紅外體溫裝置的設計

前言：

隨著(zhù)2003年非典的襲擊，在我國迅速誕生了一支專(zhuān)門(mén)抗擊非典的醫療儀器隊伍，特別是在紅外體溫檢測儀的研發(fā)方面取得了突出的成就。國家相關(guān)部門(mén)也在重點(diǎn)強調非接觸式體溫計的研發(fā)。生理參數是人體最重要、最基本的生命指標,對危重病人進(jìn)行生命指標參數的監測是醫務(wù)工作者及時(shí)了解病情狀況的重要手段之一,它有利于對有生命危險的傷病員進(jìn)行及時(shí)有效的治療和搶救處理。體溫是人體最基本的生理參數，對于日常護理和病情檢測都是非常重要的。有許多疾病都能通過(guò)體溫的變化來(lái)預測。

本文主要設計了一種紅外體溫裝置，其中要解決問(wèn)題有：體溫信號的非接觸測量、微弱電壓信號的放大、傳感器的環(huán)境溫度補償等。其中體溫測量選用帶溫度補償功能的紅外熱電堆溫度傳感器ZTP135S-R；電壓放大利用低失調、低漂移的精密運算放大器OP07；環(huán)境溫度軟件補償，A/D轉換、系統控制等功能都用AVR單片機mega16實(shí)現。

1. 系統的硬件設計

本文所設計的紅外體溫裝置包括以下幾個(gè)硬件模塊：傳感器、放大電路、電源、單片機控制、顯示。

1.1傳感器模塊

1.2放大電路模塊

本設計所采用的放大器是低功耗精密運算放大器OP07，它的特點(diǎn)是超低失調、低漂移、高精度，電路正比特性好，零點(diǎn)失調電壓小。OP07可以通過(guò)在1、8管腳之間加上一個(gè)電位器進(jìn)行輸入漂移調零，這對于低輸出的信號的放大效果非常好。其低輸入偏置電流為1.8nA，供電范圍為3V到22V，超低失調的最大值為150mV。它的性能正好解決了紅外溫度傳感器對運放的特殊要求。由于熱電堆的內阻較高(約60K )，而輸出電壓又非常小(1mV左右)，須使用具有高輸入阻抗(＞1012 )的CMOS輸入運算放大器。

因為測量的人體溫度在34～42℃范圍內，傳感器的輸出電壓范圍為0.7～1.5mV，采用兩極放大的形式，將電壓放大3000倍，即放大后電壓為2.1～4.5V，以供單片機A/D轉換，單片機的A/D轉換參考電壓選擇5V。電路圖如下：

1.3電源模塊的設計

本設計所采用的電壓為5v和正負9v。在設計時(shí)，應用集成整流電橋KBP307代替四個(gè)二極管。集成穩壓器7805、7809、7909分別實(shí)現5V,+9V,-9V電壓的輸出。使電路能得到穩定的電壓，提供給單片機，放大器和傳感器。

1.4 AVR單片機外圍電路

本儀器中AVR單片機（ATMega16）的作用主要是AD轉換，并將采樣結果進(jìn)行處理，最后輸出顯示數據。key1為系統控制開(kāi)關(guān)，key2為復位開(kāi)關(guān)。LCD的8條數據線(xiàn)接PB口；控制線(xiàn)RS，R/W，EN分別接PD0，PD1，PD3；LCD的背光燈由PD4控制。蜂鳴器由PD5控制。

2．系統的軟件設計

本裝置所采用的是AVR單片機進(jìn)行編程的，主要程序思想是開(kāi)機后（復位），單片機開(kāi)始工作，進(jìn)行I/O口、T/C1、 ADC、MCU的初始化，單片機進(jìn)入工作模式。LCD顯示產(chǎn)品信息，5秒后開(kāi)定時(shí)器。若在30秒鐘內控制鍵無(wú)按鍵動(dòng)作則自動(dòng)關(guān)機，若在30秒內控制鍵有按下且時(shí)間達4秒，進(jìn)行按鍵關(guān)機，若按鍵時(shí)間不足4秒，則進(jìn)入測溫程序：關(guān)定時(shí)器，將模擬信號進(jìn)行A/D轉換，在將多次A/D轉換結果取平均值，經(jīng)D/A轉換后再將電壓值轉換為相應溫度值，調用LCD顯示函數進(jìn)行溫度結果顯示，并讓結果顯示維持2秒。開(kāi)定時(shí)器，再進(jìn)入工作模式。當系統進(jìn)入休眠模式后（關(guān)機后），INT0中斷（即控制鍵有按鍵動(dòng)作）

仍然可以喚醒系統，條件是：連續按鍵達4秒，就可以開(kāi)機，進(jìn)入工作模式。

由于mega16自帶有A/D轉換，這樣硬件電路就可以節省A/D轉換元件了。按鍵按下，進(jìn)入ADC程序；關(guān)計時(shí)器，則在整個(gè)A/D轉換過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生時(shí)鐘溢出中斷；MCUCR=0x50使能ADC，并設置為ADC噪聲抑制模式；ADCSRA|=0x40，即將 ADCSRA中的ADSC置位，啟動(dòng)ADC；執行sleep指令即進(jìn)入ADC噪聲抑制模式；ADC轉換完后即進(jìn)入ADC中斷服務(wù)程序，此中斷服務(wù)程序的作用為將轉換結果存放于開(kāi)辟的存儲變量里。

本裝置還設計了睡眠模式，可以使應用程序關(guān)閉MCU 中沒(méi)有使用的模塊，從而降低功耗。AVR 具有不同的睡眠模式，允許用戶(hù)根據自己的應用要求實(shí)施剪裁。進(jìn)入睡眠模式的條件是置位寄存器MCUCR 的SE，然后執行SLEEP 指令。經(jīng)過(guò)啟動(dòng)時(shí)間，外加4 個(gè)時(shí)鐘周期后， MCU 就可以運行中斷例程了。然后返回到SLEEP 的下一條指令。喚醒時(shí)不會(huì )改變寄存器文件和SRAM 的內容。如果在睡眠過(guò)程中發(fā)生了復位，則MCU 喚醒后從中斷向量開(kāi)始執行。

本裝置利用AVR來(lái)對LCD進(jìn)行控制，字符型液晶顯示模塊是一類(lèi)專(zhuān)用于顯示字母、數字、符號等的點(diǎn)陣型液晶顯示模塊。使用的是深圳耀宇公司字符型液晶顯示模塊YM1602C，能夠顯示16×2個(gè)字符。其驅動(dòng)控制器是KS0066U。本設計LCD顯示功能程序單獨寫(xiě)在頭文件 lcd.h中，方便主程序直接調用。LCD與mega16的接線(xiàn)為：8條數據總線(xiàn)與PB口相接，RS接PD0，R/W接PD1，E接PD3。

向LCD寫(xiě)一個(gè)數據的程序：

void Write_Data(unsigned char Data)

{

RW_W;

RS_H;

LCDDDR=0xFF;

LCDPORT=Data;

En_Toggle();

Wait_Until_Read();

}

設定R/W=0，即向LCD寫(xiě)入信息;RS=1, 輸入數據→將數據口設為輸出；將待顯示的數據寫(xiě)入數據口→產(chǎn)生一個(gè)使能脈沖→不斷檢測LCD的忙標志（BF），知道其為0，表示可以執行下條指令。

程序流程圖如下：

3．小結：

紅外體溫計是通過(guò)測量耳朵鼓膜或者額頭的輻射亮度，非接觸地實(shí)現對人體溫度的測量。只需將探頭對準內耳道或額頭，按下測按鈕，僅有幾秒鐘就可得到測量數據，非常適合急重病患者、老人、嬰幼兒等使用。耳道式體溫計是根據黑體輻射原理通過(guò)測量人體輻射的紅外線(xiàn)而測量溫度的。它用的紅外傳感器只是吸收人體輻射的紅外線(xiàn)而不向人體發(fā)射任何射線(xiàn)，它采用的是被動(dòng)式且非接觸式的測量方式，因此紅外體溫計不會(huì )對人體產(chǎn)生輻射傷害。

本設計采用耳道為測量部位，由于探頭對準內耳道，測量的影響因素較少。其突出優(yōu)點(diǎn)是：控制簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)按鍵就可以實(shí)現對系統的開(kāi)機、關(guān)機和測溫操作。顯示直觀(guān)，運用字符型LCD顯示，可以對產(chǎn)品信息，開(kāi)機、關(guān)機、和操作等動(dòng)作以英文提示，就彌補了數碼管只能顯示數字的缺陷，達到比較直觀(guān)的目的。合理的利用了傳感器的特性進(jìn)行了一次實(shí)踐，但由于設計者的水平有限，有待提高。還可以擴展其他功能：如時(shí)鐘，測量值的存儲，根據時(shí)間、年齡、性別等的不同來(lái)設定發(fā)熱溫度。

我國是世界第一大人口大國，隨著(zhù)國民對醫療衛生要求的不斷提高，醫療電子類(lèi)產(chǎn)品的需求量不斷增大，產(chǎn)品具有廣闊的市場(chǎng)前景。希望有志之士投入到醫療電子的研發(fā)中去，提高我國醫療代電子類(lèi)產(chǎn)品的實(shí)力。

參考文獻：

[1] 蔡鍵新、張唯真.生物醫學(xué)電子學(xué).1997.6

[2] 彭承琳.生物醫學(xué)傳感器原理及應用.高等教育出版社，2000

[3] 丁鎮生.傳感及其遙控遙測技術(shù)應用.電子工業(yè)出版社.2002.5

[4] 丁化成、耿德根、李君凱．AVR單片機應用設計，北京航空航天大學(xué)出版社，2002

[5] 沈國彥、宋平. 紅外溫度計測量體溫方法探討. 儀表技術(shù)，2003年第3期

[6] 杜曉蘭、吳寶明、劉彥、何慶華、肖劍. 呼吸、體溫兩生理參數檢測電路的設計. 生物醫學(xué)工程學(xué)雜志，2001.18(4)∶538～540 [7]張俐. 高精度耳式體溫計.日本醫學(xué)介紹，2001年第22卷第10期

[7] 陳井國. 談體溫檢測的幾個(gè)問(wèn)題. 生物學(xué)教學(xué)2002年(第27卷)第7期

[8] John G.Webster:Medical Instrumentation,Aplication and Design,Boston,Houghton Mifflin Company,1978

[9] Joseph J.Carr,et al.:Introduction to Biomedical Equipment Technology,New York,JohnWeiley sons,1981

[10] Welkwitz W.et al.: Biomedical Instruments,Theory and Design, New York, Academic Press Inc.,1976