紅外體溫裝置的設(shè)計

前言：

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

本文主要設(shè)計了一種紅外體溫裝置，其中要解決問題有：體溫信號的非接觸測量、微弱電壓信號的放大、傳感器的環(huán)境溫度補償?shù)?。其中體溫測量選用帶溫度補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)、低漂移的精密運算放大器OP07；環(huán)境溫度軟件補償，A/D轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)控制等功能都用AVR單片機mega16實現(xiàn)。

1. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

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

1.1傳感器模塊

1.2放大電路模塊

本設(shè)計所采用的放大器是低功耗精密運算放大器OP07，它的特點是超低失調(diào)、低漂移、高精度，電路正比特性好，零點失調(diào)電壓小。OP07可以通過在1、8管腳之間加上一個電位器進行輸入漂移調(diào)零，這對于低輸出的信號的放大效果非常好。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運放的特殊要求。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輸入運算放大器。

因為測量的人體溫度在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A/D轉(zhuǎn)換，單片機的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

本設(shè)計所采用的電壓為5v和正負9v。在設(shè)計時，應用集成整流電橋KBP307代替四個二極管。集成穩(wěn)壓器7805、7809、7909分別實現(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，放大器和傳感器。

1.4 AVR單片機外圍電路

本儀器中AVR單片機（ATMega16）的作用主要是AD轉(zhuǎn)換，并將采樣結(jié)果進行處理，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

本裝置所采用的是AVR單片機進行編程的，主要程序思想是開機后（復位），單片機開始工作，進行I/O口、T/C1、 ADC、MCU的初始化，單片機進入工作模式。LCD顯示產(chǎn)品信息，5秒后開定時器。若在30秒鐘內(nèi)控制鍵無按鍵動作則自動關(guān)機，若在30秒內(nèi)控制鍵有按下且時間達4秒，進行按鍵關(guān)機，若按鍵時間不足4秒，則進入測溫程序：關(guān)定時器，將模擬信號進行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)換為相應溫度值，調(diào)用LCD顯示函數(shù)進行溫度結(jié)果顯示，并讓結(jié)果顯示維持2秒。開定時器，再進入工作模式。當系統(tǒng)進入休眠模式后（關(guān)機后），INT0中斷（即控制鍵有按鍵動作）

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

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，進入ADC程序；關(guān)計時器，則在整個A/D轉(zhuǎn)換過程中不會產(chǎn)生時鐘溢出中斷；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ADC；執(zhí)行sleep指令即進入ADC噪聲抑制模式；ADC轉(zhuǎn)換完后即進入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變量里。

本裝置還設(shè)計了睡眠模式，可以使應用程序關(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)自己的應用要求實施剪裁。進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)過啟動時間，外加4 個時鐘周期后， MCU 就可以運行中斷例程了。然后返回到SLEEP 的下一條指令。喚醒時不會改變寄存器文件和SRAM 的內(nèi)容。如果在睡眠過程中發(fā)生了復位，則MCU 喚醒后從中斷向量開始執(zhí)行。

本裝置利用AVR來對LCD進行控制，字符型液晶顯示模塊是一類專用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶顯示模塊。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個字符。其驅(qū)動控制器是KS0066U。本設(shè)計LCD顯示功能程序單獨寫在頭文件 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)生一個使能脈沖→不斷檢測LCD的忙標志（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)：

紅外體溫計是通過測量耳朵鼓膜或者額頭的輻射亮度，非接觸地實現(xiàn)對人體溫度的測量。只需將探頭對準內(nèi)耳道或額頭，按下測按鈕，僅有幾秒鐘就可得到測量數(shù)據(jù)，非常適合急重病患者、老人、嬰幼兒等使用。耳道式體溫計是根據(jù)黑體輻射原理通過測量人體輻射的紅外線而測量溫度的。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，它采用的是被動式且非接觸式的測量方式，因此紅外體溫計不會對人體產(chǎn)生輻射傷害。

本設(shè)計采用耳道為測量部位，由于探頭對準內(nèi)耳道，測量的影響因素較少。其突出優(yōu)點是：控制簡單，只需要一個按鍵就可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的開機、關(guān)機和測溫操作。顯示直觀，運用字符型LCD顯示，可以對產(chǎn)品信息，開機、關(guān)機、和操作等動作以英文提示，就彌補了數(shù)碼管只能顯示數(shù)字的缺陷，達到比較直觀的目的。合理的利用了傳感器的特性進行了一次實踐，但由于設(shè)計者的水平有限，有待提高。還可以擴展其他功能：如時鐘，測量值的存儲，根據(jù)時間、年齡、性別等的不同來設(shè)定發(fā)熱溫度。

我國是世界第一大人口大國，隨著國民對醫(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，提高我國醫(yī)療代電子類產(chǎn)品的實力。

參考文獻：

[1] 蔡鍵新、張唯真.生物醫(yī)學電子學.1997.6

[2] 彭承琳.生物醫(yī)學傳感器原理及應用.高等教育出版社，2000

[3] 丁鎮(zhèn)生.傳感及其遙控遙測技術(shù)應用.電子工業(yè)出版社.2002.5

[4] 丁化成、耿德根、李君凱．AVR單片機應用設(shè)計，北京航空航天大學出版社，2002

[5] 沈國彥、宋平. 紅外溫度計測量體溫方法探討. 儀表技術(shù)，2003年第3期

[6] 杜曉蘭、吳寶明、劉彥、何慶華、肖劍. 呼吸、體溫兩生理參數(shù)檢測電路的設(shè)計. 生物醫(yī)學工程學雜志，2001.18(4)∶538～540 [7]張俐. 高精度耳式體溫計.日本醫(yī)學介紹，2001年第22卷第10期

[7] 陳井國. 談體溫檢測的幾個問題. 生物學教學2002年(第27卷)第7期

[8] John G.Webster:Medical Instrumentation,Aplication and Design,Boston,Houghton Mifflin Company,1978

[9] Joseph J.Carr,et al.:Introduction to Biomedical Equipment Technology,New York,JohnWeiley sons,1981

[10] Welkwitz W.et al.: Biomedical Instruments,Theory and Design, New York, Academic Press Inc.,1976