智能基础体温计的设计与实现

上海电机学院 李 　 凡 莫然龙 姜　 猛 马士杰 黎 　 明

探索与观察

智能基础体温计的设计与实现

上海电机学院 李 凡 莫然龙 姜 猛 马士杰 黎 明

为了解决传统体温计在数据响应和测温简便快捷方面的不足，设计了一款基于红外温度传感技术的智能体温计，能够满足备孕女性随时掌握基础体温微小变化的需求。该体温计采用MLX90614红外传感器、MSP430F4250单片机和低功耗蓝牙模块相结合来实现。单片机通过模拟UART串口方式与MLX90614进行通信，将采集的温度数据处理后，由单片机驱动LED液晶模块显示当前体温，最后通过低功耗蓝牙模块将体温数据发送到手机APP上，实时显示并记录数据，形成体温值记忆曲线。该智能体温计可实现非接触式测量，将体温计置于额头处一秒即可获取体温值，可精确到0．1℃。经过测试，该基础体温计测温系统符合人体测温需求。

MLX90614；备孕；体温计；单片机

引言

体温计与人们的日常生活息息相关，一个人的身体健康状况可以通过测量体温来判别，因此体温计在医学领域具有广泛的应用价值。现有的体温计主要有：水银体温计、电子体温计及红外电子体温计等三种类型。

水银体温计是最为常见的类型，它是利用汞受热膨胀的原理制成的。当体温计中的水银受到体温加热后，体积慢慢膨胀使玻璃管内的水银柱高度发生变化。这种体温计的优点是测量准确、稳定性高、价格便宜，缺点是体温计玻璃易碎，水银若挥发则具有毒性。

电子体温计是专用传感器制成的，通过将某些物质的物理参数与环境温度之间进行一定的关系确定，将测得的体温以数字的形式显示出来。这种体温计测温反应迅速，在医院中得到应用广泛。它的不足之处在于温度数据易受到环境温度的影响，环境温差大时测量精度会降低。

红外测温技术应用到体温测量领域，使得体温测量更快、更精确、更安全。这种体温计采用传感器能够吸收人体辐射出的红外线，通过非接触的方式感应测得人体体温，不会对人的身体产生伤害。日前，最新出炉的一款专为婴幼儿设计的名为“宝护圈”的红外接触式体温计应用的就是红外测温技术，通过接触式测温将数据传输到手机上，父母可实时监测到宝宝的体温变化。

随着社会的发展，各种各样的体温计浮现在社会的各个领域，每种体温计总会有其不足之处。调查发现：很多女性觉得自己对备孕时机和备孕体温把握不够准确，认为传统的体温计很难准确的测出自己体温的微小变化，而且测温过程比较麻烦，需要花费太多时间。正是为了顺应这一趋势和需求，本文针对目前最常用的体温计的不足，设计出一款针对备孕女性的高效、高精度、高安全性的体温计。该非接触式红外传感智能体温计打开了传统体温测量的枷锁，无需接触也不再需要耗费太多时长来获取体温值，只需要短短1秒，就可以准确响应并显示，再配合手机移动应用客户端，可实现体温实时监控和记录，通过记忆曲线可查看近一周的体温变化情况，方便备孕女性对随时掌握特殊时期的基础体温变化。

1　 系统原理

本系统以MSP430F4250单片机为核心，利用红外温度传感器MLX90614进行温度数据采集[1]，数据送单片机处理后转LED显示，同时可通过实体按键触发单片机将温度数据发送至APP形成体温记忆曲线。该设计主要由五大模块组成：红外温度采集模块、单片机模块、蓝牙模块、LED显示模块、APP。系统框图如图1所示。

图1　 系统框图

2　 系统实现

2.1 硬件实现

基于单片机的非接触式和从整体到局部再到整体的设计思想[2]，硬件电路设计原理：按下电源开关供以系统3V电源，LED液晶显示屏亮，初始化显示上一次体温值。当MLX90614温度传感器将采集到的模拟信号经传感器内部放大、A/D转换后，把模拟信号转换为数字信号送至单片机，单片机对数据再处理，通过设置一个触发按键，当按下该键后，体温数据会发送至LED液晶模块显示，同时蓝牙模块启动并发送数据，等待APP接收。

MLX90614是Melexis公司新近生产的一种高精度的测温芯片，由红外温度传感器、低噪声放大器、A/D转换器、DSP单元、脉宽调制电路及逻辑控制电路构成[3]。利用物体的热辐射特性，将多个热电偶串联起来，将其工作端排列在很小的面积上，参考端分布在外围，使入射红外线照射在工作端，参考端处于掩蔽场所，这样由热电偶输出的温度信号经过内部运算放大器后送给A/D转换器，其输出的16位数字量经过低通滤波器处理后输出，该输出作为测量结果保存内部RAM单元中，可以通过模拟UART串口方式读取;同时测量结果送到后级数字式脉冲宽度调制电路，将测试结果以PWM方式输出[4]。该传感器是辐射测温中最精确的一种，并且感应迅速，在温度范围为+32℃～+42℃时，测量绝对精度为±0.1℃，适合用于人体体温测量。

单片机主要是要解决微控和低功耗两个问题。参阅资料后发现，TI公司生产的16位超低功耗混合信号处理器MSP430F4250单片机在低功耗上效果显著，它在存储和运行上也具有独特的优势，可以完美地配合MLX90614传感器获取体温数据。MSP430F4250单片机，其电源电压采用1.8～3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA，活动模式耗电 250μA/MIPS，I/O输入端口漏电流最大仅50nA。由于该单片机没有集成UART串口通信，所以在单片机设计的主程序中需采用中断法模拟出一个串口，在中断服务程序中，先设置中断的初始化（包括数据发送的波特率，发送和接收引脚），利用捕获/比较器来接收和发送数据[5]。当捕获/比较器在捕获模式(CCTL0 & CCIS0)时，单片机进入接收模式；当捕获/比较器处于比较模式时，单片机进入发送模式。利用单片机的超低功耗特性，设定处在接收模式时，使CPU进入休眠状态，只有当有串口中断触发时，才会启动接收模式，这样大大降低了系统的功耗。与此同时，LED显示器也进行初始化，等待接收显示体温数据。

体温数据采集到并经单片机处理后。接下来的任务就是将体温值显示出来，经过实际测试，为适应系统设计，采用由3V电压起电的OLED液晶显示屏，它具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快等特性，加载进单片机模块后可方便快捷的实现将温度传感器获取的体温数据显示出来，并且可以达到节能的效果[6]。加上显示区域只需适应温度数据的字符，采用LED将极大的缩小硬件空间。

为达到数据无线传输效果，蓝牙模块是必不可少的，蓝牙BLE--CC41--A （蓝牙4.0）芯片是一种新型的超低功耗模块（自动休眠模式下，待机电流 400uA～1.5mA传输时8.5mA），该模块采用美国TI公司CC2541芯片，配置256KB空间，遵循V4.0 BLE蓝牙规范。支持AT指令，用户可根据需要更改串口波特率、设备名称、 配对密码等参数，使用灵活。在系统中使用“AT+SLEEP ”指令使蓝牙模块进入休眠状态，既可精准传输温度数据又可降低整体硬件电路的功耗[7]。

2.2 软件实现

为了将体温计测得的数据实时显示和记录下来，利用Eclipse软件设计出适应于android系统的APP。该APP主要实现连接蓝牙信号，接收并处理显示体温值和形成数据记忆曲线三大功能。备孕女性可以通过APP实时查看自己近一周的体温变化，准确把握备孕时机，

利用Eclipse软件开发出APP界面，利用JAVA数据连接方法将单片机传输过来的数据信息进行处理和打包在APP前端界面显示出来[8]。实时温度与记忆曲线通过方法继承，将数据保存和显示在内存中。

为了实现android客户端与体温计的蓝牙连接，通过代码判断android设备是否支持蓝牙功能，若支持，则打开蓝牙，并开始扫描周边蓝牙设备，选择需要连接的体温计设备信号，待连接成功后，即可接收并显示体温计发送过来的温度数据，同时将接收到的数据绘成曲线图。

通过调用Google提供的Bluetooth4.0的API中的BluetoothGatt方法连接设备，发现服务，并把相应的属性返回到BluetoothGattCallback。显示曲线图时，导入Google提供的开源图表库中AchartEngine方法，通过调用AchartEngine方法即可将从体温计接收到的数据绘制成记忆曲线图。

3　 实验结果与分析

系统整体测试将通过三个指标来实现：

（1）将设计完成的红外智能体温计与热电偶高精度体温计同时测量水温和额头的温度，测试智能体温计的灵敏度和精度。

（2）红外智能体温计设计了手动发送温度数据的按钮，在测温区域触发按钮，将实现温度计显示体温值，同时发送数据至APP上显示并记录。

（3）体温计在未工作状态将智能进入低功耗休眠状态。

针对以上指标，红外体温计以水温和额头温度为检测目标，进行了测试，与热电偶测得的结果进行对比，结果如表1、表2所示。

表1　 水温测试结果

表2　 女性正常情况额头表面测试结果

从上表中可以看出：采用MLX90614设计的智能体温计的测温精度和稳定性比热电偶高，并且实际的响应速度也具有很大优势。

将红外智能体温计置于额头处以按键的形式测温，实际测试效果符合设计要求。实物图见图2、图3、图4。

图2　 女性额头正常测温实物图一

图3　 女性额头正常测温实物图二

图4　 APP体温记忆曲线

通过手动操作，可以实现将体温数据发送到APP上立即显示，并自动生成体温记忆曲线。按照备孕女性排卵前，孕激素少，体温呈低温趋势，一般为36.2℃。排卵后，体温急剧上升，一般增高幅度为0.3℃～0.6℃，使基础体温达到36.7℃，呈高温趋势的规律，对红外传感器算法进行了修改，适应于女性体温的变化参数。整体来说，本次设计的智能体温计已达到预期设计目的，实现了非接触、响应快、实时传输、记录数据的效果。相比于传统的接触式温度计，这款智能体温计弥补和加强了测温的效果，预计将满足备孕女性体温监控的需求。

4　 结论

这款智能体温计采用低功耗设计，通过程序算法设定，达到了针对备孕女性特殊时期体温变化的测量要求，实现了体温数据的实时测量和显示。很多上班的女性都烦于繁琐的体温测量，该体温计可以完美地弥补传统体温测量设备的弊端，只需一秒，就可以实时测量和记录体温，而且精度达到0.1℃。有助于备孕女性更加精准地把握自己体温的变化情况。

智能体温计设计分为硬件实现和软件系统两部分。硬件部分通过采用红外传感器技术来采集体温数据，经低功耗单片机处理后送LED液晶显示体温值，同时利用蓝牙模块发送体温数据，整个过程比传统温度计更加快捷、方便、准确。软件部分通过接收蓝牙传输的数据并在APP上显示，多次测量的结果可形成数据记忆曲线，通过曲线走势图可以很清楚的查看近一周的体温变化。

对于该体温计的设计，尚需完善体温数据采集精度算法，有必要时可以加入语音模块。APP的数据记录部分有待改进，目前只能显示和记录短时间内的数据，在日后技术成熟了，将会一步步精确实现各个细节。

[1]宋念龙,李琦,张新雨,李倩,王静．基于红外传感器阵列的智能温度传感器研究[J]．2010,12．

[2]苏波,黄新．基于多红外传感器的智能温度测试装置设计[J]．2012．

[3]沈国彦,宋平．红外温度计测量体温方法探讨[J]．仪表技术,2003,3．

[4]杨波,陈忧先．热释电红外传感器的原理和应用[J]．激光杂志,2008,6．

[5]肖金球．单片机原理与接口技术[M]．清华大学出版社,2002．

[6]李良成,张永顺,张瑕．基于MSP430单片机的液晶显示[J]．2006,12．

[7]钱志鸿,刘丹．蓝牙技术数据传输综述[M]．2012,4．

[8]Kathy Sierra,Bert Bates．Head First Java[M]．Paw Prints出版,2008,5．29．