目录
一、背景
二、原理
2.1红外测温的基础理论
2.2红外测温传感器的一般结构及测温的特点
三、电源模块
PT1301简介
四、红外测温模块
4.1MLX90615简介
4.2红外测温模块电路设计
4.3MCU主控模块
4.4LCD显示模块
4.5 声音提示模块（蜂鸣器模块）
4.6红外测温程序设计
五、误差分析
六、总结与展望
七、参考文献
一、背景
在临床医学中，体温是一个重要的人体生理参数。它是人体生命活动的基本特征，也是观测人体机能是否正常的重要指标之一。所以体温计无论是在日常保健和还是临床诊断中，都是必不可少的医用计量器具。传统的水银体温计是根据液体热胀冷缩的性质来测量人体的温度，虽然它价格便宜、性能稳定，但是也存在许多弊端。
随着科学技术的发展和现代医疗技术的需求，体温测量技术也在不断地改进和提高，随后人们研究出了红外线人体测温仪。它是利用人体发出特定波段的红外线来测量出人体的温度。由于采用了高精度红外传感器和新型微处理器技术，因此它能够快速、准确、方便地测出体温，解决了传统水银式温度计的容易破碎、水银染环境与不易读数等问题。
本人根据红外辐射测温的原理设计并制作了一个红外体温测量系统，其中红外温度传感器采用了Melexis公司设计生产的非接触测量红外温度传感器—MLX90615（DAA型号）。它是一个数字传感器，片上已经集成了温度测量的传感器和相关处理电路，可以通过SMBus协议把测量得到的温度数据直接传送给AVR单片机（ATmega32A）进行处理，然后通过LCD模块显示相应的体温值。此系统最高的测量精度可达到±0.2°C左右，而且具备方便快捷的测量功能和清晰易懂的数字化显示方式。这都使得它无论在大规模的疫检，还是在日常保健中发挥重要的作用。 关键词： 红外温度测量，MLX90615，SMBus，AVR单片机
二、原理
2.1 红外测温的基础理论
在自然界中，一切温度高于绝对零度（-273.15°C）的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 红外线是电磁波谱的一部分，这一波段位于可见光和微波之间。根据普朗克辐射定律，凡是绝对温度大于零度的物体都会向外辐射电磁波，物体的辐射强度与温度及表面辐射能力有关，辐射的电磁波谱分布与物体温度密切相关。在电磁波谱中，我们把人眼可直接感知的0.4 ~ 0.76µm波段称为可见波段，而把波长从0.76 ~ 600µm的电磁波称为红外波段。而
红外区通常又可分为近红外区（0.76 ~ 1.5μm）、中红外区（1.5 ~ 10µm）和远红外区（10µm以上）。近年来，红外辐射技术已成为一门发展迅速的新兴学科。它已经广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。
J·D哈里认为，人体辐射能量与皮肤表面温度及辐射率有关。一般活体皮肤光谱范围约为3 ~ 50µm，其中大部分能量集中在8~14µm波段内，峰值波长约为9.5µm。虽然人体生物波普分布范围比较宽，但在非能量集中区域的信号强度较低，尤其远端波段的数值极小。经科学检测，不管人体的肤如何，干燥皮肤的红外辐射率均为0.98，近似为黑体。根据Planck定律，其波长主要分布在2.5 ~ 25µm红外波段范围内，根据Wien定律λm·T=2898（Kµm），人体皮肤辐射的峰值波长同样约为9.5µm。
其中黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。但是，自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体，为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称“黑体辐射定律”。
（1）、辐射的光谱分布规律—普朗克辐射定律：
一个绝对温度为T（K）的黑体，单位表面积在波长λ附近单位波长间隔内向整个半球
空间发射的辐射功率（简称为光谱辐射度）Mλ，T与波长λ、温度T满足下列关系：
Mλ，T = C1（eC2/λT – 1）-1 （2-1）
式中C1、C2分别为第一、第二辐射常数。普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。
（2）、斯忒藩（德）— 波尔兹曼（奥）（Stefan—Boltzmann）定律：
物体的总辐射率，即单位面积发射总功率与黑体温度的四次方及材料表面的发射率成正比。其数学表示如下：
W =σεT4 （2-2）
其中：σ=5.67×10-8w/m2·K4，为Stefan—Boltzmann常数，ε为材料表面发射率。
（3）、辐射的空间分布规律—氧化挂具朗伯余弦定律：
所谓的朗伯余弦定律，就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比：
Iθ = Iocosθ （2-3）
此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检测时，应尽可能选择在被测表面法线方向最大值的cosθ倍。坐式安全带
（肛门充气4）、基尔霍夫（Kirchhoff）辐射定律与发射率：
在相同温度下实际物体与黑体的辐射出度之比来表示该物体的一种特性，可以称之为实际物体的发射率，也叫做全发射率，用ε表示。数学表示为：
ε = M / Mo （2-4）
式中：M为实际物体的辐射出度，Mo为相同条件下黑体的辐射出度。
基尔霍夫定律揭示了热平衡下物体的辐射与吸收的关系，指出了一个好的吸收体也是一个好的辐射体。可以用以下公式表达：
ε = α （2-5）
由此可以看出，任何处于热平衡下物体的吸收率等于发射率，即物体的辐射本领越大其吸收本领也越大。
如图是某水上打捞船
而为了减少测量物体温度的误差，我们要去除环境温度因素的影响，所以修正的红外辐射定律如下：
E = σε（TO4 - TA4） （2-6）
式中：E为辐射出射度数，单位W/m3；σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；ε为物体的辐射率；TO为物体的温度，单位K；TA为物体周围的环境温度，单位K；只要测量出所发射的E的值，就可计算出对应的温度。
利用这个原理制成的温度测量仪器叫红外测温仪。这种测量不需要与被测对象接触，因此
属于非接触式测温。在不同的温度范围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0~100°C）范围，能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪器，其具体的设计也不同。根据式（2-6）的原理，仪器所测得的红外辐射为：
E = Aσε1ε2（TO 4 –TA 4） （2-7）
式中：A为光学常数，与仪器的具体设计结构有关；ε1为被测对象的辐射率；ε2为红外温度计的辐射率；TO为被测对象的温度（K）；TA为红外温度计的温度（K）；
2.2红外测温传感器的一般结构及测温的特点
某些晶体材料，当其受热时温度升高，在晶体两端产生数量相等符号相反的电荷；晶体冷却，产生的电荷符号则与温度升高时相反。这种由于热变化产生的电极化现象称作热释电效应。红外感应源通常采用热电堆元件，这种元件在接收到人体红外辐射时，由于自身温度变化，导致产生电荷或电势差，再利用一定的电路将该电信号进行处理放大并处理就可以得出要测量的温度值。
其中温差电堆由若干热电偶串联组成，热电偶传感器测定温度与输出电压的关系的测温点在接收到红外辐射能量后温度升高，因为“塞贝克效应”而产生热电动势，其输出电压和测定点的温度近似成正比例关系，这是红外温度传感器测量体温所依据的基础。
同时为减少太阳光等可见光对传感器的影响，在传感器的前面要加上滤光片，只让红外光通过。滤光片的波长可通过下式计算：λ=2898/T。式中：λ（µm）是波长，T（K）是绝对温度。人体的正常温度取为37°C，则T =310K；λ=9.35µm。通常选用波长为6 ~ 14 µm衣架制作的光学滤光片，其带通特性有利于温度的测量。
（1）、远距离和非接触测量：红外测温不需要与被测物体接触，并可远距离测量，它特别适合于高速运动物体、旋转体、带电体和高温高压下物体的温度测量。同时也适合用于人体测温。
（2）、响应速度快：红外测温不像常规温度计那样，需要与被测量物体接触以达到热平衡状态才能得到正确的温度数据。它只要接收到目标的红外辐射即可测量，其响应速度在毫秒甚至微秒数量级。
（3）、灵敏度高：因为物体温度的微小变化会引起辐射功率的较大变化，容易被红外测温传感器探测，所以红外测温的可测温差很小，可达零点零几摄氏度。
（铱-1924）、准确度高：红外测温是非接触测量，不破坏物体本身的温度分布，因此所测温度相对较为准确。
（5）、测温范围广：测温范围可从负几十摄氏度到正几千摄氏度。
三、电源模块
3.1 PT1301简介
PT1301是一款最低启动电压可低于1V的小尺寸高效率升压DC/DC转换器，采用自适应电流模式PWM控制环路。PT1301内部包含误差放大器、斜坡产生器、比较器、功率开关和驱动器。PT1301能在较宽的负载电 流范围内稳定和高效的工作，并且不需要任何外部补偿电路。PT1301的启动电压可低于1V，因此可满足单节干电池的应用。PT1301内部含有2A功率开关，在使用锂电池供电时最大输出电流可达 300mA，同时 PT1301 还提供用于
驱动外部功率器件（NMOS 或 NPN）的驱动端口，以便在应用需要更大负载电流时，扩展输出电流。同时500KHz的开关频率可缩小外部元件的尺寸。其输出电压由两个外部电阻设定。最小的低静态电流是14μA，再加上高效率，可使电池使用更长时间。其特点如下所示:
