非接触式红外体温计*

2015-06-09张秀再陈彭鑫吴华娟宋楠楠

计量技术 2015年2期

关键词：热电温度传感器环境温度

张秀再陈彭鑫吴华娟宋楠楠

(1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京 210044；2.南京信息工程大学江苏省气象传感网技术工程中心，南京 210044)

非接触式红外体温计*

张秀再1，2陈彭鑫1吴华娟1宋楠楠1

(1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京 210044；2.南京信息工程大学江苏省气象传感网技术工程中心，南京 210044)

本文设计了一种非接触式的体温计，系统利用红外温度传感器ZTP-148SR实现对体温信号和环境温度信号的非接触检测，AT89S52控制ADC0809CCN对调理后的两路信号进行分时采集和转换，转换后的两路数字信号经过单片机处理，将最终得到的目标体温及其所处的环境温度并显示在LCD12864上。当待测体温超过设定阈值时，启动蜂鸣报警。该体温计响应速度快、性能稳定、读数方便，可以达到实时监测的目的，适合医院和家庭护理使用。

ZTP—148SR；非接触；体温计；实时监测

0 引言

温度计是日常家庭必备和临床医学的基本医用器具。远红外技术的发展使非接触式体温测量成为可能，红外体温计解决了传统体温计必须接触测量的问题。它不易受到环境等因素的干扰，性能稳定、读数方便，可以测量人的面部或头部温度以达到实时监测的目的，适合老人、儿童及病人监护使用，具有广阔的应用前景[1]。

要实现体温的非接触式测量，红外温度传感器起着至关重要的作用，依照现代医疗器件的设计准则和故障检测非接触技术指标[2-5],并利用热电堆红外温度传感器的热电偶测量红外辐射的原理，设计了一种基于人体红外辐射原理的非接触式红外体温计。该体温测量系统以AT89S52单片机为核心控制部件，包含红外温度传感器ZTP-148SR构成的体温信号和环境温度信号的非接触检测电路、仪表放大器构成的微弱信号放大电路、温度补偿及放大电路、ADC0809CCN构成的多路信号A/D电路、LCD12864构成的液晶显示电路及阈值报警电路等模块电路，根据现行的红外体温测量的技术指标和功能要求，详细介绍了系统的电路设计及相关理论推导过程和软件设计。

1 系统硬件电路设计

1.1 测量系统

利用热电堆红外温度传感器ZTP-148SR实现对体温信号和环境温度信号即温差热电堆微弱的电压信号和电热调节器的热敏电阻信号的非接触检测。由AT89S52控制实现对调理后的两路信号进行分时A/D转换并采集，采集到的两路数字信号经过单片机处理，将计算得到的目标体温及其环境温度显示在LCD上。当所测体温超过设定阈值时，启动报警电路进行报警。系统的总体框图1所示。

图1 系统的总体框图

1.2 调理电路

1.2.1 温差热电堆放大电路

ZTP-148SR红外热电堆温度传感器的内阻非常高(60kΩ～111kΩ),输出电压非常小(仅1mV左右)，如此微小的电信号容易受到外界因素干扰，且不易检测和处理，所以需要进行必要的调理和放大以提高信号的信噪比。

由ZTP-148SR的特性知，温差热电堆的输出电压与目标物温度的关系满足0.09mV/℃(室温为25℃)。该非接触式红外体温计的精度可以达到0.3℃，即红外温度传感器的最小输出电压为0.027mV，若选用8位的ADC，参考电压Vref为5V，ADC的最小分辨电压为

(1)

则该温差热电堆放大电路的增益需为19.53/0.027=723.3倍，因为该红外传感器的电热调节器输出存在±3%(室温为25℃)的误差,该温差热电堆放大电路的增益需要控制在700.1～745.0倍之间。

AD620是常用的一种仪表放大器，具有高精度(最大非线性度40×10-6)、低失调电压(最大50μV)和低失调漂移(最大0.6μV/℃)的特点，且噪声系数低、输入偏置电流低和功耗低。另外，利用外接的增益控制电阻可调节放大倍数，增益最大可达1000倍[6]。

根据设计的需要和AD620的基本特性，内部两个增益电阻均为24.7kΩ，设G为放大倍数,则G与外部增益控制电阻R1(kΩ)的关系为

(2)

若温差热电堆放大电路增益G在700.1～745.0范围，由公式(2)可得外部增益控制电阻R1的取值范围为0.0664～0.0706kΩ。为了便于调试温差热电堆放大电路增益，选用100Ω的滑动变阻器作为外部增益控制电阻。因此，AD620构成的温差热电堆放大电路如图2所示。

图2 温差热电堆放大电路

1.2.2 温度补偿及放大电路

ZTP-148SR红外热电堆温度传感器内部具有标准负温度系数的电热调节器，可以看作对热电堆进行温度补偿的热敏电阻，利用运算放大器构成普通的热电堆桥式温度补偿电路，将电热调节器输出的信号转化成电压信号并进行线性放大。该温度补偿与放大电路选用内部具有四个独立运放的LM324，供电电压范围为3V～32V，直流电流为普通运放直流电流的1/5。温度补偿电路如图3所示。

图3 温度补偿及放大电路

根据热敏电阻公式

Rt=R0·exp[β·(1/T-1/T0)]

(3)

式(3)中，Rt为热敏电阻在T温度(环境温度为T0)下的阻值；桥式电阻R0=100kΩ，β=3960；R0为热敏电阻在T0=25℃时的标称阻值100kΩ；β为热敏电阻的固定参数β取3960。

根据图3的电热调节器温度补偿及放大电路，可推导出该温度补偿及放大电路的输出电压Uo与电热调节器的输出电阻Rt之间的关系为

(4)

式中，5(单位：V)为电路的直流电压；R2=100kΩ，R3=100kΩ，R4=1kΩ。

为了确定热电堆的输出电压与环境温度的关系，将该红外温度传感器置于不同的环境温度下，测量并记录该温度补偿及放大电路的输出电压Uo、电热调节器输出的热敏电阻Rt和环境温度T0(℃)的对应关系，如表1所示。

表1Uo-Rt-T0关系表

由表1可知，在一定的范围内,电热调节器输出的热敏电阻信号与环境温度近呈似线性关系，利用线性关系可以方便地简化目标体温算法,并在设定温度范围内(36℃～42℃)对红外温度传感器进行温度补偿，从而消除环境因素对目标体温测量的影响。由表1的记录数据,温度补偿及放大电路输出电压Uo与环境温度T0的关系可以近似表示为

UO=-0.034×(T0-68.65)

(5)

1.2.3 目标物体温的计算方法

ZTP-148SR红外温度传感器在25℃室温下输出的微弱电压和目标物的温度的关系曲线如图4所示，横坐标为目标物的体温;纵坐标为温差热电堆输出的微弱电压。

该系统的目标体温测量范围为36℃～42℃。由图4可知，在此温度范围内，温差热电堆的输出电压和目标物的温度近似呈线性关系。

若记温差热电堆放大电路的输出电压为Ug,那么温差热电堆输出的微弱电压U表示为

U=Ug/G

(6)

图4 温差热电堆的输出电压-目标物体温

为了得出温差热电堆输出电压(反映目标物红外辐射的能量)与目标体温的关系，实验并记录温差热电堆的输出电压U在不同的待测体温T下的测量值，U-T关系如表2所示。结合表1的数据,经过一定的近似处理和计算，可以推导出在25℃的环境温度下，温差热电堆的输出电压U和目标物体温T的线性关系为

U=0.08×T-1.95

(7)

式中，温差热电堆的输出电压U的单位为mV；待测体温T的单位为℃。

经推导，环境温度T0和目标物体的温度T可以分别表示为

(8)

(9)

由式(8)、(9)可知，只要测出红外热电堆放大电路的输出电压Ug和电热调节器温度补偿及放大电路的输出电压Uo，就可以计算出目标体温T及其所处的环境温度T0，实现目标体温的非接触式测量。同时，通过温度补偿也在一定程度上消除了环境因素对体温测量的影响。

1.4 多路A/D电路

在温度信号采集及转换过程中，一方面对这两路模拟信号进行A/D转换，另一方面对温差热电堆放大电路输出的电压信号和温度补偿及放大电路输出的电压信号进行分时采集。

ADC0809CCN的引脚及与AT89S52的接口电路的如图5所示。A/D转换所需要的时钟信号由内部定时器0产生(工作方式为8位自动重载)，启动信号ST、转换结束信号EOC、输出允许信号OE分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2，A/D输出的数字信号通过P2口输入单片机进行处理。

图5 多路A/D转换电路

2 软件设计

如图6所示的主程序流程，系统首先对定时器、I/O口、液晶等进行初始化设置，然后判断是否复位，复位后进入多路开关控制程序，选通输入信号后，对信号进行采样和A/D转换，通过计算得到环境温度及测量体温，体温若超出阈值，启动蜂鸣报警并显示，最后返回初始化，程序反复进行循环检测。

图6 主程序流程图

3 实验结果

系统经过软硬件的调试以后并进行实验和数据对比。实验分甲、乙两组分别进行，甲组是在室温(25℃)条件下对不同体温的人体进行测试；乙组是在不同环境温度下对不同体温的人体进行测试。两组测量结果均与水银温度计测试的参考人体温度进行对比，实验测试结果如表3所示。由表3实测数据可知，受环境温度的影响，甲组测试的数据比乙组测试的数据稳定度要高。