摘 要： 介紹關于非接觸式人體體溫計的軟硬件設計，主要應用于醫療測溫、公共衛生以及家庭保健等方面。該體溫計以單片機為核心，TPS434作為敏感探測元件，可實現人體體溫的精確測量。體溫計額外增加測距模塊和語音播報模塊，更加人性化且易普及。
關鍵詞： 單片機；傳感器；醫療測溫；人性化
體溫的測量是實際生活中經常遇到的情況，但傳統的體溫計(也就是水銀體溫計)卻有著很多的不足之處：測溫時間長,讀取不便捷，易破損而造成被測者受傷甚至中毒。近幾年來，非接觸式電子體溫計逐漸發展起來，越來越多地應用在各個行業，如體溫測量、冶金以及玻璃制造等。相對于傳統水銀體溫計而言，非接觸式電子體溫計具有快速、無需接觸被測者、無汞害、方便攜帶等優點。
與當今現有的非接觸式電子體溫計相比，本文設計的體溫計有以下特點：(1)增加測距模塊方便使用者精確控制測溫距離; (2)自動播報體溫,使其更加人性化、易普及;(3)自動統計人數。
1 探測參數
溫度是本系統的重要探測參數。溫度傳感器可接收人體發出的遠紅外線，所得數據再經過電路轉化以及算法運算最終得到被測者的體溫。由于環境中存在各種波長的紅外線，本系統在傳感器探測口又增加了菲涅耳透鏡，減少了其他紅外波段的干擾，從而使所測得的值更加精確。
2 系統硬件設計
圖1所示是本系統的硬件流程圖[1]，該系統主要包括4個模塊：信號采集模塊、信號處理模塊、控制處理模塊和人機通道。
2.1信號采集模塊
微小的采集誤差都可能造成測得溫度的大幅度變化，所以本系統采用高精度的溫度傳感器TPS434作為采集元器件。TPS434是一款紅外熱電堆溫度傳感器[2]，它具有較好的重復性和較高的靈敏度，適合測溫儀使用。TPS434內部結構如圖2所示。
TPS434由熱電堆和熱敏電阻組成，熱電堆是由兩個或多個熱電偶串接組成，各熱電偶輸出的熱電勢是互相疊加的。當測量物體溫度時，熱端與被測物體接觸，冷端與測量儀表接觸，由此便會產生電動勢。紅外熱電堆溫度傳感器中的熱敏電阻是一個負溫度系數的熱敏電阻，它的阻值隨溫度的上升而下降。熱敏電阻的作用是測量環境溫度，由于熱電堆輸出的電動勢是反映熱電偶冷熱兩端的溫度差(即被測物體與熱電堆冷端的溫度差)，而不是反映被測物體的真實溫度。因此，還需要利用熱敏電阻測出熱電堆冷端溫度，兩者相加才能得到真實的體溫。
2.2 信號處理模塊
圖3為信號處理模塊的流程原理圖，前后分別經過前置放大電路、濾波電路、后置放大電路，將信號處理得到規則的信號后，經A/D轉換電路得到適合處理的數字信號。
2.2.1前置放大電路
由于紅外溫度傳感器TPS434輸出的電動勢非常微小，因此需要放大器將其放大以便測量。在本系統中采用AD620做前置放大電路的核心芯片。AD620是一款單芯片儀表放大器，采用經典的三運放改進設計。它具有低功耗、低成本、高精度等優點，而且它只需改變電阻值便可實現1~1 000的增益，適合前置放大使用。本設計中R1=1 k?贅，增益為Au=+1，實際放大約50.4倍,滿足信號初級放大的要求。圖4為電路的具體原理圖。
2.2.2 高通濾波電路
高通濾波器是用來通過高頻信號，衰減或抑制低頻信號的濾波器，其通過截止頻率來固定通過信號的頻率。圖5所示為二階有源高通濾波器濾波電路[3],其中電阻RP為調零電阻，高通濾波電路的通帶增益為Au=1+，圖中R1=R2=1 k?贅，故增益為2。截止頻率f，圖中R=31.8 k?贅，C=10 ?滋F，即截止頻率取0.5 Hz。
2.2.3 低通濾波電路
將圖5所示的高通濾波電路中起濾波作用的電阻、電容互換，即可變成二階有源低通濾波器。低通濾波器用來通過低頻信號,衰減或抑制高頻信號。圖6為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級RC濾波環節與同相比例運算電路組成，其中第一級電容C接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。高通濾波器性能與低通濾波器相反，其頻率響應與低通濾波器是“鏡象”關系。圖中電阻RP為調零電阻，濾波電路的通帶增益為，圖中R1=R2=1 k?贅。截止頻率，圖中R=4.82 k?贅，C=0.33 ?滋F，即截止頻率取100 Hz。
2.2.4 后置放大電路
經過前置放大后，TPS434輸出的微弱信號大約被放大了50倍，因此需要用后級放大電路將其信號控制在0~5 V之間，以便A/D轉換器處理。在后級放大電路中，采用了雙極性運算放大器OP07，增益為，同時采用了兩級放大，第一級放大6倍，第二級放大10倍，共放大60倍。圖7為其電路的具體原理圖。
2.2.5 50 Hz陷波電路
典型的陷波濾波器可以在雙T網絡后加一級同相比例運算電路構成。圖8所示為帶阻濾波器(陷波濾波器)電路，即在規定的頻帶內，信號不能通過(或受到很大衰減或抑制)，而在其余頻率范圍，信號則能順利通過，通過截止頻率來固定通過信號的頻率。電路中電阻RP為調零電阻，濾波電路的通帶增益為，圖中R1=1 k?贅，R2=0.8 k?贅增益為1.8。中心頻率， 圖中R=6.77 k?贅，C=0.47 ?滋F， 即中心頻率取50 Hz。由帶阻寬度B=2f0×(2-Au)可知，帶寬為20 Hz。
2.2.6 A/D轉換電路
經過放大電路后，信號已經被控制在0~5 V之間，將其與A/D轉換電路相連，便可將模擬信號轉換為數字信號以便單片機處理。在A/D轉換電路中，采用高速串行模/數轉換器AD7888，圖9為AD7888與單片機接口設計[4]的基本電路圖。
AT89C52單片機與AD7888配套使用時，需要設置地址、數據及控制信號。如圖9所示，用其中的一個I/O端口產生數據轉換的串行時鐘，一個I/O端口寫入控制字，一個I/O端口控制片選信號，最后用一個I/O端口接收數字信號數據。
2.3 控制處理模塊
控制處理模塊包括單片機最小系統和鍵盤接口電路。
本系統采用的單片機型號是AT89C52[5]。AT89C52是一個低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含8 KB的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 B的隨機存取數據存儲器(RAM)，在電子行業中有著廣泛的應用。圖10為AT89C52單片機的最小系統圖。
本系統采用行列式鍵盤，鍵盤接口電路行列式鍵盤(矩陣式鍵盤)用I/O口線組成行、列結構，按鍵設置在行列的交點上，使用這種鍵盤大大減少了I/O口線。行列式鍵盤中行線通過上拉電阻接到+5 V電源上。無按鍵按下時，行線均處于高電平；而當有按鍵按下，行線電平將由此行上相連的列線決定，這一點是識別行列式鍵盤的關鍵。根據本系統各功能的需要，采用了行列式鍵盤，如圖11所示。方向鍵1~4用于在設置界面選擇設置項目；測溫鍵按下后進入測溫界面進行測溫；設置鍵按下后進入設置界面進行設置；OK鍵具有確認功能，按下后返回初始界面。
2.4人機通道
本系統中的人機通道可以分為3個模塊：語音播報模塊、OLED液晶顯示模塊、超聲測距模塊。
2.4.1語音播報模塊
語音播報模塊采用芯片ISD4003作為核心芯片。ISD4003是美國ISD公司繼ISD33000系列之后的最新產品,它采用了多電平直接模擬量存儲技術， 不需要經過A/D或者D/A轉換，將每個采樣值直接存儲在片內的快閃存儲器中，因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。芯片ISD4003、音頻功放芯片LM386以及揚聲器三者組合即可實現語音的播放。
2.4.2 OLED液晶顯示模塊
為了更直觀地顯示內容信息，本系統采用OLED液晶屏做為人機通道的交互平臺。相比其他液晶屏，其具有亮度高、顯示精度高、功耗低等優點。同時，OLED的超小體積及超強兼容也十分滿足本系統的要求。根據本系統的要求，OLED液晶須顯示以下內容：被測者溫度、環境溫度、溫度單位、測溫距離、測量人數以及電量。
2.4.3 超聲測距模塊
本系統采用集成超聲波模塊HC-SR04實現測距。本模塊性能穩定，測度距離精確，高精度，盲區小。該模塊感應角度不大于15°，探測距離為2 cm~450 cm，完全適合本系統的使用，同時精度高達0.2 cm，大大減小了誤差。模塊只有4個接線口：VCC、trig(控制端)、echo(接收端)、GND，接線方式簡單，便于軟件編寫和調試。
3 系統軟件設計
本系統將溫度傳感器發出的信號處理后經過軟件判斷，可自動實現液晶顯示、語音提醒，同時也可人為控制來實現各種人機交互的功能。圖12為軟件流程圖。
人體體溫測量在日常生活中非常普遍。隨著科技的進步，測量方法越來越先進，從原來的水銀體溫計到現在的電子體溫計，從之前的接觸式到目前的非接觸式，使用越來越便捷。本系統所設計的非接觸式人體體溫計使用高精度的傳感器、放大器及A/D轉換器等硬件，使得測量速度大大提升。本系統經過擴展，可以擴大測溫范圍，低高溫物體都可以測，不僅適合醫院、公共場所、家庭等測體溫，也適合工廠冶金、玻璃制作等行業的測溫，將大大提高普及率。
參考文獻
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[2] 陳安宇.醫用傳感器[M].北京：科學出版社,2008.
[3] 陳光建,何華平，曾惠彬.心電信號放大濾波電路的研究與設計[J].2009,22(4):107-109.
[4] 馬立國.AD7888與AT89C51單片機接口應用技術[J].集成電路通訊,2007,25(2):32-36.
[5] 張毅剛.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社,2010.