王偉光

(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司識(shí)別事業(yè)部，四川 綿陽(yáng) 621000)

東北虎體溫非接觸式紅外遙感測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

王偉光

(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司識(shí)別事業(yè)部，四川 綿陽(yáng) 621000)

體溫是東北虎一個(gè)重要的生理指標(biāo)，是判斷疾病和生命體征重要的依據(jù)。為解決接觸式測(cè)量東北虎體溫造成東北虎不安、狂躁等問(wèn)題，出于保護(hù)東北虎和工作人員安全的角度，本文以單片機(jī)為核心，紅外熱電堆溫度傳感器為最主要部件，設(shè)計(jì)了一種用于檢測(cè)東北虎體溫的非接觸式紅外遙感測(cè)量?jī)x。該儀器可以實(shí)時(shí)、安全、快速地檢測(cè)東北虎體溫，紅外遙感溫度采集儀可用于東北虎日常體征檢查，降低了體檢難度，保證了工作人員的人身安全。

東北虎 紅外 體溫 單片機(jī)

引言

東北虎又稱西伯利亞虎，隸屬亞種虎，是世界上極其珍貴的物種之一，2008年被評(píng)為全球十大瀕危物種之一。為了對(duì)東北虎進(jìn)行有效的保護(hù)，對(duì)東北虎的生命體征進(jìn)行定期檢查是有必要的。體溫是東北虎一個(gè)重要的生理指標(biāo)，是判斷疾病和生命體征重要的依據(jù)，尤其是幼虎初生期時(shí)比較虛弱，某些形態(tài)發(fā)育不完全，體溫調(diào)節(jié)能力差[1]。2000年6月，哈爾濱北方森林動(dòng)物園飼養(yǎng)的東北虎曾因中暑死亡，從發(fā)病到死亡只有18min[2]。因此，按時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量東北虎體溫對(duì)于動(dòng)物園的飼養(yǎng)工作是極其重要的。傳統(tǒng)測(cè)量東北虎體溫的方法為“直腸測(cè)溫法”，該方法對(duì)東北虎刺激較大，難以使東北虎保持安靜，東北虎受到刺激后可能會(huì)對(duì)人產(chǎn)生攻擊行為，且體溫計(jì)若消毒不嚴(yán)格易發(fā)生疾病的相互傳染。而使用麻醉劑對(duì)東北虎麻醉后進(jìn)行體檢會(huì)影響東北虎生理健康，并且麻醉后所測(cè)得的體溫較正常體溫偏高，蘇醒過(guò)程中可能出現(xiàn)共濟(jì)失調(diào)現(xiàn)象[3]。為尋求一種為東北虎安全、便捷、快速測(cè)量體溫的方法，本文設(shè)計(jì)了一種非接觸式紅外遙感體溫測(cè)量?jī)x。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于使用非接觸式測(cè)溫法早有研究[1,2]在國(guó)外，Loughmiller早在1999年便使用近紅外成像技術(shù)對(duì)豬的頭部和直腸的溫度進(jìn)行檢測(cè)，從而可以診斷豬的呼吸道疾病。巴西的Wiedemann于2006年使用熱紅外儀檢測(cè)動(dòng)物的體表溫度，以判斷動(dòng)物的健康狀況。美國(guó)的Kaitlin在2008年利用紅外成像儀檢測(cè)牛的口蹄疫。Wirthgen.T.于2011年使用紅外線測(cè)溫法對(duì)奶牛的體溫進(jìn)行測(cè)量，用來(lái)評(píng)估奶牛的健康。日本的K.hirasawa采用紅外熱圖像技術(shù)來(lái)檢測(cè)電子設(shè)備的局部溫度。在國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)的孫剛在2001年使用紅外檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)采集母豬體溫識(shí)別母豬發(fā)情率。范映春在2006年使用紅外線測(cè)溫技術(shù)對(duì)豬的耳體溫部進(jìn)行檢測(cè)。鄭艷欣在2010年設(shè)計(jì)了基于NRF24E1的奶牛體溫?zé)o線收發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了非接觸式的體溫檢測(cè)。陽(yáng)紅玉在2015年研發(fā)了一套基于紅外傳感器的無(wú)線人體體溫檢測(cè)系統(tǒng)。

2 溫度采集儀

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

東北虎體溫非接觸式紅外遙感溫度采集儀，由紅外傳感器、單片機(jī)控制、放大電路、電源、LED顯示、串口傳輸構(gòu)成。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

該溫度采集系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，經(jīng)過(guò)放大器放大供單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換，將紅外傳感器采集到的東北虎體溫發(fā)送至單片機(jī)中，從而可以在LED顯示屏上實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果，并可以通過(guò)串口將采集到的數(shù)據(jù)上傳。

2.2 紅外傳感器

實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，需要用到紅外傳感器。本系統(tǒng)選擇的紅外傳感器是GE公司生產(chǎn)的ZTP135S-R型，其工作溫度為-20℃—100℃，測(cè)量精度為0.1℃。傳感器內(nèi)還集成了負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度測(cè)量。該電阻的特點(diǎn)為耐振動(dòng)、響應(yīng)快、阻值高、體積小、溫度特性曲線斜率大等。因?yàn)樵撾娮璧淖柚递^大，所以可以無(wú)視引線電阻的影響，因此本系統(tǒng)采用二線制接法，引腳排列圖如圖2所示?？紤]到本設(shè)計(jì)中要求的量程很窄，該熱敏電阻互換性差、量程窄的缺點(diǎn)不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖2 ZTP135S-R型紅外傳感器的引腳排列

2.3 單片機(jī)控制

本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制核心。由于要求數(shù)據(jù)處理速度不高，可以使用MCS-51系列的8位單片機(jī)，選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52型號(hào)單片機(jī)。該單片機(jī)有一個(gè)反相放大器，用于構(gòu)成單片機(jī)內(nèi)部振蕩器，XTAL1、XTAL2是放大器輸入端和輸出端。自激振蕩器由陶瓷諧振器和石英晶體構(gòu)成。本系統(tǒng)采用頻率為11.0592MHz的石英晶體振蕩器。

2.4 放大電路

因?yàn)闊犭姸训妮敵鲭妷盒?1mV左右)，內(nèi)阻高(約60K)，所以，選取高輸入阻抗的CMOS輸入運(yùn)算放大器(>1012Ω)。本設(shè)計(jì)的放大器為低功耗精密運(yùn)算放大器OP07，該放大器具有低漂移、超低失調(diào)、高精度、零點(diǎn)失調(diào)電壓小、電路正比特性好的特點(diǎn)。在OP07放大器的 1、8管腳連接一個(gè)電位器實(shí)現(xiàn)輸入漂移調(diào)零，這對(duì)于放大低輸出信號(hào)有良好的效果。放大器的低輸入偏置電流約1.8nA，供電范圍3V～22V，最大超低失調(diào)為150mV。該特點(diǎn)很好地滿足了紅外傳感器對(duì)運(yùn)算放大器的特殊要求。

由于東北虎體溫值在34℃～42℃，紅外傳感器輸出電壓為0.7 mV～1.5mV，將電壓放大3000倍，使傳感器輸出電壓放大至2.1V～4.5V。將放大后的電壓輸出至單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換， A/D轉(zhuǎn)換參考電壓設(shè)置為5V。由于有兩路信號(hào)需要轉(zhuǎn)換，而AD574只有一個(gè)輸入通道，考慮采用兩個(gè)模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的切換，模擬開關(guān)選用MC74VHC1G66，電路圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)放大電路

2.5 電源

考慮到電路中需要+5V、±9V和±15V五種規(guī)格的電壓，三個(gè)三端穩(wěn)壓管W317可得到+5V、+9V和+15V，兩個(gè)三端穩(wěn)壓管W337可獲得-9V和-15V，由兩節(jié)9V電池供電，另外還可由交流220V整流電路獲得直流供電，以備不時(shí)之需。

2.6 LED顯示

LED顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，由3個(gè)LED顯示塊可拼成3位LED顯示器。3個(gè)LED顯示塊有3根位選線和8*3根段選線。段選線控制顯示字符的字型，而位選線為各個(gè)LED顯示塊的公共端，它控制該LED顯示位的亮、暗。在某一時(shí)刻，只允許其中一位的位選線置為選通狀態(tài)，其余各位的位選線置為關(guān)閉狀態(tài)，并且，段選線輸出相應(yīng)位應(yīng)顯示字符短碼。此時(shí)，3位LED顯示器中只有選通的顯示字符，其余兩位不顯示字符。類似的，在下一時(shí)刻，只允許下一個(gè)位選線置為選通狀態(tài)，其余各位的位選線置為關(guān)閉狀態(tài)，連續(xù)循環(huán)工作，便可使各LED顯示器顯示所需的字符，盡管這些字符不是在同一時(shí)刻顯示的，但由于人眼視覺有暫留作用和LED發(fā)出的余輝，因此，若顯示間隔時(shí)間足夠短，便可以形成各顯示器同時(shí)發(fā)光的假像，從而達(dá)到顯示多位字符的目的。

2.7 串口傳輸

通信接口的總線標(biāo)準(zhǔn)采用RS232C型，使用MAX232芯片，工作電源為+5V單電源，外接電容為0.1μF或1μF。

3 結(jié)果討論與分析

3.1 結(jié)果

為檢驗(yàn)非接觸式紅外遙感溫度采集儀的準(zhǔn)確性，以東北虎為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別用水銀體溫計(jì)和紅外遙感溫度采集系統(tǒng)對(duì)東北虎的體溫進(jìn)行采集。水銀溫度計(jì)采用直腸測(cè)溫法，紅外遙感溫度采集儀選取毛發(fā)較少的腹股溝處，距離1m，測(cè)量3次取平均值，將得到的讀數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見表1。

表1 東北虎的體溫測(cè)量對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示非接觸式紅外遙感溫度采集系統(tǒng)采集到的東北虎的體溫低于水銀體溫計(jì)平均相差5.2℃。

3.2 分析

3.2.1 熱電偶帶來(lái)的測(cè)量誤差

(1)熱交換誤差

因?yàn)闊犭娕疾荒芎捅粶y(cè)對(duì)象發(fā)生完全的熱交換所產(chǎn)生的誤差，該誤差使得熱電偶的熱端達(dá)不到被測(cè)目標(biāo)溫度，這種現(xiàn)象發(fā)生主要是由于導(dǎo)熱損失和熱輻射損失。因?yàn)楸粶y(cè)物體或被測(cè)空間同外界的溫度往往不一致，所以會(huì)發(fā)生熱交換。若被測(cè)物體的溫度比外界溫度高，基于發(fā)生熱輻射的原因，由熱電偶所測(cè)到的溫度會(huì)低于實(shí)際中的溫度。

(2)絕緣不良引起的誤差

使用熱電偶的過(guò)程中，需要注意兩個(gè)熱電極之間和熱電極與大地之間的絕緣性都應(yīng)良好，不然會(huì)發(fā)生熱電勢(shì)損耗，不能準(zhǔn)確地測(cè)量出被測(cè)物體的溫度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞測(cè)溫儀。

(3)動(dòng)態(tài)誤差

被測(cè)對(duì)象的溫度發(fā)生改變后，測(cè)溫儀不能立刻地顯示出該溫度，從而導(dǎo)致讀數(shù)存在誤差。由于測(cè)溫儀中熱電偶的熱惰性，為避免產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)誤差可以使用較小慣性的熱電偶，這樣在檢測(cè)溫度發(fā)生快速變化時(shí)，會(huì)得到更精確的測(cè)量結(jié)果。決定動(dòng)態(tài)誤差的主要原因?yàn)闊犭娕嫉臅r(shí)間常數(shù)，熱電偶的時(shí)間常數(shù)越大，動(dòng)態(tài)誤差越大。并且，熱電偶對(duì)溫度的迅速測(cè)定、自動(dòng)調(diào)節(jié)及控制有著關(guān)鍵的作用。

3.2.2 熱電堆帶來(lái)的測(cè)量誤差

系統(tǒng)采用的紅外傳感器的測(cè)溫分辨率為0.01mV，在體溫為34℃時(shí)，測(cè)到傳感器電壓值是0.7mV，在體溫為42℃時(shí)，測(cè)到的傳感器電壓值是1.5mV，在體溫在34℃～42℃之間時(shí)，測(cè)到的傳感器電壓值隨溫度的增加而增加，因此相對(duì)誤差的最大值為34℃，此時(shí)有

Δ=0.01mV÷0.7mV×100%≈0.02%

3.2.3 單片機(jī)系統(tǒng)帶來(lái)的誤差

由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的誤差是單片機(jī)系統(tǒng)造成誤差的主要原因，當(dāng)某個(gè)確定的數(shù)字量，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)，得到的理論模擬輸入與實(shí)際模擬輸入之間不同所產(chǎn)生的誤差。產(chǎn)生這種誤差的主要原因是由多個(gè)誤差疊加在儀器產(chǎn)生的結(jié)果，有偏置誤差、量化誤差、非線性誤差、增益誤差等。假設(shè)對(duì)于某一個(gè)理論上準(zhǔn)確的數(shù)字量D對(duì)應(yīng)的模擬量輸入V，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換原理可得，對(duì)于模擬量輸入是V-1LSB/2及V+1LSB/2，轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量結(jié)果都是D，此時(shí)的誤差值通常認(rèn)為是零。當(dāng)且僅當(dāng)模擬量輸入不在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，得到的數(shù)字量依然是D，則認(rèn)為這種情況下的誤差不是零。例如對(duì)于模擬量輸入為V±1LSB時(shí)，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量是D，其誤差是±1LSB/2。在n位ADC中

其中VFS為ADC的最大量程的輸入電壓。在本文中采用的A/D轉(zhuǎn)換器是模擬量單極性輸入的12位AD574，從“10Vin”引腳輸入輸入量，因此得到VFS=10V，所以本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換誤差為

當(dāng)測(cè)量溫度范圍是0-40℃時(shí)，引起的最大誤差為

4 結(jié)論

為更好保護(hù)東北虎資源，實(shí)時(shí)、安全、快速的檢測(cè)東北虎體溫，本文設(shè)計(jì)一種非接觸式紅外遙感溫度采集儀，著重解決了目前接觸式測(cè)量東北虎體溫容易造成東北虎不安，容易攻擊工作人員的問(wèn)題，并加入檢測(cè)環(huán)境溫度的功能，檢測(cè)東北虎體溫工作難度降低，大大提高了工作效率。但仍存在一些不足之處，使得該儀器采集到得體溫低于實(shí)際目標(biāo)體溫，可以針對(duì)測(cè)量距離、環(huán)境溫度等因素增加補(bǔ)償系數(shù)以做出校正[6]。

[1]朱本仁, 夏菊興. 中國(guó)幼虎生長(zhǎng)和發(fā)育的初步觀測(cè)[J]. 動(dòng)物學(xué)雜志, 1983, (01): 16-20.

[2]李秀云, 劉小密. 東北虎中暑的診治與預(yù)防[J]. 野生動(dòng)物, 2012, (02): 89-90+104.

[3]彭仕明, 單芬, 陳武, 黃勉, 蔡勤輝, 花福有. 右美托咪啶與舒泰對(duì)圈養(yǎng)虎麻醉效果的觀察[J]. 野生動(dòng)物學(xué)報(bào), 2015, (02): 146-150.

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[5]胡家駿. 紅外非接觸測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 黑龍江大學(xué), 2016.

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責(zé)任編輯：徐永飛

校 對(duì)：王 巍

The East-northern Tiger Temperature Non-contact Infrared Remote Sensing Measurement Instrument Design

Wang Wei-guang

(First-author's address:Sichuan jiuzhou electric group co., LTD. Identify group, Mianyang 621000, Sichuan,China)

The temperature is the east-northern tiger an important physiological index, is an important basis for disease and vital signs.In order to solve the east-northern tiger contact measurement temperature caused such problems as the east-northern tiger, mania, protect the east-northern tiger and staff safety point of view, based on the single chip microcomputer as the core, the infrared thermopile temperature sensor as the major components, design a kind of used to detect the east-northern tiger non-contact infrared remote sensing measurement of body temperature.The instrument can be real-time, safe and fast detection the east-northern tiger body temperature, infrared remote sensing temperature acquisition device can be used to check the east-northern tiger daily signs, decrease the difficulty of the medical guarantee the staff's personal safety.

the east-northern tiger;Infrared;Body temperature;Single chip microcomputer

王偉光， 男，工程師，主任設(shè)計(jì)師，畢業(yè)院校：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，學(xué)歷：本科，現(xiàn)從事工作研究方向：信號(hào)處理、系統(tǒng)架構(gòu)研究。

2017-05-27