一種測量準確的體溫數據采集裝置的設計

2 概述

生活中有一部分人處于“亞健康”狀態。亞健康，按中醫觀點而論是身體已經出現了陰陽、氣血、臟腑營衛的不平衡狀態。按照西醫的觀點。這些不平衡狀態表現為體溫、體重、心率、血壓、尿液成份等人體生理信號在一段時間里發生了不正常的變化。分析一段時間的信號變化數據，就可以對一個人的健康狀態做出比較客觀的判斷。體溫數據已經成為評判“亞健康”的重要指標之一。

為了客觀準確地進行體溫檢查，醫學上不少學者對檢查部位和方法的選擇進行了多方面的研究，常見的檢查部位和方法如下：口腔測溫、腋窩測溫、直腸內測溫、鼓膜測溫等。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行測溫，但不常用。臨床測溫常用水銀體溫計和紅外耳溫計，但兩者的測量時間差異很大，前者需要幾分鐘才能穩定，而后者僅需幾秒。紅外耳溫計測溫快而準，而且獲取的是中樞神經系統的溫度，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際的溫度。但是，世面上推出的紅外耳溫計均沒有配置串口通信功能，無法實現數據通信、自動保存數據和溫度曲線繪制功能，大大限制了溫度檢測的自動化進程。

本文所設計的體溫數據采集裝置采用紅外耳溫測量方法，另外，為了實現對體溫數據自動記錄存儲以及一段時間的溫度曲線觀測，設計了紅外耳溫計與PC機的通信以及上位機軟件。體溫檢查時。用戶從平臺的耳溫計托盤上將紅外耳溫計取出，并按下耳溫計開關，然后將紅外測溫頭插人耳道并向下壓使之完全貼合，按下“start”按鍵，耳溫計的顯示屏上相應地顯示本次檢查結果。當用戶將耳溫計放回托盤時，借助耳溫計的重量按下安裝在托盤上的行程開關，單片機系統就會將檢測結果通過串口傳輸到PC機，PC機自動進行數據保存，將溫度數據保存到數據庫中。通過一段時間的體溫檢測。在PC機上自動繪制溫度數據曲線，可以反映出一段時間內人體體溫的變化，作為評判“亞健康”的標準之一。

采用這種方法設計的體溫數據采集裝置已應用在“智能馬桶系統”中，表現出使用方便、檢測精度高、穩定性好、測量自動化程度高等優點。

3 紅外測溫原理與紅外溫度傳感器

紅外測溫是利用測量物體所輻射出來的輻射能量來測量物體溫度，它的理論依據是斯蒂芬一玻爾茲曼定律：物體的溫度越高，它所輻射出來的能量越多。當溫度為T時，物體在所有波長上(物體的輻射幾乎包括所有的波長)的總輻射強度W為：

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

c1―第一輻射常數；c1=3.741510-12(W／cm2)

c2―第二輻射常數；c2=1.4388(cm2?K)

ελ―分譜比輻射率，與物體的材料、表面情況及波長有關；

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

T―物體的絕對溫度，單位K；

ε―物體表面的法向比輻射率，絕對黑體ε=1.0。非絕對0ε1.0；

λ――熱輻射發射的電磁波波長。

峰值輻射波長λm與物體自身的絕對溫度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，它的峰值輻射波長向短波方向移動(即波長越短)。

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(1)式只要能測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系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成，結構框圖如圖l所示。光學系統匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定，紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變為相應的電信號，該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內部的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。

圖l中的光學系統有兩個作用：(1) 把被測量處的紅外線集中到檢測元件上；(2) 把進入儀表的紅外線發射面限制在固定范圍內，檢測元件把紅外線能量轉換為電信號，信號處理單元針對檢測元件輸出的信號用電子技術和計算機技術進行處理，變成人們需要的各種模擬和數字量信息，通信單元把結果傳輸給單片機。

4 系統的硬件設計

體溫數據采集系統總體結構如圖2所示。系統硬件設計包括TN紅外測溫傳感器接入、單片機、按鍵、LED＼LCD顯示、PC機與單片機通信部分。單片機采用凌陽公司推出的16位SPCE061A系列單片機。LED顯示采用7段LED數碼管，LCD液晶采用凌陽公司的SPLC50l液晶模塊。設計兩種顯示方式：LED顯示和LCD顯示。

TN紅外測溫傳感器接入部分采用SPI編程，通過SPCE061A I／O口的控制，將所測得的溫度接收到SPCE061A中來處理。其測量范圍：-33℃～220℃，精度：0.3℃；響應時間：0.5 s。

按鍵部分：通過PIA8和GND接按鍵，按鍵啟動測溫，LED／LCD顯示數據。溫度數據一直顯示，直到重新啟動測量更新數據。

LED／LCD顯示部分：在LED顯示中，通過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IOAO-8輸出8位數據，IOB9接單片機的CS1，IOB4接A0,IOB5接R／W,IOB6接EP。

PC與單片機的通信：采用MAX232電平轉換電路，IOB7接MAX232的ROUT2，IOB10接DIN2。

5 通信協議

體溫采集裝置采用收、發、地三線的方式通信，工作方式采用主從方式。PC機為主機，耳溫計為從機。下位機采用中斷方式接收和發送數據幀，下位機通過與COM1口連接與PC機進行通信。通信規則如下：

(1) 由主機下傳，從機應答上傳，從機必須在一定時間內對主機發出的任何命令應答。

(2) 一次發送4個字節，每個字節代表一定的功能，每個字節為十六進制值。

(3) 主機下傳操作命令，從機上傳主機發的執行命令。表示從機收到主機執行命令。主機下傳讀寫數據命令，從機按返回數據格式上傳。

(4) 從機收到命令或數據，如果校驗和錯，不發上傳命令或數據。通信協議如表1所列。

6 系統軟件設計

應用程序采用模塊化編程，便于調試和移植。鍵盤掃描采用查詢方式，串口通信采用中斷方式。下位機系統軟件流程圖如圖3所示。

體溫檢測數據通過串行口通信傳送到計算機，計算機對數據進行采集和處理，本系統用虛擬儀器技術進行基于PC機平臺的軟件設計。上位機軟件采用NI公司推出的LabVIEW軟件。LabVIEW是一種基于圖形的集成化程序開發環境，實現了虛擬儀器的概念，它是一套專為數據采集與儀器控制、數據分析和數據表達而設計的圖形化編程軟件，增強了用戶在標準計算機上配以高效經濟的硬件設備來構建自己的儀器系統的能力。

本系統使用串行端口子模塊編程，在LabVIEW中實現串口通信可以調用硬件接口模塊(InstrumentI／O)中的VISA和Serial子模塊。上位機接收數據幀，對數據幀進行分解處理得到溫度數據。并對數據進行自動保存。上位機發送控制命令啟動下位機，并同時接收下位機傳輸的4byte數據幀，也可以接收下位機鍵盤啟動檢測后傳輸過來的4byte數據幀。對于按照通信協議產生的數據幀可以在LabVIEW中利用GDI編程實現從數據幀格式中提取出溫度數據的十位、個位以及小數點后一位，并且自動進行數據的文本記錄，方便查看。LabVIEW設計的前面板調試界面如圖4所示。

7 結束語

本文設計的紅外溫度檢測系統體積小，結構簡單可靠，使用十分方便。將紅外傳感器部分單獨制作成手持式耳溫計，通過延長線(可達2 m)，可以十分方便地進行大量的體溫檢測。通過在PC機上進行數據保存分析，可以繪制一段時間的體溫變化曲線。通過對驗證機的實驗，發現系統運行穩定，溫度測量準確，檢測自動化程度高。本系統特別適合在醫院、大型公共場合使用，也可以應用于家庭。