基于數(shù)字式紅外熱電堆傳感器的耳溫儀設(shè)計

【作 者】謝海源，錢明理

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院資產(chǎn)管理部，上海市，200092

2013年1月19日，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署正式宣布了全球第一部限制汞排放的國際公約—《國際防治汞污染公約》。公約規(guī)定2020年前應(yīng)逐步淘汰某些含汞醫(yī)療設(shè)備，水銀體溫計也在被淘汰之列。醫(yī)學(xué)研究指出，以耳溫代表體溫，其準(zhǔn)確性超過口腔和腋下[1]?？深A(yù)見，采用耳溫測量儀器替代水銀溫度計將是未來發(fā)展的一個趨勢。本設(shè)計為一款基于MLX90615醫(yī)用級數(shù)字式紅外熱電堆傳感器和STC89LE52的電子耳溫測量儀，經(jīng)測試達(dá)到了較好的測量效果。

1 紅外熱電堆傳感器的測量原理

任何物體表面都會輻射出紅外線，紅外熱電堆傳感器吸收紅外線能量并輸出一個與溫度成比例關(guān)系的電壓信號。傳感器的核心一般有兩部分組成，熱電堆和熱敏電阻。測量原理和實物分別如圖1、圖2所示。

圖1 傳感器原理圖Fig.1 Sensor schematics

圖2 傳感器實物圖Fig.2 Sensor picture

熱電堆利用紅外線輻射熱效應(yīng)，多數(shù)情況下是通過賽貝克效應(yīng)來探測輻射，將輻射轉(zhuǎn)化為電壓后進(jìn)行測量。該電壓的變化為mV級。熱敏電阻用于感知環(huán)境的溫度變化即背景溫度，可通過分壓，將電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?。兩個測量電壓通過計算即可獲得實測溫度[2]。設(shè)輸出電壓為，電壓與溫度的函數(shù)關(guān)系為[3]：

式中T0為被測物體溫度，單位為K；Ta為背景溫度，單位為K；ε為被測物體發(fā)射率；C為與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。

2 紅外熱電堆傳感器的選型

傳統(tǒng)的紅外熱電堆傳感器為兩路模擬輸出，信號需要經(jīng)過濾波、放大和A/D轉(zhuǎn)換后才能送入MCU進(jìn)行計算。采用模擬傳感器電路設(shè)計較為復(fù)雜，使用器件多，占用空間較大；而且需要考慮阻抗匹配、器件溫漂、噪聲、動態(tài)范圍等一系列的問題，穩(wěn)定性不好；軟件設(shè)計上，需要開辟一個較大內(nèi)存空間用于存放兩張二維數(shù)據(jù)表[4]，用于進(jìn)行溫度與電壓轉(zhuǎn)換，而單片機內(nèi)部存儲空間有限，一般不建議這么做。常見的模擬傳感器有10TP583T、TS118-3、ZTP135S-R等。

近年來逐漸有數(shù)字式的紅外熱電堆傳感器推出，如MELEXIS公司、TI公司的傳感器等。數(shù)字式傳感器在出廠前都經(jīng)過了調(diào)試，避免了模擬傳感器的諸多問題，MCU可根據(jù)輸出信號，直接計算出被測體溫度，非常的方便。而且數(shù)字式傳感器外形和體積與模擬傳感器基本相同。一款數(shù)字式紅外熱電堆傳感器的內(nèi)部線路圖[6]如圖3所示。

圖3 數(shù)字式紅外熱電堆傳感器Fig.3 Digital infrared thermopile sensor

人體輻射的紅外線以波長為(9～10)μm之間為最強，其輻射能量與距離成反比[5]。根據(jù)人體輻射的這些特性，綜合各廠家傳感器的特點，選取了MELEXIS公司生產(chǎn)的MLX90615醫(yī)用級數(shù)字式紅外熱電堆傳感器，該傳感器內(nèi)部集成了紅外熱電堆傳感器和信號處理器，出廠校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存在傳感器內(nèi)部的E2PROM中。該傳感器在目標(biāo)溫度在(36～39)oC時測量精度達(dá)到±0.1oC，分辨率0.02oC，完全可以用于醫(yī)療診斷。該傳感器有4個管腳，典型連接方式如圖4所示。

圖4 典型連接Fig.4 Typical connection

3 硬件電路設(shè)計

得益于數(shù)字式紅外熱電堆傳感器，硬件電路可以大大的得到簡化?？紤]到傳感器的工作電壓為3 V，常用紐扣電池的電壓也為3 V，所以單片機選用3.3 V供電的STC89LE52單片機。該單片機屬于51系列單片機，對于小型系統(tǒng)的開發(fā)，完全能滿足需要。

溫度傳感器數(shù)據(jù)傳輸采用SMBUS協(xié)議。單片機P2.6和P2.7兩個引腳分別連接傳感器SCL(時鐘線)和SDA（數(shù)據(jù)線）。單片機為主機，產(chǎn)生控制時鐘，并控制數(shù)據(jù)的傳輸方向。

體溫顯示精度為0.1oC，液晶顯示采用4位段碼液晶，配合HT1621LCD驅(qū)動芯片。HT1621以32×4 bit的格式儲存所顯示的數(shù)據(jù)。RAM的數(shù)據(jù)直接映射到LCD驅(qū)動器，可以用READ、WRITE和READZMODIFY-WRITE命令訪問。芯片可由軟件配置成1／2或1／3的LCD驅(qū)動器偏壓和2、3或4個公共端口，這一特性使HT1621適用于多種LCD應(yīng)用場合。具體硬件連接方式如圖5所示。

圖5 HT1621的硬件連接Fig.5 HT1621 hardware’s connection

其他硬件設(shè)計還包括帶有穩(wěn)壓芯片的電源、采用中斷方式連接的測量按鍵，用于測量完成提示的蜂鳴器和發(fā)光二極管等。整體硬件連接如圖6所示。

圖6 硬件連接示意圖Fig.6 System connection diagram

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用Keil uVision4平臺，C51語言進(jìn)行設(shè)計。軟件設(shè)計主要分為三個部分。第一部分為數(shù)據(jù)的測量和計算；第二部分為測量結(jié)果的顯示；第三部分為空閑狀態(tài)下掉電模式和喚醒模式的設(shè)計。軟件系統(tǒng)執(zhí)行示意圖，如圖7所示。

圖7 程序執(zhí)行流程Fig.7 Program flow diagram

設(shè)計的重點為數(shù)據(jù)通信協(xié)議編程。MLX90615支持了兩種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，SMbus和PWM。這里采用SMbus協(xié)議。系統(tǒng)管理總線(SMBus)是一個兩線接口，一條時鐘線SCL和一條信號線SDA。SMBus可被用來連接各種設(shè)備，包括電源相關(guān)設(shè)備，系統(tǒng)傳感器，EEPROM通訊設(shè)備等等。它基于I2C操作原理，傳輸方式與I2C基本相同。

STC89LE52單片機并不具備SMBus接口，所以該功能由軟件實現(xiàn)。單片機為主機，傳感器為從機。單片機從傳感器的RAM中的0X7H地址中讀取溫度值，通過轉(zhuǎn)換公式直接計算目標(biāo)體溫度。一般情況下，單片機只需要進(jìn)行讀操作即可。如果需要進(jìn)行特殊操作，可進(jìn)行寫操作。一般不建議進(jìn)行寫操作，因為廠家出廠的校驗數(shù)據(jù)保存在傳感器的E2PROM中，一旦被修改將不能恢復(fù)。讀操作的時序如圖8所示。

圖8 SMBus協(xié)議的讀操作Fig.8 SMbus protocol of reading operation

數(shù)據(jù)傳輸程序?qū)崿F(xiàn)代碼段：

5 系統(tǒng)測試

采用Altium Designer 9.0進(jìn)行電路板設(shè)計。對系統(tǒng)響應(yīng)時間進(jìn)行測試，基本為瞬間響應(yīng)，沒有較長延時。實際測試電路如圖9所示。對測量耳溫的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性進(jìn)行測試。測試人數(shù)15人，其中正常體溫5人，發(fā)燒病人10人，每人各測量5次，每次間隔3 min，測量結(jié)果與口腔溫度計進(jìn)行比較。經(jīng)比較，系統(tǒng)測量溫度與口表溫度基本一致，最大誤差為0.2oC，測試溫度穩(wěn)定性在±0.1oC以內(nèi)，詳見圖11。

圖9 實際測試電路Fig.9 Testing circuit

圖10 測量口溫與耳溫比較Fig.10 Temperature comparison of two methods

6 分析和展望

經(jīng)實測，雖然結(jié)果還是比較好的，但是還是有一些可以改進(jìn)的地方。

首先，51系列單片機相對較落后，單片機不具有I2C協(xié)議接口，需要模擬實現(xiàn)，使得程序量大量增加，調(diào)試的時候不容易發(fā)現(xiàn)程序中的錯誤，耗費大量的精力。就目前的單片機產(chǎn)品中，可以使用AVR或者PIC單片機進(jìn)行開發(fā)。

其次，雖然采用了數(shù)字式溫度傳感器，但其在低電壓狀態(tài)下工作情況還需要進(jìn)一步考證，特別是低電壓情況下對溫度測量準(zhǔn)確性的影響。

最后，如果作為一款產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)，外觀的設(shè)計也是相當(dāng)重要的。本項目只進(jìn)行了電路系統(tǒng)的開發(fā)，未進(jìn)行外觀的設(shè)計。

[1]張衛(wèi)華,呂月娥.紅外秒速耳溫計設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題[J].微機發(fā)展,2003,13(9): 98-99.

[2]傅中君,侯雪亞.基于TS118-1的無接觸式人體體溫計的實現(xiàn)[J].江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報,2007,13(2): 6-10.

[3]龐建瑩,施云波,修德斌,等.基于紅外傳感器的電器火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010(3): 64-66,100.

[4]SEMITEC.10TP583T infra red thermometer datasheet[EB/OL].www.sensor-ic.com,2004-1-21.

[5]帕孜來.馬哈木提.應(yīng)用于人體探測的紅外溫度傳感器[J].新疆工學(xué)院學(xué)報,1998,19(1),78-81.

[6]MELEXIS.MLX90615 infra red thermometer datasheet[EB/OL].http://www.melexis.com,2012-8-30.