智能非接触式体温计的设计毕业设计论文(编辑修改稿)

智能非接触式体温计的设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

随时观测。 由于玻璃的结构比较致密，水银的性能非常稳定，所以玻璃体温计具有示值准确、稳定性高的特点， 拥有 价格低廉、不用外接电源的优点，深受人们特别是医务工作者的信赖。 但此种体温计也有诸多弊端 ，例如， 遇热或安置不当容易破裂 ， 人体接触水银后会中毒 ，轻者 恶心、头痛重者会造成血液 凝固 等。 医用 电子体温计是 利用某些物质的物理参数（如电阻、电压、电流等）与环境温度之间存在的确定关系，将体温以数字的形式显示出来，读数清晰，携带方便。 许多医院也采用了电子体温计，因拥有快速、无需接触被测者等的优点而被广泛采用。 其不足之处在于示值准确度受电子元件及电池供电状况等因素影响，即性能暂不能与传统的体温计相比不如玻璃体温计。 红外 测量体 温 技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥重要作用。 根据红外测温原理，任何物体由于其自身分子运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。 红外体温计正是通过对物体自身辐射的红外能量的测量，准确地测定它的表面温度。 所用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线，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。 比起前两种测温方法，红外体温计有着响应时间快、使用安全、使用寿命长及可靠性高等优点。 近 20 年来，红外体温计 在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大。 智能非接触式电子体温计设计 第 2 页 共 58 页 红外测温技术发展 自从 1800 年英国天文学家 F W 赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。 从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到 1940 年前后才真正出现现代的红外技术。 当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。 其中有些达到实验室试验阶段，有 些已小批量生产，但都未来得及实际使用。 此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。 特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。 目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。 红外技术发展的先导是红外探测器的发展。 1800 年， F W 赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测哭器。 1830 年以后，相继研制出温差电偶的热敏型探测器。 19 世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。 它们都是电磁波之一，具有波动性。 20 世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。 30 年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。 40 年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。 50 年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器等到新的推动。 到 60 年代初期，对于 135 和 813 微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。 在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。 在红外技术的发展中，需要特别指出的是： 60 年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段内，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。 在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探 测高好几个数量级。 另外，由于，这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。 华北科技学院毕业设计（论文） 第 3 页 共 58 页 课题研究 目的和 意义 体温 是机体功能活动正常进行的重要条件， 人能够在环境温度不同的情况下， 通过对体内产热和散热过程的调节来保持体内环境温度 相对稳定，并提高对环境温度变化的适应能力。 在健康状态时 ， 人体的体温一般是比较恒定的，即保持在 37℃上下，而不因外界环境温度的改变而变化。 但是当人体 内的某些机能发生改变或某些部位发生病变时，恒定的体温将产生变化。 在临床医学中，体温是一个重要的生理参 数，病人的体温为医生提供了生理状态的重要信息 ， 因此，对人体温度进行测量不仅可以确诊疾病的发生，还可以对某些重大疾病或隐藏于身体内部的健康隐患起着积极的预防与警示作用。 例如， 在“非典”时期，我们可以通过对人体温度的监测来隔离那些可能患病的人群，从而达到 预防“非典”传播的作用。 在公共场所进行体温监测时主要考虑以下三个基本要求：非接触、测量的快速性和准确性。 采用红外非接触测量体温的方法进行体温测量可以满足这样的要求 ， 因此，对非接触人体体表温度的测量方法进行研究有着非常现实的意义，是在非常时期应付突发疫情的必要工 作。 在体温计的应用领域中，红外智能非接触体温计比起传统体温计也具有很多应用意义。 例如使用更便捷，在家庭使用中， 在不打扰孩子睡眠或玩耍的情况下观察孩子每天的体温变化，了解孩子 健康状况 ， 孕妇、老人在测量体温时也极大的提高了方便性； 测量 数据更精确，智能非接触式体温计的另一个先进之处是精确，通常精度都是 1度以内。 而且响应时间短，反应速度快，易于快速动态测量；使用更安全，安全是使用红外体温计最重要的益处，不同于接触式体温计，红外体温计在不与人体接触的情况下能够安全地测量和读取 人体温度，有效 减少病菌的交叉感染；更加节能环保，它快速精准的测温不仅提高了医学领域的效率，而且更加环保节能。 智能非接触式体温计给医学领域带来了极大的方便，正因为如此，它将 促进高效节能成套新技术、新设备、新材料产业 大力发展，实现传统体温计测温的更新改造，同时也产生了强大的能源环境效益，伴随着巨大的经济效益和社会效益，因此，研究红外智能非接触式电子体温计 具有 非常重要的意义。 论文主要内容及章节安排 本论文主要利用红外测温原理，围绕智能非接触式电子测量体温这一主题进行一系列设计，并 在深入 理解了红 外测温理论基础之上 ， 对方案进行了整体设计，经查阅资料，设计出两种方案，进行比较最终确定比较合理的方案。 此外，对现有红外测温传感器这智能非接触式电子体温计设计 第 4 页 共 58 页 一主要功能模块和单片机主控芯片分别进行比较和选择，以提高整体方案的可行性。 整体方案确定之后，在硬件电路的设计中，通过所要实现的功能完成电路的搭建；在软件程序设计中，通过分模块程序设计实现此次设计的功能，最后对整个系统进行软件仿真并对系统的误差处理进行了分析。 其中，第 2 章是对 系统的设计与论证，先对设计方案总体论证再对主要控制器件进行论证，第 3 章重点介绍各模块的硬件电路，并对每个芯片的引脚功能进行了详 细描述，第 4 章为系统的软件设计，主要是各模块实现其功能的流程图的设计和程序的编写，第5 章为系统仿真和误差处理，在对系统硬件设计和软件设计之后，对系统进行软件仿真以实现其相应的功能。 华北科技学院毕业设计（论文） 第 5 页 共 58 页 2 系统工作原理与方案设计 系统工作原理 系统主要利用红外测温原理， 一切温度高于绝对零度（ ℃）的物体 ，由于分子 热运动 都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。 物体红外辐射能量的大小及其按波长 分 布与它表面温度有着十分密切的关系。 因此，通过对物体自身辐射的红外能量 测量，便能准确地测定 其 表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 因此，本文中的红外测温就是利用人体自身的红外辐射来测定其表面温度的一种测量温度的方法。 红外测温 的 原理是基于黑体辐射定律的，黑体是一种理想化的辐射体，它在任何温度下都能全部地吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量，其表面吸引率为 1。 为了弄清和获得红外辐射分布的规律，普朗克提出了体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射定律，其表达式为： 2521( , )1hckThcMTe   （ 1） 式 （ 1） 中， c为真空中的光速（ ）； k 为波尔兹曼常数（ ）； h 为 Plank 常数（）； λ为波长； T 为绝对黑体的温度（ K）； 由 式 （ 1） 可得出在温度 T时黑体在全部波长范围内的辐射出度为： 40( ) ( , )M T M T d T   （ 2） 式 （ 2） 中， σ = 由式 （ 2） 可知：黑体总的辐射出度与黑体的绝对温度 T 的四次方成正比。 因此，当用红外测温测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段内的红外辐射量，红外能量被红外温度传感器接收，并转变为相应的电信号。 该信号经过放大器和信号处理电路，并按时系统内部的算法校正后转变为被测目标的温度值，然后由测温系统计算出被测目智能非接触式电子体温计设计 第 6 页 共 58 页 标的温度。 基于红外测温原理，以单片机为核心，通过按键控制单片机以判断是否对采集测温。 当测温键按下时， 系统利用红外温度传感器检测到 人体 温度，并将其转换为微弱电信号，通过 红外测温模块内部 A/D 转 换电路将电信号转换为数字信号，并将之送入单片机控制电路，这样单片机便可以对信号进行比较系统的处理， 处理结果 通 过 LCD 显示电路 和语音电路进行信息输出 ，显示模块 和语音模块 便能准确显示 和读出 人体温度。 当 被测人体温超过 38℃ 时 ， LED 灯亮 的同时蜂鸣器蜂鸣 报警。 当 测温键没有按下时，系统在时钟电路作用下显示当前时间 及所设置温度的上下值，统计人数初始化为 0。 系统设计的总体框架如 图 所示： 按 键 控 制温 度 采 集单 片 机 控 制 单 元信 息 输 出声 光 报 警 图 系统总体框架图 系统方案选择 基于本次系统的工作原理，利用红外测温传感器、单片机以及其它器件设计实现非接触式电子体温计的测温，使之达到响应时间最长不超过 1s、精度达到 ℃。 现对此次设计的总体方案进行 设计与选择。 方案一 在该方案中，系统分为模拟红外温度传感器（内含环境温度测量）模块、放大电路模块、 A/D 转换电路模块、 MCU 主控模块、声光报警模块、 LED 显示模块和电源模块（如图 所示）。 通过模拟传感器输出模拟信号， 并 通过 信号 放大 电路 和 A/D 转换 电路 处理传输给单片机 ，单片机对其 进行 LED 显示，当超出设定的温度范围时，进行声光报警。 如图 方案一总体设计框图所示： 华北科技学院毕业设计（论文） 第 7 页 共 58 页 模 拟 红 外 传 感 器 放 大 电 路 A / D 转 换 电 路 M C U 主 控 电 路 L E D 显 示声 光 报 警电 源 电 路 图 方案一 总体设计框图 首先模拟红外温度传感器接收人体发出的红外线，然后经过转换后输出对应的电压值，传感器同时通过片上温度传感器测量环境温度 /传感器温度。 这两个红外温度传感器的输出量通过放大电路和 A/D 转换电路处理后传输到 MCU 模块进行相关的处理（软件滤波、黑体校定等），然后通过 LED 模块显示相应的人体温度。 如果超出所测的范围声光报警器进行报警以示提醒。 方案二 该方案与第一个方案的最大区别是：在本方案中采用数字红外温度传感器代替模拟红外温度传感器。 由于数字红外 温度 传感器内部集成了运放电路、 A/D 转换电路、滤波电路和数字信号处理器，所以只需通过传感器的数据接口就可以把传感器所测量的人体温度数据直接传输给 MCU 主控模块进行处理。 在处理完 被测物体表面的温度后，有两种方式向使用者提供温度信息：第一种方式是显示在图形点阵式 LCD 上 ； 第二种方式是以语音的形式播放以告知使用者温度信息。 如 图 所示 ： 热电堆传感器滤 波电 路放 大电 路A /D转换电路数 字 红 外 传 感 器M C U 主 控 电 路报 警 电 路电 源 电 路语 音 播 报液 晶 显 示 图 方案二 总体设计框图 智能非接触式电子体温计设计 第 8 页 共 58 页 对于方案一，模拟传感器的成本相对要低，而且整个系统设计的自由度相对要高一些，但是也使得系统电路变的更为复杂。 例如集成运放电路要用到双电源供电，这就使得电源模块的设计变得复杂、功耗变大和效率变得更低，这对于使用电池供电的便携式系统是不利的 ； 同时在软件设计方面，要涉及到滤波处理、温度线性校准处理和黑体校定等，这使得设计工作量大大增加 ， 而且对于开发者的开发环境要求较高，例如要具备黑体校定的设备等。 而 在方案二里采用 数字传感器的成本虽然相对模拟传感器的较高，但整个系统的设计相对简单，数字红外。