1整體系統(tǒng)構(gòu)架

紅外熱釋電效應(yīng)測(cè)溫儀的整體系統(tǒng)構(gòu)架功能模塊框圖如圖1所示。

1.1光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)由菲涅爾光學(xué)透鏡和濾光片組成。將該光學(xué)透鏡置于紅外熱釋電傳感器上。光電轉(zhuǎn)換器件采用TS-1NMB。其外部構(gòu)造如圖2所示。由圖2可知,TS-1NMB有4個(gè)外部引腳:1腳是熱電堆的負(fù)端輸出;2腳是熱電堆的正端輸出;3腳是冷端補(bǔ)償電阻的輸出端;4腳是外殼地。在25℃的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下該傳感器對(duì)于700 K的黑體輸出達(dá)到最大電動(dòng)勢(shì)200 mV。但是對(duì)于人體溫度感應(yīng),其輸出電動(dòng)勢(shì)只有大約0·1 mV左右,因此必須對(duì)輸出電壓進(jìn)行直流放大,才能用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采集。TS-1NMB頂部有一個(gè)小窗,窗頂集成有一片紅外濾光片,因此濾光片不必再自行設(shè)計(jì)了。

1.2電路設(shè)計(jì)

對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大,使用TI公司生產(chǎn)的TLC4502ID運(yùn)放芯片。TLC4502是利用1μm 5 V數(shù)字CMOS技術(shù)制造的高性能自校準(zhǔn)雙運(yùn)算放大器,具有非常高的直流增益以及良好的電源抑制比和共模抑制比。使用TLC4502ID設(shè)計(jì)的放大電路與TS-1NMB的接線如圖3所示。

圖3中用TLC4502ID內(nèi)部的2個(gè)運(yùn)放構(gòu)成雙級(jí)直流放大電路,TLC4502的開環(huán)增益很高,該雙級(jí)放大器可調(diào)節(jié)最大電壓增益可達(dá)40 000倍,完全滿足TS-1NMB輸出信號(hào)的放大要求。另外,通過(guò)調(diào)節(jié)R7分壓,可以調(diào)節(jié)A/D測(cè)量TS-1NMB中冷端補(bǔ)償電阻的輸出電壓,通過(guò)換算,可以得到當(dāng)前冷端溫度。

A/D轉(zhuǎn)換器采用24位帶放大濾波器的AD7710。將TLC4502ID輸出的電壓信號(hào)接至AD7710的兩個(gè)模擬輸入端口,數(shù)字量輸出可由單片機(jī)從AD7710芯片的串行數(shù)字接口讀取。

單片機(jī)控制系統(tǒng)主要由AT89S51、X5045、液晶顯示器接口、報(bào)警電路、定位LED等構(gòu)成。X5045把4種常用功能:上電復(fù)位、看門狗定時(shí)器、電源電壓監(jiān)控和塊鎖保護(hù)的串行EEPROM存儲(chǔ)器組成在一個(gè)封裝內(nèi)。單片機(jī)讀取AD7710的數(shù)字信號(hào)后,通過(guò)內(nèi)部程序處理,將結(jié)果顯示在液晶屏幕上,同時(shí)存儲(chǔ)到X5045的EEPROM里面。如果達(dá)到報(bào)警門限,則驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路,其電路如圖4所示。

1.3軟件設(shè)計(jì)

1.3.1軟件冷端補(bǔ)償

本文紅外熱電堆冷端溫度補(bǔ)償采用軟件補(bǔ)償法。圖5是紅外熱釋電傳感器的熱電堆電壓輸出曲線。由圖5可以得知,目標(biāo)溫度在變化范圍很小的情況下(人體溫度測(cè)量溫度變化范圍為35~42℃。)可以將曲線近似的看成線性的。對(duì)于用作冷端補(bǔ)償?shù)臒崦綦娮璧碾妷狠敵霾捎镁€性插值算法。因此可以假設(shè)如下2個(gè)一次二元函數(shù):U0= f1(T0,Te)(1)Ue= f2(Te)(2)式中:Uo為傳感器熱電堆的輸出電壓;To為被測(cè)目標(biāo)的實(shí)際溫度;Te為環(huán)境溫度(冷端溫度);Ue為熱敏電阻輸出電壓。將這2個(gè)函數(shù)擬合得到一個(gè)新的一次二元函數(shù):To=f3(U0,Ue)。

根據(jù)函數(shù)計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度To。因?yàn)檫@是一個(gè)當(dāng)前未知的一次二元函數(shù),函數(shù)的3個(gè)參數(shù)是需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算確定下來(lái)的。分別是Uo的系數(shù)、Ue的系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)。至少需要一組同一環(huán)境溫度下的不同溫度的人體(或紅外發(fā)射率與人體接近的物體)的電壓測(cè)量值和一組不同環(huán)境溫度下同一溫度人體(或紅外發(fā)射率與人體接近的物體)的電壓測(cè)量值。需要更低的相對(duì)誤差,可采用二次函數(shù)來(lái)近似溫度-電壓曲線。

1.3.2單片機(jī)程序

測(cè)溫進(jìn)程是編程重點(diǎn),讀取AD7710中的2個(gè)通道的電壓轉(zhuǎn)換值。電壓分別表示被測(cè)人的溫度和當(dāng)前冷端溫度2個(gè)信息。單片機(jī)程序用C51語(yǔ)言編寫,整體流程如圖6。

1.3.3主機(jī)程序

主機(jī)程序用Visual Basic 6.0編寫,其主要作用是和測(cè)溫儀進(jìn)行串行通信,并對(duì)測(cè)溫儀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,繪制出所有被測(cè)人群的體溫分布情況,高溫比率,低溫比率等。其在Microsoft Windows XP下的界面如圖7所示。

這是將非正常體溫設(shè)置在38℃(微熱)以上時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。其中“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”按鈕是讓主機(jī)與測(cè)溫儀通信,讀取測(cè)溫儀EEPROM里面保存的所有數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)包括測(cè)量過(guò)程中的環(huán)境(冷端)最高溫度和最低溫度、所有被測(cè)人的體溫等。主機(jī)程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析操作,計(jì)算出各種所需的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),如非正常體溫比率、平均體溫。然后根據(jù)每個(gè)被測(cè)人的體溫繪制出體溫分布圖?！氨４鏀?shù)據(jù)”是將所有測(cè)量數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)保存成文本報(bào)表的形式“保存圖形”是將繪制出的圖形以位圖格式進(jìn)行保存。

2測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

要能提供醫(yī)學(xué)上有用的信息,熱像圖裝置的分辨率必須在0.1左右，測(cè)量穩(wěn)定性的數(shù)量級(jí)在1/10~3/10℃。在紅外測(cè)溫儀開發(fā)完成后,對(duì)其進(jìn)行了許多測(cè)試,以檢驗(yàn)其精度、誤差、測(cè)量距離等性能。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果,該紅外測(cè)溫儀對(duì)人體的溫度測(cè)量的誤差低于±0.1℃,而對(duì)水溫的測(cè)量誤差則相對(duì)較大。這是由于本測(cè)溫儀是根據(jù)人體體溫進(jìn)行調(diào)整和修正的,同溫度的水和人體換算成的同等發(fā)射本領(lǐng)的黑體溫度(紅外輻射發(fā)射率)是不相等的,而且用于測(cè)試的水銀溫度計(jì)和水銀體溫計(jì)本身的絕對(duì)誤差和精度也是不一樣的。實(shí)測(cè)表明,人體距離越近時(shí)越能充滿測(cè)溫儀的視場(chǎng),測(cè)量的相對(duì)誤差就較小。超出50 cm時(shí)人體在測(cè)溫儀的視場(chǎng)中占的面積過(guò)小,就很難進(jìn)行溫度測(cè)量了。