紅外人體測溫儀

中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 王振運 孟立凡 張 璐

紅外人體測溫儀

中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 王振運 孟立凡 張 璐

根據紅外輻射原理設計一種紅外人體測溫儀，其中紅外傳感器采用了Melexis公司設計生產的非接觸式紅外傳感器MLX90615。它是一個數字式紅外傳感器，通過SMBus協議把測量的溫度數據直接傳送給MSP430單片機進行處理，通過LCD液晶顯示相應的體溫值，并通過上位機實時監測測量溫度。系統還采用了集成塊ISD1420語音錄放芯片，實現實時報溫功能。該系統測量精度高、方便快捷、數字化顯示、語音溫度播報等優點，使得在大規模的疫檢和日常保健中發揮重要的作用。

紅外溫度測量；MLX90615；SMBus；語音播報

引言

在臨床醫學中,體溫是一個重要的人體參數,也是觀測人體機能是否正常的重要指標之一,所以體溫測量儀是必不可少的醫用計量器具。傳統的體溫測量儀主要是水銀式體溫計,主要是通過口腔、腋窩和直腸部位來測量人體的平均溫度。水銀體溫計雖然價格便宜,性能穩定,但是存在許多弊端：使用不當容易破碎,對人體特別是嬰兒造成危害;測量時必須使其能充分受熱,往往要等待較長時間,所以在大規模的疫檢中不便使用。

隨著科技的發展和現代醫療技術的需要,紅外測溫技術得到了廣泛的應用。它是利用人體發出特定波段的紅外線來測量出人體的溫度。高精度紅外傳感器能快速、準確、方便地測量出體溫數值,從而克服了傳統水銀式體溫計的缺點,實現了非接觸式無污染體溫測量。無論是在大規模的疫檢中還是在日常保健中都發揮了重要的作用。

圖1 系統總體框圖

1 系統總體設計

非接觸式紅外人體測溫系統采用低功耗MSP430單片機作為核心控制器,利用非接觸式紅外傳感器MLX90615完成人體溫度采集,LCD1602液晶實時顯示測量溫度值, ISD1420語音模塊實時播報測量溫度值,超限聲光報警功能,并通過串口利用上位機監測溫度值,以便遠程監測。該紅外測溫儀的系統框圖如圖1所示。

2 系統硬件的設計

2.1 MSP430單片機簡介

MSP430單片機是一個16位的單片機,采用的是精簡指令結構。在25MHZ晶振驅動下,實現40ns的指令周期。電源電壓采用的是1.8V～3.6V,芯片電流最低會在165uA左右,系統運行時采用不同的工作模式有著不同的功耗。在系統中共有一種活動模式(AM)和五種低功耗模式(LPM0～LMP4)。其內部集成了豐富的片內外設,如看門狗、定時器、UART、SPI、I2C、ADC、I/O端口等資源。其中P0、P1、P2端口能夠接受外部上升沿或下降沿的中斷輸入。單片機的這些片內外設為系統的單片解決方案提供了極大的方便。

圖2 MLX90615內部結構圖

2.2 紅外溫度傳感器模塊

MLX90615是一款由Melexis公司設計生產的低成本非接觸式紅外溫度測量數字傳感器。MLX90615內部結構如圖2所示,其內部集成了低噪聲放大器,16位ADC和強大的DSP的MLX90325單元,使得高度集成和高精度測量溫度得以實現。輸出的數據和物體的溫度呈線性比例,有較高的精度和分辨率。計算所得到的物體溫度被存儲在MLX90615的RAM單元,此數值通過串行兩線SMBus兼容協議獲得。本設計采用的是Melexis公司特別設計的醫學專用紅外傳感器MLX90615ESG-DDA,其在環境溫度為20至30℃的條件下,目標溫度的測量精度可達0.2℃,滿足醫用體溫測量要求。

2.3 語音播報模塊

本設計中的語音播報模塊采用的核心語音芯片是美國ISD公司生產的ISD1420。其內部的128K可編程只讀存儲器是用來存儲語音信息的,最大可分為160段,每小段語音長度是125ms,每段語音都可由A0～A7八根地址線控制輸出。其特點是高保真、錄放結束自動待機、錄音數據永久保存。ISD1420是采用的是直接模擬信號存儲技術,可反復錄放20S的語音芯片。

紅外溫度傳感器測量的溫度值是隨機的,因此,為了能夠播報溫度值,需要事先將0～9、十、點、度十三個音節錄入到語音芯片中,通過軟件控制組合所要播報溫度音節的地址,進而播報溫度值。

2.4 LCD液晶顯示

紅外溫度數值是通過液晶LCD1602實時顯示。最佳工作電壓5V,工作電流2.0mA。可以用來顯示字母、數字、符號等的點陣液晶模塊,具有體積小、質量輕、功耗低,顯示豐富等優點。因其驅動簡單、顯示清晰、功耗低,符合設計要求。

2.5 電源部分

系統中需要5V和3.3V兩種電壓要求,其中3.3V電壓由三端線性穩壓器LM1117得到。系統設計了USB和DC兩種供電接口方式。DC接口是為了增加其便攜性,可以將9V鋰電池電壓通過LM317轉換成5V,滿足系統供電要求。

2.6 其他外圍電路

其他外圍電路還有按鍵、聲光報警電路和熱釋電紅外電路。按鍵主要是對測溫儀報警溫度值上下限簡單設置;測得的溫度值超限后LED閃爍、蜂鳴器發聲,提示作用。熱釋電紅外傳感電路起到溫度測量起始的作用,當檢測到人體存在的時候,熱釋電傳感器發出中斷信號,啟動紅外溫度傳感器采集溫度,當檢測到人體離開后自動跳出中斷。

3 系統軟件的設計

系統上電之后,首先進行系統初始化,采用模塊化的程序設計,主要包括紅外溫度檢測模塊、語音模塊、液晶顯示模塊、串口通信和熱釋電紅外傳感器等。在主函數中首先對中斷、定時器、I/O口和SMBus傳輸協議初始化。熱釋電紅外傳感器檢測到人體時,進入中斷打開定時器,紅外溫度傳感器開始采集溫度數據,每20ms讀取一次數據,1秒鐘時間內讀取五次溫度數據,求其平均值,顯示在液晶顯示屏上,并通過串口發送到上位機,語音模塊播報當前所測溫度值。如果超過所設溫度范圍,LED閃爍,蜂鳴器發聲,提示并報警。系統流程圖如圖3所示。

圖3 系統流程圖

3.1 SMBus數據傳輸協議

紅外溫度傳感器是通過SMBus協議與單片機進行數據傳輸,通過其內部的EEPROM設置。SMBus是一種二線串聯協議,對應的引腳分別為SCL和SDA。其中SCL為數字輸入,用作SMBus兼容通信的時鐘信號,SDA兼有數字輸入輸出。SMBus協議采用的是主從模式,單片機為主控制器,MLX90615為從動器件。SMBus數據讀寫格式分別見圖4、圖5。其中S為起始位,Slave Address為從器件地址,Wr為寫標志,Command為命令字節,Rd為讀標志, PEC為出錯數據包,P為停止位［2］。

圖4 SMBus讀數據格式

圖5 SMBus寫數據格式

3.2 溫度采集子程序

本設計中,只用了一個從器件ML90615,其默認地址為5AH,地址存放在00EH單元,當系統需要多個從器件時,可以向該單元寫入不同的數據,以便尋址。

MLX90615有一個ROM和一個EEPROM,都是有16個字長為16的存儲單元,地址都為0H～FH,地址單元都是通過SMBus讀取。其中ROM存儲單元中的7H存儲的是物體溫度To,將讀出的數據轉換成攝氏溫度值是通過公式To=RAM(7H)×0.02—273.15計算得出。而EEPROM中的3H單元為發射率,可以設置為0～1任意值,出廠默認為1。其程序流程如圖6所示。

圖6 紅外溫度傳感器程序流程圖

4 實驗結果與分析

系統經過調試,實現了對人體耳溫的測量。這里是通過與水銀體溫計測量的結果進行對比和分析,紅外溫度計測量耳溫,水銀體溫計測量人體腋下溫度,而人體不同部位的溫度是不一樣的,根據醫學研究,人體正常腋下溫度為34.8～37.3℃,正常耳溫溫度35.9～37.6℃,表明人體在正常情況下腋下溫度比耳溫要高出大約0.5℃。在因素相同的情況下,經過多次測量得到多組體溫數據表明,水銀體溫計所測出的體溫數據相對穩定,其誤差在0.1℃左右,而紅外體溫計靈敏度高、容易受環境因素的影響,其誤差在0.2～0.3℃左右,測量誤差會大一些。水銀體溫計測量的平均值大約是36.8℃,紅外體溫計測量的平均值大約是37.2℃,相差0.4℃,測量結果在正常范圍內,說明方案的可行性。

雖然紅外溫度計受外部條件(環境溫度、濕度等)和人體(不同年齡、不同時段、不同體質)因素有影響,但是可以作為人體溫度的初步測量,在火車站、汽車站、學校、大型娛樂場所等人流密集的場所提供一種安全、快速的體溫測量,對疾病的傳播起到非常重要的作用。

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王振運（1990—），男，中北大學計算機與控制工程學院碩士研究生，主要從事智能測試、嵌入式系統開發。