紅外體溫裝置的設(shè)計(jì)

前言：

隨著2003年非典的襲擊，在我國(guó)迅速誕生了一支專門抗擊非典的醫(yī)療儀器隊(duì)伍，特別是在紅外體溫檢測(cè)儀的研發(fā)方面取得了突出的成就。國(guó)家相關(guān)部門也在重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)非接觸式體溫計(jì)的研發(fā)。生理參數(shù)是人體最重要、最基本的生命指標(biāo),對(duì)危重病人進(jìn)行生命指標(biāo)參數(shù)的監(jiān)測(cè)是醫(yī)務(wù)工作者及時(shí)了解病情狀況的重要手段之一,它有利于對(duì)有生命危險(xiǎn)的傷病員進(jìn)行及時(shí)有效的治療和搶救處理。體溫是人體最基本的生理參數(shù)，對(duì)于日常護(hù)理和病情檢測(cè)都是非常重要的。有許多疾病都能通過體溫的變化來預(yù)測(cè)。

本文主要設(shè)計(jì)了一種紅外體溫裝置，其中要解決問題有：體溫信號(hào)的非接觸測(cè)量、微弱電壓信號(hào)的放大、傳感器的環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)取Ｆ渲畜w溫測(cè)量選用帶溫度補(bǔ)償功能的紅外熱電堆溫度傳感器ZTP135S-R；電壓放大利用低失調(diào)、低漂移的精密運(yùn)算放大器OP07；環(huán)境溫度軟件補(bǔ)償，A/D轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)控制等功能都用AVR單片機(jī)mega16實(shí)現(xiàn)。

1. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的紅外體溫裝置包括以下幾個(gè)硬件模塊：傳感器、放大電路、電源、單片機(jī)控制、顯示。

1.1傳感器模塊

1.2放大電路模塊

本設(shè)計(jì)所采用的放大器是低功耗精密運(yùn)算放大器OP07，它的特點(diǎn)是超低失調(diào)、低漂移、高精度，電路正比特性好，零點(diǎn)失調(diào)電壓小。OP07可以通過在1、8管腳之間加上一個(gè)電位器進(jìn)行輸入漂移調(diào)零，這對(duì)于低輸出的信號(hào)的放大效果非常好。其低輸入偏置電流為1.8nA，供電范圍為3V到22V，超低失調(diào)的最大值為150mV。它的性能正好解決了紅外溫度傳感器對(duì)運(yùn)放的特殊要求。由于熱電堆的內(nèi)阻較高(約60K )，而輸出電壓又非常小(1mV左右)，須使用具有高輸入阻抗(＞1012 )的CMOS輸入運(yùn)算放大器。

因?yàn)闇y(cè)量的人體溫度在34～42℃范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓范圍為0.7～1.5mV，采用兩極放大的形式，將電壓放大3000倍，即放大后電壓為2.1～4.5V，以供單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換參考電壓選擇5V。電路圖如下：

1.3電源模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所采用的電壓為5v和正負(fù)9v。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用集成整流電橋KBP307代替四個(gè)二極管。集成穩(wěn)壓器7805、7809、7909分別實(shí)現(xiàn)5V,+9V,-9V電壓的輸出。使電路能得到穩(wěn)定的電壓，提供給單片機(jī)，放大器和傳感器。

1.4 AVR單片機(jī)外圍電路

本儀器中AVR單片機(jī)（ATMega16）的作用主要是AD轉(zhuǎn)換，并將采樣結(jié)果進(jìn)行處理，最后輸出顯示數(shù)據(jù)。key1為系統(tǒng)控制開關(guān)，key2為復(fù)位開關(guān)。LCD的8條數(shù)據(jù)線接PB口；控制線RS，R/W，EN分別接PD0，PD1，PD3；LCD的背光燈由PD4控制。蜂鳴器由PD5控制。

2．系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本裝置所采用的是AVR單片機(jī)進(jìn)行編程的，主要程序思想是開機(jī)后（復(fù)位），單片機(jī)開始工作，進(jìn)行I/O口、T/C1、 ADC、MCU的初始化，單片機(jī)進(jìn)入工作模式。LCD顯示產(chǎn)品信息，5秒后開定時(shí)器。若在30秒鐘內(nèi)控制鍵無按鍵動(dòng)作則自動(dòng)關(guān)機(jī)，若在30秒內(nèi)控制鍵有按下且時(shí)間達(dá)4秒，進(jìn)行按鍵關(guān)機(jī)，若按鍵時(shí)間不足4秒，則進(jìn)入測(cè)溫程序：關(guān)定時(shí)器，將模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在將多次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果取平均值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后再將電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)溫度值，調(diào)用LCD顯示函數(shù)進(jìn)行溫度結(jié)果顯示，并讓結(jié)果顯示維持2秒。開定時(shí)器，再進(jìn)入工作模式。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式后（關(guān)機(jī)后），INT0中斷（即控制鍵有按鍵動(dòng)作）

仍然可以喚醒系統(tǒng)，條件是：連續(xù)按鍵達(dá)4秒，就可以開機(jī)，進(jìn)入工作模式。

由于mega16自帶有A/D轉(zhuǎn)換，這樣硬件電路就可以節(jié)省A/D轉(zhuǎn)換元件了。按鍵按下，進(jìn)入ADC程序；關(guān)計(jì)時(shí)器，則在整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換過程中不會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘溢出中斷；MCUCR=0x50使能ADC，并設(shè)置為ADC噪聲抑制模式；ADCSRA|=0x40，即將 ADCSRA中的ADSC置位，啟動(dòng)ADC；執(zhí)行sleep指令即進(jìn)入ADC噪聲抑制模式；ADC轉(zhuǎn)換完后即進(jìn)入ADC中斷服務(wù)程序，此中斷服務(wù)程序的作用為將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放于開辟的存儲(chǔ)變量里。

本裝置還設(shè)計(jì)了睡眠模式，可以使應(yīng)用程序關(guān)閉MCU 中沒有使用的模塊，從而降低功耗。AVR 具有不同的睡眠模式，允許用戶根據(jù)自己的應(yīng)用要求實(shí)施剪裁。進(jìn)入睡眠模式的條件是置位寄存器MCUCR 的SE，然后執(zhí)行SLEEP 指令。經(jīng)過啟動(dòng)時(shí)間，外加4 個(gè)時(shí)鐘周期后， MCU 就可以運(yùn)行中斷例程了。然后返回到SLEEP 的下一條指令。喚醒時(shí)不會(huì)改變寄存器文件和SRAM 的內(nèi)容。如果在睡眠過程中發(fā)生了復(fù)位，則MCU 喚醒后從中斷向量開始執(zhí)行。

本裝置利用AVR來對(duì)LCD進(jìn)行控制，字符型液晶顯示模塊是一類專用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶顯示模塊。使用的是深圳耀宇公司字符型液晶顯示模塊YM1602C，能夠顯示16×2個(gè)字符。其驅(qū)動(dòng)控制器是KS0066U。本設(shè)計(jì)LCD顯示功能程序單獨(dú)寫在頭文件 lcd.h中，方便主程序直接調(diào)用。LCD與mega16的接線為：8條數(shù)據(jù)總線與PB口相接，RS接PD0，R/W接PD1，E接PD3。

向LCD寫一個(gè)數(shù)據(jù)的程序：

void Write_Data(unsigned char Data)

{

RW_W;

RS_H;

LCDDDR=0xFF;

LCDPORT=Data;

En_Toggle();

Wait_Until_Read();

}

設(shè)定R/W=0，即向LCD寫入信息;RS=1, 輸入數(shù)據(jù)→將數(shù)據(jù)口設(shè)為輸出；將待顯示的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)口→產(chǎn)生一個(gè)使能脈沖→不斷檢測(cè)LCD的忙標(biāo)志（BF），知道其為0，表示可以執(zhí)行下條指令。

程序流程圖如下：

3．小結(jié)：

紅外體溫計(jì)是通過測(cè)量耳朵鼓膜或者額頭的輻射亮度，非接觸地實(shí)現(xiàn)對(duì)人體溫度的測(cè)量。只需將探頭對(duì)準(zhǔn)內(nèi)耳道或額頭，按下測(cè)按鈕，僅有幾秒鐘就可得到測(cè)量數(shù)據(jù)，非常適合急重病患者、老人、嬰幼兒等使用。耳道式體溫計(jì)是根據(jù)黑體輻射原理通過測(cè)量人體輻射的紅外線而測(cè)量溫度的。它用的紅外傳感器只是吸收人體輻射的紅外線而不向人體發(fā)射任何射線，它采用的是被動(dòng)式且非接觸式的測(cè)量方式，因此紅外體溫計(jì)不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生輻射傷害。

本設(shè)計(jì)采用耳道為測(cè)量部位，由于探頭對(duì)準(zhǔn)內(nèi)耳道，測(cè)量的影響因素較少。其突出優(yōu)點(diǎn)是：控制簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)按鍵就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的開機(jī)、關(guān)機(jī)和測(cè)溫操作。顯示直觀，運(yùn)用字符型LCD顯示，可以對(duì)產(chǎn)品信息，開機(jī)、關(guān)機(jī)、和操作等動(dòng)作以英文提示，就彌補(bǔ)了數(shù)碼管只能顯示數(shù)字的缺陷，達(dá)到比較直觀的目的。合理的利用了傳感器的特性進(jìn)行了一次實(shí)踐，但由于設(shè)計(jì)者的水平有限，有待提高。還可以擴(kuò)展其他功能：如時(shí)鐘，測(cè)量值的存儲(chǔ)，根據(jù)時(shí)間、年齡、性別等的不同來設(shè)定發(fā)熱溫度。

我國(guó)是世界第一大人口大國(guó)，隨著國(guó)民對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生要求的不斷提高，醫(yī)療電子類產(chǎn)品的需求量不斷增大，產(chǎn)品具有廣闊的市場(chǎng)前景。希望有志之士投入到醫(yī)療電子的研發(fā)中去，提高我國(guó)醫(yī)療代電子類產(chǎn)品的實(shí)力。

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