中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實驗室 王振運(yùn) 孟立凡 張 璐

紅外人體測溫儀

中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實驗室 王振運(yùn) 孟立凡 張 璐

根據(jù)紅外輻射原理設(shè)計一種紅外人體測溫儀，其中紅外傳感器采用了Melexis公司設(shè)計生產(chǎn)的非接觸式紅外傳感器MLX90615。它是一個數(shù)字式紅外傳感器，通過SMBus協(xié)議把測量的溫度數(shù)據(jù)直接傳送給MSP430單片機(jī)進(jìn)行處理，通過LCD液晶顯示相應(yīng)的體溫值，并通過上位機(jī)實時監(jiān)測測量溫度。系統(tǒng)還采用了集成塊ISD1420語音錄放芯片，實現(xiàn)實時報溫功能。該系統(tǒng)測量精度高、方便快捷、數(shù)字化顯示、語音溫度播報等優(yōu)點(diǎn)，使得在大規(guī)模的疫檢和日常保健中發(fā)揮重要的作用。

紅外溫度測量；MLX90615；SMBus；語音播報

引言

在臨床醫(yī)學(xué)中,體溫是一個重要的人體參數(shù),也是觀測人體機(jī)能是否正常的重要指標(biāo)之一,所以體溫測量儀是必不可少的醫(yī)用計量器具。傳統(tǒng)的體溫測量儀主要是水銀式體溫計,主要是通過口腔、腋窩和直腸部位來測量人體的平均溫度。水銀體溫計雖然價格便宜,性能穩(wěn)定,但是存在許多弊端：使用不當(dāng)容易破碎,對人體特別是嬰兒造成危害;測量時必須使其能充分受熱,往往要等待較長時間,所以在大規(guī)模的疫檢中不便使用。

隨著科技的發(fā)展和現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的需要,紅外測溫技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。它是利用人體發(fā)出特定波段的紅外線來測量出人體的溫度。高精度紅外傳感器能快速、準(zhǔn)確、方便地測量出體溫數(shù)值,從而克服了傳統(tǒng)水銀式體溫計的缺點(diǎn),實現(xiàn)了非接觸式無污染體溫測量。無論是在大規(guī)模的疫檢中還是在日常保健中都發(fā)揮了重要的作用。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

非接觸式紅外人體測溫系統(tǒng)采用低功耗MSP430單片機(jī)作為核心控制器,利用非接觸式紅外傳感器MLX90615完成人體溫度采集,LCD1602液晶實時顯示測量溫度值, ISD1420語音模塊實時播報測量溫度值,超限聲光報警功能,并通過串口利用上位機(jī)監(jiān)測溫度值,以便遠(yuǎn)程監(jiān)測。該紅外測溫儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

2.1 MSP430單片機(jī)簡介

MSP430單片機(jī)是一個16位的單片機(jī),采用的是精簡指令結(jié)構(gòu)。在25MHZ晶振驅(qū)動下,實現(xiàn)40ns的指令周期。電源電壓采用的是1.8V～3.6V,芯片電流最低會在165uA左右,系統(tǒng)運(yùn)行時采用不同的工作模式有著不同的功耗。在系統(tǒng)中共有一種活動模式(AM)和五種低功耗模式(LPM0～LMP4)。其內(nèi)部集成了豐富的片內(nèi)外設(shè),如看門狗、定時器、UART、SPI、I2C、ADC、I/O端口等資源。其中P0、P1、P2端口能夠接受外部上升沿或下降沿的中斷輸入。單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。

圖2 MLX90615內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 紅外溫度傳感器模塊

MLX90615是一款由Melexis公司設(shè)計生產(chǎn)的低成本非接觸式紅外溫度測量數(shù)字傳感器。MLX90615內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,其內(nèi)部集成了低噪聲放大器,16位ADC和強(qiáng)大的DSP的MLX90325單元,使得高度集成和高精度測量溫度得以實現(xiàn)。輸出的數(shù)據(jù)和物體的溫度呈線性比例,有較高的精度和分辨率。計算所得到的物體溫度被存儲在MLX90615的RAM單元,此數(shù)值通過串行兩線SMBus兼容協(xié)議獲得。本設(shè)計采用的是Melexis公司特別設(shè)計的醫(yī)學(xué)專用紅外傳感器MLX90615ESG-DDA,其在環(huán)境溫度為20至30℃的條件下,目標(biāo)溫度的測量精度可達(dá)0.2℃,滿足醫(yī)用體溫測量要求。

2.3 語音播報模塊

本設(shè)計中的語音播報模塊采用的核心語音芯片是美國ISD公司生產(chǎn)的ISD1420。其內(nèi)部的128K可編程只讀存儲器是用來存儲語音信息的,最大可分為160段,每小段語音長度是125ms,每段語音都可由A0～A7八根地址線控制輸出。其特點(diǎn)是高保真、錄放結(jié)束自動待機(jī)、錄音數(shù)據(jù)永久保存。ISD1420是采用的是直接模擬信號存儲技術(shù),可反復(fù)錄放20S的語音芯片。

紅外溫度傳感器測量的溫度值是隨機(jī)的,因此,為了能夠播報溫度值,需要事先將0～9、十、點(diǎn)、度十三個音節(jié)錄入到語音芯片中,通過軟件控制組合所要播報溫度音節(jié)的地址,進(jìn)而播報溫度值。

2.4 LCD液晶顯示

紅外溫度數(shù)值是通過液晶LCD1602實時顯示。最佳工作電壓5V,工作電流2.0mA?？梢杂脕盹@示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣液晶模塊,具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低,顯示豐富等優(yōu)點(diǎn)。因其驅(qū)動簡單、顯示清晰、功耗低,符合設(shè)計要求。

2.5 電源部分

系統(tǒng)中需要5V和3.3V兩種電壓要求,其中3.3V電壓由三端線性穩(wěn)壓器LM1117得到。系統(tǒng)設(shè)計了USB和DC兩種供電接口方式。DC接口是為了增加其便攜性,可以將9V鋰電池電壓通過LM317轉(zhuǎn)換成5V,滿足系統(tǒng)供電要求。

2.6 其他外圍電路

其他外圍電路還有按鍵、聲光報警電路和熱釋電紅外電路。按鍵主要是對測溫儀報警溫度值上下限簡單設(shè)置;測得的溫度值超限后LED閃爍、蜂鳴器發(fā)聲,提示作用。熱釋電紅外傳感電路起到溫度測量起始的作用,當(dāng)檢測到人體存在的時候,熱釋電傳感器發(fā)出中斷信號,啟動紅外溫度傳感器采集溫度,當(dāng)檢測到人體離開后自動跳出中斷。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

系統(tǒng)上電之后,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,采用模塊化的程序設(shè)計,主要包括紅外溫度檢測模塊、語音模塊、液晶顯示模塊、串口通信和熱釋電紅外傳感器等。在主函數(shù)中首先對中斷、定時器、I/O口和SMBus傳輸協(xié)議初始化。熱釋電紅外傳感器檢測到人體時,進(jìn)入中斷打開定時器,紅外溫度傳感器開始采集溫度數(shù)據(jù),每20ms讀取一次數(shù)據(jù),1秒鐘時間內(nèi)讀取五次溫度數(shù)據(jù),求其平均值,顯示在液晶顯示屏上,并通過串口發(fā)送到上位機(jī),語音模塊播報當(dāng)前所測溫度值。如果超過所設(shè)溫度范圍,LED閃爍,蜂鳴器發(fā)聲,提示并報警。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

3.1 SMBus數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

紅外溫度傳感器是通過SMBus協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,通過其內(nèi)部的EEPROM設(shè)置。SMBus是一種二線串聯(lián)協(xié)議,對應(yīng)的引腳分別為SCL和SDA。其中SCL為數(shù)字輸入,用作SMBus兼容通信的時鐘信號,SDA兼有數(shù)字輸入輸出。SMBus協(xié)議采用的是主從模式,單片機(jī)為主控制器,MLX90615為從動器件。SMBus數(shù)據(jù)讀寫格式分別見圖4、圖5。其中S為起始位,Slave Address為從器件地址,Wr為寫標(biāo)志,Command為命令字節(jié),Rd為讀標(biāo)志, PEC為出錯數(shù)據(jù)包,P為停止位［2］。

圖4 SMBus讀數(shù)據(jù)格式

圖5 SMBus寫數(shù)據(jù)格式

3.2 溫度采集子程序

本設(shè)計中,只用了一個從器件ML90615,其默認(rèn)地址為5AH,地址存放在00EH單元,當(dāng)系統(tǒng)需要多個從器件時,可以向該單元寫入不同的數(shù)據(jù),以便尋址。

MLX90615有一個ROM和一個EEPROM,都是有16個字長為16的存儲單元,地址都為0H～FH,地址單元都是通過SMBus讀取。其中ROM存儲單元中的7H存儲的是物體溫度To,將讀出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成攝氏溫度值是通過公式To=RAM(7H)×0.02—273.15計算得出。而EEPROM中的3H單元為發(fā)射率,可以設(shè)置為0～1任意值,出廠默認(rèn)為1。其程序流程如圖6所示。

圖6 紅外溫度傳感器程序流程圖

4 實驗結(jié)果與分析

系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試,實現(xiàn)了對人體耳溫的測量。這里是通過與水銀體溫計測量的結(jié)果進(jìn)行對比和分析,紅外溫度計測量耳溫,水銀體溫計測量人體腋下溫度,而人體不同部位的溫度是不一樣的,根據(jù)醫(yī)學(xué)研究,人體正常腋下溫度為34.8～37.3℃,正常耳溫溫度35.9～37.6℃,表明人體在正常情況下腋下溫度比耳溫要高出大約0.5℃。在因素相同的情況下,經(jīng)過多次測量得到多組體溫數(shù)據(jù)表明,水銀體溫計所測出的體溫數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定,其誤差在0.1℃左右,而紅外體溫計靈敏度高、容易受環(huán)境因素的影響,其誤差在0.2～0.3℃左右,測量誤差會大一些。水銀體溫計測量的平均值大約是36.8℃,紅外體溫計測量的平均值大約是37.2℃,相差0.4℃,測量結(jié)果在正常范圍內(nèi),說明方案的可行性。

雖然紅外溫度計受外部條件(環(huán)境溫度、濕度等)和人體(不同年齡、不同時段、不同體質(zhì))因素有影響,但是可以作為人體溫度的初步測量,在火車站、汽車站、學(xué)校、大型娛樂場所等人流密集的場所提供一種安全、快速的體溫測量,對疾病的傳播起到非常重要的作用。

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王振運(yùn)（1990—），男，中北大學(xué)計算機(jī)與控制工程學(xué)院碩士研究生，主要從事智能測試、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。