基于数字式红外热电堆传感器的耳温仪设计

【作 者】谢海源，钱明理

上海交通大学医学院附属新华医院资产管理部，上海市，200092

2013年1月19日，联合国环境规划署正式宣布了全球第一部限制汞排放的国际公约—《国际防治汞污染公约》。公约规定2020年前应逐步淘汰某些含汞医疗设备，水银体温计也在被淘汰之列。医学研究指出，以耳温代表体温，其准确性超过口腔和腋下[1]。可预见，采用耳温测量仪器替代水银温度计将是未来发展的一个趋势。本设计为一款基于MLX90615医用级数字式红外热电堆传感器和STC89LE52的电子耳温测量仪，经测试达到了较好的测量效果。

1 红外热电堆传感器的测量原理

任何物体表面都会辐射出红外线，红外热电堆传感器吸收红外线能量并输出一个与温度成比例关系的电压信号。传感器的核心一般有两部分组成，热电堆和热敏电阻。测量原理和实物分别如图1、图2所示。

图1 传感器原理图Fig.1 Sensor schematics

图2 传感器实物图Fig.2 Sensor picture

热电堆利用红外线辐射热效应，多数情况下是通过赛贝克效应来探测辐射，将辐射转化为电压后进行测量。该电压的变化为mV级。热敏电阻用于感知环境的温度变化即背景温度，可通过分压，将电阻的变化转变为电压的变化。两个测量电压通过计算即可获得实测温度[2]。设输出电压为，电压与温度的函数关系为[3]：

式中T0为被测物体温度，单位为K；Ta为背景温度，单位为K；ε为被测物体发射率；C为与传感器结构有关的系数。

2 红外热电堆传感器的选型

传统的红外热电堆传感器为两路模拟输出，信号需要经过滤波、放大和A/D转换后才能送入MCU进行计算。采用模拟传感器电路设计较为复杂，使用器件多，占用空间较大；而且需要考虑阻抗匹配、器件温漂、噪声、动态范围等一系列的问题，稳定性不好；软件设计上，需要开辟一个较大内存空间用于存放两张二维数据表[4]，用于进行温度与电压转换，而单片机内部存储空间有限，一般不建议这么做。常见的模拟传感器有10TP583T、TS118-3、ZTP135S-R等。

近年来逐渐有数字式的红外热电堆传感器推出，如MELEXIS公司、TI公司的传感器等。数字式传感器在出厂前都经过了调试，避免了模拟传感器的诸多问题，MCU可根据输出信号，直接计算出被测体温度，非常的方便。而且数字式传感器外形和体积与模拟传感器基本相同。一款数字式红外热电堆传感器的内部线路图[6]如图3所示。

图3 数字式红外热电堆传感器Fig.3 Digital infrared thermopile sensor

人体辐射的红外线以波长为(9～10)μm之间为最强，其辐射能量与距离成反比[5]。根据人体辐射的这些特性，综合各厂家传感器的特点，选取了MELEXIS公司生产的MLX90615医用级数字式红外热电堆传感器，该传感器内部集成了红外热电堆传感器和信号处理器，出厂校准数据保存在传感器内部的E2PROM中。该传感器在目标温度在(36～39)oC时测量精度达到±0.1oC，分辨率0.02oC，完全可以用于医疗诊断。该传感器有4个管脚，典型连接方式如图4所示。

图4 典型连接Fig.4 Typical connection

3 硬件电路设计

得益于数字式红外热电堆传感器，硬件电路可以大大的得到简化。考虑到传感器的工作电压为3 V，常用纽扣电池的电压也为3 V，所以单片机选用3.3 V供电的STC89LE52单片机。该单片机属于51系列单片机，对于小型系统的开发，完全能满足需要。

温度传感器数据传输采用SMBUS协议。单片机P2.6和P2.7两个引脚分别连接传感器SCL(时钟线)和SDA（数据线）。单片机为主机，产生控制时钟，并控制数据的传输方向。

体温显示精度为0.1oC，液晶显示采用4位段码液晶，配合HT1621LCD驱动芯片。HT1621以32×4 bit的格式储存所显示的数据。RAM的数据直接映射到LCD驱动器，可以用READ、WRITE和READZMODIFY-WRITE命令访问。芯片可由软件配置成1／2或1／3的LCD驱动器偏压和2、3或4个公共端口，这一特性使HT1621适用于多种LCD应用场合。具体硬件连接方式如图5所示。

图5 HT1621的硬件连接Fig.5 HT1621 hardware’s connection

其他硬件设计还包括带有稳压芯片的电源、采用中断方式连接的测量按键，用于测量完成提示的蜂鸣器和发光二极管等。整体硬件连接如图6所示。

图6 硬件连接示意图Fig.6 System connection diagram

4 系统软件设计

软件设计采用Keil uVision4平台，C51语言进行设计。软件设计主要分为三个部分。第一部分为数据的测量和计算；第二部分为测量结果的显示；第三部分为空闲状态下掉电模式和唤醒模式的设计。软件系统执行示意图，如图7所示。

图7 程序执行流程Fig.7 Program flow diagram

设计的重点为数据通信协议编程。MLX90615支持了两种数据传输协议，SMbus和PWM。这里采用SMbus协议。系统管理总线(SMBus)是一个两线接口，一条时钟线SCL和一条信号线SDA。SMBus可被用来连接各种设备，包括电源相关设备，系统传感器，EEPROM通讯设备等等。它基于I2C操作原理，传输方式与I2C基本相同。

STC89LE52单片机并不具备SMBus接口，所以该功能由软件实现。单片机为主机，传感器为从机。单片机从传感器的RAM中的0X7H地址中读取温度值，通过转换公式直接计算目标体温度。一般情况下，单片机只需要进行读操作即可。如果需要进行特殊操作，可进行写操作。一般不建议进行写操作，因为厂家出厂的校验数据保存在传感器的E2PROM中，一旦被修改将不能恢复。读操作的时序如图8所示。

图8 SMBus协议的读操作Fig.8 SMbus protocol of reading operation

数据传输程序实现代码段：

5 系统测试

采用Altium Designer 9.0进行电路板设计。对系统响应时间进行测试，基本为瞬间响应，没有较长延时。实际测试电路如图9所示。对测量耳温的准确性和稳定性进行测试。测试人数15人，其中正常体温5人，发烧病人10人，每人各测量5次，每次间隔3 min，测量结果与口腔温度计进行比较。经比较，系统测量温度与口表温度基本一致，最大误差为0.2oC，测试温度稳定性在±0.1oC以内，详见图11。

图9 实际测试电路Fig.9 Testing circuit

图10 测量口温与耳温比较Fig.10 Temperature comparison of two methods

6 分析和展望

经实测，虽然结果还是比较好的，但是还是有一些可以改进的地方。

首先，51系列单片机相对较落后，单片机不具有I2C协议接口，需要模拟实现，使得程序量大量增加，调试的时候不容易发现程序中的错误，耗费大量的精力。就目前的单片机产品中，可以使用AVR或者PIC单片机进行开发。

其次，虽然采用了数字式温度传感器，但其在低电压状态下工作情况还需要进一步考证，特别是低电压情况下对温度测量准确性的影响。

最后，如果作为一款产品进行开发，外观的设计也是相当重要的。本项目只进行了电路系统的开发，未进行外观的设计。

[1]张卫华,吕月娥.红外秒速耳温计设计中的关键技术问题[J].微机发展,2003,13(9): 98-99.

[2]傅中君,侯雪亚.基于TS118-1的无接触式人体体温计的实现[J].江苏技术师范学院学报,2007,13(2): 6-10.

[3]庞建莹,施云波,修德斌,等.基于红外传感器的电器火灾预警系统[J].仪表技术与传感器,2010(3): 64-66,100.

[4]SEMITEC.10TP583T infra red thermometer datasheet[EB/OL].www.sensor-ic.com,2004-1-21.

[5]帕孜来.马哈木提.应用于人体探测的红外温度传感器[J].新疆工学院学报,1998,19(1),78-81.

[6]MELEXIS.MLX90615 infra red thermometer datasheet[EB/OL].http://www.melexis.com,2012-8-30.