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(cè)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(cè)元件，可實(shí)現(xiàn)人體體溫的精確測(cè)量。體溫計(jì)額外增加測(cè)距模塊和語(yǔ)音播報(bào)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(cè)溫；人性化
體溫的測(cè)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(cè)溫時(shí)間長(zhǎng),讀取不便捷，易破損而造成被測(cè)者受傷甚至中毒。近幾年來(lái)，非接觸式電子體溫計(jì)逐漸發(fā)展起來(lái)，越來(lái)越多地應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)，如體溫測(cè)量、冶金以及玻璃制造等。相對(duì)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(wú)需接觸被測(cè)者、無(wú)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(cè)距模塊方便使用者精確控制測(cè)溫距離; (2)自動(dòng)播報(bào)體溫,使其更加人性化、易普及;(3)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)人數(shù)。
1 探測(cè)參數(shù)
溫度是本系統(tǒng)的重要探測(cè)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(guò)電路轉(zhuǎn)化以及算法運(yùn)算最終得到被測(cè)者的體溫。由于環(huán)境中存在各種波長(zhǎng)的紅外線，本系統(tǒng)在傳感器探測(cè)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(cè)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(gè)模塊：信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、控制處理模塊和人機(jī)通道。
2.1信號(hào)采集模塊
微小的采集誤差都可能造成測(cè)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(cè)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(gè)或多個(gè)熱電偶串接組成，各熱電偶輸出的熱電勢(shì)是互相疊加的。當(dāng)測(cè)量物體溫度時(shí)，熱端與被測(cè)物體接觸，冷端與測(cè)量?jī)x表接觸，由此便會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。紅外熱電堆溫度傳感器中的熱敏電阻是一個(gè)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(cè)量環(huán)境溫度，由于熱電堆輸出的電動(dòng)勢(shì)是反映熱電偶冷熱兩端的溫度差(即被測(cè)物體與熱電堆冷端的溫度差)，而不是反映被測(cè)物體的真實(shí)溫度。因此，還需要利用熱敏電阻測(cè)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(hào)處理模塊
圖3為信號(hào)處理模塊的流程原理圖，前后分別經(jīng)過(guò)前置放大電路、濾波電路、后置放大電路，將信號(hào)處理得到規(guī)則的信號(hào)后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路得到適合處理的數(shù)字信號(hào)。
2.2.1前置放大電路
由于紅外溫度傳感器TPS434輸出的電動(dòng)勢(shì)非常微小，因此需要放大器將其放大以便測(cè)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(hào)初級(jí)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(lái)通過(guò)高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)的濾波器，其通過(guò)截止頻率來(lái)固定通過(guò)信號(hào)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(lái)通過(guò)低頻信號(hào),衰減或抑制高頻信號(hào)。圖6為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級(jí)RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)算電路組成，其中第一級(jí)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(guò)前置放大后，TPS434輸出的微弱信號(hào)大約被放大了50倍，因此需要用后級(jí)放大電路將其信號(hào)控制在0~5 V之間，以便A/D轉(zhuǎn)換器處理。在后級(jí)放大電路中，采用了雙極性運(yùn)算放大器OP07，增益為，同時(shí)采用了兩級(jí)放大，第一級(jí)放大6倍，第二級(jí)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(jí)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(hào)不能通過(guò)(或受到很大衰減或抑制)，而在其余頻率范圍，信號(hào)則能順利通過(guò)，通過(guò)截止頻率來(lái)固定通過(guò)信號(hào)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(guò)放大電路后，信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(shí)，需要設(shè)置地址、數(shù)據(jù)及控制信號(hào)。如圖9所示，用其中的一個(gè)I/O端口產(chǎn)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的串行時(shí)鐘，一個(gè)I/O端口寫入控制字，一個(gè)I/O端口控制片選信號(hào)，最后用一個(gè)I/O端口接收數(shù)字信號(hào)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(hào)是AT89C52[5]。AT89C52是一個(gè)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(chǔ)器和256 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(guò)上拉電阻接到+5 V電源上。無(wú)按鍵按下時(shí)，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(shí)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(cè)溫鍵按下后進(jìn)入測(cè)溫界面進(jìn)行測(cè)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(gè)模塊：語(yǔ)音播報(bào)模塊、OLED液晶顯示模塊、超聲測(cè)距模塊。
2.4.1語(yǔ)音播報(bào)模塊
語(yǔ)音播報(bào)模塊采用芯片ISD4003作為核心芯片。ISD4003是美國(guó)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(chǔ)技術(shù)， 不需要經(jīng)過(guò)A/D或者D/A轉(zhuǎn)換，將每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)的快閃存儲(chǔ)器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、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(yǔ)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(tái)。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(shí)，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(cè)者溫度、環(huán)境溫度、溫度單位、測(cè)溫距離、測(cè)量人數(shù)以及電量。
2.4.3 超聲測(cè)距模塊
本系統(tǒng)采用集成超聲波模塊HC-SR04實(shí)現(xiàn)測(cè)距。本模塊性能穩(wěn)定，測(cè)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(cè)距離為2 cm~450 cm，完全適合本系統(tǒng)的使用，同時(shí)精度高達(dá)0.2 cm，大大減小了誤差。模塊只有4個(gè)接線口：VCC、trig(控制端)、echo(接收端)、GND，接線方式簡(jiǎn)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(hào)處理后經(jīng)過(guò)軟件判斷，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)液晶顯示、語(yǔ)音提醒，同時(shí)也可人為控制來(lái)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(cè)量在日常生活中非常普遍。隨著科技的進(jìn)步，測(cè)量方法越來(lái)越先進(jìn)，從原來(lái)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(lái)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(cè)量速度大大提升。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)擴(kuò)展，可以擴(kuò)大測(cè)溫范圍，低高溫物體都可以測(cè)，不僅適合醫(yī)院、公共場(chǎng)所、家庭等測(cè)體溫，也適合工廠冶金、玻璃制作等行業(yè)的測(cè)溫，將大大提高普及率。
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