非接觸式人體紅外溫度計的設計與測試

葛思憶 黃 克 孫偉佳 徐雅琪 趙文超 湖州師范學院理學院

非接觸式人體紅外溫度計的設計與測試

葛思憶 黃 克 孫偉佳 徐雅琪 趙文超 湖州師范學院理學院

紅外溫度測量是利用任何物體高于絕對零度而發出的特定波段的紅外線來測量物體的溫度，選用高精度的紅外傳感器來迅捷、靈敏、方便的測量，可克服以往普通溫度計的諸多弊端。本文依據紅外輻射測溫的原理設計制作了一個紅外溫度測量系統，主要針對人體體溫測量進行設計改進。系統采用高精度數字式溫度傳感器DS18B20，運用單片機STC89C52進行運算處理，最后通過型號為F5461BH的四位數碼管顯示溫度值。系統元件的測量精度理論值可以達到±0.5℃，可在大規模的檢疫和日常生活中發揮重要的作用。

溫度傳感器DS18B20；單片機STC89C52；四位數碼管F5461BH

引言

體溫是一個重要的人體生理參數，體溫計無論是在日常保健中還是在臨床診斷中都是必不可少的醫用計量器具[1]。傳統的測溫技術通過測溫元件與測量對象直接接觸進行充分的熱交換，基于測溫物質（如水銀）的熱脹冷縮的原理進行讀數測量，它具有簡單直觀，價格低廉的優點。但也存在有響應速度慢，讀取數值比較困難，易破碎，有毒性，易污染環境等缺陷[2]。紅外測溫儀利用人體發出的特定波段的紅外線來測量人體的溫度，采用高精度的紅外傳感器和新型的微處理技術，以非接觸方式來快速、準確、方便的測量，克服了傳統溫度計的缺陷[3]。

1.紅外測溫的原理

紅外測溫儀是以黑體輻射定律作為理論基礎，是光學理論和微電子學綜合發展的產物。使用紅外線傳感器在非接觸的條件下檢測輻射的紅外線變化，并將其轉換成電信號輸出。對電信號補償放大，再通過數模轉化后，把電信號以數字信號的形式傳遞給單片機，單片機運算處理后通過顯示器件輸出溫度數值。如今，紅外檢測技術的精準度不斷升高，已由原來的工業級精確到能夠測量人體溫度，且技術上也相對比較成熟[4]。

紅外線在地球上屬于一種非常豐富的資源，一切溫度高于絕對零度的物體都能夠向外界輻射電磁波（包括紅外線）。物體輻射紅外線的能量符合普朗克分布定律：Mλ=[C1λ-5]/ [exp（C2/λT）-1]，其中Mλ為黑體的輻射出射度，λ為波長，T為絕對溫度，C1、C2為輻射常數。由此推導出維恩位移定律：λm·T=2898 um·k[5]，可用來計算物體輻射電磁波的波長。人體的正常體溫為36～37.5℃，即309～310.5K，其輻射出最強紅外線的中心波長約為9.4um。

圖1 系統總體框架圖

2.系統整體設計

人體紅外溫度計設計的系統總體框架圖如圖1所示，本設計包括5個模塊，包括DS18B20溫度傳感器模塊、STC89C52單片機處理模塊、按鍵模塊、數碼管顯示模塊和電源模塊；在設計中使用電池給系統供電，選用STC89C52單片機為處理器，通過DS18B20溫度傳感測量感受到的人體溫度后傳輸給STC89C52單片機進行運算處理，最后通過數碼管顯示測量后的溫度，主要特點：

（1）利用人體紅外輻射原理來測量溫度；

（2）采用普通電池供電；

（3）響應速度快，響應精度高；

（4）使用簡單，價格低；

3.系統硬件設計部分

3.1 單片機處理模塊

STC89C52是STC公司生產的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，其工作電壓在2.4V到5.5V之間，具有特殊的看門狗功能，執行速度快，可擦寫次數多，低功耗，高性能的特點。

3.2 DS18B20溫度傳感器模塊

DS18B20是美國DALLAS公司生產的數字式溫度傳感器，其主要特點為一個引腳就可以進行信息的傳輸，在焊接過程中不需要外圍元件，測溫范圍在-55℃到125℃之間，精度可以達到±0.5℃，可以通過電池供電，也可以通過數據線進行供電，電壓范圍在3.0V～5.5V之間，同時可以設置報警裝置，近年來廣泛用于糧庫等需要測量和控制溫度的地方。

3.3 其他模塊

顯示模塊采用四位數碼管F5461BH顯示，有助于清晰顯示溫度，與液晶顯示屏相比較能夠有效地降低生產成本；鍵盤模塊用于設置溫度上限以及測量溫度；蜂鳴器在設計中起到預警作用，當測量物體的實際溫度高于我們自身初始設置的溫度上限時，蜂鳴器立即工作，同時起到報警作用。

圖2 主程序流程圖

4.系統軟件設計部分

4.1 主程序

先接通電源，在通電狀態下STC89C52單片機先進行初始化，開始運行程序；然后判斷按鍵是否按下，若沒有按下，則不進行溫度的檢測，若判斷按鍵按下，則進行溫度的檢測，顯示器會顯示檢測出來的溫度；若檢測出的溫度高于設定的溫度，則蜂鳴器會發出響聲，顯示器同時也會顯示出檢測到的溫度。整個程序的流程圖如圖2所示。

4.2 DS18B20程序

溫度傳感器是系統的核心器件。DS18B20溫度傳感器包括初始化時序、寫時序和讀時序，該程序的流程圖如圖3所示。

（1）初始化時序。單片機將數據線DQ電平拉低后稍作延遲，可輸出持續的低電平，單片機收到該信息后進行操作。

（2）寫時序。當單片機將數據線DQ電平從高電平拉到低電平時，產生寫時序，有寫“0”和寫“1”兩種時序。如果是低電平則為“0”；如果是高電平。則為“1”。

（3）讀時序。當單片機從DS18B20讀取數據時，產生讀時序。此時單片機將數據線DQ的電平從高電平拉到低電平，進行初始化。如果此時在15μs內，如果是低電平則為“0”；如果是高電平。則為“1”。

圖4 紅外測溫系統實物圖

圖3 DS18B20時序流程圖

圖5 三種測試方式下溫度數據對比圖

5.系統調試與數據測試分析

圖4為實際制作的紅外測溫系統實物圖，系統經過軟硬件安裝，電路焊接后，先進行基本的功能測試調試，各項功能滿足設計后進入最后的溫度測量調試。將傳統水銀溫度計、無透鏡系統和添加菲涅爾透鏡系統的測試結果進行對比分析，評估設計的準確性，圖5是三種測試方式下獲得的溫度數據對比圖。

1）由圖5中數據可知，水銀溫度計測試平均溫度值為36.42℃，平均差為0.104℃；無透鏡系統測試平均溫度值為35.38℃，平均差為0.216℃，相對水銀溫度計測試數據其不穩定度較大。原因是水銀溫度計測試時間較長（3分鐘），最后結果為3分鐘內的峰值溫度，而紅外溫度測試系統為瞬時溫度，有出現誤差的可能性；同時也與紅外線的匯聚和測試方式有關系。為減小誤差，提高數據準確性，我們選用了菲涅爾透鏡用于匯聚紅外線，有透鏡的系統測試的平均溫度值為35.8℃，平均差為0.16℃，其穩定性有了較大提高，接近水銀溫度計的穩定性。

2）水銀溫度計價格便宜，性能穩定，但同時也有很多缺點。首先，水銀溫度計中的水銀有毒，能夠污染環境，溫度計破碎后水銀流出，被人體吸收對身體會造成極大傷害；第二，利用水銀溫度計測試一般需要3到5分鐘，花費時間長；第三，水銀溫度計存在讀數誤差，不同的人對于同一支水銀溫度計會有不同的讀數。人體紅外溫度計可以克服以上缺點，安全無毒，對環境沒有污染作用；測量速度快速，測量方式簡單方便，無需與人直接接觸。

3）通過數據對比發現兩種紅外溫度測試系統其測試溫度均低于傳統水銀溫度計，主要原因是人的體表溫度低于體內溫度，而且體表溫度還受外界環境的影響，系統慣有誤差的存在加上其他因素，測量溫度會有所降低[6]。市面上的測溫儀器，一部分通過對程序設計進行修改，另一部分則是通過其他硬件優化，第二類比較少。一般而言，添加光學系統可增強測量穩定性，系統誤差可通過調制轉換函數關系即可達到體內溫度范疇，而這需進一步深化研究。

[1]趙小蘭，胡征，馬國欣，徐馳，陳華輝，便攜式紅外線人體測溫儀的設計[J]. 電子測試，2013,22

[2]陳可中，譚翔，董建杰，鄭明輝，王戎丞，肖桂平，紅外測溫儀的設計[J]. 電子測量技術，2007,30（10）:11-14

[3]王振運，孟立凡，張璐，紅外人體測溫儀[J].電子世界，2015,（14）：163-165

[4]曾強，舒芳譽，李清華.紅外測溫儀-工作原理及誤差分析[J].技術與應用.2007（02）

[5]劉立軍，張春燕.基于維恩位移定律的一些光學測溫系統[J]. 西華師范大學學報，2013,34（4）:405-408

[6]曹欣榮，戴景民，環境溫度對紅外輻射式體溫計讀數的影響[N]. 計量學報，2002,23（1）：33-35

2015年度浙江省大學生科技創新活動計劃項目 編號2015R427025