一种测量准确的体温数据采集装置的设计

2 概述

生活中有一部分人处于“亚健康”状态。亚健康，按中医观点而论是身体已经出现了阴阳、气血、脏腑营卫的不平衡状态。按照西医的观点。这些不平衡状态表现为体温、体重、心率、血压、尿液成份等人体生理信号在一段时间里发生了不正常的变化。分析一段时间的信号变化数据，就可以对一个人的健康状态做出比较客观的判断。体温数据已经成为评判“亚健康”的重要指标之一。

为了客观准确地进行体温检查，医学上不少学者对检查部位和方法的选择进行了多方面的研究，常见的检查部位和方法如下：口腔测温、腋窝测温、直肠内测温、鼓膜测温等。除了上述方法外，还可以在背部肩脚间、腹部、腹股沟、肘窝和手部等部位进行测温，但不常用。临床测温常用水银体温计和红外耳温计，但两者的测量时间差异很大，前者需要几分钟才能稳定，而后者仅需几秒。红外耳温计测温快而准，而且获取的是中枢神经系统的温度，是人体的核心体温，在正常体温和轻度低温情况下耳温均能反映实际的温度。但是，世面上推出的红外耳温计均没有配置串口通信功能，无法实现数据通信、自动保存数据和温度曲线绘制功能，大大限制了温度检测的自动化进程。

本文所设计的体温数据采集装置采用红外耳温测量方法，另外，为了实现对体温数据自动记录存储以及一段时间的温度曲线观测，设计了红外耳温计与PC机的通信以及上位机软件。体温检查时。用户从平台的耳温计托盘上将红外耳温计取出，并按下耳温计开关，然后将红外测温头插人耳道并向下压使之完全贴合，按下“start”按键，耳温计的显示屏上相应地显示本次检查结果。当用户将耳温计放回托盘时，借助耳温计的重量按下安装在托盘上的行程开关，单片机系统就会将检测结果通过串口传输到PC机，PC机自动进行数据保存，将温度数据保存到数据库中。通过一段时间的体温检测。在PC机上自动绘制温度数据曲线，可以反映出一段时间内人体体温的变化，作为评判“亚健康”的标准之一。

采用这种方法设计的体温数据采集装置已应用在“智能马桶系统”中，表现出使用方便、检测精度高、稳定性好、测量自动化程度高等优点。

3 红外测温原理与红外温度传感器

红外测温是利用测量物体所辐射出来的辐射能量来测量物体温度，它的理论依据是斯蒂芬一玻尔兹曼定律：物体的温度越高，它所辐射出来的能量越多。当温度为T时，物体在所有波长上(物体的辐射几乎包括所有的波长)的总辐射强度W为：

式中wλ―温度为T(K)的物体，在波长为λ处的分谱辐射强度，单位为(W／cm2.μm)；

c1―第一辐射常数；c1=3.741510-12(W／cm2)

c2―第二辐射常数；c2=1.4388(cm2?K)

ελ―分谱比辐射率，与物体的材料、表面情况及波长有关；

σ―斯蒂芬一玻尔兹曼常数，σ=5.669710-12[(W／cm2).T4]；

T―物体的绝对温度，单位K；

ε―物体表面的法向比辐射率，绝对黑体ε=1.0。非绝对0ε1.0；

λ――热辐射发射的电磁波波长。

峰值辐射波长λm与物体自身的绝对温度T成反比，即

λm=2897／T(μm)　　 (2)

此式称为维恩位移定律。表明温度越高，它的峰值辐射波长向短波方向移动(即波长越短)。

由(2)式可知，物体的温度越高，所辐射的辐射功率愈大。显然，在物体表面的法向比辐射率已知的情况下，根据(1)式只要能测量出物体所辐射的辐射功率，便可确定物体的温度。

红外温度传感器由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，结构框图如图l所示。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定，红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

图l中的光学系统有两个作用：(1) 把被测量处的红外线集中到检测元件上；(2) 把进入仪表的红外线发射面限制在固定范围内，检测元件把红外线能量转换为电信号，信号处理单元针对检测元件输出的信号用电子技术和计算机技术进行处理，变成人们需要的各种模拟和数字量信息，通信单元把结果传输给单片机。

4 系统的硬件设计

体温数据采集系统总体结构如图2所示。系统硬件设计包括TN红外测温传感器接入、单片机、按键、LED＼LCD显示、PC机与单片机通信部分。单片机采用凌阳公司推出的16位SPCE061A系列单片机。LED显示采用7段LED数码管，LCD液晶采用凌阳公司的SPLC50l液晶模块。设计两种显示方式：LED显示和LCD显示。

TN红外测温传感器接入部分采用SPI编程，通过SPCE061A I／O口的控制，将所测得的温度接收到SPCE061A中来处理。其测量范围：-33℃～220℃，精度：0.3℃；响应时间：0.5 s。

按键部分：通过PIA8和GND接按键，按键启动测温，LED／LCD显示数据。温度数据一直显示，直到重新启动测量更新数据。

LED／LCD显示部分：在LED显示中，通过SP-LC501的IOAO-8输出段选码,IOBO-3输出4位位选码。LCD显示中，通过IOAO-8输出8位数据，IOB9接单片机的CS1，IOB4接A0,IOB5接R／W,IOB6接EP。

PC与单片机的通信：采用MAX232电平转换电路，IOB7接MAX232的ROUT2，IOB10接DIN2。

5 通信协议

体温采集装置采用收、发、地三线的方式通信，工作方式采用主从方式。PC机为主机，耳温计为从机。下位机采用中断方式接收和发送数据帧，下位机通过与COM1口连接与PC机进行通信。通信规则如下：

(1) 由主机下传，从机应答上传，从机必须在一定时间内对主机发出的任何命令应答。

(2) 一次发送4个字节，每个字节代表一定的功能，每个字节为十六进制值。

(3) 主机下传操作命令，从机上传主机发的执行命令。表示从机收到主机执行命令。主机下传读写数据命令，从机按返回数据格式上传。

(4) 从机收到命令或数据，如果校验和错，不发上传命令或数据。通信协议如表1所列。

6 系统软件设计

应用程序采用模块化编程，便于调试和移植。键盘扫描采用查询方式，串口通信采用中断方式。下位机系统软件流程图如图3所示。

体温检测数据通过串行口通信传送到计算机，计算机对数据进行采集和处理，本系统用虚拟仪器技术进行基于PC机平台的软件设计。上位机软件采用NI公司推出的LabVIEW软件。LabVIEW是一种基于图形的集成化程序开发环境，实现了虚拟仪器的概念，它是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件，增强了用户在标准计算机上配以高效经济的硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。

本系统使用串行端口子模块编程，在LabVIEW中实现串口通信可以调用硬件接口模块(InstrumentI／O)中的VISA和Serial子模块。上位机接收数据帧，对数据帧进行分解处理得到温度数据。并对数据进行自动保存。上位机发送控制命令启动下位机，并同时接收下位机传输的4byte数据帧，也可以接收下位机键盘启动检测后传输过来的4byte数据帧。对于按照通信协议产生的数据帧可以在LabVIEW中利用GDI编程实现从数据帧格式中提取出温度数据的十位、个位以及小数点后一位，并且自动进行数据的文本记录，方便查看。LabVIEW设计的前面板调试界面如图4所示。

7 结束语

本文设计的红外温度检测系统体积小，结构简单可靠，使用十分方便。将红外传感器部分单独制作成手持式耳温计，通过延长线(可达2 m)，可以十分方便地进行大量的体温检测。通过在PC机上进行数据保存分析，可以绘制一段时间的体温变化曲线。通过对验证机的实验，发现系统运行稳定，温度测量准确，检测自动化程度高。本系统特别适合在医院、大型公共场合使用，也可以应用于家庭。