一種測(cè)量準(zhǔn)確的體溫?cái)?shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)

　　1引言

　　隨著現(xiàn)代社會(huì)的蓬勃發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，醫(yī)療機(jī)構(gòu)的現(xiàn)代化和信息化建設(shè)也是大勢(shì)所趨。在醫(yī)院傳統(tǒng)體溫測(cè)量中，水銀溫度計(jì)操作不便、使用費(fèi)時(shí)，而且不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)通信等。隨著電子科學(xué)的迅猛發(fā)展，新型溫度傳感器的出現(xiàn)以及新型高性能單片機(jī)的不斷推出，使得溫度測(cè)量的自動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)成為了可能。

　　2 概述

　　生活中有一部分人處于“亞健康”狀態(tài)。亞健康，按中醫(yī)觀點(diǎn)而論是身體已經(jīng)出現(xiàn)了陰陽(yáng)、氣血、臟腑營(yíng)衛(wèi)的不平衡狀態(tài)。按照西醫(yī)的觀點(diǎn)。這些不平衡狀態(tài)表現(xiàn)為體溫、體重、心率、血壓、尿液成份等人體生理信號(hào)在一段時(shí)間里發(fā)生了不正常的變化。分析一段時(shí)間的信號(hào)變化數(shù)據(jù)，就可以對(duì)一個(gè)人的健康狀態(tài)做出比較客觀的判斷。體溫?cái)?shù)據(jù)已經(jīng)成為評(píng)判“亞健康”的重要指標(biāo)之一。

　　為了客觀準(zhǔn)確地進(jìn)行體溫檢查，醫(yī)學(xué)上不少學(xué)者對(duì)檢查部位和方法的選擇進(jìn)行了多方面的研究，常見(jiàn)的檢查部位和方法如下：口腔測(cè)溫、腋窩測(cè)溫、直腸內(nèi)測(cè)溫、鼓膜測(cè)溫等。除了上述方法外，還可以在背部肩腳間、腹部、腹股溝、肘窩和手部等部位進(jìn)行測(cè)溫，但不常用。臨床測(cè)溫常用水銀體溫計(jì)和紅外耳溫計(jì)，但兩者的測(cè)量時(shí)間差異

　　很大，前者需要幾分鐘才能穩(wěn)定，而后者僅需幾秒。紅外耳溫計(jì)測(cè)溫快而準(zhǔn)，而且獲取的是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的溫度，是人體的核心體溫，在正常體溫和輕度低溫情況下耳溫均能反映實(shí)際的溫度。但是，世面上推出的紅外耳溫計(jì)均沒(méi)有配置串口通信功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、自動(dòng)保存數(shù)據(jù)和溫度曲線繪制功能，大大限制了溫度檢測(cè)的自動(dòng)化進(jìn)程。

　　本文所設(shè)計(jì)的體溫?cái)?shù)據(jù)采集裝置采用紅外耳溫測(cè)量方法，另外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)體溫?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)記錄存儲(chǔ)以及一段時(shí)間的溫度曲線觀測(cè)，設(shè)計(jì)了紅外耳溫計(jì)與PC機(jī)的通信以及上位機(jī)軟件。體溫檢查時(shí)。用戶從平臺(tái)的耳溫計(jì)托盤上將紅外耳溫計(jì)取出，并按下耳溫計(jì)開(kāi)關(guān)，然后將紅外測(cè)溫頭插人耳道并向下壓使之完全貼合，按下 “start”按鍵，耳溫計(jì)的顯示屏上相應(yīng)地顯示本次檢查結(jié)果。當(dāng)用戶將耳溫計(jì)放回托盤時(shí)，借助耳溫計(jì)的重量按下安裝在托盤上的行程開(kāi)關(guān)，單片機(jī)系統(tǒng)就會(huì)將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)串口傳輸?shù)絇C機(jī)，PC機(jī)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，將溫度數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)一段時(shí)間的體溫檢測(cè)。在PC機(jī)上自動(dòng)繪制溫度數(shù)據(jù)曲線，可以反映出一段時(shí)間內(nèi)人體體溫的變化，作為評(píng)判“亞健康”的標(biāo)準(zhǔn)之一。

　　采用這種方法設(shè)計(jì)的體溫?cái)?shù)據(jù)采集裝置已應(yīng)用在“智能馬桶系統(tǒng)”中，表現(xiàn)出使用方便、檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、測(cè)量自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

　　3 紅外測(cè)溫原理與紅外溫度傳感器

　　紅外測(cè)溫是利用測(cè)量物體所輻射出來(lái)的輻射能量來(lái)測(cè)量物體溫度，它的理論依據(jù)是斯蒂芬一玻爾茲曼定律：物體的溫度越高，它所輻射出來(lái)的能量越多。當(dāng)溫度為T時(shí)，物體在所有波長(zhǎng)上（物體的輻射幾乎包括所有的波長(zhǎng)）的總輻射強(qiáng)度W為：

　　式中wλ—溫度為T（K）的物體，在波長(zhǎng)為λ處的分譜輻射強(qiáng)度，單位為（W／cm2.μm）；

　　c1—第一輻射常數(shù)；c1=3.7415×10-12（W／cm2）

　　c2—第二輻射常數(shù)；c2=1.4388（cm2？K）

　　ελ—分譜比輻射率，與物體的材料、表面情況及波長(zhǎng)有關(guān)；

　　σ—斯蒂芬一玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.6697×10-12［（W／cm2）.T4］；

　　T—物體的絕對(duì)溫度，單位K；

　　ε—物體表面的法向比輻射率，絕對(duì)黑體ε=1.0。非絕對(duì)0《ε《1.0；

　　λ——熱輻射發(fā)射的電磁波波長(zhǎng)。

　　峰值輻射波長(zhǎng)λm與物體自身的絕對(duì)溫度T成反比，即

　　λm=2897／T（μm）　　 （2）

　　此式稱為維恩位移定律。表明溫度越高，它的峰值輻射波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)（即波長(zhǎng)越短）。

　　由（2）式可知，物體的溫度越高，所輻射的輻射功率愈大。顯然，在物體表面的法向比輻射率已知的情況下，根據(jù)（1）式只要能測(cè)量出物體所輻射的輻射功率，便可確定物體的溫度。

　　紅外溫度傳感器由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定，紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。

　　圖l中的光學(xué)系統(tǒng)有兩個(gè)作用：（1） 把被測(cè)量處的紅外線集中到檢測(cè)元件上；（2） 把進(jìn)入儀表的紅外線發(fā)射面限制在固定范圍內(nèi)，檢測(cè)元件把紅外線能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)處理單元針對(duì)檢測(cè)元件輸出的信號(hào)用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行處理，變成人們需要的各種模擬和數(shù)字量信息，通信單元把結(jié)果傳輸給單片機(jī)。

　　4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　體溫?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括TN紅外測(cè)溫傳感器接入、單片機(jī)、按鍵、LED＼LCD顯示、PC機(jī)與單片機(jī)通信部分。單片機(jī)采用凌陽(yáng)公司推出的16位SPCE061A系列單片機(jī)。LED顯示采用7段LED數(shù)碼管，LCD液晶采用凌陽(yáng)公司的SPLC50l液晶模塊。設(shè)計(jì)兩種顯示方式：LED顯示和LCD顯示。

　　TN紅外測(cè)溫傳感器接入部分采用SPI編程，通過(guò)SPCE061A I／O口的控制，將所測(cè)得的溫度接收到SPCE061A中來(lái)處理。其測(cè)量范圍：-33℃～220℃，精度：±0.3℃；響應(yīng)時(shí)間：0.5 s。

　　按鍵部分：通過(guò)PIA8和GND接按鍵，按鍵啟動(dòng)測(cè)溫，LED／LCD顯示數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)一直顯示，直到重新啟動(dòng)測(cè)量更新數(shù)據(jù)。

　　LED／LCD顯示部分：在LED顯示中，通過(guò)SP-LC501的IOAO-8輸出段選碼，IOBO-3輸出4位位選碼。LCD顯示中，通過(guò)IOAO-8輸出8位數(shù)據(jù)，IOB9接單片機(jī)的CS1，IOB4接A0，IOB5接R／W，IOB6接EP。

　　PC與單片機(jī)的通信：采用MAX232電平轉(zhuǎn)換電路，IOB7接MAX232的ROUT2，IOB10接DIN2。