鐘 君，蔡黎明，于 涌

(中國科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州215163)

0 引 言

溫度監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智能家居以及醫(yī)療保健行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用［1，2］，尤其是在醫(yī)療設(shè)備研制領(lǐng)域，非接觸、精度高、響應(yīng)快且可無線傳輸?shù)臄?shù)字化溫度監(jiān)控系統(tǒng)，能夠為提高醫(yī)療設(shè)備的性能指標(biāo)提供有效依據(jù)。

目前，溫度監(jiān)控系統(tǒng)仍主要采用基于熱電阻或熱電偶的模擬方式和基于集成電路的數(shù)字式，模擬測量方式技術(shù)成熟，但響應(yīng)速度慢，需要專用電路進行信號調(diào)理，使得裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜。DS18B20 等數(shù)字式溫度采集方式［3，4］雖然具有集成度高、數(shù)據(jù)采集方便等優(yōu)點，但是精度較低，且與鉑電阻器測溫等方式同屬于接觸式測量，在醫(yī)療設(shè)備研制的某些特殊領(lǐng)域，無法達到污染隔離的要求。

本文測溫系統(tǒng)采用超低功耗MSP430 單片機作為控制核心［5］，利用紅外溫度傳感器MLX90614 完成溫度采集［6］，并通過藍牙技術(shù)實現(xiàn)收發(fā)模塊的無線數(shù)據(jù)傳輸［7，8］，該方式具有測量精度高、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)集成度高和無線傳輸?shù)葍?yōu)點，而且屬于非接觸無污染式測量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)總體分為采集發(fā)送和接收顯示兩個子系統(tǒng)，采集發(fā)送子系統(tǒng)具體包括CPU 核心模塊、電源模塊、測溫模塊和發(fā)送模塊。接收顯示子系統(tǒng)具體包含CPU 核心模塊、電源模塊、接收模塊、液晶顯示模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊。該無線測溫系統(tǒng)的原理如圖1 所示。

圖1 無線測溫系統(tǒng)框圖Fig 1 Block diagram of wireless temperature measurement system

2 主要元器件選型

2.1 處理器

本系統(tǒng)選用MSP430F449 單片機，支持JTAG 接口在線編程調(diào)試，非常適用于智能儀表、電池供電的便攜設(shè)備。

2.2 數(shù)字式溫度傳感器MLX90614

MLX90614 是由Melexis 公司生產(chǎn)的數(shù)字式紅外溫度傳感器，直接輸出完全線性化的并已對環(huán)境溫度進行補償?shù)臄?shù)字溫度。本系統(tǒng)選用MLX90614DAA 醫(yī)療設(shè)備專用型器件，溫度測量范圍為-40～+125 ℃，溫度分辨率為0.02 ℃。在人體體溫范圍+32 ～ + 42 ℃時，測量的絕對精度為0.2 ℃，該器件具有2 種溫度輸出方式:數(shù)字PWM 輸出和SMBus 接口輸出。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計原理如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖Fig 2 Principle diagram of system hardware design

3.1 電源模塊

采集發(fā)送模塊采用9 V 鋰電池供電，接收顯示模塊采用外部5 VDC 供電，兩模塊電路其他部分所需的3.3 V 電壓通過使用LDO 線性電壓穩(wěn)壓器LM1117—3.3 得到，采集發(fā)送模塊設(shè)計了基于N 溝道增強型場效應(yīng)管SI2300 的電源防反電路，并通過R2，R3 兩只電阻器進行分壓監(jiān)測電池電量狀況。

3.2 溫度采集模塊

MLX90614 采用二線制的SMBUS 協(xié)議與單片機通信，通過2 只100 kΩ 的上拉電阻器將SDA，SCL 與單片機的P1.5，P1.6 引腳相連。

3.3 藍牙透傳模塊

本系統(tǒng)選用了廣州匯承公司生產(chǎn)的HC—06 型主從一體型藍牙透傳模塊，低電壓3.3 V 工作，利用MSP430F449的串口O 與其通信，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)UART 串口與藍牙串口之間的數(shù)據(jù)透明傳輸。

3.4 液晶顯示模塊

接收顯示子系統(tǒng)中選用了一種基于HT1621 的段式LCD 顯示模塊0173，3.3 V 電壓供電，利用MSP430F449 的P1.0，P1.1 和P1.2 普通IO 端口與CS，WR 和DADA 引腳相連，通過模擬SPI 通信，將需要顯示信息按一定數(shù)據(jù)格式傳輸?shù)?173 顯示模塊的指定地址內(nèi)存。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)字式紅外溫度傳感器MLX90614 雖然集成度高，簡化了硬件電路設(shè)計要求，但其所采用的二線制SMBus 協(xié)議對合理的邏輯時序提出了較高的要求［9］。

4.1 SMBus 協(xié)議

SMBus 是一種二線串行協(xié)議，對應(yīng)的引腳為SDA 和SCL，SDA 兼有數(shù)字輸入輸出功能，SCL 是數(shù)字輸入，用作通信時鐘信號，SMBus 協(xié)議允許主控制器與一個或是一個以上的從動器件通信。

MLX90614 作為從動器件，其數(shù)據(jù)通信格式如圖3 和圖4所示，圖中陰影部分表示數(shù)據(jù)傳輸方向為從器件到主器件，白色部分表示從主器件到從器件。其中:S 為起始位(1b);Slave Address 為從器件地址(7b);Wr 為寫標(biāo)志(1b，0 表示“寫”);Rd 為讀標(biāo)志(1b，1 表示“讀”);A 為應(yīng)答位(1b);Command 為命令字節(jié)(8b);Sr 為重復(fù)起始位(1b);PEC 為校驗數(shù)據(jù)包(8b);P 為停止位(1b)。

圖3 SMBus 讀數(shù)數(shù)據(jù)格式Fig 3 Read data format of SMBus

圖4 SMBus 寫入數(shù)據(jù)格式Fig 4 Write data format of SMBus

MLX90614 SMBus 時鐘的最大頻率為100 kHz，最小為10 kHz，SDA 的數(shù)據(jù)必須在SCL 為低時改變。在SCL 的上升沿，MD 和SD 的數(shù)據(jù)被讀出，在SCL 為低電平的中間時刻改變數(shù)據(jù)。

4.2 溫度采集程序

以下為讀取溫度數(shù)據(jù)值的程序段，并對程序做簡要說明:

5 實驗測試

采用高精度水銀溫度計與該測溫系統(tǒng)對同一個保溫杯內(nèi)的水溫進行測量，并根據(jù)水銀溫度計的值將水溫控制在32～42 ℃之間，在實驗進行時將外房實驗室的溫度控制在設(shè)定溫度附近。為了減小熱交換產(chǎn)生的長期溫度漂移影響，每次測量時間間隔不宜過長，本文實驗中間隔為5 s。

用水銀溫度計將水溫標(biāo)定在35 ℃和38 ℃，圖5 和圖6分別是該測溫系統(tǒng)的實測曲線，從以上數(shù)據(jù)可以看出:MLX90614DAA 的測溫精度能達到±0.2 ℃。但值得注意的是在測溫時，探頭的前端要盡量靠近被測對象，保持在1～2 cm的范圍內(nèi)。如果超出2 cm，顯示的溫度值將快速遞減;當(dāng)距離擴大到60 cm 以上時，所測值趨近氣溫［10］?？紤]到在測低溫物體的表面溫度時，可以人為控制測溫的距離，因此，基本符合要求。

圖5 35 ℃測量數(shù)據(jù)Fig 5 Measurement datas at 35 ℃

圖6 38 ℃測量數(shù)據(jù)Fig 6 Measurement datas at 38 ℃

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一個基于紅外溫度傳感器MLX90614 的無線溫度采集系統(tǒng)，采用超低功耗MSP430 單片機作為控制核心，并通過藍牙透傳模塊進行無線通信，該溫度采集系統(tǒng)具有非接觸、響應(yīng)快和精度高等特點，實驗表明:在人體體溫32～42 ℃附近范圍內(nèi)，測量精度達±0.2 ℃，但在使用時還需要根據(jù)特定的環(huán)境進行改善，這樣就能克服傳感器對測量環(huán)境要求高的弊端，對醫(yī)療設(shè)備研制具有十分重要的意義。

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