基于AVR單片機(jī)的數(shù)字式耳溫測量儀的設(shè)計

錢明理，謝海源

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 200092

0 前言

隨著醫(yī)院的發(fā)展，含汞醫(yī)療設(shè)備逐步被淘汰，水銀體溫計也在被淘汰之列。根據(jù)我院2012年的測量儀器采購情況，數(shù)字式耳溫測量儀的采購數(shù)量在短時間內(nèi)有一個爆發(fā)式的增長。然而目前市場上擁有醫(yī)療器械注冊證的耳溫測量儀產(chǎn)品只有1種，且價格在3000元以上，而充斥市場的低價耳溫測量儀大多為民用產(chǎn)品，測試準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性較難保證，用于醫(yī)療診斷存在一定的風(fēng)險。

經(jīng)初步調(diào)研，耳溫測量儀在臨床上有較大的需求，特別是在兒科的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢。因此，醫(yī)院自行開發(fā)一套耳溫測量儀，存在一定的可行性。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，耳溫測量儀的實際制造成本應(yīng)該在200～300元左右。為此，我們設(shè)計開發(fā)了1款基于AVR單片機(jī)和醫(yī)用級數(shù)字式紅外熱電堆傳感器MLX90615的電子耳溫測量儀（簡稱測試耳溫儀）。

1 主要開發(fā)器件的選擇

MLX90615醫(yī)用及數(shù)字式紅外熱電堆傳感器是一種非接觸式傳感器，通過賽貝克效應(yīng)來探測熱輻射[1]，電壓與溫度的函數(shù)關(guān)系式為[2]：

式(1)中，U0為輸出電壓，電壓單位為mV；T0和Ta分別為被測物體溫度和背景溫度，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)。

早期的耳溫測量儀一般采用傳統(tǒng)的模擬傳感器，典型的型號有10TP583T、TS118-3、ZTP135S-R等。模擬傳感器設(shè)計較為復(fù)雜，而且穩(wěn)定性較難控制[3]。近年來逐漸有直接數(shù)字式的紅外熱電堆傳感器推出，如TI公司的溫度傳感器，最高精度為1℃[4]，可用于感知熱源，用于醫(yī)學(xué)診斷則達(dá)不到要求；MELEXIS公司的傳感器在36～39℃范圍內(nèi)，精度達(dá)到了0.1℃，分辨率為0.02℃，而且專門設(shè)計了醫(yī)用級傳感器MLX90615-DAA[5]。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 MLX90615-DAA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

目前常用的單片機(jī)有51系列、AVR系列、PIC系列和ARM單片機(jī)等。而MLX90615-DAA傳感器采用IIC總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，51系列單片機(jī)不具備專門的IIC功能，用軟件實現(xiàn)較復(fù)雜，且占用較多運行資源；采用ARM單片機(jī)也過于浪費資源。綜合考慮，本研究采用AVR單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，型號是較常用的Atmega16系列[6-8]。

2 硬件電路設(shè)計。

溫度傳感器采用3.3 V供電，因此硬件電路按此電壓設(shè)計。單片機(jī)Atmega16L的工作電壓為2.7～5.5 V，為保證輸入電壓的穩(wěn)定，硬件設(shè)計增加了ASM1117-3.3三端穩(wěn)壓芯片，對于常用的紐扣電池3、6、9 V均能使用；電源設(shè)計增加了防反接功能，起到對元器件保護(hù)作用。傳感器輸出為兩線協(xié)議，電路連接，見圖2。

圖2 電路連接

圖2 中，SDA為數(shù)據(jù)線、SCL為時鐘線，Atmega16為主機(jī)，傳感器MLX90615-DAA為從機(jī)。SDA和SCL分別連接PC1和PC0引腳，實際設(shè)計需增加上拉電阻，這里使用了300 kΩ弱上拉電阻，否則傳感器不能輸出高電平。顯示采用4位段碼液晶顯示，偏壓1/3 V，由HT1621驅(qū)動芯片進(jìn)行驅(qū)動。HT1621以32×4位的格式儲存所顯示的數(shù)據(jù)，適用于多種LCD應(yīng)用場合。耳溫測量采用中斷方式進(jìn)行觸發(fā)，由INT0口完成。

系統(tǒng)通過蜂鳴器提示測試完成的信號，并具有正常和高溫報警功能，分別用紅色和綠色LED進(jìn)行顯示。硬件電路采用Altium Designer 9.0進(jìn)行設(shè)計，電路硬件連接示意圖，見圖3。

圖3 硬件連接示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計。

軟件采用WinAVR進(jìn)行程序設(shè)計、GCC編譯器編譯。軟件設(shè)計主要分為3個部分：① 數(shù)據(jù)的測量和計算；② 測量結(jié)果顯示；③ 空閑狀態(tài)下掉電模式和喚醒模式提示。程序執(zhí)行流程圖，見圖4。

圖4 程序執(zhí)行流程

筆者前一版本的設(shè)計采用51系列單片機(jī)實現(xiàn)，需要模擬IIC總線進(jìn)行通信，程序設(shè)計非常復(fù)雜，而且調(diào)試?yán)щy。而采用AVR單片機(jī)設(shè)計，程序相對要簡單很多，而且JTAG接口具有在線調(diào)試功能，使用非常方便。AVR單片機(jī)具有TWI兩線串行接口；TWBR（比特率寄存器），用于存放發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度為8bit；TWCR（控制寄存器）用于單片機(jī)引腳第二功能使能中斷控制設(shè)置；TWSR（狀態(tài)寄存器），主要用于產(chǎn)生波特率，程序設(shè)置為9600波特率，晶振采用7.3728 MHz。通過寄存器設(shè)置可直接進(jìn)行IIC通信。IIC協(xié)議讀操作示意圖，見圖5。

圖5 IIC協(xié)議的讀操作

圖中S位為起始位，SDA拉低，總線處于占用狀態(tài)，Slave Address為7位從機(jī)地址（這里的從機(jī)為傳感器），Wr為寫操作標(biāo)識，A為應(yīng)答位，Command為寫8位命令（這里是寫入讀取溫度命令）。IIC總線的讀寫轉(zhuǎn)換需要重新進(jìn)行設(shè)備握手；PEC為校驗碼。圖中白色部分為主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，灰色部分為從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。

單片機(jī)從傳感器RAM中的0x7h地址中讀取溫度值，再通過轉(zhuǎn)換公式直接計算目標(biāo)體溫度。一般情況下，單片機(jī)只需要進(jìn)行讀操作即可。

4 系統(tǒng)測試。

4.1 穩(wěn)定性測試

采用某品牌耳溫度儀測和試耳溫儀分別對20人測試，其中體溫正常5人，發(fā)燒15人。對同一測試樣本間隔30 s重復(fù)測量5次，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，見圖6。

圖6 穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)比較直方圖

圖中條狀高度代表方差，方差值越大，穩(wěn)定性越差。淺色代表某品牌耳溫度儀的測量方差，深色代表測試耳溫儀的方差。可見，測試耳溫儀的方差優(yōu)于某品牌耳溫儀，且溫度穩(wěn)定性在±0.1℃以內(nèi)，與傳感器的技術(shù)參數(shù)相符。

4.2 準(zhǔn)確性測試

對測試耳溫儀的測試結(jié)果與口腔溫度計（假設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)儀器）和國外某品牌醫(yī)用耳溫測量儀測量結(jié)果進(jìn)行比較，重復(fù)測量20次，結(jié)果見表1。

表1 兩種耳溫測試儀與口腔溫度計測試誤差比較（溫度單位℃）

從測試情況看，某品牌耳溫儀與測試耳溫儀的最大偏差都為0.2℃，但是，20次測量結(jié)果中，某品牌耳溫儀出現(xiàn)0.2℃偏差5次，0.1℃偏差11次，無偏差4次；測試耳溫儀出現(xiàn)0.2℃偏差2次，0.1℃偏差7次，無偏差11次。可見測試耳溫儀的測量溫度更接近口表。

5 分析和改進(jìn)

本研究開發(fā)的耳溫測量儀具有如下優(yōu)點：制作成本低，制作單個耳溫儀的成本在200元以下，相比價格在3000元左右的進(jìn)口耳溫儀成本相差懸殊；從傳感器的技術(shù)參數(shù)看，測量性能好，精度較高；3AVR單片機(jī)屬于新一代單片機(jī)，程序執(zhí)行采用流水結(jié)構(gòu)，與51系列單片機(jī)比較運算速度快。本設(shè)計采用8 MHz晶振，單條指令執(zhí)行周期為0.125 μs，而采用51系列單片機(jī)[10]，單周期指令的執(zhí)行時間為1 μs。AVR單片機(jī)具有內(nèi)部上點復(fù)位功能，而且引腳內(nèi)置了上拉電阻，而51系列單片機(jī)需要設(shè)置外部復(fù)位電路，而且P0口需要接外部上拉電阻。AVR單片機(jī)具有TWI接口，只需設(shè)置3個內(nèi)置的寄存器即可進(jìn)行IIC通信，其中 JTAG接口的在線調(diào)試功能，使開發(fā)時間明顯縮短。考慮到實際使用情況，該系統(tǒng)采用紐扣電池供電，大大減少了儀器的體積和重量。系統(tǒng)專門對電源部分進(jìn)行了改進(jìn)，使得3～9 V的電源均適合該系統(tǒng)使用。但是，系統(tǒng)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]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):7-8.

[2]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.

[3]SEMITEC.10TP583T infrared thermometer datasheet[EB/OL](2003-10-15)[2004-01-21].http://www.sensor-ic.com.

[4]TEXAS INSTRUMENTS.TMP006 user guide datasheet[EB/OL](2010-09-12)[2011-05-06].http://www.ti.com.

[5]MELEXIS.MLX90615 infrared thermometer datasheet[EB/OL](2012-08-30)[2013-01-11].http://www.melexis.com.

[6]HOLTEK.HT1621/HT1621G RAM Mapping 32×4 LCD Controller for I/O MCU[EB/OL](2010-09-08)[2012-01-25].http://www.holtek.com.tw.

[7]詹位前.從MCS51向AVR的快速轉(zhuǎn)換[EB/OL].(2013-6-15)[2013-07-12].http://www.SL.com.cn.

[8]謝海源.基于數(shù)字式紅外熱電堆傳感器的耳溫儀設(shè)計[J].中國醫(yī)療器械雜志,2013,(5):336-339.

[9]AVR.具有16KB系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH的8位AVR微控制器[EB/OL].(2006-02-16)[2013-07-12].http://www.atmel.com.

[10]宏晶科技.STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)工作指南[EB/OL].(2005-02-16)[2013-07-12].http://www.MCU-Memory.com.