本文介紹了一種基于醫(yī)用數(shù)字紅外傳感器MLX90615 的紅外耳溫計設(shè)計,�,；诩t外測溫原理,，耳溫計主要由數(shù)字
紅外溫度傳感器、低功耗CPU,、液晶顯示屏和其他外圍電路組成,。CPU 通過I2C 總線讀取MLX90615采集的紅外輻射信號,，將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的人體耳腔溫度值并顯示在液晶屏上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示,，該耳溫計分辨率達(dá)到了0.02℃,，準(zhǔn)確度達(dá)到了0.1℃，實(shí)現(xiàn)了耳溫的準(zhǔn)確,、快速測量,。
紅外耳溫計的優(yōu)點(diǎn)
傳統(tǒng)體溫測量是使用水銀溫度計進(jìn)行接觸式測量，具有性能穩(wěn)定,、誤差小等優(yōu)點(diǎn),，但存在測量時間長、交叉?zhèn)魅撅L(fēng)險大,、玻璃破碎易引起汞中毒等缺點(diǎn),。據(jù)世強(qiáng)市場經(jīng)理余彪介紹，紅外耳溫計是通過紅外傳感器采集耳腔和鼓膜的紅外輻射并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,，主控CPU 單元將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為溫度值并顯示在液晶屏上。與水銀溫度計相比,，紅外耳溫計具有高精度,、高分辨率、測量速度快,、操作簡便,、安全舒適等優(yōu)點(diǎn)。
紅外耳溫計的基本原理
下視丘是大腦控制體溫的重要器官,，與耳朵最接近,。機(jī)體深部平均溫度發(fā)生變化，耳朵的溫度也迅速發(fā)生變化,，并且耳朵內(nèi)部為封閉區(qū)域,， 受外界因素影響小，因此耳溫與體溫最接近,。紅外耳溫計通過測量人體耳道和鼓膜的紅外輻射來測量人體溫度,，其輻射能量密度與溫度的關(guān)系符合斯蒂芬-波爾茲曼輻射定律：
E=εσT4 （1）
其中，E為輻射出射度,，即單位面積所發(fā)射的輻射功率,，單位為W／m3；ε為物體的輻射率,；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù),；T為物體的熱力學(xué)溫度，單位為K,。
式（1）表明,，物體的溫度越高,，輻射功率越大。只要已知物體的溫度和它的輻射率,，即可計算出它所發(fā)射的輻射功率,。反之，如果測量出物體的輻射功率,，即可確定物體的溫度,。因此，應(yīng)用紅外傳感器吸收紅外輻射的原理測量耳腔溫度的儀器,，稱為紅外耳溫計,。紅外傳感器采用串聯(lián)的熱電偶，冷接頭放置在厚的芯片襯底上,，熱接頭放置在薄膜上,，薄膜吸收紅外輻射，從而產(chǎn)生微弱電信號,。根據(jù)式（1） 的原理,， 紅外傳感器的輸出信號為：
Vir（Ta，To）=A（T4 o-T4 a） （2）
其中,，A為總體的敏感度,，和傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)；To為目標(biāo)物體的熱力學(xué)溫度,，單位為K,，由紅外溫度傳感器測出；Ta為環(huán)境的熱力學(xué)溫度,，單位為K,，需要附加的傳感器測量目標(biāo)物體的環(huán)境溫度。
硬件設(shè)計
紅外耳溫計依據(jù)紅外輻射原理進(jìn)行體溫測量,。世強(qiáng)介紹的這款設(shè)計,，主要由數(shù)字紅外傳感器、主控CPU 單元,、液晶顯示器和其他外圍電路組成,，其設(shè)計框圖如圖1所示。當(dāng)按鍵按下時,，數(shù)字紅外傳感器將采集到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,。主控CPU 采集的數(shù)字信號經(jīng)過運(yùn)算后，在液晶屏顯示出耳腔溫度值,，并伴隨蜂鳴器鳴叫,。
1、傳感器部分
傳感器部分采用數(shù)字紅外傳感器MLX90615,，主要由紅外熱電堆傳感器,、低噪聲放大器,、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和功能強(qiáng)大的DSP 單元等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。紅外熱電堆傳感器將采集到的紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號,， 并經(jīng)過低噪聲放大器放大后送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號經(jīng)FIR/IIR 低通濾波器調(diào)理后送入數(shù)字信號處理器,，數(shù)字信號處理器對數(shù)字信號運(yùn)算處理后輸出測量結(jié)果并保存在MLX90615 內(nèi)部RAM 中,，可以通過SMBus或PWM方式供主控CPU 單元讀取。
MLX90615 具有寬溫度范圍的高精度,、高分辨率,、發(fā)射率可調(diào)節(jié)、SMBus 兼容的數(shù)字接口等優(yōu)點(diǎn),，而作為醫(yī)用的MLX90615ESG-DAA 在36~39 ℃的人體溫度范圍內(nèi)的精確度達(dá)到了±0.1 ℃,。MLX90615廣泛應(yīng)用于高精度非接觸溫度測量、家用溫度控制,、衛(wèi)生
保健,、多重溫度區(qū)域控制等領(lǐng)域。
2,、主控CPU
CPU 采用基于ARM Cortex-M3 的32 位微控制器EFM32G842F64,。該控制器具有高速可靠、資源豐富,、低功耗、寬溫度范圍等優(yōu)點(diǎn),， 廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制,、醫(yī)療保健、手持設(shè)備等場合,。EFM32G842F64具有64 KB 的片內(nèi)Flash 程序存儲器,、53 個通用I/O引腳、2 個12 位A/D 轉(zhuǎn)換器,、3 個通用定時器等外設(shè)資源和USART,、I2C、SPI等通信接口,， 能夠滿足紅外耳溫計的設(shè)計要求,。該設(shè)計中微控制器EFM32G842F64主要完成判斷按鍵輸入、紅外傳感器信號的采集與處理,、驅(qū)動液晶屏顯示和蜂鳴器鳴叫等功能,。
3、液晶顯示器
該設(shè)計顯示部分采用基于HD44780 液晶芯片的通用1602 字符型液晶屏,， 它是指顯示的內(nèi)容為16&TImes;2,，即可以顯示兩行,， 每行16 個字符和數(shù)字的液晶模塊。液晶顯示屏具有功耗低,、體積小,、對比度可調(diào)、內(nèi)置字符發(fā)生器,、易匹配處理器等優(yōu)點(diǎn),。
4、其他外圍電路
其他外圍電路部分主要包括按鍵,、蜂鳴器等部分,。按鍵主要產(chǎn)生中斷信號， 使EFM32G842F64執(zhí)行紅外溫度檢測功能,。蜂鳴器則提示用戶紅外溫度檢測結(jié)束,。
軟件設(shè)計
1、程序設(shè)計
軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計,，主要包括：初始化模塊,、按鍵檢測模塊、紅外溫度檢測模塊和液晶顯示模塊等,，其程序流程如圖3 所示,。初始化模塊主要完成復(fù)位、通用I/O,、中斷,、定時器、I2C 等初始化設(shè)置,。按鍵檢測模塊主要是檢測按鍵是否按下,，從而觸發(fā)外部中斷并執(zhí)行紅外溫度檢測功能。紅外溫度檢測模塊主要是按照I2C 總線方式對數(shù)字紅外傳感器MLX90615 進(jìn)行讀取操作,， 并按預(yù)定的公式將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成耳腔溫度值,。液晶顯示模塊主要是驅(qū)動液晶顯示器， 將耳腔溫度值顯示在液晶屏上,，方便用戶讀取數(shù)據(jù),。當(dāng)溫度值顯示在液晶屏上時，蜂鳴器鳴叫,， 提示溫度測量工作結(jié)束,。
2、紅外溫度檢測模塊
微控制器EFM32G842F64內(nèi)部集成了I2C 串行接口,，因此該設(shè)計采用SMBus 兼容方式對紅外傳感器MLX90615 進(jìn)行讀寫操作,。紅外測溫模塊主要包括讀取從地址、設(shè)置發(fā)射率,、讀取被測物體數(shù)據(jù),、溫度轉(zhuǎn)換等步驟,，其程序流程見4。在紅外溫度檢測模塊中,，EFM32G842F64對數(shù)字紅外傳感器MLX90615進(jìn)行讀寫操作,， 首先讀取紅外耳溫計中從器件MLX90615 的子地址（SMBus 從動器地址默認(rèn)地址為5Bh）。MLX90615 中發(fā)射率出廠設(shè)置為1,，而人體皮膚發(fā)射率為0.98,。為了補(bǔ)償被測物體的發(fā)射率，需要重新設(shè)置MLX90615 的發(fā)射率,。MLX90615的RAM 單元07h 地址存放的是被測物體的溫度值,，因此，按照I2C 總線時序讀取多字節(jié)數(shù)據(jù),。MLX90615中讀出的溫度值轉(zhuǎn)換為攝氏溫度的公式為：
To=RAM（07h）0.02-273.15 （3）
由于突發(fā)性流行疾病時常爆發(fā),，傳統(tǒng)的體溫測量方式已經(jīng)不能滿足人體溫度的測量要求。我們設(shè)計的紅外耳溫計采用低功耗的ARM 處理器和高精度的數(shù)字紅外傳感器,，簡化了硬件和軟件設(shè)計任務(wù),，提高了設(shè)計的分辨率和精確度，在臨床護(hù)理,、家庭保健等方面具有廣泛的應(yīng)用前景,。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計的分辨率達(dá)到了0.02℃,，精確度達(dá)到了0.1℃,，實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確測量人體耳腔溫度的目的,。
該設(shè)計的核心產(chǎn)品已由世強(qiáng)全面代理,，歡迎致電世強(qiáng)熱線400-887-3266咨詢訂購。
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