王伟光

(四川九洲电器集团有限责任公司识别事业部，四川 绵阳 621000)

东北虎体温非接触式红外遥感测量仪设计

王伟光

(四川九洲电器集团有限责任公司识别事业部，四川 绵阳 621000)

体温是东北虎一个重要的生理指标，是判断疾病和生命体征重要的依据。为解决接触式测量东北虎体温造成东北虎不安、狂躁等问题，出于保护东北虎和工作人员安全的角度，本文以单片机为核心，红外热电堆温度传感器为最主要部件，设计了一种用于检测东北虎体温的非接触式红外遥感测量仪。该仪器可以实时、安全、快速地检测东北虎体温，红外遥感温度采集仪可用于东北虎日常体征检查，降低了体检难度，保证了工作人员的人身安全。

东北虎 红外 体温 单片机

引言

东北虎又称西伯利亚虎，隶属亚种虎，是世界上极其珍贵的物种之一，2008年被评为全球十大濒危物种之一。为了对东北虎进行有效的保护，对东北虎的生命体征进行定期检查是有必要的。体温是东北虎一个重要的生理指标，是判断疾病和生命体征重要的依据，尤其是幼虎初生期时比较虚弱，某些形态发育不完全，体温调节能力差[1]。2000年6月，哈尔滨北方森林动物园饲养的东北虎曾因中暑死亡，从发病到死亡只有18min[2]。因此，按时、准确的测量东北虎体温对于动物园的饲养工作是极其重要的。传统测量东北虎体温的方法为“直肠测温法”，该方法对东北虎刺激较大，难以使东北虎保持安静，东北虎受到刺激后可能会对人产生攻击行为，且体温计若消毒不严格易发生疾病的相互传染。而使用麻醉剂对东北虎麻醉后进行体检会影响东北虎生理健康，并且麻醉后所测得的体温较正常体温偏高，苏醒过程中可能出现共济失调现象[3]。为寻求一种为东北虎安全、便捷、快速测量体温的方法，本文设计了一种非接触式红外遥感体温测量仪。

国内外对于使用非接触式测温法早有研究[1,2]在国外，Loughmiller早在1999年便使用近红外成像技术对猪的头部和直肠的温度进行检测，从而可以诊断猪的呼吸道疾病。巴西的Wiedemann于2006年使用热红外仪检测动物的体表温度，以判断动物的健康状况。美国的Kaitlin在2008年利用红外成像仪检测牛的口蹄疫。Wirthgen.T.于2011年使用红外线测温法对奶牛的体温进行测量，用来评估奶牛的健康。日本的K.hirasawa采用红外热图像技术来检测电子设备的局部温度。在国内，浙江大学的孙刚在2001年使用红外检测技术，通过采集母猪体温识别母猪发情率。范映春在2006年使用红外线测温技术对猪的耳体温部进行检测。郑艳欣在2010年设计了基于NRF24E1的奶牛体温无线收发系统，实现了非接触式的体温检测。阳红玉在2015年研发了一套基于红外传感器的无线人体体温检测系统。

2 温度采集仪

2.1 系统构成

东北虎体温非接触式红外遥感温度采集仪，由红外传感器、单片机控制、放大电路、电源、LED显示、串口传输构成。总体结构如图1所示：

图1 总体结构图

该温度采集系统以单片机为控制核心，经过放大器放大供单片机A/D转换，将红外传感器采集到的东北虎体温发送至单片机中，从而可以在LED显示屏上实时显示检测结果，并可以通过串口将采集到的数据上传。

2.2 红外传感器

实现非接触式测量，需要用到红外传感器。本系统选择的红外传感器是GE公司生产的ZTP135S-R型，其工作温度为-20℃—100℃，测量精度为0.1℃。传感器内还集成了负温度系数(NTC)热敏电阻，实现环境温度测量。该电阻的特点为耐振动、响应快、阻值高、体积小、温度特性曲线斜率大等。因为该电阻的阻值较大，所以可以无视引线电阻的影响，因此本系统采用二线制接法，引脚排列图如图2所示。考虑到本设计中要求的量程很窄，该热敏电阻互换性差、量程窄的缺点不会影响系统正常运行。

图2 ZTP135S-R型红外传感器的引脚排列

2.3 单片机控制

本系统采用单片机作为控制核心。由于要求数据处理速度不高，可以使用MCS-51系列的8位单片机，选用ATMEL公司生产的AT89S52型号单片机。该单片机有一个反相放大器，用于构成单片机内部振荡器，XTAL1、XTAL2是放大器输入端和输出端。自激振荡器由陶瓷谐振器和石英晶体构成。本系统采用频率为11.0592MHz的石英晶体振荡器。

2.4 放大电路

因为热电堆的输出电压小(1mV左右)，内阻高(约60K)，所以，选取高输入阻抗的CMOS输入运算放大器(>1012Ω)。本设计的放大器为低功耗精密运算放大器OP07，该放大器具有低漂移、超低失调、高精度、零点失调电压小、电路正比特性好的特点。在OP07放大器的 1、8管脚连接一个电位器实现输入漂移调零，这对于放大低输出信号有良好的效果。放大器的低输入偏置电流约1.8nA，供电范围3V～22V，最大超低失调为150mV。该特点很好地满足了红外传感器对运算放大器的特殊要求。

由于东北虎体温值在34℃～42℃，红外传感器输出电压为0.7 mV～1.5mV，将电压放大3000倍，使传感器输出电压放大至2.1V～4.5V。将放大后的电压输出至单片机进行A/D转换， A/D转换参考电压设置为5V。由于有两路信号需要转换，而AD574只有一个输入通道，考虑采用两个模拟开关实现输入信号的切换，模拟开关选用MC74VHC1G66，电路图如图3所示。

图3 信号放大电路

2.5 电源

考虑到电路中需要+5V、±9V和±15V五种规格的电压，三个三端稳压管W317可得到+5V、+9V和+15V，两个三端稳压管W337可获得-9V和-15V，由两节9V电池供电，另外还可由交流220V整流电路获得直流供电，以备不时之需。

2.6 LED显示

LED显示器是由发光二极管构成的，由3个LED显示块可拼成3位LED显示器。3个LED显示块有3根位选线和8*3根段选线。段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个LED显示块的公共端，它控制该LED显示位的亮、暗。在某一时刻，只允许其中一位的位选线置为选通状态，其余各位的位选线置为关闭状态，并且，段选线输出相应位应显示字符短码。此时，3位LED显示器中只有选通的显示字符，其余两位不显示字符。类似的，在下一时刻，只允许下一个位选线置为选通状态，其余各位的位选线置为关闭状态，连续循环工作，便可使各LED显示器显示所需的字符，尽管这些字符不是在同一时刻显示的，但由于人眼视觉有暂留作用和LED发出的余辉，因此，若显示间隔时间足够短，便可以形成各显示器同时发光的假像，从而达到显示多位字符的目的。

2.7 串口传输

通信接口的总线标准采用RS232C型，使用MAX232芯片，工作电源为+5V单电源，外接电容为0.1μF或1μF。

3 结果讨论与分析

3.1 结果

为检验非接触式红外遥感温度采集仪的准确性，以东北虎为实验对象，分别用水银体温计和红外遥感温度采集系统对东北虎的体温进行采集。水银温度计采用直肠测温法，红外遥感温度采集仪选取毛发较少的腹股沟处，距离1m，测量3次取平均值，将得到的读数进行对比，见表1。

表1 东北虎的体温测量对比

实验结果显示非接触式红外遥感温度采集系统采集到的东北虎的体温低于水银体温计平均相差5.2℃。

3.2 分析

3.2.1 热电偶带来的测量误差

(1)热交换误差

因为热电偶不能和被测对象发生完全的热交换所产生的误差，该误差使得热电偶的热端达不到被测目标温度，这种现象发生主要是由于导热损失和热辐射损失。因为被测物体或被测空间同外界的温度往往不一致，所以会发生热交换。若被测物体的温度比外界温度高，基于发生热辐射的原因，由热电偶所测到的温度会低于实际中的温度。

(2)绝缘不良引起的误差

使用热电偶的过程中，需要注意两个热电极之间和热电极与大地之间的绝缘性都应良好，不然会发生热电势损耗，不能准确地测量出被测物体的温度，严重时甚至会损坏测温仪。

(3)动态误差

被测对象的温度发生改变后，测温仪不能立刻地显示出该温度，从而导致读数存在误差。由于测温仪中热电偶的热惰性，为避免产生较大的动态误差可以使用较小惯性的热电偶，这样在检测温度发生快速变化时，会得到更精确的测量结果。决定动态误差的主要原因为热电偶的时间常数，热电偶的时间常数越大，动态误差越大。并且，热电偶对温度的迅速测定、自动调节及控制有着关键的作用。

3.2.2 热电堆带来的测量误差

系统采用的红外传感器的测温分辨率为0.01mV，在体温为34℃时，测到传感器电压值是0.7mV，在体温为42℃时，测到的传感器电压值是1.5mV，在体温在34℃～42℃之间时，测到的传感器电压值随温度的增加而增加，因此相对误差的最大值为34℃，此时有

Δ=0.01mV÷0.7mV×100%≈0.02%

3.2.3 单片机系统带来的误差

由A/D转换器转换时产生的误差是单片机系统造成误差的主要原因，当某个确定的数字量，经过A/D转换器转换时，得到的理论模拟输入与实际模拟输入之间不同所产生的误差。产生这种误差的主要原因是由多个误差叠加在仪器产生的结果，有偏置误差、量化误差、非线性误差、增益误差等。假设对于某一个理论上准确的数字量D对应的模拟量输入V，根据A/D转换原理可得，对于模拟量输入是V-1LSB/2及V+1LSB/2，转换后得到的数字量结果都是D，此时的误差值通常认为是零。当且仅当模拟量输入不在这个范围内时，得到的数字量依然是D，则认为这种情况下的误差不是零。例如对于模拟量输入为V±1LSB时，转换得到的数字量是D，其误差是±1LSB/2。在n位ADC中

其中VFS为ADC的最大量程的输入电压。在本文中采用的A/D转换器是模拟量单极性输入的12位AD574，从“10Vin”引脚输入输入量，因此得到VFS=10V，所以本系统的A/D转换器转换误差为

当测量温度范围是0-40℃时，引起的最大误差为

4 结论

为更好保护东北虎资源，实时、安全、快速的检测东北虎体温，本文设计一种非接触式红外遥感温度采集仪，着重解决了目前接触式测量东北虎体温容易造成东北虎不安，容易攻击工作人员的问题，并加入检测环境温度的功能，检测东北虎体温工作难度降低，大大提高了工作效率。但仍存在一些不足之处，使得该仪器采集到得体温低于实际目标体温，可以针对测量距离、环境温度等因素增加补偿系数以做出校正[6]。

[1]朱本仁, 夏菊兴. 中国幼虎生长和发育的初步观测[J]. 动物学杂志, 1983, (01): 16-20.

[2]李秀云, 刘小密. 东北虎中暑的诊治与预防[J]. 野生动物, 2012, (02): 89-90+104.

[3]彭仕明, 单芬, 陈武, 黄勉, 蔡勤辉, 花福有. 右美托咪啶与舒泰对圈养虎麻醉效果的观察[J]. 野生动物学报, 2015, (02): 146-150.

[4]胡肄农, 王丰, 王晨辉, 李保全. 动物体温无线测量系统的研究[C]. 中国畜牧兽医学会信息技术分会2014年学术研讨会, 2014: 10.

[5]胡家骏. 红外非接触测温系统设计与实现[D]. 黑龙江大学, 2016.

[6]宋学成, 宁康健. 动物红外线测温仪与兽用玻璃水银体温计测量犬体温效果的对比[J]. 黑龙江畜牧兽医, 2016, (18): 124-125.

责任编辑：徐永飞

校 对：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

王伟光， 男，工程师，主任设计师，毕业院校：哈尔滨工业大学，学历：本科，现从事工作研究方向：信号处理、系统架构研究。

2017-05-27