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1、【关键字】系统非接触式红外遥感体温计的设计摘要 针对传统水银体温计和电子体温计的种种缺陷和不便，本文设计了一种非接触测量体 温计。该体温计利用GE公司的红外热电堆温度传感器ZTP实现对温度信号的非接触测量。 微弱的电压信号缩小采用低失调、低漂移、高精度的集成仪用运算缩小器AD620。模数转 换用自带ADC的16位单片机MSP149。本文从硬件技术和软件方法上详细阐述了该仪器的 实现手段。系统具有报警选择和长时间无人操作自动待机的功能，具有智能化的特点。 关键词 热电堆温度传感器 体温 AD620DESIGN OF NON-CONTACT INFRARED REMOTETHERMOMETERAB
2、STRACTThe paper designs of a non-contact measurement thermometer to solve the traditional mercury thermometer and electronic thermometer of deficiencies and inconveniences. The infrared thermopile temperature sensor ZTP produced by GE achieves the untouched measuring of body temperature. The weak el
3、ectric voltage signal is amplified by the extremely low offset voltage、 low drift、 high precision of integrated instrument operational amplifier AD620. A/D is realized by 16 bits MCU MSP149, which has ADC function. The paper explains the realization of the instrument from the two aspects-hardware te
4、chniques and software methods. The system has functions such as selectable alarm feature and auto-standy if there is no operation for long time, the design has intelligentized feature.KEY WORDS the thermopile temperature sensor body temperature AD620目录错误!未定义书签。1 前言人体体温是鉴别人体健康状况的重要参数，所以体温计在医疗领域中占有十 分
5、重要的地位。现有体温计大概分为三种类型：一种是常见的玻璃水银体温计； 一种是电子体温计；另一种是较高档的红外遥感体温计。水银体温计虽然价格便宜但是有诸多弊端：首先，水银体温计遇热或安置不 当，体温计容易破裂。其次，人体接触水银后会中毒，中毒症状是恶心、头痛、 腹泻、脱发等，严重者会造成血液凝固。因为水银有剧毒，一旦污染了水源或食 物，可以对人的肾脏、肺等造成极大的伤害，水银也能加速人神经系统退变。最 后采用水银体温计测温需要相当长的时间（5minlOmin），使用不便。美国一些 城市和医院已开始禁止使用水银体温计。电子体温计是采用热敏电阻测量温度的，采用电子体温计测温也需要较长的 时间，同样使
6、用不便。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。它用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线而不向人体发射 任何射线，它采用的是被动式且非接触的测量方式，因此，红外体温计的性能最 好，它不仅测量速度快（测量时间小于ls）而且精度最高（土0.1C）。红外温度计在工业中已有广泛的应用，其测量范围可从常温到达上千摄氏 度。但是红外温度传感器的输出与被测物体的温度是非线性关系，所以会存在较 大的误差，精度一般在1%2%。因而其绝对误差值较大。人体的温度只在较小的范围内变化（35C42C）,因此，只要进行较细的刻 度，红外体温计就可获得较高的测量精度。为了排除环境温度变化对测量结
7、果的 影响，还要采取温度补偿电路对环境温度进行补偿。本文设计的红外体温计其测 量范围是35C42C，且精度为土 0.3C。在该设计中，以低功耗单片机为主体，配有高 精度放大器和12位ADC，测量值用LCD进行温度显示，具有成本较低、使用方 便、测量时间短、精度较高、可重复性好等特点。2 系统总体方案本系统采用热电堆红外温度传感器采集目标物体和环境温度之间的温差，放 大一定倍数后以电压形式输出。由于内部集成有热敏电阻用来补偿环境温度，经 过本文设计的调理电路能够将环境温度转换成电压输出。然后，这两路电压进入 单片机内部自带的 ADC 转换成数字量，软件处理完成后将测量结果显示在 LCD 上。同时
8、，系统还有用来输入命令的键盘系统和测量温度超过设定温度的报警系 统以及检测电池电量的电压监控系统，具体框图如图 1 所示。图1系统总体框图3 硬件电路设计3.1 电源电路3.1.1概述电源是一切电子设备的心脏，它设计的好坏会直接影响到该设备的稳定性和 可靠性。结合本题实际，在仔细分析了各个模块的供电需求后，本文设计了一个 完全可以满足本题要求的电源系统。为了提高精度，本系统的电源分为两部分， 一是最小系统和显示系统的供电（图2），二是信号调理和监控部分的供电（图3）。 由于单片机为3.3V供电且其内部的ADC的参考电压也选择的是电源电压，故其 必须比较稳定，为此采用将9V电池电压先经过7805
9、变为5V电压，然后经过 AMS1117-3.3变为稳定的3.3V电压。信号调理电路和监控电路由于对供电和基 准源的精度要求都很高，为此选择了 TL431,它将9V的电池电压经过内部的负 反馈和外部的电阻关系变为非常稳定的5V电压供相关设备使用。图2控制和显示部分供电电路图3信号调理和监控部分供电电路3.1.2 TL431 简介德州仪器公司（TI）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分 流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref （2.5V）到36V 范围内的任何值TL431的具体功能可以用图4的功能模块示意。由图可以看到, 内部的2.5V的基准源，接在运放的反向
10、输入端。由运放的特性可知，只有当REF 端（同向端）的电压非常接近2.5V时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流 通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管的电流将从1至到 100mA变化。图4 TL431内部框图3.2 单片机最小系统3.2.1 MSP430F149 简介MSP430F149是一种特低功耗的混合信号微控制器，它可以被设计成用电池工 作且可以工作很长时间。它具有16位的RISC结构，CPU中的16位寄存器和常 数发生器，使它具有最高的代码效率，数字控制的振荡器可以使器件从低功耗模 式迅速唤醒，在小于6us的时间内达到激活方式。主要特点如下所示：1. 低电源电压范围：1.8
11、3.6V2. 特低功耗。等待方式：1.3uA； RAM保持关闭模式：0.15uA3. 低工作电流。7uA (32KHZ, 2.2V)； 250uA (1MHZ, 2.2V)4. 5种节电方式5. 由等待方式唤醒时间：6us6. 16位RISC结构，125ns指令执行周期7. 12位A/D转换器，具有内部基准、采样保持和自动扫描等功能8. 定时器B：带有7个俘获/阴影比较寄存器的16位定时器9. 定时器A：带有3个俘获/阴影比较寄存器的16位定时器10. 片上比较器11. 2KB RAM 和 60KB ROM 空间3.2.2 最小系统最小系统主要包括维持单片机运转所需要的复位电路、晶体振荡电路和
12、电源 构成。具体电路如图5所示。图5 MSP430F149最小系统3.3 键盘系统图6键盘系统电路 考虑到用户不仅需要手动启动测温过程而且还要在每次测温前设定一些参 数以及查询历史值，所以本设计采用四个独立式按键来构成键盘系统，通过该系 统，用户就可以很方便的使用该测温仪了。具体电路如图6所示。按键功能分配 如表1所示。按键键名功能S1测温启动测温S2历史查询查询最近6次历史值S3温度单位切换选择摄氏温标或者华氏温标S4报警选择启动报警或者关闭报警表 1 按键功能分配表3.4 显示系统3.4.1系统概述考虑到系统不仅需要显示各个参量的设置信息而且还要显示当前各个参量 的状态以及当前的测温值。虽
13、然说这些参量用数码管完全可以显示出来，但是考 虑到一是占用大量10 口，硬件复杂;二是这么多数码管的刷新显示也会占用CPU 大量资源，对于程序的编程十分不利。另外为了设计一个界面友好、易于使用、 信息显示量大的显示系统，本文放弃数码管，选择 LCD12864。3.4.2 YM12864 简介本文采用的 YM12864 是深圳市耀宇科技有限公司生产的一种基于 ST7920 内 核的可显示汉字和图形的点阵液晶模块。内置 8192个中文汉字、128 个字符以 及点阵显示RAM。主要技术参数如下所示：电源：VDD 3.3V5V（内置升压电路，无需负压）显示内容：128 列 X64 行显示颜色：黄绿显示
14、角度： 6： 00 钟直视LCD 类型： STN与 MCU 接口： 8 位并行/3 位串行 可配置背光、光标显示、画面移位、自定义字符和睡眠模式等。 引脚功能如表2所示。引脚号引脚名称功能说明1VSS模块电源地2VDD模块电源3V0LCD驱动电压输入端4RS(CS)并行的指令/数据选择信号，串行的片选信号5R/W并行的读写选择信号，串行的数据口6E/CLK并行的使能信号，串行的时钟信号714DB0 DB7并行的数据口15PSB并/串行选择H-并行L-串行16NC不连接17/RET复位低电平有效18NC不连接19LED_A背光源正极20LED_K背光源负极表 2 液晶管脚功能表3.4.3 显示系
15、统电路图 7 显示系统电路由上可知，这款液晶完全可以满足本课题要求，同时考虑到系统 IO 资源比 较丰富，所以本设计我们采用的接口类型为 11 位的并行方式。引脚 4 为数据/ 命令选择端，引脚5为读写选择信号，引脚6为使能信号，引脚714为并行数 据输入端。另外考虑到低功耗，本设计将背光的开闭通过使用一个 PNP 三极管作 为开关来控制，当系统超过一段时间没有操作时，系统会自动关闭背光，节省电 能。具体电路如图 7 所示。3.5 报警系统图 8 报警系统电路当目标物体的温度超过37.5C时，为了给测量者一个直观的提醒方式，本文 设计了一个超限报警系统，该系统可以由用户选择性使用，既可以选择超限报警 也可以取消报警。如图 8 所示，该系统由蜂鸣器和 PNP 三极管构成，当选择报 警且超限时，单片机会给基极一个低电平，从而发声报警直到系统给低电平，蜂 鸣器才取消报警。3.6 电池电压监控系统3.6.1 系统概述由于系统中的信号调理电路是需要在一定的电压条件下才能可靠的工作，如 果电压过低，测量出来的结果将会不可靠或者说无意义，所以对于便携式设备来 说，及时给用户以低电量提示使用户能够更换电池就非常有意义。具体电路如图9 所示。图9电池电
