一種測量準(zhǔn)確的體溫數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計 - 全文

　　1引言

　　隨著現(xiàn)代社會的蓬勃發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，醫(yī)療機構(gòu)的現(xiàn)代化和信息化建設(shè)也是大勢所趨。在醫(yī)院傳統(tǒng)體溫測量中，水銀溫度計操作不便、使用費時，而且不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動檢測、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的不斷推出，使得溫度測量的自動檢測和數(shù)據(jù)通信的實現(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)觀點而論是身體已經(jīng)出現(xiàn)了陰陽、氣血、臟腑營衛(wèi)的不平衡狀態(tài)。按照西醫(yī)的觀點。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在一段時間里發(fā)生了不正常的變化。分析一段時間的信號變化數(shù)據(jù)，就可以對一個人的健康狀態(tài)做出比較客觀的判斷。體溫數(shù)據(jù)已經(jīng)成為評判“亞健康”的重要指標(biāo)之一。

　　為了客觀準(zhǔn)確地進行體溫檢查，醫(yī)學(xué)上不少學(xué)者對檢查部位和方法的選擇進行了多方面的研究，常見的檢查部位和方法如下：口腔測溫、腋窩測溫、直腸內(nèi)測溫、鼓膜測溫等。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行測溫，但不常用。臨床測溫常用水銀體溫計和紅外耳溫計，但兩者的測量時間差異

　　很大，前者需要幾分鐘才能穩(wěn)定，而后者僅需幾秒。紅外耳溫計測溫快而準(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際的溫度。但是，世面上推出的紅外耳溫計均沒有配置串口通信功能，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、自動保存數(shù)據(jù)和溫度曲線繪制功能，大大限制了溫度檢測的自動化進程。

　　本文所設(shè)計的體溫數(shù)據(jù)采集裝置采用紅外耳溫測量方法，另外，為了實現(xiàn)對體溫數(shù)據(jù)自動記錄存儲以及一段時間的溫度曲線觀測，設(shè)計了紅外耳溫計與PC機的通信以及上位機軟件。體溫檢查時。用戶從平臺的耳溫計托盤上將紅外耳溫計取出，并按下耳溫計開關(guān)，然后將紅外測溫頭插人耳道并向下壓使之完全貼合，按下 “start”按鍵，耳溫計的顯示屏上相應(yīng)地顯示本次檢查結(jié)果。當(dāng)用戶將耳溫計放回托盤時，借助耳溫計的重量按下安裝在托盤上的行程開關(guān)，單片機系統(tǒng)就會將檢測結(jié)果通過串口傳輸?shù)絇C機，PC機自動進行數(shù)據(jù)保存，將溫度數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。通過一段時間的體溫檢測。在PC機上自動繪制溫度數(shù)據(jù)曲線，可以反映出一段時間內(nèi)人體體溫的變化，作為評判“亞健康”的標(biāo)準(zhǔn)之一。

　　采用這種方法設(shè)計的體溫數(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、檢測精度高、穩(wěn)定性好、測量自動化程度高等優(yōu)點。

　　3 紅外測溫原理與紅外溫度傳感器

　　紅外測溫是利用測量物體所輻射出來的輻射能量來測量物體溫度，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，它所輻射出來的能量越多。當(dāng)溫度為T時，物體在所有波長上（物體的輻射幾乎包括所有的波長）的總輻射強度W為：

　　式中wλ—溫度為T（K）的物體，在波長為λ處的分譜輻射強度，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—物體的絕對溫度，單位K；

　　ε—物體表面的法向比輻射率，絕對黑體ε=1.0。非絕對0《ε《1.0；

　　λ——熱輻射發(fā)射的電磁波波長。

　　峰值輻射波長λm與物體自身的絕對溫度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，它的峰值輻射波長向短波方向移動（即波長越短）。

　　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)、光電探測器、信號放大器及信號處理、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)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定，紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，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目標(biāo)的溫度值。

　　圖l中的光學(xué)系統(tǒng)有兩個作用：（1） 把被測量處的紅外線集中到檢測元件上；（2） 把進入儀表的紅外線發(fā)射面限制在固定范圍內(nèi)，檢測元件把紅外線能量轉(zhuǎn)換為電信號，信號處理單元針對檢測元件輸出的信號用電子技術(shù)和計算機技術(shù)進行處理，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。

　　4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　體溫數(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)計包括TN紅外測溫傳感器接入、單片機、按鍵、LED＼LCD顯示、PC機與單片機通信部分。單片機采用凌陽公司推出的16位SPCE061A系列單片機。LED顯示采用7段LED數(shù)碼管，LCD液晶采用凌陽公司的SPLC50l液晶模塊。設(shè)計兩種顯示方式：LED顯示和LCD顯示。

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

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

　　LED／LCD顯示部分：在LED顯示中，通過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IOAO-8輸出8位數(shù)據(jù)，IOB9接單片機的CS1，IOB4接A0，IOB5接R／W，IOB6接EP。

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

　　5 通信協(xié)議

　　體溫采集裝置采用收、發(fā)、地三線的方式通信，工作方式采用主從方式。

　　PC機為主機，耳溫計為從機。下位機采用中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)幀，下位機通過與COM1口連接與PC機進行通信。通信規(guī)則如下：

　?。?） 由主機下傳，從機應(yīng)答上傳，從機必須在一定時間內(nèi)對主機發(fā)出的任何命令應(yīng)答。

　　（2） 一次發(fā)送4個字節(jié)，每個字節(jié)代表一定的功能，每個字節(jié)為十六進制值。

　　（3） 主機下傳操作命令，從機上傳主機發(fā)的執(zhí)行命令。表示從機收到主機執(zhí)行命令。主機下傳讀寫數(shù)據(jù)命令，從機按返回數(shù)據(jù)格式上傳。

　?。?） 從機收到命令或數(shù)據(jù)，如果校驗和錯，不發(fā)上傳命令或數(shù)據(jù)。通信協(xié)議如表1所列。

　　6 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　應(yīng)用程序采用模塊化編程，便于調(diào)試和移植。鍵盤掃描采用查詢方式，串口通信采用中斷方式。下位機系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

　　體溫檢測數(shù)據(jù)通過串行口通信傳送到計算機，計算機對數(shù)據(jù)進行采集和處理，本系統(tǒng)用虛擬儀器技術(shù)進行基于PC機平臺的軟件設(shè)計。上位機軟件采用NI公司推出的LabVIEW軟件。LabVIEW是一種基于圖形的集成化程序開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)了虛擬儀器的概念，它是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達而設(shè)計的圖形化編程軟件，增強了用戶在標(biāo)準(zhǔn)計算機上配以高效經(jīng)濟的硬件設(shè)備來構(gòu)建自己的儀器系統(tǒng)的能力。

　　本系統(tǒng)使用串行端口子模塊編程，在LabVIEW中實現(xiàn)串口通信可以調(diào)用硬件接口模塊（InstrumentI／O）中的VISA和Serial子模塊。上位機接收數(shù)據(jù)幀，對數(shù)據(jù)幀進行分解處理得到溫度數(shù)據(jù)。并對數(shù)據(jù)進行自動保存。上位機發(fā)送控制命令啟動下位機，并同時接收下位機傳輸?shù)?byte數(shù)據(jù)幀，也可以接收下位機鍵盤啟動檢測后傳輸過來的4byte數(shù)據(jù)幀。對于按照通信協(xié)議產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幀可以在LabVIEW中利用GDI編程實現(xiàn)從數(shù)據(jù)幀格式中提取出溫度數(shù)據(jù)的十位、個位以及小數(shù)點后一位，并且自動進行數(shù)據(jù)的文本記錄，方便查看。LabVIEW設(shè)計的前面板調(diào)試界面如圖4所示。

　　7 結(jié)束語

　　本文設(shè)計的紅外溫度檢測系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)簡單可靠，使用十分方便。將紅外傳感器部分單獨制作成手持式耳溫計，通過延長線（可達2 m），可以十分方便地進行大量的體溫檢測。通過在PC機上進行數(shù)據(jù)保存分析，可以繪制一段時間的體溫變化曲線。通過對驗證機的實驗，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，溫度測量準(zhǔn)確，檢測自動化程度高。本系統(tǒng)特別適合在醫(yī)院、大型公共場合使用，也可以應(yīng)用于家庭。