红外人体测温仪

中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 王振运 孟立凡 张 璐

红外人体测温仪

中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 王振运 孟立凡 张 璐

根据红外辐射原理设计一种红外人体测温仪，其中红外传感器采用了Melexis公司设计生产的非接触式红外传感器MLX90615。它是一个数字式红外传感器，通过SMBus协议把测量的温度数据直接传送给MSP430单片机进行处理，通过LCD液晶显示相应的体温值，并通过上位机实时监测测量温度。系统还采用了集成块ISD1420语音录放芯片，实现实时报温功能。该系统测量精度高、方便快捷、数字化显示、语音温度播报等优点，使得在大规模的疫检和日常保健中发挥重要的作用。

红外温度测量；MLX90615；SMBus；语音播报

引言

在临床医学中,体温是一个重要的人体参数,也是观测人体机能是否正常的重要指标之一,所以体温测量仪是必不可少的医用计量器具。传统的体温测量仪主要是水银式体温计,主要是通过口腔、腋窝和直肠部位来测量人体的平均温度。水银体温计虽然价格便宜,性能稳定,但是存在许多弊端：使用不当容易破碎,对人体特别是婴儿造成危害;测量时必须使其能充分受热,往往要等待较长时间,所以在大规模的疫检中不便使用。

随着科技的发展和现代医疗技术的需要,红外测温技术得到了广泛的应用。它是利用人体发出特定波段的红外线来测量出人体的温度。高精度红外传感器能快速、准确、方便地测量出体温数值,从而克服了传统水银式体温计的缺点,实现了非接触式无污染体温测量。无论是在大规模的疫检中还是在日常保健中都发挥了重要的作用。

图1 系统总体框图

1 系统总体设计

非接触式红外人体测温系统采用低功耗MSP430单片机作为核心控制器,利用非接触式红外传感器MLX90615完成人体温度采集,LCD1602液晶实时显示测量温度值, ISD1420语音模块实时播报测量温度值,超限声光报警功能,并通过串口利用上位机监测温度值,以便远程监测。该红外测温仪的系统框图如图1所示。

2 系统硬件的设计

2.1 MSP430单片机简介

MSP430单片机是一个16位的单片机,采用的是精简指令结构。在25MHZ晶振驱动下,实现40ns的指令周期。电源电压采用的是1.8V～3.6V,芯片电流最低会在165uA左右,系统运行时采用不同的工作模式有着不同的功耗。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0～LMP4)。其内部集成了丰富的片内外设,如看门狗、定时器、UART、SPI、I2C、ADC、I/O端口等资源。其中P0、P1、P2端口能够接受外部上升沿或下降沿的中断输入。单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

图2 MLX90615内部结构图

2.2 红外温度传感器模块

MLX90615是一款由Melexis公司设计生产的低成本非接触式红外温度测量数字传感器。MLX90615内部结构如图2所示,其内部集成了低噪声放大器,16位ADC和强大的DSP的MLX90325单元,使得高度集成和高精度测量温度得以实现。输出的数据和物体的温度呈线性比例,有较高的精度和分辨率。计算所得到的物体温度被存储在MLX90615的RAM单元,此数值通过串行两线SMBus兼容协议获得。本设计采用的是Melexis公司特别设计的医学专用红外传感器MLX90615ESG-DDA,其在环境温度为20至30℃的条件下,目标温度的测量精度可达0.2℃,满足医用体温测量要求。

2.3 语音播报模块

本设计中的语音播报模块采用的核心语音芯片是美国ISD公司生产的ISD1420。其内部的128K可编程只读存储器是用来存储语音信息的,最大可分为160段,每小段语音长度是125ms,每段语音都可由A0～A7八根地址线控制输出。其特点是高保真、录放结束自动待机、录音数据永久保存。ISD1420是采用的是直接模拟信号存储技术,可反复录放20S的语音芯片。

红外温度传感器测量的温度值是随机的,因此,为了能够播报温度值,需要事先将0～9、十、点、度十三个音节录入到语音芯片中,通过软件控制组合所要播报温度音节的地址,进而播报温度值。

2.4 LCD液晶显示

红外温度数值是通过液晶LCD1602实时显示。最佳工作电压5V,工作电流2.0mA。可以用来显示字母、数字、符号等的点阵液晶模块,具有体积小、质量轻、功耗低,显示丰富等优点。因其驱动简单、显示清晰、功耗低,符合设计要求。

2.5 电源部分

系统中需要5V和3.3V两种电压要求,其中3.3V电压由三端线性稳压器LM1117得到。系统设计了USB和DC两种供电接口方式。DC接口是为了增加其便携性,可以将9V锂电池电压通过LM317转换成5V,满足系统供电要求。

2.6 其他外围电路

其他外围电路还有按键、声光报警电路和热释电红外电路。按键主要是对测温仪报警温度值上下限简单设置;测得的温度值超限后LED闪烁、蜂鸣器发声,提示作用。热释电红外传感电路起到温度测量起始的作用,当检测到人体存在的时候,热释电传感器发出中断信号,启动红外温度传感器采集温度,当检测到人体离开后自动跳出中断。

3 系统软件的设计

系统上电之后,首先进行系统初始化,采用模块化的程序设计,主要包括红外温度检测模块、语音模块、液晶显示模块、串口通信和热释电红外传感器等。在主函数中首先对中断、定时器、I/O口和SMBus传输协议初始化。热释电红外传感器检测到人体时,进入中断打开定时器,红外温度传感器开始采集温度数据,每20ms读取一次数据,1秒钟时间内读取五次温度数据,求其平均值,显示在液晶显示屏上,并通过串口发送到上位机,语音模块播报当前所测温度值。如果超过所设温度范围,LED闪烁,蜂鸣器发声,提示并报警。系统流程图如图3所示。

图3 系统流程图

3.1 SMBus数据传输协议

红外温度传感器是通过SMBus协议与单片机进行数据传输,通过其内部的EEPROM设置。SMBus是一种二线串联协议,对应的引脚分别为SCL和SDA。其中SCL为数字输入,用作SMBus兼容通信的时钟信号,SDA兼有数字输入输出。SMBus协议采用的是主从模式,单片机为主控制器,MLX90615为从动器件。SMBus数据读写格式分别见图4、图5。其中S为起始位,Slave Address为从器件地址,Wr为写标志,Command为命令字节,Rd为读标志, PEC为出错数据包,P为停止位［2］。

图4 SMBus读数据格式

图5 SMBus写数据格式

3.2 温度采集子程序

本设计中,只用了一个从器件ML90615,其默认地址为5AH,地址存放在00EH单元,当系统需要多个从器件时,可以向该单元写入不同的数据,以便寻址。

MLX90615有一个ROM和一个EEPROM,都是有16个字长为16的存储单元,地址都为0H～FH,地址单元都是通过SMBus读取。其中ROM存储单元中的7H存储的是物体温度To,将读出的数据转换成摄氏温度值是通过公式To=RAM(7H)×0.02—273.15计算得出。而EEPROM中的3H单元为发射率,可以设置为0～1任意值,出厂默认为1。其程序流程如图6所示。

图6 红外温度传感器程序流程图

4 实验结果与分析

系统经过调试,实现了对人体耳温的测量。这里是通过与水银体温计测量的结果进行对比和分析,红外温度计测量耳温,水银体温计测量人体腋下温度,而人体不同部位的温度是不一样的,根据医学研究,人体正常腋下温度为34.8～37.3℃,正常耳温温度35.9～37.6℃,表明人体在正常情况下腋下温度比耳温要高出大约0.5℃。在因素相同的情况下,经过多次测量得到多组体温数据表明,水银体温计所测出的体温数据相对稳定,其误差在0.1℃左右,而红外体温计灵敏度高、容易受环境因素的影响,其误差在0.2～0.3℃左右,测量误差会大一些。水银体温计测量的平均值大约是36.8℃,红外体温计测量的平均值大约是37.2℃,相差0.4℃,测量结果在正常范围内,说明方案的可行性。

虽然红外温度计受外部条件(环境温度、湿度等)和人体(不同年龄、不同时段、不同体质)因素有影响,但是可以作为人体温度的初步测量,在火车站、汽车站、学校、大型娱乐场所等人流密集的场所提供一种安全、快速的体温测量,对疾病的传播起到非常重要的作用。

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王振运（1990—），男，中北大学计算机与控制工程学院硕士研究生，主要从事智能测试、嵌入式系统开发。