紅外體溫裝置的設計

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療儀器隊伍，特別是在紅外體溫檢測儀的研發方面取得了突出的成就。國家相關部門也在重點強調非接觸式體溫計的研發。生理參數是人體最重要、最基本的生命指標,對危重病人進行生命指標參數的監測是醫務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，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、傳感器的環境溫度補償等。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、低漂移的精密運算放大器OP07；環境溫度軟件補償，A/D轉換、系統控制等功能都用AVR單片機mega16實現。

1. 系統的硬件設計

本文所設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、低漂移、高精度，電路正比特性好，零點失調電壓小。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，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轉換，單片機的A/D轉換參考電壓選擇5V。電路圖如下：

1.3電源模塊的設計

本設計所采用的電壓為5v和正負9v。在設計時，應用集成整流電橋KBP307代替四個二極管。集成穩壓器7805、7809、7909分別實現5V,+9V,-9V電壓的輸出。使電路能得到穩定的電壓，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轉換，并將采樣結果進行處理，最后輸出顯示數據。key1為系統控制開關，key2為復位開關。LCD的8條數據線接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．系統的軟件設計

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顯示產品信息，5秒后開定時器。若在30秒鐘內控制鍵無按鍵動作則自動關機，若在30秒內控制鍵有按下且時間達4秒，進行按鍵關機，若按鍵時間不足4秒，則進入測溫程序：關定時器，將模擬信號進行A/D轉換，在將多次A/D轉換結果取平均值，經D/A轉換后再將電壓值轉換為相應溫度值，調用LCD顯示函數進行溫度結果顯示，并讓結果顯示維持2秒。開定時器，再進入工作模式。當系統進入休眠模式后（關機后），INT0中斷（即控制鍵有按鍵動作）

仍然可以喚醒系統，條件是：連續按鍵達4秒，就可以開機，進入工作模式。

由于mega16自帶有A/D轉換，這樣硬件電路就可以節省A/D轉換元件了。按鍵按下，進入ADC程序；關計時器，則在整個A/D轉換過程中不會產生時鐘溢出中斷；MCUCR=0x50使能ADC，并設置為ADC噪聲抑制模式；ADCSRA|=0x40，即將 ADCSRA中的ADSC置位，啟動ADC；執行sleep指令即進入ADC噪聲抑制模式；ADC轉換完后即進入ADC中斷服務程序，此中斷服務程序的作用為將轉換結果存放于開辟的存儲變量里。

本裝置還設計了睡眠模式，可以使應用程序關閉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，然后執行SLEEP 指令。經過啟動時間，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 的內容。如果在睡眠過程中發生了復位，則MCU 喚醒后從中斷向量開始執行。

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。其驅動控制器是KS0066U。本設計LCD顯示功能程序單獨寫在頭文件 lcd.h中，方便主程序直接調用。LCD與mega16的接線為：8條數據總線與PB口相接，RS接PD0，R/W接PD1，E接PD3。

向LCD寫一個數據的程序：

void Write_Data(unsigned char Data)

{

RW_W;

RS_H;

LCDDDR=0xFF;

LCDPORT=Data;

En_Toggle();

Wait_Until_Read();

}

設定R/W=0，即向LCD寫入信息;RS=1, 輸入數據→將數據口設為輸出；將待顯示的數據寫入數據口→產生一個使能脈沖→不斷檢測LCD的忙標志（BF），知道其為0，表示可以執行下條指令。

程序流程圖如下：

3．小結：

紅外體溫計是通過測量耳朵鼓膜或者額頭的輻射亮度，非接觸地實現對人體溫度的測量。只需將探頭對準內耳道或額頭，按下測按鈕，僅有幾秒鐘就可得到測量數據，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生輻射傷害。

本設計采用耳道為測量部位，由于探頭對準內耳道，測量的影響因素較少。其突出優點是：控制簡單，只需要一個按鍵就可以實現對系統的開機、關機和測溫操作。顯示直觀，運用字符型LCD顯示，可以對產品信息，開機、關機、和操作等動作以英文提示，就彌補了數碼管只能顯示數字的缺陷，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，根據時間、年齡、性別等的不同來設定發熱溫度。

我國是世界第一大人口大國，隨著國民對醫療衛生要求的不斷提高，醫療電子類產品的需求量不斷增大，產品具有廣闊的市場前景。希望有志之士投入到醫療電子的研發中去，提高我國醫療代電子類產品的實力。

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