智能輪椅床的多方位紅外體溫檢測系統設計*

劉繼忠，賀清云，張 華，姚靖靖

（南昌大學江西省機器人與焊接自動化重點實驗室，江西南昌 330031）

0 引言

近年來，隨著社會的進步，科技的發展，人們對產品的智能性要求越來越高，同時對身體的健康狀況也日益重視，而體溫是人體生命活動的基本特征，也是觀察人體機能是否正常的重要指標之一，是標準化較強、測量也較為方便的一種生理信號。因此，在輪椅床上設計一種具有智能測量體溫并報警的系統尤為重要，這也減輕了護理人員的負擔，為將來實現網絡化的遠程監護打下了基礎。

本系統選擇三星公司的ARM9芯片S3C2410作為中央處理器，TPS334作為非接觸式測溫的傳感器，目的是設計并實現一個由嵌入式設備完成的應用在輪椅應上的多方位體溫檢測系統。

1 硬件設計

用于測量溫度的傳感器有接觸式的和非接觸式的，這里采用三個非接觸式的紅外傳感器TPS334，把它們安裝在輪椅床的不同方位，分別測量人體的頭部，腳部及體部的溫度。由于紅外傳感器采集過來的信號比較微弱，所以，要進行放大，同時為了提高測量精度，還需進行溫度補償。然后把信號分別送給 S3C2410進行 A/D轉換，這主要是S3C2410內部集成了8路10位的A/D轉換模塊。最后把三路A/D轉換的結果取平均后送給液晶屏顯示，同時把數據交給Boa Web服務器，以便于遠程的訪問。原理框圖如圖1 所示［1］。

圖1 系統框圖Fig 1 Block diagram of system

1.1 紅外測溫原理

紅外體溫計測溫原理是基于黑體輻射定律。黑體是一種理想化的輻射體，它在任何溫度下都能吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的吸收率為1。應該指出，自然界中并不存在真正的黑體，但為了弄清和獲得紅外輻射分布規律，普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導出了普朗克黑體輻射的定律，其表達式為［2］

式中h為普朗克常數，h=6.63×10－34J·s;c為真空常數;k為玻耳茲曼常數。

由式（1）可以計算出在溫度為T時黑體在全部波長范圍內的輻射出度為

由式（2）可以看出:黑體總的輻射出度與黑體的絕對溫度T四次方呈正比。由于自然界不存在真正的黑體，因此物體就有輻射率。紅外測溫的實質是測目標物與傳感器或者環境的溫度之間的差值，其公式可表達為

式中E為輻射出射度，W·m－3;δ為斯蒂芬玻耳茲曼常數，σ=5.67×10－8W·m－2·K－4;ε為物體的輻射率;T為物體的溫度，K;T0為物體周圍的環境溫度，K。

因此，通過對物體輻射強度E的測量就能求出物體的溫度。

人體主要輻射波長為9～10 μm的紅外線，通過對人體自身輻射紅外能量的測量，便能準確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內的光線不被空氣所吸收，因而，可利用人體輻射的紅外能量準確地測量人體表面溫度［3］。

1.2 TPS334傳感器的主要特性

熱電堆紅外測溫傳感器TPS334具有創新的硅基微機械技術保證了它的極好的長期穩定性，非常低的溫度靈敏系數，極好的光電特性。在整個溫度測量范圍內能達到±1℃的精度。對于比較窄的溫度測量范圍，如，體溫測量，精度可以達到 ±0.1℃。靈敏度溫度補償為0.02%K［4］。

1.3 硬件電路圖

傳感器、信號放大、溫度補償電路框圖如圖2所示。外部電源經1.2 V的穩壓二極管得到傳感器的工作電壓。紅外傳感器TPS334的1，3引腳輸出光電轉換后的電信號［5］，經高精度運放ICL7650一級放大，再由雙運算放大器LM358的其中一個運放二級放大，從LM358的1腳輸出到S3C2410的AIN［0］引腳，其他兩路的電路框圖一樣，分別輸出到S3C2410的AIN［1］與AIN［2］引腳，然后作A/D轉換等處理。傳感器的2，4是熱敏電阻器引腳，其輸出經LM358的另一個運放，用于溫度補償［6］。

圖2 硬件電路框圖Fig 2 Block diagram of hardware circuit

2 軟件設計

2.1 軟件程序設計

軟件設計主要完成A/D轉換和將A/D轉換的結果轉換成實際的溫度值等功能。此外，還包括實際溫度和報警溫度的比較、當超過報警溫度值時發出報警信號，同時將數據存儲在Nandflash中。為了得到穩定且精確的數據，A/D轉換采用多次平均法，然后又用多路平均法得到最終的數據。軟件流程圖如圖3所示［7］。

2.2 軟件溫度補償

雖然在硬件方面通過運放進行了溫度補償，但通過A/D轉換得到的結果如圖4，整體上仍然是非線性。然而，在35～42℃范圍內的線性度很好，因此，在軟件方面采用區間線性化進一步實現溫度補償［8］。

圖3 軟件流程圖Fig 3 Flow chart of software

圖4 溫度電壓曲線圖Fig 4 Curve of temperature vs voltage

3 實驗數據驗證與分析

利用空調將室內溫度控制在25℃，把該裝置的紅外探頭對準溫度標準裝置并調節距離為10 cm左右。設8個測試點，每個測試點測量4次，測試結果見表1。

表1 測試結果（℃）Tab 1 Test results（℃）

由表1可知，測試結果的最大誤差為0.2℃，讀數穩定。影響測試結果精度的因素很多，主要受輻射率、探測距離及環境因素的影響［9］。在輻射率方面，由于人體并非真正的黑體，輻射率比黑體小得多，這樣紅外傳感器輸出的電壓變化較小，影響系統的精度。在另外2個方面，為了提高精度，就需要限定探測距離與室內溫度。

4 結論

本文設計了一種應用在智能輪椅床上的多方位紅外體溫檢測裝置，為實現輪椅床的遠程監護提供了一種獲得人體溫度生理參數的有效檢測手段。該裝置測量誤差在0.2℃范圍內，適用于被測目標與紅外探頭的距離在10 cm左右。經過實驗測試，該裝置穩定性好，響應時間短，能夠滿足實際應用的要求。

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