人体体温测量进行设计改进。系统采用高精度数字式温度传感器DS18B20，运用单片机STC89C52进行运算处理，最后通过型号为F5461BH的四位数码管显示温度值。系统元件的测量精度理论值可以达到±0.5℃，可在大规模的检疫和日常生活中发挥重要的作用。

温度传感器DS18B20；单片机STC89C52；四位数码管F5461BH

引言

体温是一个重要的人体生理参数，体温计无论是在日常保健中还是在临床诊断中都是必不可少的医用计量器具[1]。传统的测温技术通过测温元件与测量对象直接接触进行充分的热交换，基于测温物质（如水银）的热胀冷缩的原理进行读数测量，它具有简单直观，价格低廉的优点。但也存在有响应速度慢，读取数值比较困难，易破碎，有毒性，易污染环境等缺陷[2]。红外测温仪利用人体发出的特定波段的红外线来测量人体的温度，采用高精度的红外传感器和新型的微处理技术，以非接触方式来快速、准确、方便的测量，克服了传统温度计的缺陷[3]。

1.红外测温的原理

红外测温仪是以黑体辐射定律作为理论基础，是光学理论和微电子学综合发展的产物。使用红外线传感器在非接触的条件下检测辐射的红外线变化，并将其转换成电信号输出。对电信号补偿放大，再通过数模转化后，把电信号以数字信号的形式传递给单片机，单片机运算处理后通过显示器件输出温度数值。如今，红外检测技术的精准度不断升高，已由原来的工业级精确到能够测量人体温度，且技术上也相对比较成熟[4]。

红外线在地球上属于一种非常丰富的资源，一切温度高于绝对零度的物体都能够向外界辐射电磁波（包括红外线）。物体辐射红外线的能量符合普朗克分布定律：Mλ=[C1λ-5]/ [exp（C2/λT）-1]，其中Mλ为黑体的辐射出射度，λ为波长，T为绝对温度，C1、C2为辐射常数。由此推导出维恩位移定律：λm·T=2898 um·k[5]，可用来计算物体辐射电磁波的波长。人体的正常体温为36～37.5℃，即309～310.5K，其辐射出最强红外线的中心波长约为9.4um。

图1 系统总体框架图

2.系统整体设计

人体红外温度计设计的系统总体框架图如图1所示，本设计包括5个模块，包括DS18B20温度传感器模块、STC89C52单片机处理模块、按键模块、数码管显示模块和电源模块；在设计中使用电池给系统供电，选用STC89C52单片机为处理器，通过DS18B20温度传感测量感受到的人体温度后传输给STC89C52单片机进行运算处理，最后通过数码管显示测量后的温度，主要特点：

（1）利用人体红外辐射原理来测量温度；

（2）采用普通电池供电；

（3）响应速度快，响应精度高；

（4）使用简单，价格低；

3.系统硬件设计部分

3.1 单片机处理模块

STC89C52是STC公司生产的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，其工作电压在2.4V到5.5V之间，具有特殊的看门狗功能，执行速度快，可擦写次数多，低功耗，高性能的特点。

3.2 DS18B20温度传感器模块

DS18B20是美国DALLAS公司生产的数字式温度传感器，其主要特点为一个引脚就可以进行信息的传输，在焊接过程中不需要外围元件，测温范围在-55℃到125℃之间，精度可以达到±0.5℃，可以通过电池供电，也可以通过数据线进行供电，电压范围在3.0V～5.5V之间，同时可以设置报警装置，近年来广泛用于粮库等需要测量和控制温度的地方。

3.3 其他模块

显示模块采用四位数码管F5461BH显示，有助于清晰显示温度，与液晶显示屏相比较能够有效地降低生产成本；键盘模块用于设置温度上限以及测量温度；蜂鸣器在设计中起到预警作用，当测量物体的实际温度高于我们自身初始设置的温度上限时，蜂鸣器立即工作，同时起到报警作用。

图2 主程序流程图

4.系统软件设计部分

4.1 主程序

先接通电源，在通电状态下STC89C52单片机先进行初始化，开始运行程序；然后判断按键是否按下，若没有按下，则不进行温度的检测，若判断按键按下，则进行温度的检测，显示器会显示检测出来的温度；若检测出的温度高于设定的温度，则蜂鸣器会发出响声，显示器同时也会显示出检测到的温度。整个程序的流程图如图2所示。

4.2 DS18B20程序

温度传感器是系统的核心器件。DS18B20温度传感器包括初始化时序、写时序和读时序，该程序的流程图如图3所示。

（1）初始化时序。单片机将数据线DQ电平拉低后稍作延迟，可输出持续的低电平，单片机收到该信息后进行操作。

（2）写时序。当单片机将数据线DQ电平从高电平拉到低电平时，产生写时序，有写“0”和写“1”两种时序。如果是低电平则为“0”；如果是高电平。则为“1”。

（3）读时序。当单片机从DS18B20读取数据时，产生读时序。此时单片机将数据线DQ的电平从高电平拉到低电平，进行初始化。如果此时在15μs内，如果是低电平则为“0”；如果是高电平。则为“1”。

图4 红外测温系统实物图

图3 DS18B20时序流程图

图5 三种测试方式下温度数据对比图

5.系统调试与数据测试分析

图4为实际制作的红外测温系统实物图，系统经过软硬件安装，电路焊接后，先进行基本的功能测试调试，各项功能满足设计后进入最后的温度测量调试。将传统水银温度计、无透镜系统和添加菲涅尔透镜系统的测试结果进行对比分析，评估设计的准确性，图5是三种测试方式下获得的温度数据对比图。

1）由图5中数据可知，水银温度计测试平均温度值为36.42℃，平均差为0.104℃；无透镜系统测试平均温度值为35.38℃，平均差为0.216℃，相对水银温度计测试数据其不稳定度较大。原因是水银温度计测试时间较长（3分钟），最后结果为3分钟内的峰值温度，而红外温度测试系统为瞬时温度，有出现误差的可能性；同时也与红外线的汇聚和测试方式有关系。为减小误差，提高数据准确性，我们选用了菲涅尔透镜用于汇聚红外线，有透镜的系统测试的平均温度值为35.8℃，平均差为0.16℃，其稳定性有了较大提高，接近水银温度计的稳定性。

2）水银温度计价格便宜，性能稳定，但同时也有很多缺点。首先，水银温度计中的水银有毒，能够污染环境，温度计破碎后水银流出，被人体吸收对身体会造成极大伤害；第二，利用水银温度计测试一般需要3到5分钟，花费时间长；第三，水银温度计存在读数误差，不同的人对于同一支水银温度计会有不同的读数。人体红外温度计可以克服以上缺点，安全无毒，对环境没有污染作用；测量速度快速，测量方式简单方便，无需与人直接接触。

3）通过数据对比发现两种红外温度测试系统其测试温度均低于传统水银温度计，主要原因是人的体表温度低于体内温度，而且体表温度还受外界环境的影响，系统惯有误差的存在加上其他因素，测量温度会有所降低[6]。市面上的测温仪器，一部分通过对程序设计进行修改，另一部分则是通过其他硬件优化，第二类比较少。一般而言，添加光学系统可增强测量稳定性，系统误差可通过调制转换函数关系即可达到体内温度范畴，而这需进一步深化研究。

[1]赵小兰，胡征，马国欣，徐驰，陈华辉，便携式红外线人体测温仪的设计[J]. 电子测试，2013,22

[2]陈可中，谭翔，董建杰，郑明辉，王戎丞，肖桂平，红外测温仪的设计[J]. 电子测量技术，2007,30（10）:11-14

[3]王振运，孟立凡，张璐，红外人体测温仪[J].电子世界，2015,（14）：163-165

[4]曾强，舒芳誉，李清华.红外测温仪-工作原理及误差分析[J].技术与应用.2007（02）

[5]刘立军，张春燕.基于维恩位移定律的一些光学测温系统[J]. 西华师范大学学报，2013,34（4）:405-408

[6]曹欣荣，戴景民，环境温度对红外辐射式体温计读数的影响[N]. 计量学报，2002,23（1）：33-35

2015年度浙江省大学生科技创新活动计划项目 编号2015R427025