摘  要： 介紹關于非接觸式人體體溫計的軟硬件設計,，主要應用于醫(yī)療測溫,、公共衛(wèi)生以及家庭保健等方面。該體溫計以單片機為核心,，TPS434作為敏感探測元件,，可實現(xiàn)人體體溫的精確測量。體溫計額外增加測距模塊和語音播報模塊,，更加人性化且易普及,。

　　關鍵詞： 單片機；傳感器,；醫(yī)療測溫,；人性化

　　體溫的測量是實際生活中經常遇到的情況，但傳統(tǒng)的體溫計(也就是水銀體溫計)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逐漸發(fā)展起來,，越來越多地應用在各個行業(yè),，如體溫測量、冶金以及玻璃制造等,。相對于傳統(tǒng)水銀體溫計而言,，非接觸式電子體溫計具有快速,、無需接觸被測者,、無汞害、方便攜帶等優(yōu)點,。

　　與當今現(xiàn)有的非接觸式電子體溫計相比,，本文設計的體溫計有以下特點：(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)出的遠紅外線，所得數(shù)據(jù)再經過電路轉化以及算法運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)硬件設計

　　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],，它具有較好的重復性和較高的靈敏度，適合測溫儀使用,。TPS434內部結構如圖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,，由此便會產生電動勢。紅外熱電堆溫度傳感器中的熱敏電阻是一個負溫度系數(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A/D轉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,，采用經典的三運放改進設計,。它具有低功耗、低成本,、高精度等優(yōu)點,，而且它只需改變電阻值便可實現(xiàn)1~1 000的增益,，適合前置放大使用,。本設計中R1=1 k?贅，增益為Au=+1,，實際放大約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，其頻率響應與低通濾波器是“鏡象”關系,。圖中電阻RP為調零電阻,，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轉換器處理,。在后級放大電路中,，采用了雙極性運算放大器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網絡后加一級同相比例運算電路構成。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,，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轉換電路

　　經過放大電路后,，信號已經被控制在0~5 V之間，將其與A/D轉換電路相連,，便可將模擬信號轉換為數(shù)字信號以便單片機處理,。在A/D轉換電路中，采用高速串行模/數(shù)轉換器AD7888,，圖9為AD7888與單片機接口設計[4]的基本電路圖,。

　　AT89C52單片機與AD7888配套使用時，需要設置地址,、數(shù)據(jù)及控制信號,。如圖9所示，用其中的一個I/O端口產生數(shù)據(jù)轉換的串行時鐘,，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最小系統(tǒng)和鍵盤接口電路,。

　　本系統(tǒng)采用的單片機型號是AT89C52[5],。AT89C52是一個低電壓、高性能CMOS 8位單片機,，片內含8 KB的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM),，在電子行業(yè)中有著廣泛的應用。圖10為AT89C52單片機的最小系統(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、列結構,，按鍵設置在行列的交點上,，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；而當有按鍵按下,，行線電平將由此行上相連的列線決定,，這一點是識別行列式鍵盤的關鍵。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用于在設置界面選擇設置項目,；測溫鍵按下后進入測溫界面進行測溫,；設置鍵按下后進入設置界面進行設置；OK鍵具有確認功能,，按下后返回初始界面,。

　　2.4人機通道

　　本系統(tǒng)中的人機通道可以分為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系列之后的最新產品,它采用了多電平直接模擬量存儲技術,， 不需要經過A/D或者D/A轉換,，將每個采樣值直接存儲在片內的快閃存儲器中，因此能夠非常真實,、自然地再現(xiàn)語音,、音樂、音調和效果聲,，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以及揚聲器三者組合即可實現(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容信息,，本系統(tǒng)采用OLED液晶屏做為人機通道的交互平臺。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,。同時,，OLED的超小體積及超強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，便于軟件編寫和調試,。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　本系統(tǒng)將溫度傳感器發(fā)出的信號處理后經過軟件判斷,，可自動實現(xiàn)液晶顯示、語音提醒,，同時也可人為控制來實現(xiàn)各種人機交互的功能,。圖12為軟件流程圖。

　　人體體溫測量在日常生活中非常普遍,。隨著科技的進步,，測量方法越來越先進,，從原來的水銀體溫計到現(xiàn)在的電子體溫計，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)所設計的非接觸式人體體溫計使用高精度的傳感器、放大器及A/D轉換器等硬件,，使得測量速度大大提升,。本系統(tǒng)經過擴展，可以擴大測溫范圍,，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,。

　　參考文獻

　　[1] 張希影.基于74LS595驅動的溫度顯示器設計[J].微型機與應用,2013,32(23):83-85,89.

　　[2] 陳安宇.醫(yī)用傳感器[M].北京：科學出版社,2008.

　　[3] 陳光建,何華平，曾惠彬.心電信號放大濾波電路的研究與設計[J].2009,22(4):107-109.

　　[4] 馬立國.AD7888與AT89C51單片機接口應用技術[J].集成電路通訊,2007,25(2):32-36.

　　[5] 張毅剛.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社,2010.