一種測量準確的體溫數據采集裝置的設計

2 概述

生活中有一部分人處于“亞健康”狀態(tài)。亞健康，按中醫觀(guān)點(diǎn)而論是身體已經(jīng)出現了陰陽(yáng)、氣血、臟腑營(yíng)衛的不平衡狀態(tài)。按照西醫的觀(guān)點(diǎn)。這些不平衡狀態(tài)表現為體溫、體重、心率、血壓、尿液成份等人體生理信號在一段時(shí)間里發(fā)生了不正常的變化。分析一段時(shí)間的信號變化數據，就可以對一個(gè)人的健康狀態(tài)做出比較客觀(guān)的判斷。體溫數據已經(jīng)成為評判“亞健康”的重要指標之一。

為了客觀(guān)準確地進(jìn)行體溫檢查，醫學(xué)上不少學(xué)者對檢查部位和方法的選擇進(jìn)行了多方面的研究，常見(jiàn)的檢查部位和方法如下：口腔測溫、腋窩測溫、直腸內測溫、鼓膜測溫等。除了上述方法外，還可以在背部肩腳間、腹部、腹股溝、肘窩和手部等部位進(jìn)行測溫，但不常用。臨床測溫常用水銀體溫計和紅外耳溫計，但兩者的測量時(shí)間差異很大，前者需要幾分鐘才能穩定，而后者僅需幾秒。紅外耳溫計測溫快而準，而且獲取的是中樞神經(jīng)系統的溫度，是人體的核心體溫，在正常體溫和輕度低溫情況下耳溫均能反映實(shí)際的溫度。但是，世面上推出的紅外耳溫計均沒(méi)有配置串口通信功能，無(wú)法實(shí)現數據通信、自動(dòng)保存數據和溫度曲線(xiàn)繪制功能，大大限制了溫度檢測的自動(dòng)化進(jìn)程。

本文所設計的體溫數據采集裝置采用紅外耳溫測量方法，另外，為了實(shí)現對體溫數據自動(dòng)記錄存儲以及一段時(shí)間的溫度曲線(xiàn)觀(guān)測，設計了紅外耳溫計與PC機的通信以及上位機軟件。體溫檢查時(shí)。用戶(hù)從平臺的耳溫計托盤(pán)上將紅外耳溫計取出，并按下耳溫計開(kāi)關(guān)，然后將紅外測溫頭插人耳道并向下壓使之完全貼合，按下“start”按鍵，耳溫計的顯示屏上相應地顯示本次檢查結果。當用戶(hù)將耳溫計放回托盤(pán)時(shí)，借助耳溫計的重量按下安裝在托盤(pán)上的行程開(kāi)關(guān)，單片機系統就會(huì )將檢測結果通過(guò)串口傳輸到PC機，PC機自動(dòng)進(jìn)行數據保存，將溫度數據保存到數據庫中。通過(guò)一段時(shí)間的體溫檢測。在PC機上自動(dòng)繪制溫度數據曲線(xiàn)，可以反映出一段時(shí)間內人體體溫的變化，作為評判“亞健康”的標準之一。

采用這種方法設計的體溫數據采集裝置已應用在“智能馬桶系統”中，表現出使用方便、檢測精度高、穩定性好、測量自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

3 紅外測溫原理與紅外溫度傳感器

紅外測溫是利用測量物體所輻射出來(lái)的輻射能量來(lái)測量物體溫度，它的理論依據是斯蒂芬一玻爾茲曼定律：物體的溫度越高，它所輻射出來(lái)的能量越多。當溫度為T(mén)時(shí)，物體在所有波長(cháng)上(物體的輻射幾乎包括所有的波長(cháng))的總輻射強度W為：

式中wλ―溫度為T(mén)(K)的物體，在波長(cháng)為λ處的分譜輻射強度，單位為(W／cm2.μm)；

c1―第一輻射常數；c1=3.741510-12(W／cm2)

c2―第二輻射常數；c2=1.4388(cm2?K)

ελ―分譜比輻射率，與物體的材料、表面情況及波長(cháng)有關(guān)；

σ―斯蒂芬一玻爾茲曼常數，σ=5.669710-12[(W／cm2).T4]；

T―物體的絕對溫度，單位K；

ε―物體表面的法向比輻射率，絕對黑體ε=1.0。非絕對0ε1.0；

λ――熱輻射發(fā)射的電磁波波長(cháng)。

峰值輻射波長(cháng)λm與物體自身的絕對溫度T成反比，即

λm=2897／T(μm)　　 (2)

此式稱(chēng)為維恩位移定律。表明溫度越高，它的峰值輻射波長(cháng)向短波方向移動(dòng)(即波長(cháng)越短)。

由(2)式可知，物體的溫度越高，所輻射的輻射功率愈大。顯然，在物體表面的法向比輻射率已知的情況下，根據(1)式只要能測量出物體所輻射的輻射功率，便可確定物體的溫度。

紅外溫度傳感器由光學(xué)系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成，結構框圖如圖l所示。光學(xué)系統匯聚其視場(chǎng)內的目標紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定，紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?，該信號?jīng)過(guò)放大器和信號處理電路，并按照儀器內部的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。

圖l中的光學(xué)系統有兩個(gè)作用：(1) 把被測量處的紅外線(xiàn)集中到檢測元件上；(2) 把進(jìn)入儀表的紅外線(xiàn)發(fā)射面限制在固定范圍內，檢測元件把紅外線(xiàn)能量轉換為電信號，信號處理單元針對檢測元件輸出的信號用電子技術(shù)和計算機技術(shù)進(jìn)行處理，變成人們需要的各種模擬和數字量信息，通信單元把結果傳輸給單片機。

4 系統的硬件設計

體溫數據采集系統總體結構如圖2所示。系統硬件設計包括TN紅外測溫傳感器接入、單片機、按鍵、LED＼LCD顯示、PC機與單片機通信部分。單片機采用凌陽(yáng)公司推出的16位SPCE061A系列單片機。LED顯示采用7段LED數碼管，LCD液晶采用凌陽(yáng)公司的SPLC50l液晶模塊。設計兩種顯示方式：LED顯示和LCD顯示。

TN紅外測溫傳感器接入部分采用SPI編程，通過(guò)SPCE061A I／O口的控制，將所測得的溫度接收到SPCE061A中來(lái)處理。其測量范圍：-33℃～220℃，精度：0.3℃；響應時(shí)間：0.5 s。

按鍵部分：通過(guò)PIA8和GND接按鍵，按鍵啟動(dòng)測溫，LED／LCD顯示數據。溫度數據一直顯示，直到重新啟動(dòng)測量更新數據。

LED／LCD顯示部分：在LED顯示中，通過(guò)SP-LC501的IOAO-8輸出段選碼,IOBO-3輸出4位位選碼。LCD顯示中，通過(guò)IOAO-8輸出8位數據，IOB9接單片機的CS1，IOB4接A0,IOB5接R／W,IOB6接EP。

PC與單片機的通信：采用MAX232電平轉換電路，IOB7接MAX232的ROUT2，IOB10接DIN2。

5 通信協(xié)議

體溫采集裝置采用收、發(fā)、地三線(xiàn)的方式通信，工作方式采用主從方式。PC機為主機，耳溫計為從機。下位機采用中斷方式接收和發(fā)送數據幀，下位機通過(guò)與COM1口連接與PC機進(jìn)行通信。通信規則如下：

(1) 由主機下傳，從機應答上傳，從機必須在一定時(shí)間內對主機發(fā)出的任何命令應答。

(2) 一次發(fā)送4個(gè)字節，每個(gè)字節代表一定的功能，每個(gè)字節為十六進(jìn)制值。

(3) 主機下傳操作命令，從機上傳主機發(fā)的執行命令。表示從機收到主機執行命令。主機下傳讀寫(xiě)數據命令，從機按返回數據格式上傳。

(4) 從機收到命令或數據，如果校驗和錯，不發(fā)上傳命令或數據。通信協(xié)議如表1所列。

6 系統軟件設計

應用程序采用模塊化編程，便于調試和移植。鍵盤(pán)掃描采用查詢(xún)方式，串口通信采用中斷方式。下位機系統軟件流程圖如圖3所示。

體溫檢測數據通過(guò)串行口通信傳送到計算機，計算機對數據進(jìn)行采集和處理，本系統用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行基于PC機平臺的軟件設計。上位機軟件采用NI公司推出的LabVIEW軟件。LabVIEW是一種基于圖形的集成化程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現了虛擬儀器的概念，它是一套專(zhuān)為數據采集與儀器控制、數據分析和數據表達而設計的圖形化編程軟件，增強了用戶(hù)在標準計算機上配以高效經(jīng)濟的硬件設備來(lái)構建自己的儀器系統的能力。

本系統使用串行端口子模塊編程，在LabVIEW中實(shí)現串口通信可以調用硬件接口模塊(InstrumentI／O)中的VISA和Serial子模塊。上位機接收數據幀，對數據幀進(jìn)行分解處理得到溫度數據。并對數據進(jìn)行自動(dòng)保存。上位機發(fā)送控制命令啟動(dòng)下位機，并同時(shí)接收下位機傳輸的4byte數據幀，也可以接收下位機鍵盤(pán)啟動(dòng)檢測后傳輸過(guò)來(lái)的4byte數據幀。對于按照通信協(xié)議產(chǎn)生的數據幀可以在LabVIEW中利用GDI編程實(shí)現從數據幀格式中提取出溫度數據的十位、個(gè)位以及小數點(diǎn)后一位，并且自動(dòng)進(jìn)行數據的文本記錄，方便查看。LabVIEW設計的前面板調試界面如圖4所示。

7 結束語(yǔ)

本文設計的紅外溫度檢測系統體積小，結構簡(jiǎn)單可靠，使用十分方便。將紅外傳感器部分單獨制作成手持式耳溫計，通過(guò)延長(cháng)線(xiàn)(可達2 m)，可以十分方便地進(jìn)行大量的體溫檢測。通過(guò)在PC機上進(jìn)行數據保存分析，可以繪制一段時(shí)間的體溫變化曲線(xiàn)。通過(guò)對驗證機的實(shí)驗，發(fā)現系統運行穩定，溫度測量準確，檢測自動(dòng)化程度高。本系統特別適合在醫院、大型公共場(chǎng)合使用，也可以應用于家庭。