一种测量准确的体温数据采集装置的设计

　　1引言

　　随着现代社会的蓬勃发展，科学技术水平的不断提高，医疗机构的现代化和信息化建设也是大势所趋。在医院传统体温测量中，水银温度计操作不便、使用费时，而且不能实现数据的自动检测、数据通信等。随着电子科学的迅猛发展，新型温度传感器的出现以及新型高性能单片机的不断推出，使得温度测量的自动检测和数据通信的实现成为了可能。

　　2 概述

　　生活中有一部分人处于“亚健康”状态。亚健康，按中医观点而论是身体已经出现了阴阳、气血、脏腑营卫的不平衡状态。按照西医的观点。这些不平衡状态表现为体温、体重、心率、血压、尿液成份等人体生理信号在一段时间里发生了不正常的变化。分析一段时间的信号变化数据，就可以对一个人的健康状态做出比较客观的判断。体温数据已经成为评判“亚健康”的重要指标之一。

　　为了客观准确地进行体温检查，医学上不少学者对检查部位和方法的选择进行了多方面的研究，常见的检查部位和方法如下：口腔测温、腋窝测温、直肠内测温、鼓膜测温等。除了上述方法外，还可以在背部肩脚间、腹部、腹股沟、肘窝和手部等部位进行测温，但不常用。临床测温常用水银体温计和红外耳温计，但两者的测量时间差异

　　很大，前者需要几分钟才能稳定，而后者仅需几秒。红外耳温计测温快而准，而且获取的是中枢神经系统的温度，是人体的核心体温，在正常体温和轻度低温情况下耳温均能反映实际的温度。但是，世面上推出的红外耳温计均没有配置串口通信功能，无法实现数据通信、自动保存数据和温度曲线绘制功能，大大限制了温度检测的自动化进程。

　　本文所设计的体温数据采集装置采用红外耳温测量方法，另外，为了实现对体温数据自动记录存储以及一段时间的温度曲线观测，设计了红外耳温计与PC机的通信以及上位机软件。体温检查时。用户从平台的耳温计托盘上将红外耳温计取出，并按下耳温计开关，然后将红外测温头插人耳道并向下压使之完全贴合，按下 “start”按键，耳温计的显示屏上相应地显示本次检查结果。当用户将耳温计放回托盘时，借助耳温计的重量按下安装在托盘上的行程开关，单片机系统就会将检测结果通过串口传输到PC机，PC机自动进行数据保存，将温度数据保存到数据库中。通过一段时间的体温检测。在PC机上自动绘制温度数据曲线，可以反映出一段时间内人体体温的变化，作为评判“亚健康”的标准之一。

　　采用这种方法设计的体温数据采集装置已应用在“智能马桶系统”中，表现出使用方便、检测精度高、稳定性好、测量自动化程度高等优点。

　　3 红外测温原理与红外温度传感器

　　红外测温是利用测量物体所辐射出来的辐射能量来测量物体温度，它的理论依据是斯蒂芬一玻尔兹曼定律：物体的温度越高，它所辐射出来的能量越多。当温度为T时，物体在所有波长上（物体的辐射几乎包括所有的波长）的总辐射强度W为：

　　

　　式中wλ—温度为T（K）的物体，在波长为λ处的分谱辐射强度，单位为（W／cm2.μm）；

　　c1—第一辐射常数；c1=3.7415×10-12（W／cm2）

　　c2—第二辐射常数；c2=1.4388（cm2？K）

　　ελ—分谱比辐射率，与物体的材料、表面情况及波长有关；

　　σ—斯蒂芬一玻尔兹曼常数，σ=5.6697×10-12［（W／cm2）.T4］；

　　T—物体的绝对温度，单位K；

　　ε—物体表面的法向比辐射率，绝对黑体ε=1.0。非绝对0《ε《1.0；

　　λ——热辐射发射的电磁波波长。

　　峰值辐射波长λm与物体自身的绝对温度T成反比，即

　　λm=2897／T（μm）　　 （2）

　　此式称为维恩位移定律。表明温度越高，它的峰值辐射波长向短波方向移动（即波长越短）。

　　由（2）式可知，物体的温度越高，所辐射的辐射功率愈大。显然，在物体表面的法向比辐射率已知的情况下，根据（1）式只要能测量出物体所辐射的辐射功率，便可确定物体的温度。

　　红外温度传感器由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，结构框图如图l所示。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定，红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

　　

　　图l中的光学系统有两个作用：（1） 把被测量处的红外线集中到检测元件上；（2） 把进入仪表的红外线发射面限制在固定范围内，检测元件把红外线能量转换为电信号，信号处理单元针对检测元件输出的信号用电子技术和计算机技术进行处理，变成人们需要的各种模拟和数字量信息，通信单元把结果传输给单片机。

　　4 系统的硬件设计

　　体温数据采集系统总体结构如图2所示。系统硬件设计包括TN红外测温传感器接入、单片机、按键、LED＼LCD显示、PC机与单片机通信部分。单片机采用凌阳公司推出的16位SPCE061A系列单片机。LED显示采用7段LED数码管，LCD液晶采用凌阳公司的SPLC50l液晶模块。设计两种显示方式：LED显示和LCD显示。

　　

　　TN红外测温传感器接入部分采用SPI编程，通过SPCE061A I／O口的控制，将所测得的温度接收到SPCE061A中来处理。其测量范围：-33℃～220℃，精度：±0.3℃；响应时间：0.5 s。

　　按键部分：通过PIA8和GND接按键，按键启动测温，LED／LCD显示数据。温度数据一直显示，直到重新启动测量更新数据。

　　LED／LCD显示部分：在LED显示中，通过SP-LC501的IOAO-8输出段选码，IOBO-3输出4位位选码。LCD显示中，通过IOAO-8输出8位数据，IOB9接单片机的CS1，IOB4接A0，IOB5接R／W，IOB6接EP。

　　PC与单片机的通信：采用MAX232电平转换电路，IOB7接MAX232的ROUT2，IOB10接DIN2。