紅外傳測溫感器在非接觸耳溫計上的應用

　　本文介紹了一種基于醫用數字紅外傳感器MLX90615的紅外耳溫計設計?；诩t外測溫原理，耳溫計主要由數字紅外傳感器、低功耗CPU、液晶顯示屏和其他外圍電路組成。CPU通過(guò)I2C總線(xiàn)讀取MLX90615采集的紅外輻射信號，將其轉換為對應的人體耳腔溫度值并顯示在液晶屏上。實(shí)驗結果表示，該耳溫計分辨率達到了0.02℃，準確度達到了0.1℃，實(shí)現了耳溫的準確、快速測量。

　　紅外耳溫計的優(yōu)點(diǎn)

　　傳統體溫測量是使用水銀溫度計進(jìn)行接觸式測量，具有性能穩定、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，但存在測量時(shí)間長(cháng)、交叉傳染風(fēng)險大、玻璃破碎易引起汞中毒等缺點(diǎn)。據世強市場(chǎng)經(jīng)理余彪介紹，紅外耳溫計是通過(guò)紅外傳感器采集耳腔和鼓膜的紅外輻射并轉化為數字信號，主控CPU單元將數字信號轉換為溫度值并顯示在液晶屏上。與水銀溫度計相比，紅外耳溫計具有高精度、高分辨率、測量速度快、操作簡(jiǎn)便、安全舒適等優(yōu)點(diǎn)。

　　紅外耳溫計的基本原理

　　下視丘是大腦控制體溫的重要器官，與耳朵最接近。機體深部平均溫度發(fā)生變化，耳朵的溫度也迅速發(fā)生變化，并且耳朵內部為封閉區域， 受外界因素影響小，因此耳溫與體溫最接近。紅外耳溫計通過(guò)測量人體耳道和鼓膜的紅外輻射來(lái)測量人體溫度，其輻射能量密度與溫度的關(guān)系符合斯蒂芬-波爾茲曼輻射定律:

　　E=εσT4 (1)

　　其中，E為輻射出射度，即單位面積所發(fā)射的輻射功率，單位為W/m3;ε為物體的輻射率;σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數;T為物體的熱力學(xué)溫度，單位為K。

　　式(1)表明，物體的溫度越高，輻射功率越大。只要已知物體的溫度和它的輻射率，即可計算出它所發(fā)射的輻射功率。反之，如果測量出物體的輻射功率，即可確定物體的溫度。因此，應用紅外傳感器吸收紅外輻射的原理測量耳腔溫度的儀器，稱(chēng)為紅外耳溫計。紅外傳感器采用串聯(lián)的熱電偶，冷接頭放置在厚的芯片襯底上，熱接頭放置在薄膜上，薄膜吸收紅外輻射，從而產(chǎn)生微弱電信號。根據式(1)的原理， 紅外傳感器的輸出信號為：

　　Vir(Ta，To)=A(T4 o-T4 a) (2)

　　其中，A為總體的敏感度，和傳感器的結構設計有關(guān);To為目標物體的熱力學(xué)溫度，單位為K，由紅外溫度傳感器測出;Ta為環(huán)境的熱力學(xué)溫度，單位為K，需要附加的傳感器測量目標物體的環(huán)境溫度。

　　硬件設計

　　紅外耳溫計依據紅外輻射原理進(jìn)行體溫測量。世強介紹的這款設計，主要由數字紅外傳感器、主控CPU單元、液晶顯示器和其他外圍電路組成，其設計框圖如圖1所示。當按鍵按下時(shí)，數字紅外傳感器將采集到的紅外輻射轉換成數字信號。主控CPU采集的數字信號經(jīng)過(guò)運算后，在液晶屏顯示出耳腔溫度值，并伴隨蜂鳴器鳴叫。

　　圖1 紅外耳溫計設計框圖

　　1、傳感器部分

　　傳感器部分采用數字紅外傳感器MLX90615，主要由紅外熱電堆傳感器、低噪聲放大器、16位模數轉換器和功能強大的DSP 單元等組成，其結構框圖如圖2所示。紅外熱電堆傳感器將采集到的紅外輻射轉化為電信號，并經(jīng)過(guò)低噪聲放大器放大后送給模數轉換器。模數轉換器輸出的數字信號經(jīng)FIR/IIR低通濾波器調理后送入數字信號處理器，數字信號處理器對數字信號運算處理后輸出測量結果并保存在MLX90615內部RAM中，可以通過(guò)SMBus或PWM方式供主控CPU單元讀取。

　　圖2 MLX90615的結構框圖

　　MLX90615具有寬溫度范圍的高精度、高分辨率、發(fā)射率可調節、SMBus兼容的數字接口等優(yōu)點(diǎn)，而作為醫用的MLX90615ESG-DAA在36~39℃的人體溫度范圍內的精確度達到了±0.1℃。MLX90615廣泛應用于高精度非接觸溫度測量、家用溫度控制、衛生保健、多重溫度區域控制等領(lǐng)域。

　　2、主控CPU

　　CPU采用基于A(yíng)RM Cortex-M3的32位微控制器EFM32G842F64。該控制器具有高速可靠、資源豐富、低功耗、寬溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應用于電機控制、醫療保健、手持設備等場(chǎng)合。EFM32G842F64具有64KB的片內Flash程序存儲器、53個(gè)通用I/O引腳、2個(gè)12位A/D轉換器、3個(gè)通用定時(shí)器等外設資源和USART、I2C、SPI等通信接口，能夠滿(mǎn)足紅外耳溫計的設計要求。該設計中微控制器EFM32G842F64主要完成判斷按鍵輸入、紅外傳感器信號的采集與處理、驅動(dòng)液晶屏顯示和蜂鳴器鳴叫等功能。

　　3、液晶顯示器

　　該設計顯示部分采用基于HD44780液晶芯片的通用1602字符型液晶屏， 它是指顯示的內容為16×2，即可以顯示兩行， 每行16個(gè)字符和數字的液晶模塊。液晶顯示屏具有功耗低、體積小、對比度可調、內置字符發(fā)生器、易匹配處理器等優(yōu)點(diǎn)。

　　4、其他外圍電路

　　其他外圍電路部分主要包括按鍵、蜂鳴器等部分。按鍵主要產(chǎn)生中斷信號， 使EFM32G842F64執行紅外溫度檢測功能。蜂鳴器則提示用戶(hù)紅外溫度檢測結束。

　　軟件設計

　　1、程序設計

　　軟件設計采用模塊化程序設計，主要包括：初始化模塊、按鍵檢測模塊、紅外溫度檢測模塊和液晶顯示模塊等，其程序流程如圖3 所示。初始化模塊主要完成復位、通用I/O、中斷、定時(shí)器、I2C 等初始化設置。按鍵檢測模塊主要是檢測按鍵是否按下，從而觸發(fā)外部中斷并執行紅外溫度檢測功能。紅外溫度檢測模塊主要是按照I2C 總線(xiàn)方式對數字紅外傳感器MLX90615 進(jìn)行讀取操作， 并按預定的公式將數字信號轉換成耳腔溫度值。液晶顯示模塊主要是驅動(dòng)液晶顯示器， 將耳腔溫度值顯示在液晶屏上，方便用戶(hù)讀取數據。當溫度值顯示在液晶屏上時(shí)，蜂鳴器鳴叫， 提示溫度測量工作結束。

圖3 程序流程圖

　　2、紅外溫度檢測模塊

　　微控制器EFM32G842F64內部集成了I2C串行接口，因此該設計采用SMBus 兼容方式對紅外傳感器MLX90615進(jìn)行讀寫(xiě)操作。紅外測溫模塊主要包括讀取從地址、設置發(fā)射率、讀取被測物體數據、溫度轉換等步驟，其程序流程見(jiàn)4。在紅外溫度檢測模塊中，EFM32G842F64對數字紅外傳感器MLX90615進(jìn)行讀寫(xiě)操作， 首先讀取紅外耳溫計中從器件MLX90615的子地址(SMBus從動(dòng)器地址默認地址為5Bh)。MLX90615中發(fā)射率出廠(chǎng)設置為1，而人體皮膚發(fā)射率為0.98。為了補償被測物體的發(fā)射率，需要重新設置MLX90615 的發(fā)射率。MLX90615的RAM 單元07h地址存放的是被測物體的溫度值，因此，按照I2C總線(xiàn)時(shí)序讀取多字節數據。MLX90615中讀出的溫度值轉換為攝氏溫度的公式為：

　　To=RAM(07h)0.02-273.15 (3)

　　由于突發(fā)性流行疾病時(shí)常爆發(fā)，傳統的體溫測量方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足人體溫度的測量要求。我們設計的紅外耳溫計采用低功耗的ARM處理器和高精度的數字紅外傳感器，簡(jiǎn)化了硬件和軟件設計任務(wù)，提高了設計的分辨率和精確度，在臨床護理、家庭保健等方面具有廣泛的應用前景。實(shí)驗表明，該設計的分辨率達到了0.02℃，精確度達到了0.1℃，實(shí)現了快速、準確測量人體耳腔溫度的目的。