CN204133440U - 一种非接触式红外体温计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非接触式红外体温计，包括非接触式红外温度传感器、温差热电堆放大电路、温度补偿及放大电路、AD转换电路、主控电路、显示电路以及报警电路，非接触式红外温度传感器分别与温差热电堆放大电路以及温度补偿及放大电路相连，温差热电堆放大电路以及温度补偿及放大电路相连分别连接到AD转换电路，AD转换电路与主控电路相连，主控电路与显示电路以及报警电路相连。本实用新型红外体温计解决了传统体温计必须接触测量的问题，并以较短的响应时间、较高的测量精度和准确度可以满足人们的对新式测温方式的需求。而且，它不易受到环境等因素的干扰，性能稳定，读数方便，可以达到实时监测的目的，适合老人、儿童及病人监护使用。

Description

一种非接触式红外体温计

技术领域

本发明涉及一种测量技术领域，特别涉及一种非接触式红外体温计。

背景技术

随着经济、社会的全面发展，健康成了人们日益关注的问题。作为恒温动物的人类，体温无疑是衡量人体健康状况的重要指标，通过对体温这个基本生理参数进行实时监测，可以使我们很直观地把握机体的生命活动是否正常，因此，温度计成了日常家庭必备和临床医学的基本医用器具。水银温度计以低廉的价格、相对稳定的性能和较为准确的测量结果成为目前应用最为广泛的体温测量工具，但是，它的弊端也日渐引起人们的注意，水银温度计的读数很不方便，稍有大意，破碎暴露出来的水银既损害人体健康，也会造成环境污染。科学技术的不断进步促进医疗卫生条件的不断完善，传统的体温测量技术已经不能现代人的需求，人们正在探索更加快捷、更易操作的体温测量方式，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测量时必须接触的问题，它以较短的响应时间、较高的测量精度和准确度满足了人们的对现代体温测温的要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种非接触式红外体温计。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种非接触式红外体温计，包括非接触式红外温度传感器、温差热电堆放大电路、温度补偿及放大电路、AD转换电路、主控电路、显示电路以及报警电路，所述的非接触式红外温度传感器分别与温差热电堆放大电路以及温度补偿及放大电路相连，温差热电堆放大电路以及温度补偿及放大电路相连分别连接到AD转换电路，所述的AD转换电路为一个多路AD转换电路，AD转换电路与主控电路相连，主控电路与显示电路以及报警电路相连；所述的非接触式红外温度传感器采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；温差热电堆放大电路包括放大器AD620，AD620的两个输入端-IN和+IN分别连接ZTP-148SR的2和4接口，AD620的+VS和-VS端分别连接+5V和-5V的电源，AD620的VREF接地，AD620的两个Rg端连接有一个可调电阻；温度补偿及放大电路包括一个放大器LM324，ZTP-148SR的“1”端口连接到LM324的“IN2-”端口，LM324的IN2+端口经电阻R4输出与AD转换电路相连，同时ZTP-148SR的“1”端口经电阻R3接地，LM324的GND端接地，ZTP-148SR的“3”端口经电阻R2连接到LM324的IN2+端口，LM324的IN2+端口经电阻R2接+5V电源，同时LM324的VCC端口接5V电源，LM324的O2端口输出与AD转换电路相连；所述的多路AD转换电路采用ADC0809CCN，温度补偿及放大电路的输出端连接到ADC0809CCN的IN1端口，温差热电堆放大电路连接到ADC0809CCN的IN0端口，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；所述的主控电路采用AT89S52单片机控制电路来实现的，包括电源电路、时钟电路和复位电路三部分，电源电路用来向单片机供电，通常将+5V直流电源加到单片机上；时钟电路，供应到一个正弦波作为参考，用于确定单片机执行速度；复位电路用来确定单片机工作的起始状况；显示电路与单片机相连，用于显示输出数据，显示电路采用LCD12864芯片，LCD12864的数据指令选择端RS、读写控制端RW、使能端EN、串并行选择端、复位端分别接单片机P1.5、P1.6、P1.7、P3.0、P3.2，实现并行传输的数据线接单片机AT89S52的P0口，LCD12864的V_O和V_OUT之间接10KΩ的滑动变阻器实现对屏幕对比度的调节。

有益效果：

本发明利用远红外技术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，并以较短的响应时间、较高的测量精度和准确度可以满足人们的对新式测温方式的需求。而且，它不易受到环境等因素的干扰，性能稳定，读数方便，可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。

附图说明

图1为本发明的硬件电路结构框图；

图2为本发明的单片机最小系统电路；

图3为本发明的温差热电堆放大电路；

图4为本发明的温度补偿及放大电路；

图5为本发明的温差热电堆的输出电压-目标物温度关系图；

图6为本发明的多路A/D转换电路；

图7为本发明的LCD12864显示电路。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示为一种非接触式红外体温计的硬件电路结构框图，包括非接触式红外温度传感器、温差热电堆放大电路、温度补偿及放大电路、AD转换电路、主控电路、显示电路以及报警电路，所述的非接触式红外温度传感器分别与温差热电堆放大电路以及温度补偿及放大电路相连，温差热电堆放大电路以及温度补偿及放大电路相连分别连接到AD转换电路，所述的AD转换电路为一个多路AD转换电路，AD转换电路与主控电路相连，主控电路与显示电路以及报警电路相连。

所述的非接触式红外温度传感器采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。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(60～111kΩ),输出电压非常小(仅1mV左右)，如此微小的电信号很容易受到外界因素的干扰，而且不易检测和处理，所以要进行必要的调理和放大以提高信噪比。

由ZTP-148SR的基本特性可知，温差热电堆的输出电压与目标物体温之间满足：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V_ref为5V，ADC的最小分辨电压为

V_min＝V_ref/2⁸＝19.53mV              (1)

那么该温差热电堆放大电路的增益需要达到19.53/0.027＝723.3，再考虑到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之间。

AD620是常用的低成本、高精度仪表放大器，具有高精度(最大非线性度40ppm)、低失调电压(最大50uV)和低失调漂移(最大0.6uV/℃)的特点，而且噪声系数低、输入偏置电流低和功耗低。另外，外接的增益控制电阻可用来调节放大倍数，增益最大可达1000。

根据设计的需要，结合AD620的基本特性，内部两个增益电阻均为24.7kΩ，设G为增益,那么G与外部增益控制电阻R_g(kΩ)的关系为

$G=\frac{49.4}{R_g}+1---\left(2\right)$

若要使温差热电堆放大电路增益G在700.1～745.0范围，由公式(2)可得那外部增益控制电阻R_g的范围为：0.0664kΩ～0.0706kΩ。为了方便实际的温差热电堆放大电路增益调试，选用100Ω的滑动变阻器作为外部增益控制电阻。AD620构成的温差热电堆放大电路如图3所示。温差热电堆放大电路包括放大器AD620，AD620的两个输入端-IN和+IN分别连接ZTP-148SR的2和4接口，AD620的+VS和-VS端分别连接+5V和-5V的电源，AD620的VREF接地，AD620的两个Rg端连接有一个可调电阻。

ZTP-148SR红外热电堆温度传感器内部具有标准负温度系的电热调节器，该电热调节器是对热电偶进行温度补偿的热敏电阻，可以利用运算放大器构成普通的热电偶桥式温度补偿电路，将电热调节器输出的热敏电阻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，其供电电压范围为3.0V～32V，静态直流电流仅为普通运放静态直流电流的五分之一。本发明采用ZTP-148SR红外温度传感器的温度补偿及放大电路如图4所示。

温度补偿及放大电路包括一个放大器LM324，ZTP-148SR的“1”端口连接到LM324的“IN2-”端口，LM324的IN2+端口经电阻R4输出与AD转换电路相连，同时ZTP-148SR的“1”端口经电阻R3接地，LM324的GND端接地，ZTP-148SR的“3”端口经电阻R2连接到LM324的IN2+端口，LM324的IN2+端口经电阻R2接+5V电源，同时LM324的VCC端口接5V电源，LM324的O2端口输出与AD转换电路相连。

热敏电阻计算公式为

$R_t=R_0\·e^{\mathrm{\β}\·(1/T-1/T_0)}---\left(3\right)$

式(3)中，R_t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为热敏电阻在环境温度为T₀＝25℃下的标称阻值，取100kΩ；β为热敏电阻的固定参数取3960。

根据图3设计的电热调节器温度补偿电路，结合放大电路的计算方法，可推导出该温度补偿及放大电路的输出电压U_O与电热调节器的输出电阻R_t之间的关系为

$U_O=U_a\·\left(\frac{R_t{R}_2-R_4{R}_3}{(R_t+R_3)\·R_2}\right)---\left(4\right)$

式(4)中，U_a为该温度补偿及放大电路的供电电压，即U_a＝5V；R₂＝100kΩ，R₃＝100kΩ，R₄＝1kΩ。

表1 U_O-R_t-T₀关系表

为了进一步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U_O、电热调节器输出的热敏电阻R_t和环境温度T₀(℃)的对应关系，如表1所示。

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似呈线性关系，利用这种线性关系可以很方便实现对目标体温算法进行化简,只要在设定温度范围内(36～42℃)对红外温度传感器进行温度补偿，就可以消除环境因素对目标体温测量的影响。由表1的数据记录,温度补偿及放大电路的输出电压U_O与环境温度T₀(℃)的关系可以近似表示为

U_O＝-0.034×(T₀-68.65)                  (5)

ZTP-148SR红外温度传感器在25℃室温下，其温差热电堆输出的微弱电压和目标物的温度的关系曲线如图5所示，图中横坐标为目标物的温度(℃)，纵坐标为温差热电堆输出的微弱电压(mV)。

该温度测量系统的目标体温测量范围为36～42℃。由图5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成线性关系。

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

U＝U_g/G                      (6)

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)与目标体温具体关系，在25℃的环境温度下，通过实验并记录测量不同目标物体温T时的温差热电堆输出电压值如表2所示。

表2 U-T关系表

根据表2的数据记录,经过近似处理和计算，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(7)中，温差热电堆的输出电压U的单位为mV，目标物体温T的单位为℃。

经推导，环境温度T₀和目标物体温T可以分别表示为

$T_0=\frac{U_O}{0.034}+68.5---\left(8\right)$

$T=-\frac{U_O}{0.034}+68.5+\frac{1.25U_g}{G}---\left(9\right)$

由式(8)、(9)可知，只要测出红外热电堆放大电路的输出的电压U_g和电热调节器温度补偿及放大电路的输出电压U_O，并分别进行A/D转换成为数字量,由程序执行具体的算法处理，计算出目标物体温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，温度补偿也在一定程度上消除环境因素对体温测量的影响。

在该红外体温测量系统的信号采集及转换过程中，一方面要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，另一方面要对这两路模拟信号进行A/D转换。

ADC0809CCN的引脚及与AT89S52的接口电路的如图6所示，温度补偿及放大电路的输出端连接到ADC0809CCN的IN1端口，温差热电堆放大电路连接到ADC0809CCN的IN0端口。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。

AT89S52单片机的最小系统的组成部分有电源电路、时钟电路和复位电路三部分。电源电路用来向单片机供电，通常将+5V直流电源加到单片机上；时钟电路即振荡电路，供应到一个正弦波作为参考，用于确定单片机的执行速度；复位电路是用来确定单片机工作的起始状况的。从而实现单片机的启动过程，本系统中通过手动按键(图2中S1)来实现单片机启动。显示电路如图7所示，V_O和V_OUT之间接10KΩ的滑动变阻器实现对屏幕对比度的调节，A、K可以对屏幕的背光极性进行调节，本发明设计为了电路简洁可行，将其唯一确定。数据/指令选择端RS、读写控制端R/W、使能端EN、串/并行选择端、复位端分别接单片机P1.5、P1.6、P1.7、P3.0、P3.2，实现并行传输的数据线接单片机AT89S52的P0口。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (1)

1.一种非接触式红外体温计，其特征在于：包括非接触式红外温度传感器、温差热电堆放大电路、温度补偿及放大电路、AD转换电路、主控电路、显示电路以及报警电路，所述的非接触式红外温度传感器分别与温差热电堆放大电路以及温度补偿及放大电路相连，温差热电堆放大电路以及温度补偿及放大电路相连分别连接到AD转换电路，所述的AD转换电路为一个多路AD转换电路，AD转换电路与主控电路相连，主控电路与显示电路以及报警电路相连；所述的非接触式红外温度传感器采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；温差热电堆放大电路包括放大器AD620，AD620的两个输入端-IN和+IN分别连接ZTP-148SR的2和4接口，AD620的+VS和-VS端分别连接+5V和-5V的电源，AD620的VREF接地，AD620的两个Rg端连接有一个可调电阻；温度补偿及放大电路包括一个放大器LM324，ZTP-148SR的“1”端口连接到LM324的“IN2-”端口，LM324的IN2+端口经电阻R4输出与AD转换电路相连，同时ZTP-148SR的“1”端口经电阻R3接地，LM324的GND端接地，ZTP-148SR的3端口经电阻R2连接到LM324的IN2+端口， LM324的IN2+端口经电阻R2接+5V电源，同时LM324的VCC端口接5V电源，LM324的O2端口输出与AD转换电路相连；所述的多路AD转换电路采用ADC0809CCN，温度补偿及放大电路的输出端连接到ADC0809CCN的IN1端口，温差热电堆放大电路连接到ADC0809CCN的IN0端口，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；所述的主控电路采用AT89S52单片机控制电路来实现的，包括电源电路、时钟电路和复位电路三部分，电源电路用来向单片机供电，通常将+5V直流电源加到单片机上；时钟电路，供应到一个正弦波作为参考，用于确定单片机执行速度；复位电路用来确定单片机工作的起始状况；显示电路与单片机相连，用于显示输出数据，显示电路采用LCD12864芯片，LCD12864的数据指令选择端RS、读写控制端RW、使能端EN、串并行选择端、复位端分别接单片机P1.5、P1.6、P1.7、P3.0、P3.2，实现并行传输的数据线接单片机AT89S52的P0口，LCD12864的VO和Vout之间接10KΩ的滑动变阻器实现对屏幕对比度的调节。