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基于TS1183温度传感器的设计.doc
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基于TS1183温度传感器的设计.doc
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使用了 TS118-3
1 绪论
1.1 选题的目的和意义
由于 2003 年非典的袭击,我国迅速诞生了一支专门抗击非典的医疗仪器研发队
伍,特别是在红外体温仪器的研发方面取得了突出的成就。由于现代科技的发展、新
材料、新工艺的运用,各式各样的体温计陆续出现,探测方式不断改进。国内外体温
计的发展大致分为三个阶段:第一阶段是常见的玻璃水银体温计;第二阶段是电子体
温计;第三阶段是非接触式红外体温计。
水银体温计虽然价格便宜,但是有许多弊端。首先,水银体温计遇热或安置不当,
体温计容易破裂。人体接触到水银后会中毒,中毒症状是恶心、头痛、腹泻、脱发等,
严重者会造成血液凝固。其次,采用水银体温计测温需要相当长的时间(5min~10min),
这对人们来说相当不方便。
非接触式红外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。它的红外传感器只吸收人体辐射的红外线而不向人体发射任何射线,因此它对
人体及环境是无害的。由于它的测量方式是非接触式的,因此它具有了测温方便、便
于在公众场合使用的优点。此外,它还具有测温时间短、使用简单等优点。红外体温
计的这些特点满足了人们的生活需求,给人们带来了极大的方便,因此选取红外测温
系统作为毕业设计课题有很大的实用价值。
由于人的体温值基本上是恒定的,只在较小的范围内变化(35℃~42℃)。因此,
为了提高测量结果的精度,并且排除环境温度的变化对测量结果的影响,本系统设计
了温度补偿电路对环境温度进行补偿。本设计以 STC12C5616AD 单片机为控制核心,
辅以信号采集模块、电源模块、超限报警模块、按键模块和温度显示模块等外围电路
来实现温度的测量的。本系统具有使用方便、测温时间短、精度比较高、可重复性好
等特点。
红外测温技术是一门很实用和前沿的技术,其内容涉及电子技术、检测技术、单
片机技术等多方面内容,以此作为毕业设计,有利于理论联系实际,提高个人的综合
能力,同时这也是对本科阶段学习内容的升华。通过对红外测温系统的设计不仅能加
强自己对单片机控制、传感器技术等知识的了解,同时也能培养自己解决问题的能力。
1.2 红外测温技术国内外发展概况
1800 年,英国天文学家威·赫谢耳在研究太阳光谱部分的热效应时,发现热效
应最大的位置在红光之外,当时称之为“不可见光”。到 1935 年,安培称之为红外线,
也可称之为红外辐射。之后,人们花了一百多年时间认识红外辐射的电磁本质,并建
立了热辐射的基本规律,为红外技术的应用奠定了理论基础。近代红外技术始于二战,
推动技术发展的原因主要是由于军事上的迫切需要和航天工程的蓬勃开展。半个世纪
以来随着光学技术、半导体技术、电子技术的发展,红外技术也日趋完善,其中红外
测温技术也形成了完整的理论并成功的应用于医学、工农业、矿业等领域
[1] [2]
。
我国的红外技术研究起步于 60 年代,70 年代后期开始了红外玻璃测温计的研究,
并取得了可喜成果,但至今未形成系列产品,工业应用仅在近些年才开始。国外的红
外测温技术发展较早,技术比较成熟,红外测温产品种类繁多,测温精度及分辨率较
高。国内红外测温技术相对来说技术落后,产品种类比较单一,测温精度及测温分辨
率较低,在技术性能上国内产品与国外产品相比还有一定差距。但随着红外产品在国
内应用的越来越普及,以及更多厂家和科研机构进行这方面的研究,这将推动我国红
外测温产品性能的快速提高和进步。
随着红外材料及传感器类型的不断开发研究,新型测温仪器正逐步替代传统的测
试手段。目前美、英等国正致力于加强前视红外系统信息处理能力(如自动人工目标
分类)来解决研究领域和工业领域中的问题。世界上除了一些大军工企业公司(如美国
的 Honeuwell 公司、休斯飞机公司)之外,许多大商业公司(如三菱电气、日本横河电
机(株)、瑞典 AGA 公司、法国 Pyro 公司、Sofradier 公司、HGH 红外系统工程公司等)
也正在积极从事红外测温、热成像技术的研究及产品开发。在国内,近年来随着我国
工业迅速发展和产品更新换代的加速,对测温仪器的需求量越来越大,尽管热电偶(热
电阻)一类接触性测温传感器件仍然具有很大的优势,但非接触性的红外测温仪器正
日益受到各行业的关注。
1.3 红外探测器的分类
红外探测器是红外测温仪的重要组成部分,它对测量的精度和范围有着重要的意
义。它可以分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器分为热电堆探测器、热敏电
阻探测器、气体探测器和热释电探测器等,而光子探测器则分为光电子发射器、光电
导探测器、光生伏特器和光电磁探测器等
[3]
。
热电堆探测器采用热电堆为探测元件,利用塞贝克效应,测量比较准确。热敏
电阻探测器是根据物体受热后电阻会发生变化的性质而制成的红外探测器,它可以响
应从 X 射线到微波波段的整个范围,可在室温下正常工作,但由于其时间常数大,只
适用于响应速度要求不高的场合。气体探测器是气室内的吸收膜吸收红处辐射升温,
加热工作气体,由气体膨胀给出电信号。热释电探测器是利用热释电效应工作的探测
器,其响应速度虽不如光子型,但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽、
灵敏度与波长无关,因此其应用领域广、容易使用。常用的热释电探测器有硫酸三甘
钛 (TGS) 探测器、铌酸锶钡(SBN )探测器等。
红外光子探测器是利用光子效应制成的红外探测器。常用的光子探测器有光电二
极管、光敏二极管、InSb 光电磁探测器等。红外光子探测器的主要缺点是需要制冷,
因为它需要用制冷来抑制由于热运动而产生的自由载流子。新一代近室温光电探测器
利用排斥效应、提取效应以及磁集中效应能够实现静态耗尽,实现非制冷条件下的红
外探测。
1.4 红外测温的特点
(1)远距离和非接触测量
红外测温不需要与被测物体接触,并可远距离测量,它特别适合于对高速运动物
体、旋转体、带电体和高温高压下物体的温度测量。
(2)响应速度快
红外测温不象普通温度计那样,需要与被测量体接触以达到热平衡,它只要接到
目标的红外辐射即可测量,其响应时间在毫秒甚至微秒数量级。
(3)准确度高
红外测温是非接触测量,不破坏物体本身的温度分布,因而所测温度真实、准确。
(4)测温范围广
由于红外测温是非接触测温的,所以测量仪器本身并不处在较高或较低的环境之
中,而是工作在正常温度或测量仪器允许的温度之下,因此测温范围可从负几十摄氏
度到正几千摄氏度。
2 方案设计与器件选型
2.1 总体方案设计
本系统主要有信号采集模块、显示模块、键盘输入模块、超限报警模块等部分组
成。本设计的系统框图如图 2.1 所示。
图 2.1 系统总体框图
系统的工作原理如下:首先由热电堆红外传感器采集人体体温信号和环境温度信
号并以电压形式输出。由于传感器输出的电压信号很微小,因此须对这些电压信号进
行放大处理。放大后的电压信号经过单片机自带 A/D 模块的 A/D 转换后,由单片机
对这些数字量进行处理和分析。最后由 LCD 显示器显示出体温值和环境温度值,并
由单片机判断是否进行蜂鸣器报警。
2.2 器件选型
2.2.1 传感器的选择
方案一 采用红外线温度传感器 IRTP。IRTP 系列红外传感器是一种集成的多用
途工业测温传感器,因此不能用作人体测温,故不用此方案。
方案二 采用热释电红外线传感器 D203S。该型传感器能以非接触形式检测出人
体辐射的红外线能量的变化,并将其转换成电压信号输出。但这种传感器一般用于开
关电路,红外防盗报警等方面,若要用于测量体温,则需要加入步进电机等进行斩光
处理,硬件上的复杂性决定了它的稳定性不高,故不选此方案。
方案三 采用热电堆红外传感器 TS118-1。TS118-1 是德国 HL2 Planartechnik 公司
生产的非接触式红外温度传感器。它以非接触的方式检测物体发射出来的红外线能量,
并将其转换成相应的电压信号输出。由于 TS118-1 具有较小的热惯性和较高的灵敏度,
因此非常适用于医学测温,故选方案三。
2.2.2 显示器的选择
方案一 选用数码管显示。数码管具有耗能低、电压低、寿命长、对外界环境要
求低等优点,但其也有电路复杂、占用资源较多、显示信息少、不宜显示大量信息等
体 温 信
号
单
片
机
A/D
转
换
模
块
环 境 温
度信号
热电
堆红
外传
感器
时 钟 模
块
显示模块
超 限 报 警
模块
键 盘 输 入
模块
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