張秀再 陳彭鑫 吳華娟 宋楠楠

(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，南京 210044)

?

非接觸式紅外體溫計*

張秀再1，2陳彭鑫1吳華娟1宋楠楠1

(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，南京 210044)

本文設(shè)計了一種非接觸式的體溫計，系統(tǒng)利用紅外溫度傳感器ZTP-148SR實現(xiàn)對體溫信號和環(huán)境溫度信號的非接觸檢測，AT89S52控制ADC0809CCN對調(diào)理后的兩路信號進行分時采集和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的兩路數(shù)字信號經(jīng)過單片機處理，將最終得到的目標(biāo)體溫及其所處的環(huán)境溫度并顯示在LCD12864上。當(dāng)待測體溫超過設(shè)定閾值時，啟動蜂鳴報警。該體溫計響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定、讀數(shù)方便，可以達到實時監(jiān)測的目的，適合醫(yī)院和家庭護理使用。

ZTP—148SR；非接觸；體溫計；實時監(jiān)測

0 引言

溫度計是日常家庭必備和臨床醫(yī)學(xué)的基本醫(yī)用器具。遠紅外技術(shù)的發(fā)展使非接觸式體溫測量成為可能，紅外體溫計解決了傳統(tǒng)體溫計必須接觸測量的問題。它不易受到環(huán)境等因素的干擾，性能穩(wěn)定、讀數(shù)方便，可以測量人的面部或頭部溫度以達到實時監(jiān)測的目的，適合老人、兒童及病人監(jiān)護使用，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

要實現(xiàn)體溫的非接觸式測量，紅外溫度傳感器起著至關(guān)重要的作用，依照現(xiàn)代醫(yī)療器件的設(shè)計準(zhǔn)則和故障檢測非接觸技術(shù)指標(biāo)[2-5],并利用熱電堆紅外溫度傳感器的熱電偶測量紅外輻射的原理，設(shè)計了一種基于人體紅外輻射原理的非接觸式紅外體溫計。該體溫測量系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心控制部件，包含紅外溫度傳感器ZTP-148SR構(gòu)成的體溫信號和環(huán)境溫度信號的非接觸檢測電路、儀表放大器構(gòu)成的微弱信號放大電路、溫度補償及放大電路、ADC0809CCN構(gòu)成的多路信號A/D電路、LCD12864構(gòu)成的液晶顯示電路及閾值報警電路等模塊電路，根據(jù)現(xiàn)行的紅外體溫測量的技術(shù)指標(biāo)和功能要求，詳細介紹了系統(tǒng)的電路設(shè)計及相關(guān)理論推導(dǎo)過程和軟件設(shè)計。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1.1 測量系統(tǒng)

利用熱電堆紅外溫度傳感器ZTP-148SR實現(xiàn)對體溫信號和環(huán)境溫度信號即溫差熱電堆微弱的電壓信號和電熱調(diào)節(jié)器的熱敏電阻信號的非接觸檢測。由AT89S52控制實現(xiàn)對調(diào)理后的兩路信號進行分時A/D轉(zhuǎn)換并采集，采集到的兩路數(shù)字信號經(jīng)過單片機處理，將計算得到的目標(biāo)體溫及其環(huán)境溫度顯示在LCD上。當(dāng)所測體溫超過設(shè)定閾值時，啟動報警電路進行報警。系統(tǒng)的總體框圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

1.2 調(diào)理電路

1.2.1 溫差熱電堆放大電路

ZTP-148SR紅外熱電堆溫度傳感器的內(nèi)阻非常高(60kΩ～111kΩ),輸出電壓非常小(僅1mV左右)，如此微小的電信號容易受到外界因素干擾，且不易檢測和處理，所以需要進行必要的調(diào)理和放大以提高信號的信噪比。

由ZTP-148SR的特性知，溫差熱電堆的輸出電壓與目標(biāo)物溫度的關(guān)系滿足0.09mV/℃(室溫為25℃)。該非接觸式紅外體溫計的精度可以達到0.3℃，即紅外溫度傳感器的最小輸出電壓為0.027mV，若選用8位的ADC，參考電壓Vref為5V，ADC的最小分辨電壓為

(1)

則該溫差熱電堆放大電路的增益需為19.53/0.027=723.3倍，因為該紅外傳感器的電熱調(diào)節(jié)器輸出存在±3%(室溫為25℃)的誤差,該溫差熱電堆放大電路的增益需要控制在700.1～745.0倍之間。

AD620是常用的一種儀表放大器，具有高精度(最大非線性度40×10-6)、低失調(diào)電壓(最大50μV)和低失調(diào)漂移(最大0.6μV/℃)的特點，且噪聲系數(shù)低、輸入偏置電流低和功耗低。另外，利用外接的增益控制電阻可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，增益最大可達1000倍[6]。

根據(jù)設(shè)計的需要和AD620的基本特性，內(nèi)部兩個增益電阻均為24.7kΩ，設(shè)G為放大倍數(shù),則G與外部增益控制電阻R1(kΩ)的關(guān)系為

(2)

若溫差熱電堆放大電路增益G在700.1～745.0范圍，由公式(2)可得外部增益控制電阻R1的取值范圍為0.0664～0.0706kΩ。為了便于調(diào)試溫差熱電堆放大電路增益，選用100Ω的滑動變阻器作為外部增益控制電阻。因此，AD620構(gòu)成的溫差熱電堆放大電路如圖2所示。

圖2 溫差熱電堆放大電路

1.2.2 溫度補償及放大電路

ZTP-148SR紅外熱電堆溫度傳感器內(nèi)部具有標(biāo)準(zhǔn)負溫度系數(shù)的電熱調(diào)節(jié)器，可以看作對熱電堆進行溫度補償?shù)臒崦綦娮瑁眠\算放大器構(gòu)成普通的熱電堆橋式溫度補償電路，將電熱調(diào)節(jié)器輸出的信號轉(zhuǎn)化成電壓信號并進行線性放大。該溫度補償與放大電路選用內(nèi)部具有四個獨立運放的LM324，供電電壓范圍為3V～32V，直流電流為普通運放直流電流的1/5。溫度補償電路如圖3所示。

圖3 溫度補償及放大電路

根據(jù)熱敏電阻公式

Rt=R0·exp[β·(1/T-1/T0)]

(3)

式(3)中，Rt為熱敏電阻在T溫度(環(huán)境溫度為T0)下的阻值；橋式電阻R0=100kΩ，β=3960；R0為熱敏電阻在T0=25℃時的標(biāo)稱阻值100kΩ；β為熱敏電阻的固定參數(shù)β取3960。

根據(jù)圖3的電熱調(diào)節(jié)器溫度補償及放大電路，可推導(dǎo)出該溫度補償及放大電路的輸出電壓Uo與電熱調(diào)節(jié)器的輸出電阻Rt之間的關(guān)系為

(4)

式中，5(單位：V)為電路的直流電壓；R2=100kΩ，R3=100kΩ，R4=1kΩ。

為了確定熱電堆的輸出電壓與環(huán)境溫度的關(guān)系，將該紅外溫度傳感器置于不同的環(huán)境溫度下，測量并記錄該溫度補償及放大電路的輸出電壓Uo、電熱調(diào)節(jié)器輸出的熱敏電阻Rt和環(huán)境溫度T0(℃)的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1Uo-Rt-T0關(guān)系表

由表1可知，在一定的范圍內(nèi),電熱調(diào)節(jié)器輸出的熱敏電阻信號與環(huán)境溫度近呈似線性關(guān)系，利用線性關(guān)系可以方便地簡化目標(biāo)體溫算法,并在設(shè)定溫度范圍內(nèi)(36℃～42℃)對紅外溫度傳感器進行溫度補償，從而消除環(huán)境因素對目標(biāo)體溫測量的影響。由表1的記錄數(shù)據(jù),溫度補償及放大電路輸出電壓Uo與環(huán)境溫度T0的關(guān)系可以近似表示為

UO=-0.034×(T0-68.65)

(5)

1.2.3 目標(biāo)物體溫的計算方法

ZTP-148SR紅外溫度傳感器在25℃室溫下輸出的微弱電壓和目標(biāo)物的溫度的關(guān)系曲線如圖4所示，橫坐標(biāo)為目標(biāo)物的體溫;縱坐標(biāo)為溫差熱電堆輸出的微弱電壓。

該系統(tǒng)的目標(biāo)體溫測量范圍為36℃～42℃。由圖4可知，在此溫度范圍內(nèi)，溫差熱電堆的輸出電壓和目標(biāo)物的溫度近似呈線性關(guān)系。

若記溫差熱電堆放大電路的輸出電壓為Ug,那么溫差熱電堆輸出的微弱電壓U表示為

U=Ug/G

(6)

圖4 溫差熱電堆的輸出電壓-目標(biāo)物體溫

為了得出溫差熱電堆輸出電壓(反映目標(biāo)物紅外輻射的能量)與目標(biāo)體溫的關(guān)系，實驗并記錄溫差熱電堆的輸出電壓U在不同的待測體溫T下的測量值，U-T關(guān)系如表2所示。結(jié)合表1的數(shù)據(jù),經(jīng)過一定的近似處理和計算，可以推導(dǎo)出在25℃的環(huán)境溫度下，溫差熱電堆的輸出電壓U和目標(biāo)物體溫T的線性關(guān)系為

U=0.08×T-1.95

(7)

式中，溫差熱電堆的輸出電壓U的單位為mV；待測體溫T的單位為℃。

經(jīng)推導(dǎo)，環(huán)境溫度T0和目標(biāo)物體的溫度T可以分別表示為

(8)

(9)

由式(8)、(9)可知，只要測出紅外熱電堆放大電路的輸出電壓Ug和電熱調(diào)節(jié)器溫度補償及放大電路的輸出電壓Uo，就可以計算出目標(biāo)體溫T及其所處的環(huán)境溫度T0，實現(xiàn)目標(biāo)體溫的非接觸式測量。同時，通過溫度補償也在一定程度上消除了環(huán)境因素對體溫測量的影響。

1.4 多路A/D電路

在溫度信號采集及轉(zhuǎn)換過程中，一方面對這兩路模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，另一方面對溫差熱電堆放大電路輸出的電壓信號和溫度補償及放大電路輸出的電壓信號進行分時采集。

ADC0809CCN的引腳及與AT89S52的接口電路的如圖5所示。A/D轉(zhuǎn)換所需要的時鐘信號由內(nèi)部定時器0產(chǎn)生(工作方式為8位自動重載)，啟動信號ST、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC、輸出允許信號OE分別接單片機的P1.0、P1.1、P1.2，A/D輸出的數(shù)字信號通過P2口輸入單片機進行處理。

圖5 多路A/D轉(zhuǎn)換電路

2 軟件設(shè)計

如圖6所示的主程序流程，系統(tǒng)首先對定時器、I/O口、液晶等進行初始化設(shè)置，然后判斷是否復(fù)位，復(fù)位后進入多路開關(guān)控制程序，選通輸入信號后，對信號進行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，通過計算得到環(huán)境溫度及測量體溫，體溫若超出閾值，啟動蜂鳴報警并顯示，最后返回初始化，程序反復(fù)進行循環(huán)檢測。

圖6 主程序流程圖

3 實驗結(jié)果

系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件的調(diào)試以后并進行實驗和數(shù)據(jù)對比。實驗分甲、乙兩組分別進行，甲組是在室溫(25℃)條件下對不同體溫的人體進行測試；乙組是在不同環(huán)境溫度下對不同體溫的人體進行測試。兩組測量結(jié)果均與水銀溫度計測試的參考人體溫度進行對比，實驗測試結(jié)果如表3所示。由表3實測數(shù)據(jù)可知，受環(huán)境溫度的影響，甲組測試的數(shù)據(jù)比乙組測試的數(shù)據(jù)穩(wěn)定度要高。

表3 實驗測量結(jié)果表

4 結(jié)論

該系統(tǒng)實現(xiàn)了非接觸式人體溫度實時監(jiān)測，能夠?qū)崟r監(jiān)測無自理能力人員的體溫變化，以便護理人員方便了解其體溫變化狀況；當(dāng)體溫達到所設(shè)置閾值時，系統(tǒng)自動發(fā)出報警信息。非接觸式紅外體溫監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用可以節(jié)省大量的人力物力，提高監(jiān)測效率。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有一定的現(xiàn)實意義和實用價值。

[1] 王勇，朱曉榮，賈永興.基于WiFi的體溫檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012,38(10):119-121

[2] ASTM E1965-98(2003)，Standard Specification for Infrared Thermometers for Intermittent Determination of Patient Temperature[Z].2003

[3] 原遵東，段宇寧，王鐵軍等.發(fā)燒人群篩檢用紅外溫度計的檢測與技術(shù)要求[C].2007’儀表，自動化及先進集成技術(shù)大會論文集，2003

[4] 柏成玉，原遵東，王鐵軍.紅外耳溫計的校準(zhǔn)[J].計量技術(shù)，2007(4)：46-49

[5] 原遵東.紅外輻射溫度計瞄準(zhǔn)的平面輻射源模型[J].計量學(xué)報，2014，35(5)：434-439

[6] 楊建強，廖凡.高精度差動放大器AD620構(gòu)成的四頻差動激光陀螺數(shù)字穩(wěn)頻系統(tǒng)[J].電光與控制，2009,16(7):62-64

*江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項目(14KJB510019，14KJB120007)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項目(13KJA510001)；高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進工程項目(JHB2012-9)；江蘇省自然科學(xué)青年基金項目(BK20141004)。

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.02