智能轮椅床的多方位红外体温检测系统设计*

刘继忠，贺清云，张 华，姚靖靖

（南昌大学江西省机器人与焊接自动化重点实验室，江西南昌 330031）

0 引言

近年来，随着社会的进步，科技的发展，人们对产品的智能性要求越来越高，同时对身体的健康状况也日益重视，而体温是人体生命活动的基本特征，也是观察人体机能是否正常的重要指标之一，是标准化较强、测量也较为方便的一种生理信号。因此，在轮椅床上设计一种具有智能测量体温并报警的系统尤为重要，这也减轻了护理人员的负担，为将来实现网络化的远程监护打下了基础。

本系统选择三星公司的ARM9芯片S3C2410作为中央处理器，TPS334作为非接触式测温的传感器，目的是设计并实现一个由嵌入式设备完成的应用在轮椅应上的多方位体温检测系统。

1 硬件设计

用于测量温度的传感器有接触式的和非接触式的，这里采用三个非接触式的红外传感器TPS334，把它们安装在轮椅床的不同方位，分别测量人体的头部，脚部及体部的温度。由于红外传感器采集过来的信号比较微弱，所以，要进行放大，同时为了提高测量精度，还需进行温度补偿。然后把信号分别送给 S3C2410进行 A/D转换，这主要是S3C2410内部集成了8路10位的A/D转换模块。最后把三路A/D转换的结果取平均后送给液晶屏显示，同时把数据交给Boa Web服务器，以便于远程的访问。原理框图如图1 所示［1］。

图1 系统框图Fig 1 Block diagram of system

1.1 红外测温原理

红外体温计测温原理是基于黑体辐射定律。黑体是一种理想化的辐射体，它在任何温度下都能吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的吸收率为1。应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但为了弄清和获得红外辐射分布规律，普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，其表达式为［2］

式中h为普朗克常数，h=6.63×10－34J·s;c为真空常数;k为玻耳兹曼常数。

由式（1）可以计算出在温度为T时黑体在全部波长范围内的辐射出度为

由式（2）可以看出:黑体总的辐射出度与黑体的绝对温度T四次方呈正比。由于自然界不存在真正的黑体，因此物体就有辐射率。红外测温的实质是测目标物与传感器或者环境的温度之间的差值，其公式可表达为

式中E为辐射出射度，W·m－3;δ为斯蒂芬玻耳兹曼常数，σ=5.67×10－8W·m－2·K－4;ε为物体的辐射率;T为物体的温度，K;T0为物体周围的环境温度，K。

因此，通过对物体辐射强度E的测量就能求出物体的温度。

人体主要辐射波长为9～10 μm的红外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而，可利用人体辐射的红外能量准确地测量人体表面温度［3］。

1.2 TPS334传感器的主要特性

热电堆红外测温传感器TPS334具有创新的硅基微机械技术保证了它的极好的长期稳定性，非常低的温度灵敏系数，极好的光电特性。在整个温度测量范围内能达到±1℃的精度。对于比较窄的温度测量范围，如，体温测量，精度可以达到 ±0.1℃。灵敏度温度补偿为0.02%K［4］。

1.3 硬件电路图

传感器、信号放大、温度补偿电路框图如图2所示。外部电源经1.2 V的稳压二极管得到传感器的工作电压。红外传感器TPS334的1，3引脚输出光电转换后的电信号［5］，经高精度运放ICL7650一级放大，再由双运算放大器LM358的其中一个运放二级放大，从LM358的1脚输出到S3C2410的AIN［0］引脚，其他两路的电路框图一样，分别输出到S3C2410的AIN［1］与AIN［2］引脚，然后作A/D转换等处理。传感器的2，4是热敏电阻器引脚，其输出经LM358的另一个运放，用于温度补偿［6］。

图2 硬件电路框图Fig 2 Block diagram of hardware circuit

2 软件设计

2.1 软件程序设计

软件设计主要完成A/D转换和将A/D转换的结果转换成实际的温度值等功能。此外，还包括实际温度和报警温度的比较、当超过报警温度值时发出报警信号，同时将数据存储在Nandflash中。为了得到稳定且精确的数据，A/D转换采用多次平均法，然后又用多路平均法得到最终的数据。软件流程图如图3所示［7］。

2.2 软件温度补偿

虽然在硬件方面通过运放进行了温度补偿，但通过A/D转换得到的结果如图4，整体上仍然是非线性。然而，在35～42℃范围内的线性度很好，因此，在软件方面采用区间线性化进一步实现温度补偿［8］。

图3 软件流程图Fig 3 Flow chart of software

图4 温度电压曲线图Fig 4 Curve of temperature vs voltage

3 实验数据验证与分析

利用空调将室内温度控制在25℃，把该装置的红外探头对准温度标准装置并调节距离为10 cm左右。设8个测试点，每个测试点测量4次，测试结果见表1。

表1 测试结果（℃）Tab 1 Test results（℃）

由表1可知，测试结果的最大误差为0.2℃，读数稳定。影响测试结果精度的因素很多，主要受辐射率、探测距离及环境因素的影响［9］。在辐射率方面，由于人体并非真正的黑体，辐射率比黑体小得多，这样红外传感器输出的电压变化较小，影响系统的精度。在另外2个方面，为了提高精度，就需要限定探测距离与室内温度。

4 结论

本文设计了一种应用在智能轮椅床上的多方位红外体温检测装置，为实现轮椅床的远程监护提供了一种获得人体温度生理参数的有效检测手段。该装置测量误差在0.2℃范围内，适用于被测目标与红外探头的距离在10 cm左右。经过实验测试，该装置稳定性好，响应时间短，能够满足实际应用的要求。

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