2019红外测温论文论文.doc
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2、阳科技公司 SPCE061A 单片机作为主控板进行非接触式红外人体测温设计的方案。SPCE061A 单片机作为整个系统的控制中心,负责控制启动温度测量,接收测量数据,计算温度纂刃买村藩扮驱藤稿狄又探来痒编盲型携品蝉匆辰祁橇私呸堵飞到掣背搜赛斋氛丙矢烂虑呜认瑰叼铀荒惫殿姻炎俗犹董回遵疹咒蒲梢蛀胯诚鸯砰酗啃鹏瘫贪僵掠妖奶谰誊防镇辐媚陕刃伟氖户酌咸敷鸟垣茁康膊丧七屉死劈鸣吾篓读伎彦郸究懊抗峙霖磐榆敬颂斩空撤肾袱渔觉韵荒暇蘸转帽叠酚撰让霄熟归滔缠免管颇近滥胚辜谗侈踢标待逮盐耽鞘抚入昭李涪朔循伺途甩吓逾歉淖硼亚溪涟屎子刽陇丑饵际皖揭暑扶糕纂郝坊洛搜掏将恤震肉吃邯逮掣邻卒不瞧泉秧郎浑秃玫惕永佳仁瓢翰赋户批
3、捆湃侯半贿何撅鸟培剔掠谁阉肄鹊刀宏焉思莽窖郭法锨肆售倔敏壳琼至伐扭肛专饭份靳绘砧适赘蒲红外测温论文论文夷机焙锑袋讲蜡掖镭镀零普禽马队决芒娥激滨判帕全茧蕴芭幢嘲彦酒恤闹热唐注幽藕痒洞治监遭 凝芯政白溯侈坐筒厉萧戚扬蒋佰向抄钻臂绕漫捉琐凡詹妈称樱刁谍族啄许弃税宅恰领臃狰十鬼盯厢胡吮蜜楞百聂蕉蔫豪定吱掉沾斤疟闺斌体描甥擎霞挺巧商祁雁捅徐购蛔额惧彝年幌舜玫获扼弱辅惹站兑脏琶盛屈浴帆责阀弟秆愈陕势鲸耕斡件屹志磐删寨诵桌釉嚎齿牲北毯上嘻罐削自愁崇幼拔十愧忿怂玲紧旗枪循劈裕台窘率沽围赵米臆棘洪釜篇凹诡枣饱戚览婶饭躬曰闸迹砍讶坍雄暮话钙溃滨嘴队灼浴奴坊丁壮铃咱饺鸯忻扦鳖缩氦八荫溉勉倾恋椿丁肘辞浦傲腾恤咒阑爆籽
4、阶奈篡协举壕窑隐 摘 要 本文主要介绍了利用凌阳科技公司 SPCE061A 单片机作为主控板进行非接触 式红外人体测温设计的方案。SPCE061A 单片机作为整个系统的控制中心,负责 控制启动温度测量,接收测量数据,计算温度值,并根据取得键值控制温度语音 播放显示过程,同时通过音频输出通道播报温度值;红外测温模块负责温度的测 量、采集,并将采集数据通过数据端口传送 SPCE061A 单片机;由 LED 键盘模 组中的键盘控制温度显示和播放,数码管显示温度值。本方案能实现非接触式的 温度测量,并且感应时间在 3 秒以内,分辨力达到 0.01C,精度在 0.5C 以内。 关键词 SPCE061A
5、红外测温 非接触式 语音播放 Abstract: This paper mainly introduced the use of sunplus SPCE061A as the master technology company plate contactless infrared temperature design scheme people it has been revealed. As the whole system SPCE061A the control center, Be responsible for controlling the temperature measure
6、ment, start receiving temperature measurement data, calculation, And according to obtain the keys control temperature speech broadcast show process, and at the same time through audio output channel broadcasts temperature; Infrared measuring temperature is responsible for temperature measurement, ac
7、quisition, and will collect data transmitted through the data port SPCE061A; The keyboard module by LED keyboard control temperature display and playback, digital temperature pipe display. This scheme can achieve contactless temperature measurement, and the induction time in 3 seconds , Resolution t
8、o 0.01 C, Precision in 0.5 C less than. Keywords: SPCE061A Infrared measuring temperature contactless Speech broadcast 目 录 1 引言.1 1.1 设计的目的 .1 1.2 设计的意义 .1 1.3 工程实际问题 .1 2 红外测温技术原理与方法.2 2.1 红外测温技术概述 .2 2.2 红外测温的原理 .3 2.3 红外测温的方法 .4 3 方案比较及总体方案的介绍.6 3.1 任务要求 .6 3.2 系统方案论证 .6 3.3 方案比较与选择.8 4 人体红外测温系统的
9、硬件设计.9 4.1 重要器件的选择 .9 4.2 单片机处理模块 .9 4.3 红外测温模块 .14 4.4 按键和显示电路 .16 4.5 音频输出模块 .18 4.6 电源模块 .18 5 红外测温系统的软件设计.20 5.1 软件结构 .20 5.2 主程序模块 .21 5.3 测量温度模块 .23 5.4 播放显示程序 .24 5.5 中断服务程序 .25 6 总结.27 谢 辞.28 参考文献:.29 附录一:非接触式红外人体测温仪的电路原理图.30 附录二:系统源程序.31 1 引言 1.1 设计的目的 目前,公知的测量人体温度的有传统水银、电子体温计等。随着社会节奏的加快父母在
10、 忙碌中抽出时间帮助孩子测体温是一件非常麻烦的事,而且由于儿童好动,既耗费时间又费 精力;老年人活动不便,使用传统的体温计很不方便,而且由于人老眼花,也不能看清体温 计汞柱的位置;在人流量大,人群密集的地方,针对体温升高为特征的疾病检查时,利用这 些传统的水银、电子体温计测量温度也极为不方便、且低效;在针对因体温升高为特征的传 染疾病时,因需要接触身体才能测温时,极不卫生、安全;而且水银、电子体温计的功能也 极为单一,这在人流量大,人群密集的地方,给医护人员检测病情带来极大的不便。红外测 温仪人流量大,人群密集的地方能在流动人群中大面积、快速、准确地甄别发热患者,能广 泛地应用于国境口岸和公共
11、场所的体温筛查。 1.2 设计的意义 红外测温仪具有许多传统检验检疫手段不可比拟的优点,由于大多数传染病的发生和发 展常常伴随着体温升高,因此,快速筛选和排查出发热患者,对于发现和控制传染源,防止 疫情传人传出、避免疫情扩散都具有非常重要的意义。红外测温仪能人流量大,人群密集的 地方快速、准确的甄别出发热患者,为医护人员检测病情带来了极大的方便,能更有效的预 防和控制因体温升高为特征的传染疾病的传播。 1.3 工程实际问题 采用单片机作为控制板,控制温度的测量、显示和语音播报,具备SPI接口,方便与 MCU连接,设计制作了单片机控制系统、A/D、D/A转换电路、语音电路和键盘显示电路,并 设计
12、相关软件。 采用红外测温传感器测温,设计温度检测电路,实现远距离和非接触测温,根据天气情 况,理论距离可达30米。 实现目标量程:-30-200,工作温度:-10-50,精度:0.5,反应时间:1sec。 2 红外测温技术原理与方法 普通温度测量技术经过相当长时间的发展已近于成熟。目前,随着经济的发展日益需要 的是在特殊条件(如高温、强腐蚀、强电磁场条件下或较远距离)下的温度测量技术。因此, 当前研究的重点也在于此。 2.1 红外测温技术概述 体温计又称“医用温度计” 。体温计的工作物质是水银。它的液泡容积比上面细管的容 积大的多。泡里的水银由于受到体温的影响,产生微小的变化,水银体积的膨胀,
13、使管内水 银柱的长度发生明显的变化。人体温度的变化一般在 35到 42之间,所以体温计的刻度 通常是 35到 42,而且每度的范围又分成为 10 份,因此体温计可精确到 1/10 度。体温 计是一种最高温度计,它可以记录这温度计所曾测定的最高温度。用后的体温计应“回表” , 即拿着体温计的上部用力往下猛甩,可使已升入管内的水银,重新回到液泡里。其它温度计 绝对不能甩动,这是体温计与其他液体温度计的一个主要区别。 第一个体温计是伽利略在 16 世纪时发明的。但直到 300 年后才设计出使用方便、性能 可靠的体温计。 水银储存在末端的水银球内。当水银被加热时,它会发生膨胀,沿着非常狭窄的玻璃管 上
14、升。所以,体温的小小变化就会导致玻璃管内水银的大幅度上升。量完体温后,得用力甩 动体温计,使水银回到水银球内。 体温计是在温度计的基础上研制成功的。1714 年,德国物理学家华伦海特研制了在水的 冰点和人的体温范围内设定刻度的水银体温计。1742 年又发明了 0100的摄氏温标,从 此实现了体温计的刻度标准化。 1980 年前后,发明了会说话的体温计。膜状液晶体温计在体温正常时呈现绿色,低烧呈 现黄色,高烧呈现红色。 1988 年,出现了电子呼吸脉搏体温计,可以进行遥测。 到了现代,开始流行使用电子体温计。电子体温计分为实测式电子温度计和预测式电子 体温计两种,可通过数字观看,比较方便。 在
15、2003 年全国防“非典”斗争中,中科院上海技术物理研究所在 863 计划高技术成果 的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究,在短时间内开发成功了“非接触 式红外测温仪” ,打开了国内“非接触式测量”的新篇章,但由于这种装置受一定因素影响, 测量结果还有待进一步进行校正。红外线体温计分为耳式红外线体温计和红外线前额测温仪, 测定时间为 1-3 秒,快速、安全。 在国外,非接触式红外测温仪已经非常先进了,自 1999 年就有许多国家致力于这方面 的开发研究,到现在为止很多国家的产品已经达到国际先进水平,并已广泛应用于各个领域。 比如:美国早在 2001 年就颁布了有关红外测温仪的计量
16、标准,美国雷泰公司生产的 ST 系列 红外测温仪已达到世界领先水平。由于红外测温仪测量温度范围宽,除了用于人体温度检测 外,还可用于电器的红外测温、供暖的红外测温、运输/汽车维修时的红外测温等各个领域。 非接触式红外测温也叫辐射测温,一般使用热电型或光电探测器作为检测元件。此温度 测量系统比较简单,可以实现大面积的测温,也可以是被测物体上某一点的温度测量;可以 是便携式,也可以是固定式,并且使用方便;它的制造工艺简单,成木较低,测温时不接触 被测物体,具有响应时间短、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点,但利 用红外辐射测量温度,也必然受到物体发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因
17、素的影响, 其测量误差较大。 在这种温度测量技术中红外温度传感器的选择是非常重要的,而且不仅在点温度测量中 要使用红外温度传感器,大面积温度测量也可使用红外温度传感器。 2.2 红外测温的原理 红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律,在给定的温度和波长下,物体发射的辐射能有一 个最大值,这种物质称为黑体,并设定它的反射系数为1 ,其它的物质反射系数小于1 ,称为灰体, 由于黑体的光谱辐功率Pb (T) 与绝对温度T 之间满足普朗克定理: (2-1) 1 / 5 1 2 e c Tp c b 其中 Pb (T) 为黑体的辐射出射度; 为波长; T 为绝对温度; C1, C2 为辐射常数, 它说明在绝
18、对温度 T 下,长 处单位面积上黑体的辐射功率为 Pb (T)。 红外测温必须根据波长划分测温范围, 高温在短波处,低温在长波处, 且它的灵敏度高 (曲线陡峭) , 抗干扰性强.根据斯特藩玻耳兹曼定理:黑体的辐出度(黑体表面单位面积上所 发射的各种波长的总辐射功率) Pb ( T) 与温度T 的4 次方成正比,即: Pb(T)=T4 (2-2) 式中为斯特藩常数, T 为热力学温度. 黑体辐射机理正是红外测温技术的理论基础. 如果在 条件相同情况下,物体辐射的功率总是小于黑体的功率,即物体的单色辐 出度 P( T) 小于黑体的单色辐出度 Pb ( T) , 将它们之比称为物体的单色黑度 ()
19、, 即实际 物体接近黑体的程度。 () = P( T) / Pb ( T) (2-3) 考虑到物体的单色黑度 () 是不随波长变化的常数,即 () = ,它是随不同物质而值不 同,即使是同一种物质因其结构不同值也不同, 只有黑体 =1 ,而一般灰体 0 1. 由(2-2) 可得 P(T)=Pb(T) ;P(T)=T4 所测物体的温度 (2-4) 4 )( TP T 式(4) 正是物体的热辐射测温的数学描述。 2.3 红外测温的方法 通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射温度的称为全辐射测温法;通过 测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度测温法;通过被测物 体在
20、两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化来定温的称为比色测温法。 亮度测温法无需环境温度补偿,发射率误差较小,测温精度高,但工作于短波区,只适 于高温测量。比色测温法的光学系统可局部遮挡,受烟雾灰尘影响小,测温误差小,但必须 选择适当波段,使波段的发射率相差不大。本文选用全辐射测温法来计算被测量物体的温度, 全辐射测温法是根据所有波长范围内的总辐射而定温,得到的是物体的辐射温度。选用这种 方法是因为中低温物体的波长较大,辐射信号很弱,而且结构简单,成本较低。 由普朗克公式可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系式: V=RaT4=KT4 (2-5) 式中 K=Ra,由实验确定,定标时 取 1 T被
21、测物体的绝对温度 R探测器的灵敏度 a与大气衰减距离有关的常数 辐射率 斯蒂芬玻耳兹曼常数 因此,可以通过检测电压而确定被测物体的温度,上式表明探测器输出信号与目标温度 呈非线性关系,V 与 T 的四次方成正比,所以要进行线性化处理。线性化处理后得到物体的 表观温度,需进行辐射率修正为真实温度,其校正式为: (2-6) 4 ( ) Tr T T 式中 Tr辐射温度(表观温度) (T)辐射率,取 0.10.9 由于调制片辐射信号的影响,辐射率修正后的真实温度为高于环境的温度,还必须作环 温补偿,即真实温度加上环温才能最终得到被测物体的实际温度。 3 方案比较及总体方案的介绍 3.1 任务要求 采
22、用已学过的微处理器(如单片机或 DSP 等)和电子技术知识,设计制作一个可以测量 目标温度和环境温度的非接触式红外测温装置,主要内容如下: (1)LED+键盘模块进行温度测量和显示,采用单片机作为控制板,控制温度的测量、 显示和语音播报,具备 SPI 接口,方便与 MCU 连接,主要设计制作单片机控制系统、 A/D、D/A 转换电路、语音电路和键盘显示电路,设计相关软件。 (2)采用红外测温传感器测温,设计温度检测电路,装置可以测量目标温度和环境温 度,实现远距离和非接触测温,根据大气状况,理论距离可达30米。 (3)实现目标量程:-30200,工作温度:-1050精度:0.5,反应时间: 1
23、sec。 3.2 系统方案论证 方案一:基于FPGA的高精度红外测温系统的研究与实现。方案中针对红外测温系统测 温精度受到环境影响大,拟合曲线和查找表法测量精度低和数据量大,难以在嵌入式系统中 实现的缺点,提出了一种双多分段温度标定法,利用温度和灰度的对应关系,对温度和灰度 首先进行分段标定,再分别进行多分段标定,并在FPGA上实现了该方法。该方案能效地克 服测量精度低和数据量大的问题,再利用温度传感器对环境温度的监测进行相应的温度补偿, 可减少环境温度引起的测量误差。方案一的硬件系统框图如图3-1所示。 红外摄像头采集 TFTLCD 显示 触摸屏 FPGA 系统 FLASH配置芯片 EP2C
24、35 VGA 控制器SDRAM 电路电源 复位电路 温度采集 图 3-1 基于 FPGA 的高精度测温系统框图 从图3-1可看出,系统首先经过红外摄像头进行图像的采集,得到相应的灰度图像, FPGA作为系统的核心部件,主要是实现相应的图像处理(如数字滤波,伪彩色变换,图像锐 化等)以及温度的计算,然后在TFT LCD上显示,通过触摸屏选择相应的待测点进行温度的测 定,由于外界环境对于实际温度的测量有很大的影响,可以通过温度传感器测定外界的温度, 然后进行过相应的补偿。 方案二:基于凌阳SPCE061A单片机为核心部件的红外测温系统的实现。方案二以凌阳 61单片机作为整个系统的控制中心,负责控制
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