非接觸式紅外體溫計(jì)*

張秀再 陳彭鑫 吳華娟 宋楠楠

(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，南京 210044)

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非接觸式紅外體溫計(jì)*

張秀再1，2陳彭鑫1吳華娟1宋楠楠1

(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，南京 210044)

本文設(shè)計(jì)了一種非接觸式的體溫計(jì)，系統(tǒng)利用紅外溫度傳感器ZTP-148SR實(shí)現(xiàn)對(duì)體溫信號(hào)和環(huán)境溫度信號(hào)的非接觸檢測(cè)，AT89S52控制ADC0809CCN對(duì)調(diào)理后的兩路信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的兩路數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，將最終得到的目標(biāo)體溫及其所處的環(huán)境溫度并顯示在LCD12864上。當(dāng)待測(cè)體溫超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，啟動(dòng)蜂鳴報(bào)警。該體溫計(jì)響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定、讀數(shù)方便，可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，適合醫(yī)院和家庭護(hù)理使用。

ZTP—148SR；非接觸；體溫計(jì)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0 引言

溫度計(jì)是日常家庭必備和臨床醫(yī)學(xué)的基本醫(yī)用器具。遠(yuǎn)紅外技術(shù)的發(fā)展使非接觸式體溫測(cè)量成為可能，紅外體溫計(jì)解決了傳統(tǒng)體溫計(jì)必須接觸測(cè)量的問(wèn)題。它不易受到環(huán)境等因素的干擾，性能穩(wěn)定、讀數(shù)方便，可以測(cè)量人的面部或頭部溫度以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，適合老人、兒童及病人監(jiān)護(hù)使用，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

要實(shí)現(xiàn)體溫的非接觸式測(cè)量，紅外溫度傳感器起著至關(guān)重要的作用，依照現(xiàn)代醫(yī)療器件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和故障檢測(cè)非接觸技術(shù)指標(biāo)[2-5],并利用熱電堆紅外溫度傳感器的熱電偶測(cè)量紅外輻射的原理，設(shè)計(jì)了一種基于人體紅外輻射原理的非接觸式紅外體溫計(jì)。該體溫測(cè)量系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為核心控制部件，包含紅外溫度傳感器ZTP-148SR構(gòu)成的體溫信號(hào)和環(huán)境溫度信號(hào)的非接觸檢測(cè)電路、儀表放大器構(gòu)成的微弱信號(hào)放大電路、溫度補(bǔ)償及放大電路、ADC0809CCN構(gòu)成的多路信號(hào)A/D電路、LCD12864構(gòu)成的液晶顯示電路及閾值報(bào)警電路等模塊電路，根據(jù)現(xiàn)行的紅外體溫測(cè)量的技術(shù)指標(biāo)和功能要求，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)及相關(guān)理論推導(dǎo)過(guò)程和軟件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)量系統(tǒng)

利用熱電堆紅外溫度傳感器ZTP-148SR實(shí)現(xiàn)對(duì)體溫信號(hào)和環(huán)境溫度信號(hào)即溫差熱電堆微弱的電壓信號(hào)和電熱調(diào)節(jié)器的熱敏電阻信號(hào)的非接觸檢測(cè)。由AT89S52控制實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)理后的兩路信號(hào)進(jìn)行分時(shí)A/D轉(zhuǎn)換并采集，采集到的兩路數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，將計(jì)算得到的目標(biāo)體溫及其環(huán)境溫度顯示在LCD上。當(dāng)所測(cè)體溫超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)的總體框圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

1.2 調(diào)理電路

1.2.1 溫差熱電堆放大電路

ZTP-148SR紅外熱電堆溫度傳感器的內(nèi)阻非常高(60kΩ～111kΩ),輸出電壓非常小(僅1mV左右)，如此微小的電信號(hào)容易受到外界因素干擾，且不易檢測(cè)和處理，所以需要進(jìn)行必要的調(diào)理和放大以提高信號(hào)的信噪比。

由ZTP-148SR的特性知，溫差熱電堆的輸出電壓與目標(biāo)物溫度的關(guān)系滿足0.09mV/℃(室溫為25℃)。該非接觸式紅外體溫計(jì)的精度可以達(dá)到0.3℃，即紅外溫度傳感器的最小輸出電壓為0.027mV，若選用8位的ADC，參考電壓Vref為5V，ADC的最小分辨電壓為

(1)

則該溫差熱電堆放大電路的增益需為19.53/0.027=723.3倍，因?yàn)樵摷t外傳感器的電熱調(diào)節(jié)器輸出存在±3%(室溫為25℃)的誤差,該溫差熱電堆放大電路的增益需要控制在700.1～745.0倍之間。

AD620是常用的一種儀表放大器，具有高精度(最大非線性度40×10-6)、低失調(diào)電壓(最大50μV)和低失調(diào)漂移(最大0.6μV/℃)的特點(diǎn)，且噪聲系數(shù)低、輸入偏置電流低和功耗低。另外，利用外接的增益控制電阻可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，增益最大可達(dá)1000倍[6]。

根據(jù)設(shè)計(jì)的需要和AD620的基本特性，內(nèi)部?jī)蓚€(gè)增益電阻均為24.7kΩ，設(shè)G為放大倍數(shù),則G與外部增益控制電阻R1(kΩ)的關(guān)系為

(2)

若溫差熱電堆放大電路增益G在700.1～745.0范圍，由公式(2)可得外部增益控制電阻R1的取值范圍為0.0664～0.0706kΩ。為了便于調(diào)試溫差熱電堆放大電路增益，選用100Ω的滑動(dòng)變阻器作為外部增益控制電阻。因此，AD620構(gòu)成的溫差熱電堆放大電路如圖2所示。

圖2 溫差熱電堆放大電路

1.2.2 溫度補(bǔ)償及放大電路

ZTP-148SR紅外熱電堆溫度傳感器內(nèi)部具有標(biāo)準(zhǔn)負(fù)溫度系數(shù)的電熱調(diào)節(jié)器，可以看作對(duì)熱電堆進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臒崦綦娮?，利用運(yùn)算放大器構(gòu)成普通的熱電堆橋式溫度補(bǔ)償電路，將電熱調(diào)節(jié)器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)并進(jìn)行線性放大。該溫度補(bǔ)償與放大電路選用內(nèi)部具有四個(gè)獨(dú)立運(yùn)放的LM324，供電電壓范圍為3V～32V，直流電流為普通運(yùn)放直流電流的1/5。溫度補(bǔ)償電路如圖3所示。

圖3 溫度補(bǔ)償及放大電路

根據(jù)熱敏電阻公式

Rt=R0·exp[β·(1/T-1/T0)]

(3)

式(3)中，Rt為熱敏電阻在T溫度(環(huán)境溫度為T(mén)0)下的阻值；橋式電阻R0=100kΩ，β=3960；R0為熱敏電阻在T0=25℃時(shí)的標(biāo)稱阻值100kΩ；β為熱敏電阻的固定參數(shù)β取3960。

根據(jù)圖3的電熱調(diào)節(jié)器溫度補(bǔ)償及放大電路，可推導(dǎo)出該溫度補(bǔ)償及放大電路的輸出電壓Uo與電熱調(diào)節(jié)器的輸出電阻Rt之間的關(guān)系為

(4)

式中，5(單位：V)為電路的直流電壓；R2=100kΩ，R3=100kΩ，R4=1kΩ。

為了確定熱電堆的輸出電壓與環(huán)境溫度的關(guān)系，將該紅外溫度傳感器置于不同的環(huán)境溫度下，測(cè)量并記錄該溫度補(bǔ)償及放大電路的輸出電壓Uo、電熱調(diào)節(jié)器輸出的熱敏電阻Rt和環(huán)境溫度T0(℃)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1Uo-Rt-T0關(guān)系表

由表1可知，在一定的范圍內(nèi),電熱調(diào)節(jié)器輸出的熱敏電阻信號(hào)與環(huán)境溫度近呈似線性關(guān)系，利用線性關(guān)系可以方便地簡(jiǎn)化目標(biāo)體溫算法,并在設(shè)定溫度范圍內(nèi)(36℃～42℃)對(duì)紅外溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而消除環(huán)境因素對(duì)目標(biāo)體溫測(cè)量的影響。由表1的記錄數(shù)據(jù),溫度補(bǔ)償及放大電路輸出電壓Uo與環(huán)境溫度T0的關(guān)系可以近似表示為

UO=-0.034×(T0-68.65)

(5)

1.2.3 目標(biāo)物體溫的計(jì)算方法

ZTP-148SR紅外溫度傳感器在25℃室溫下輸出的微弱電壓和目標(biāo)物的溫度的關(guān)系曲線如圖4所示，橫坐標(biāo)為目標(biāo)物的體溫;縱坐標(biāo)為溫差熱電堆輸出的微弱電壓。

該系統(tǒng)的目標(biāo)體溫測(cè)量范圍為36℃～42℃。由圖4可知，在此溫度范圍內(nèi)，溫差熱電堆的輸出電壓和目標(biāo)物的溫度近似呈線性關(guān)系。

若記溫差熱電堆放大電路的輸出電壓為Ug,那么溫差熱電堆輸出的微弱電壓U表示為

U=Ug/G

(6)

圖4 溫差熱電堆的輸出電壓-目標(biāo)物體溫

為了得出溫差熱電堆輸出電壓(反映目標(biāo)物紅外輻射的能量)與目標(biāo)體溫的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)并記錄溫差熱電堆的輸出電壓U在不同的待測(cè)體溫T下的測(cè)量值，U-T關(guān)系如表2所示。結(jié)合表1的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)一定的近似處理和計(jì)算，可以推導(dǎo)出在25℃的環(huán)境溫度下，溫差熱電堆的輸出電壓U和目標(biāo)物體溫T的線性關(guān)系為

U=0.08×T-1.95

(7)

式中，溫差熱電堆的輸出電壓U的單位為mV；待測(cè)體溫T的單位為℃。

經(jīng)推導(dǎo)，環(huán)境溫度T0和目標(biāo)物體的溫度T可以分別表示為

(8)

(9)

由式(8)、(9)可知，只要測(cè)出紅外熱電堆放大電路的輸出電壓Ug和電熱調(diào)節(jié)器溫度補(bǔ)償及放大電路的輸出電壓Uo，就可以計(jì)算出目標(biāo)體溫T及其所處的環(huán)境溫度T0，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)體溫的非接觸式測(cè)量。同時(shí)，通過(guò)溫度補(bǔ)償也在一定程度上消除了環(huán)境因素對(duì)體溫測(cè)量的影響。

1.4 多路A/D電路

在溫度信號(hào)采集及轉(zhuǎn)換過(guò)程中，一方面對(duì)這兩路模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，另一方面對(duì)溫差熱電堆放大電路輸出的電壓信號(hào)和溫度補(bǔ)償及放大電路輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集。

ADC0809CCN的引腳及與AT89S52的接口電路的如圖5所示。A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)鐘信號(hào)由內(nèi)部定時(shí)器0產(chǎn)生(工作方式為8位自動(dòng)重載)，啟動(dòng)信號(hào)ST、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC、輸出允許信號(hào)OE分別接單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2，A/D輸出的數(shù)字信號(hào)通過(guò)P2口輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。

圖5 多路A/D轉(zhuǎn)換電路

2 軟件設(shè)計(jì)

如圖6所示的主程序流程，系統(tǒng)首先對(duì)定時(shí)器、I/O口、液晶等進(jìn)行初始化設(shè)置，然后判斷是否復(fù)位，復(fù)位后進(jìn)入多路開(kāi)關(guān)控制程序，選通輸入信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)計(jì)算得到環(huán)境溫度及測(cè)量體溫，體溫若超出閾值，啟動(dòng)蜂鳴報(bào)警并顯示，最后返回初始化，程序反復(fù)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)。

圖6 主程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)軟硬件的調(diào)試以后并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)分甲、乙兩組分別進(jìn)行，甲組是在室溫(25℃)條件下對(duì)不同體溫的人體進(jìn)行測(cè)試；乙組是在不同環(huán)境溫度下對(duì)不同體溫的人體進(jìn)行測(cè)試。兩組測(cè)量結(jié)果均與水銀溫度計(jì)測(cè)試的參考人體溫度進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，受環(huán)境溫度的影響，甲組測(cè)試的數(shù)據(jù)比乙組測(cè)試的數(shù)據(jù)穩(wěn)定度要高。

表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表

4 結(jié)論

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非接觸式人體溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)自理能力人員的體溫變化，以便護(hù)理人員方便了解其體溫變化狀況；當(dāng)體溫達(dá)到所設(shè)置閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息。非接觸式紅外體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用可以節(jié)省大量的人力物力，提高監(jiān)測(cè)效率。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

[1] 王勇，朱曉榮，賈永興.基于WiFi的體溫檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012,38(10):119-121

[2] ASTM E1965-98(2003)，Standard Specification for Infrared Thermometers for Intermittent Determination of Patient Temperature[Z].2003

[3] 原遵東，段宇寧，王鐵軍等.發(fā)燒人群篩檢用紅外溫度計(jì)的檢測(cè)與技術(shù)要求[C].2007’儀表，自動(dòng)化及先進(jìn)集成技術(shù)大會(huì)論文集，2003

[4] 柏成玉，原遵東，王鐵軍.紅外耳溫計(jì)的校準(zhǔn)[J].計(jì)量技術(shù)，2007(4)：46-49

[5] 原遵東.紅外輻射溫度計(jì)瞄準(zhǔn)的平面輻射源模型[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2014，35(5)：434-439

[6] 楊建強(qiáng)，廖凡.高精度差動(dòng)放大器AD620構(gòu)成的四頻差動(dòng)激光陀螺數(shù)字穩(wěn)頻系統(tǒng)[J].電光與控制，2009,16(7):62-64

*江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(14KJB510019，14KJB120007)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(13KJA510001)；高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進(jìn)工程項(xiàng)目(JHB2012-9)；江蘇省自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(BK20141004)。

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.02