摘 要： 介紹關(guān)于非接觸式人體體溫計(jì)的軟硬件設(shè)計(jì),，主要應(yīng)用于醫(yī)療測溫、公共衛(wèi)生以及家庭保健等方面,。該體溫計(jì)以單片機(jī)為核心,，TPS434作為敏感探測元件，可實(shí)現(xiàn)人體體溫的精確測量,。體溫計(jì)額外增加測距模塊和語音播報模塊,，更加人性化且易普及。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī),；傳感器,；醫(yī)療測溫；人性化
體溫的測量是實(shí)際生活中經(jīng)常遇到的情況,，但傳統(tǒng)的體溫計(jì)(也就是水銀體溫計(jì))卻有著很多的不足之處：測溫時間長,讀取不便捷,，易破損而造成被測者受傷甚至中毒。近幾年來，非接觸式電子體溫計(jì)逐漸發(fā)展起來,，越來越多地應(yīng)用在各個行業(yè),，如體溫測量、冶金以及玻璃制造等,。相對于傳統(tǒng)水銀體溫計(jì)而言,，非接觸式電子體溫計(jì)具有快速、無需接觸被測者,、無汞害,、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)。
與當(dāng)今現(xiàn)有的非接觸式電子體溫計(jì)相比,，本文設(shè)計(jì)的體溫計(jì)有以下特點(diǎn)：(1)增加測距模塊方便使用者精確控制測溫距離; (2)自動播報體溫,使其更加人性化,、易普及;(3)自動統(tǒng)計(jì)人數(shù)。
1 探測參數(shù)
溫度是本系統(tǒng)的重要探測參數(shù),。溫度傳感器可接收人體發(fā)出的遠(yuǎn)紅外線,，所得數(shù)據(jù)再經(jīng)過電路轉(zhuǎn)化以及算法運(yùn)算最終得到被測者的體溫。由于環(huán)境中存在各種波長的紅外線,，本系統(tǒng)在傳感器探測口又增加了菲涅耳透鏡,，減少了其他紅外波段的干擾，從而使所測得的值更加精確,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
圖1所示是本系統(tǒng)的硬件流程圖[1],，該系統(tǒng)主要包括4個模塊：信號采集模塊、信號處理模塊,、控制處理模塊和人機(jī)通道,。
2.1信號采集模塊
微小的采集誤差都可能造成測得溫度的大幅度變化，所以本系統(tǒng)采用高精度的溫度傳感器TPS434作為采集元器件,。TPS434是一款紅外熱電堆溫度傳感器[2],，它具有較好的重復(fù)性和較高的靈敏度，適合測溫儀使用,。TPS434內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
TPS434由熱電堆和熱敏電阻組成，熱電堆是由兩個或多個熱電偶串接組成,，各熱電偶輸出的熱電勢是互相疊加的,。當(dāng)測量物體溫度時，熱端與被測物體接觸,，冷端與測量儀表接觸,，由此便會產(chǎn)生電動勢。紅外熱電堆溫度傳感器中的熱敏電阻是一個負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,，它的阻值隨溫度的上升而下降,。熱敏電阻的作用是測量環(huán)境溫度,，由于熱電堆輸出的電動勢是反映熱電偶冷熱兩端的溫度差(即被測物體與熱電堆冷端的溫度差)，而不是反映被測物體的真實(shí)溫度,。因此,，還需要利用熱敏電阻測出熱電堆冷端溫度，兩者相加才能得到真實(shí)的體溫,。
2.2 信號處理模塊
圖3為信號處理模塊的流程原理圖，前后分別經(jīng)過前置放大電路,、濾波電路,、后置放大電路，將信號處理得到規(guī)則的信號后,，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路得到適合處理的數(shù)字信號,。
2.2.1前置放大電路
由于紅外溫度傳感器TPS434輸出的電動勢非常微小，因此需要放大器將其放大以便測量,。在本系統(tǒng)中采用AD620做前置放大電路的核心芯片,。AD620是一款單芯片儀表放大器，采用經(jīng)典的三運(yùn)放改進(jìn)設(shè)計(jì),。它具有低功耗,、低成本、高精度等優(yōu)點(diǎn),，而且它只需改變電阻值便可實(shí)現(xiàn)1~1 000的增益,，適合前置放大使用。本設(shè)計(jì)中R1=1 k?贅,，增益為Au=+1,，實(shí)際放大約50.4倍,滿足信號初級放大的要求。圖4為電路的具體原理圖,。
2.2.2 高通濾波電路
高通濾波器是用來通過高頻信號,，衰減或抑制低頻信號的濾波器，其通過截止頻率來固定通過信號的頻率,。圖5所示為二階有源高通濾波器濾波電路[3],其中電阻RP為調(diào)零電阻,，高通濾波電路的通帶增益為Au=1+，圖中R1=R2=1 k?贅,，故增益為2,。截止頻率f，圖中R=31.8 k?贅,，C=10 ?滋F,，即截止頻率取0.5 Hz。
2.2.3 低通濾波電路
將圖5所示的高通濾波電路中起濾波作用的電阻,、電容互換,，即可變成二階有源低通濾波器,。低通濾波器用來通過低頻信號,衰減或抑制高頻信號。圖6為典型的二階有源低通濾波器,。它由兩級RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)算電路組成,，其中第一級電容C接至輸出端，引入適量的正反饋,，以改善幅頻特性,。高通濾波器性能與低通濾波器相反，其頻率響應(yīng)與低通濾波器是“鏡象”關(guān)系,。圖中電阻RP為調(diào)零電阻,，濾波電路的通帶增益為，圖中R1=R2=1 k?贅,。截止頻率,，圖中R=4.82 k?贅，C=0.33 ?滋F,，即截止頻率取100 Hz,。
2.2.4 后置放大電路
經(jīng)過前置放大后，TPS434輸出的微弱信號大約被放大了50倍,，因此需要用后級放大電路將其信號控制在0~5 V之間,，以便A/D轉(zhuǎn)換器處理。在后級放大電路中,，采用了雙極性運(yùn)算放大器OP07,，增益為，同時采用了兩級放大,，第一級放大6倍,，第二級放大10倍，共放大60倍,。圖7為其電路的具體原理圖,。
2.2.5 50 Hz陷波電路
典型的陷波濾波器可以在雙T網(wǎng)絡(luò)后加一級同相比例運(yùn)算電路構(gòu)成。圖8所示為帶阻濾波器(陷波濾波器)電路,，即在規(guī)定的頻帶內(nèi),，信號不能通過(或受到很大衰減或抑制)，而在其余頻率范圍,，信號則能順利通過,，通過截止頻率來固定通過信號的頻率。電路中電阻RP為調(diào)零電阻,，濾波電路的通帶增益為,，圖中R1=1 k?贅，R2=0.8 k?贅增益為1.8,。中心頻率,， 圖中R=6.77 k?贅,，C=0.47 ?滋F， 即中心頻率取50 Hz,。由帶阻寬度B=2f0×(2-Au)可知,，帶寬為20 Hz。
2.2.6 A/D轉(zhuǎn)換電路
經(jīng)過放大電路后,，信號已經(jīng)被控制在0~5 V之間,，將其與A/D轉(zhuǎn)換電路相連，便可將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以便單片機(jī)處理,。在A/D轉(zhuǎn)換電路中,，采用高速串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7888，圖9為AD7888與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)[4]的基本電路圖,。
AT89C52單片機(jī)與AD7888配套使用時，需要設(shè)置地址,、數(shù)據(jù)及控制信號,。如圖9所示，用其中的一個I/O端口產(chǎn)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的串行時鐘,，一個I/O端口寫入控制字,，一個I/O端口控制片選信號，最后用一個I/O端口接收數(shù)字信號數(shù)據(jù),。
2.3 控制處理模塊
控制處理模塊包括單片機(jī)最小系統(tǒng)和鍵盤接口電路,。
本系統(tǒng)采用的單片機(jī)型號是AT89C52[5]。AT89C52是一個低電壓,、高性能CMOS 8位單片機(jī),，片內(nèi)含8 KB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用,。圖10為AT89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖,。
本系統(tǒng)采用行列式鍵盤，鍵盤接口電路行列式鍵盤(矩陣式鍵盤)用I/O口線組成行,、列結(jié)構(gòu),，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上，使用這種鍵盤大大減少了I/O口線,。行列式鍵盤中行線通過上拉電阻接到+5 V電源上,。無按鍵按下時，行線均處于高電平,；而當(dāng)有按鍵按下,，行線電平將由此行上相連的列線決定，這一點(diǎn)是識別行列式鍵盤的關(guān)鍵,。根據(jù)本系統(tǒng)各功能的需要,，采用了行列式鍵盤,，如圖11所示。方向鍵1~4用于在設(shè)置界面選擇設(shè)置項(xiàng)目,；測溫鍵按下后進(jìn)入測溫界面進(jìn)行測溫,；設(shè)置鍵按下后進(jìn)入設(shè)置界面進(jìn)行設(shè)置；OK鍵具有確認(rèn)功能,，按下后返回初始界面,。
2.4人機(jī)通道
本系統(tǒng)中的人機(jī)通道可以分為3個模塊：語音播報模塊、OLED液晶顯示模塊,、超聲測距模塊,。
2.4.1語音播報模塊
語音播報模塊采用芯片ISD4003作為核心芯片。ISD4003是美國ISD公司繼ISD33000系列之后的最新產(chǎn)品,它采用了多電平直接模擬量存儲技術(shù),， 不需要經(jīng)過A/D或者D/A轉(zhuǎn)換,，將每個采樣值直接存儲在片內(nèi)的快閃存儲器中，因此能夠非常真實(shí),、自然地再現(xiàn)語音,、音樂、音調(diào)和效果聲,，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲,。芯片ISD4003、音頻功放芯片LM386以及揚(yáng)聲器三者組合即可實(shí)現(xiàn)語音的播放,。
2.4.2 OLED液晶顯示模塊
為了更直觀地顯示內(nèi)容信息,，本系統(tǒng)采用OLED液晶屏做為人機(jī)通道的交互平臺。相比其他液晶屏,，其具有亮度高,、顯示精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn),。同時,，OLED的超小體積及超強(qiáng)兼容也十分滿足本系統(tǒng)的要求。根據(jù)本系統(tǒng)的要求,，OLED液晶須顯示以下內(nèi)容：被測者溫度,、環(huán)境溫度、溫度單位,、測溫距離,、測量人數(shù)以及電量。
2.4.3 超聲測距模塊
本系統(tǒng)采用集成超聲波模塊HC-SR04實(shí)現(xiàn)測距,。本模塊性能穩(wěn)定,，測度距離精確，高精度,，盲區(qū)小,。該模塊感應(yīng)角度不大于15°,，探測距離為2 cm~450 cm，完全適合本系統(tǒng)的使用,，同時精度高達(dá)0.2 cm,，大大減小了誤差。模塊只有4個接線口：VCC,、trig(控制端),、echo(接收端)、GND,，接線方式簡單,，便于軟件編寫和調(diào)試。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)將溫度傳感器發(fā)出的信號處理后經(jīng)過軟件判斷,，可自動實(shí)現(xiàn)液晶顯示,、語音提醒，同時也可人為控制來實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互的功能,。圖12為軟件流程圖,。
人體體溫測量在日常生活中非常普遍。隨著科技的進(jìn)步,，測量方法越來越先進(jìn),，從原來的水銀體溫計(jì)到現(xiàn)在的電子體溫計(jì),，從之前的接觸式到目前的非接觸式,，使用越來越便捷。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的非接觸式人體體溫計(jì)使用高精度的傳感器,、放大器及A/D轉(zhuǎn)換器等硬件,，使得測量速度大大提升。本系統(tǒng)經(jīng)過擴(kuò)展,，可以擴(kuò)大測溫范圍,，低高溫物體都可以測，不僅適合醫(yī)院,、公共場所,、家庭等測體溫，也適合工廠冶金,、玻璃制作等行業(yè)的測溫,，將大大提高普及率。
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