红外体温装置的设计

前言：

随着2003年非典的袭击，在我国迅速诞生了一支专门抗击非典的医疗仪器队伍，特别是在红外体温检测仪的研发方面取得了突出的成就。国家相关部门也在重点强调非接触式体温计的研发。生理参数是人体最重要、最基本的生命指标,对危重病人进行生命指标参数的监测是医务工作者及时了解病情状况的重要手段之一,它有利于对有生命危险的伤病员进行及时有效的治疗和抢救处理。体温是人体最基本的生理参数，对于日常护理和病情检测都是非常重要的。有许多疾病都能通过体温的变化来预测。

本文主要设计了一种红外体温装置，其中要解决问题有：体温信号的非接触测量、微弱电压信号的放大、传感器的环境温度补偿等。其中体温测量选用带温度补偿功能的红外热电堆温度传感器ZTP135S-R；电压放大利用低失调、低漂移的精密运算放大器OP07；环境温度软件补偿，A/D转换、系统控制等功能都用AVR单片机mega16实现。

1. 系统的硬件设计

本文所设计的红外体温装置包括以下几个硬件模块：传感器、放大电路、电源、单片机控制、显示。

1.1传感器模块

图2 ZTP135S-R 外观图 图3 传感器底部管脚图

红外温度传感器是利用热电偶的原理，测量的是目标物与传感器或者说是环境的温度之间的差值。本设计所使用的红外温度传感器为GE公司生产的ZTP135S-R，其原理是被测物体的辐射能经过窗口和光阑聚焦在接收元件（热电堆）的受热片上，受热片上有60只串连的热电偶，每只热电偶的热端在受热片的中央部位围成一圈，焊接在一起，从引线出来就可以得到所有电偶的热电势之和。它的输出电压成线性关系。其内阻为60KOhm ± 30%，敏感度：65V/W ± 30%，探测灵敏度：1.4E08 cmHz^(1/2)/W 

1.2放大电路模块

本设计所采用的放大器是低功耗精密运算放大器OP07，它的特点是超低失调、低漂移、高精度，电路正比特性好，零点失调电压小。OP07可以通过在1、8管脚之间加上一个电位器进行输入漂移调零，这对于低输出的信号的放大效果非常好。其低输入偏置电流为1.8nA，供电范围为3V到22V，超低失调的最大值为150mV。它的性能正好解决了红外温度传感器对运放的特殊要求。由于热电堆的内阻较高(约60K )，而输出电压又非常小(1mV左右)，须使用具有高输入阻抗(＞1012 )的CMOS输入运算放大器。

 

 

因为测量的人体温度在34～42℃范围内，传感器的输出电压范围为0.7～1.5mV，采用两极放大的形式，将电压放大3000倍，即放大后电压为2.1～4.5V，以供单片机A/D转换，单片机的A/D转换参考电压选择5V。电路图如下：

图6信号放大电路

 

1.3电源模块的设计

本设计所采用的电压为5v和正负9v。在设计时，应用集成整流电桥KBP307代替四个二极管。集成稳压器7805、7809、7909分别实现5V,+9V,-9V电压的输出。使电路能得到稳定的电压，提供给单片机，放大器和传感器。

1.4 AVR单片机外围电路

  本仪器中AVR单片机（ATMega16）的作用主要是AD转换，并将采样结果进行处理，最后输出显示数据。key1为系统控制开关，key2为复位开关。LCD的8条数据线接PB口；控制线RS，R/W，EN分别接PD0，PD1，PD3；LCD的背光灯由PD4控制。蜂鸣器由PD5控制。

图7 mega16外围电路图

2．系统的软件设计

本装置所采用的是AVR单片机进行编程的，主要程序思想是开机后（复位），单片机开始工作，进行I/O口、T/C1、 ADC、MCU的初始化，单片机进入工作模式。LCD显示产品信息，5秒后开定时器。若在30秒钟内控制键无按键动作则自动关机，若在30秒内控制键有按下且时间达4秒，进行按键关机，若按键时间不足4秒，则进入测温程序：关定时器，将模拟信号进行A/D转换，在将多次A/D转换结果取平均值，经D/A转换后再将电压值转换为相应温度值，调用LCD显示函数进行温度结果显示，并让结果显示维持2秒。开定时器，再进入工作模式。当系统进入休眠模式后（关机后），INT0中断（即控制键有按键动作）

仍然可以唤醒系统，条件是：连续按键达4秒，就可以开机，进入工作模式。

由于mega16自带有A/D转换，这样硬件电路就可以节省A/D转换元件了。按键按下，进入ADC程序；关计时器，则在整个A/D转换过程中不会产生时钟溢出中断；MCUCR=0x50使能ADC，并设置为ADC噪声抑制模式；ADCSRA|=0x40，即将 ADCSRA中的ADSC置位，启动ADC；执行sleep指令即进入ADC噪声抑制模式；ADC转换完后即进入ADC中断服务程序，此中断服务程序的作用为将转换结果存放于开辟的存储变量里。

本装置还设计了睡眠模式，可以使应用程序关闭MCU 中没有使用的模块，从而降低功耗。AVR 具有不同的睡眠模式，允许用户根据自己的应用要求实施剪裁。进入睡眠模式的条件是置位寄存器MCUCR 的SE，然后执行SLEEP 指令。经过启动时间，外加4 个时钟周期后， MCU 就可以运行中断例程了。然后返回到SLEEP 的下一条指令。唤醒时不会改变寄存器文件和SRAM 的内容。如果在睡眠过程中发生了复位，则MCU 唤醒后从中断向量开始执行。

本装置利用AVR来对LCD进行控制，字符型液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块。使用的是深圳耀宇公司字符型液晶显示模块YM1602C，能够显示16×2个字符。其驱动控制器是KS0066U。本设计LCD显示功能程序单独写在头文件 lcd.h中，方便主程序直接调用。LCD与mega16的接线为：8条数据总线与PB口相接，RS接PD0，R/W接PD1，E接PD3。

向LCD写一个数据的程序：

void Write_Data(unsigned char Data)

{

 RW_W;

 RS_H;

 LCDDDR=0xFF;

 LCDPORT=Data;

 En_Toggle();

 Wait_Until_Read();

}

设定R/W=0，即向LCD写入信息;RS=1, 输入数据→将数据口设为输出；将待显示的数据写入数据口→产生一个使能脉冲→不断检测LCD的忙标志（BF），知道其为0，表示可以执行下条指令。

程序流程图如下：

3．小结：

红外体温计是通过测量耳朵鼓膜或者额头的辐射亮度，非接触地实现对人体温度的测量。只需将探头对准内耳道或额头，按下测按钮，仅有几秒钟就可得到测量数据，非常适合急重病患者、老人、婴幼儿等使用。耳道式体温计是根据黑体辐射原理通过测量人体辐射的红外线而测量温度的。它用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线而不向人体发射任何射线，它采用的是被动式且非接触式的测量方式，因此红外体温计不会对人体产生辐射伤害。

本设计采用耳道为测量部位，由于探头对准内耳道，测量的影响因素较少。其突出优点是：控制简单，只需要一个按键就可以实现对系统的开机、关机和测温操作。显示直观，运用字符型LCD显示，可以对产品信息，开机、关机、和操作等动作以英文提示，就弥补了数码管只能显示数字的缺陷，达到比较直观的目的。合理的利用了传感器的特性进行了一次实践，但由于设计者的水平有限，有待提高。还可以扩展其他功能：如时钟，测量值的存储，根据时间、年龄、性别等的不同来设定发热温度。

我国是世界第一大人口大国，随着国民对医疗卫生要求的不断提高，医疗电子类产品的需求量不断增大，产品具有广阔的市场前景。希望有志之士投入到医疗电子的研发中去，提高我国医疗代电子类产品的实力。

 

参考文献：

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[6] 杜晓兰、吴宝明、刘彦、何庆华、肖剑. 呼吸、体温两生理参数检测电路的设计. 生物医学工程学杂志，2001.18(4)∶538～540 [7]张俐. 高精度耳式体温计.日本医学介绍，2001年第22卷第10期

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