一種測(cè)量準(zhǔn)確的體溫?cái)?shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)

2 概述

生活中有一部分人處于“亞健康”狀態(tài)。亞健康，按中醫(yī)觀點(diǎn)而論是身體已經(jīng)出現(xiàn)了陰陽(yáng)、氣血、臟腑營(yíng)衛(wèi)的不平衡狀態(tài)。按照西醫(yī)的觀點(diǎn)。這些不平衡狀態(tài)表現(xiàn)為體溫、體重、心率、血壓、尿液成份等人體生理信號(hào)在一段時(shí)間里發(fā)生了不正常的變化。分析一段時(shí)間的信號(hào)變化數(shù)據(jù)，就可以對(duì)一個(gè)人的健康狀態(tài)做出比較客觀的判斷。體溫?cái)?shù)據(jù)已經(jīng)成為評(píng)判“亞健康”的重要指標(biāo)之一。

為了客觀準(zhǔn)確地進(jìn)行體溫檢查，醫(yī)學(xué)上不少學(xué)者對(duì)檢查部位和方法的選擇進(jìn)行了多方面的研究，常見(jiàn)的檢查部位和方法如下：口腔測(cè)溫、腋窩測(cè)溫、直腸內(nèi)測(cè)溫、鼓膜測(cè)溫等。除了上述方法外，還可以在背部肩腳間、腹部、腹股溝、肘窩和手部等部位進(jìn)行測(cè)溫，但不常用。臨床測(cè)溫常用水銀體溫計(jì)和紅外耳溫計(jì)，但兩者的測(cè)量時(shí)間差異很大，前者需要幾分鐘才能穩(wěn)定，而后者僅需幾秒。紅外耳溫計(jì)測(cè)溫快而準(zhǔn)，而且獲取的是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的溫度，是人體的核心體溫，在正常體溫和輕度低溫情況下耳溫均能反映實(shí)際的溫度。但是，世面上推出的紅外耳溫計(jì)均沒(méi)有配置串口通信功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、自動(dòng)保存數(shù)據(jù)和溫度曲線繪制功能，大大限制了溫度檢測(cè)的自動(dòng)化進(jìn)程。

本文所設(shè)計(jì)的體溫數(shù)據(jù)采集裝置采用紅外耳溫測(cè)量方法，另外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)體溫?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)記錄存儲(chǔ)以及一段時(shí)間的溫度曲線觀測(cè)，設(shè)計(jì)了紅外耳溫計(jì)與PC機(jī)的通信以及上位機(jī)軟件。體溫檢查時(shí)。用戶從平臺(tái)的耳溫計(jì)托盤(pán)上將紅外耳溫計(jì)取出，并按下耳溫計(jì)開(kāi)關(guān)，然后將紅外測(cè)溫頭插人耳道并向下壓使之完全貼合，按下“start”按鍵，耳溫計(jì)的顯示屏上相應(yīng)地顯示本次檢查結(jié)果。當(dāng)用戶將耳溫計(jì)放回托盤(pán)時(shí)，借助耳溫計(jì)的重量按下安裝在托盤(pán)上的行程開(kāi)關(guān)，單片機(jī)系統(tǒng)就會(huì)將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)串口傳輸?shù)絇C機(jī)，PC機(jī)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，將溫度數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)一段時(shí)間的體溫檢測(cè)。在PC機(jī)上自動(dòng)繪制溫度數(shù)據(jù)曲線，可以反映出一段時(shí)間內(nèi)人體體溫的變化，作為評(píng)判“亞健康”的標(biāo)準(zhǔn)之一。

采用這種方法設(shè)計(jì)的體溫數(shù)據(jù)采集裝置已應(yīng)用在“智能馬桶系統(tǒng)”中，表現(xiàn)出使用方便、檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、測(cè)量自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

3 紅外測(cè)溫原理與紅外溫度傳感器

紅外測(cè)溫是利用測(cè)量物體所輻射出來(lái)的輻射能量來(lái)測(cè)量物體溫度，它的理論依據(jù)是斯蒂芬一玻爾茲曼定律：物體的溫度越高，它所輻射出來(lái)的能量越多。當(dāng)溫度為T(mén)時(shí)，物體在所有波長(zhǎng)上(物體的輻射幾乎包括所有的波長(zhǎng))的總輻射強(qiáng)度W為：

式中wλ―溫度為T(mén)(K)的物體，在波長(zhǎng)為λ處的分譜輻射強(qiáng)度，單位為(W／cm2.μm)；

c1―第一輻射常數(shù)；c1=3.741510-12(W／cm2)

c2―第二輻射常數(shù)；c2=1.4388(cm2?K)

ελ―分譜比輻射率，與物體的材料、表面情況及波長(zhǎng)有關(guān)；

σ―斯蒂芬一玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.669710-12[(W／cm2).T4]；

T―物體的絕對(duì)溫度，單位K；

ε―物體表面的法向比輻射率，絕對(duì)黑體ε=1.0。非絕對(duì)0ε1.0；

λ――熱輻射發(fā)射的電磁波波長(zhǎng)。

峰值輻射波長(zhǎng)λm與物體自身的絕對(duì)溫度T成反比，即

λm=2897／T(μm)　　 (2)

此式稱為維恩位移定律。表明溫度越高，它的峰值輻射波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)(即波長(zhǎng)越短)。

由(2)式可知，物體的溫度越高，所輻射的輻射功率愈大。顯然，在物體表面的法向比輻射率已知的情況下，根據(jù)(1)式只要能測(cè)量出物體所輻射的輻射功率，便可確定物體的溫度。

紅外溫度傳感器由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定，紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。

圖l中的光學(xué)系統(tǒng)有兩個(gè)作用：(1) 把被測(cè)量處的紅外線集中到檢測(cè)元件上；(2) 把進(jìn)入儀表的紅外線發(fā)射面限制在固定范圍內(nèi)，檢測(cè)元件把紅外線能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)處理單元針對(duì)檢測(cè)元件輸出的信號(hào)用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行處理，變成人們需要的各種模擬和數(shù)字量信息，通信單元把結(jié)果傳輸給單片機(jī)。

4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

體溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括TN紅外測(cè)溫傳感器接入、單片機(jī)、按鍵、LED＼LCD顯示、PC機(jī)與單片機(jī)通信部分。單片機(jī)采用凌陽(yáng)公司推出的16位SPCE061A系列單片機(jī)。LED顯示采用7段LED數(shù)碼管，LCD液晶采用凌陽(yáng)公司的SPLC50l液晶模塊。設(shè)計(jì)兩種顯示方式：LED顯示和LCD顯示。

TN紅外測(cè)溫傳感器接入部分采用SPI編程，通過(guò)SPCE061A I／O口的控制，將所測(cè)得的溫度接收到SPCE061A中來(lái)處理。其測(cè)量范圍：-33℃～220℃，精度：0.3℃；響應(yīng)時(shí)間：0.5 s。

按鍵部分：通過(guò)PIA8和GND接按鍵，按鍵啟動(dòng)測(cè)溫，LED／LCD顯示數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)一直顯示，直到重新啟動(dòng)測(cè)量更新數(shù)據(jù)。

LED／LCD顯示部分：在LED顯示中，通過(guò)SP-LC501的IOAO-8輸出段選碼,IOBO-3輸出4位位選碼。LCD顯示中，通過(guò)IOAO-8輸出8位數(shù)據(jù)，IOB9接單片機(jī)的CS1，IOB4接A0,IOB5接R／W,IOB6接EP。

PC與單片機(jī)的通信：采用MAX232電平轉(zhuǎn)換電路，IOB7接MAX232的ROUT2，IOB10接DIN2。

5 通信協(xié)議

體溫采集裝置采用收、發(fā)、地三線的方式通信，工作方式采用主從方式。PC機(jī)為主機(jī)，耳溫計(jì)為從機(jī)。下位機(jī)采用中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)幀，下位機(jī)通過(guò)與COM1口連接與PC機(jī)進(jìn)行通信。通信規(guī)則如下：

(1) 由主機(jī)下傳，從機(jī)應(yīng)答上傳，從機(jī)必須在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)主機(jī)發(fā)出的任何命令應(yīng)答。

(2) 一次發(fā)送4個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)代表一定的功能，每個(gè)字節(jié)為十六進(jìn)制值。

(3) 主機(jī)下傳操作命令，從機(jī)上傳主機(jī)發(fā)的執(zhí)行命令。表示從機(jī)收到主機(jī)執(zhí)行命令。主機(jī)下傳讀寫(xiě)數(shù)據(jù)命令，從機(jī)按返回?cái)?shù)據(jù)格式上傳。

(4) 從機(jī)收到命令或數(shù)據(jù)，如果校驗(yàn)和錯(cuò)，不發(fā)上傳命令或數(shù)據(jù)。通信協(xié)議如表1所列。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序采用模塊化編程，便于調(diào)試和移植。鍵盤(pán)掃描采用查詢方式，串口通信采用中斷方式。下位機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

體溫檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)串行口通信傳送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，本系統(tǒng)用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行基于PC機(jī)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件采用NI公司推出的LabVIEW軟件。LabVIEW是一種基于圖形的集成化程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器的概念，它是一套專(zhuān)為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件，增強(qiáng)了用戶在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)上配以高效經(jīng)濟(jì)的硬件設(shè)備來(lái)構(gòu)建自己的儀器系統(tǒng)的能力。

本系統(tǒng)使用串行端口子模塊編程，在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)串口通信可以調(diào)用硬件接口模塊(InstrumentI／O)中的VISA和Serial子模塊。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)幀，對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分解處理得到溫度數(shù)據(jù)。并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)保存。上位機(jī)發(fā)送控制命令啟動(dòng)下位機(jī)，并同時(shí)接收下位機(jī)傳輸?shù)?byte數(shù)據(jù)幀，也可以接收下位機(jī)鍵盤(pán)啟動(dòng)檢測(cè)后傳輸過(guò)來(lái)的4byte數(shù)據(jù)幀。對(duì)于按照通信協(xié)議產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幀可以在LabVIEW中利用GDI編程實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)幀格式中提取出溫度數(shù)據(jù)的十位、個(gè)位以及小數(shù)點(diǎn)后一位，并且自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的文本記錄，方便查看。LabVIEW設(shè)計(jì)的前面板調(diào)試界面如圖4所示。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的紅外溫度檢測(cè)系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，使用十分方便。將紅外傳感器部分單獨(dú)制作成手持式耳溫計(jì)，通過(guò)延長(zhǎng)線(可達(dá)2 m)，可以十分方便地進(jìn)行大量的體溫檢測(cè)。通過(guò)在PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)保存分析，可以繪制一段時(shí)間的體溫變化曲線。通過(guò)對(duì)驗(yàn)證機(jī)的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，溫度測(cè)量準(zhǔn)確，檢測(cè)自動(dòng)化程度高。本系統(tǒng)特別適合在醫(yī)院、大型公共場(chǎng)合使用，也可以應(yīng)用于家庭。