劉繼忠，賀清云，張 華，姚靖靖

（南昌大學(xué)江西省機(jī)器人與焊接自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330031）

0 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)的進(jìn)步，科技的發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品的智能性要求越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)身體的健康狀況也日益重視，而體溫是人體生命活動(dòng)的基本特征，也是觀察人體機(jī)能是否正常的重要指標(biāo)之一，是標(biāo)準(zhǔn)化較強(qiáng)、測(cè)量也較為方便的一種生理信號(hào)。因此，在輪椅床上設(shè)計(jì)一種具有智能測(cè)量體溫并報(bào)警的系統(tǒng)尤為重要，這也減輕了護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)打下了基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)選擇三星公司的ARM9芯片S3C2410作為中央處理器，TPS334作為非接觸式測(cè)溫的傳感器，目的是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)由嵌入式設(shè)備完成的應(yīng)用在輪椅應(yīng)上的多方位體溫檢測(cè)系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

用于測(cè)量溫度的傳感器有接觸式的和非接觸式的，這里采用三個(gè)非接觸式的紅外傳感器TPS334，把它們安裝在輪椅床的不同方位，分別測(cè)量人體的頭部，腳部及體部的溫度。由于紅外傳感器采集過(guò)來(lái)的信號(hào)比較微弱，所以，要進(jìn)行放大，同時(shí)為了提高測(cè)量精度，還需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。然后把信號(hào)分別送給 S3C2410進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，這主要是S3C2410內(nèi)部集成了8路10位的A/D轉(zhuǎn)換模塊。最后把三路A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果取平均后送給液晶屏顯示，同時(shí)把數(shù)據(jù)交給Boa Web服務(wù)器，以便于遠(yuǎn)程的訪問(wèn)。原理框圖如圖1 所示［1］。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig 1 Block diagram of system

1.1 紅外測(cè)溫原理

紅外體溫計(jì)測(cè)溫原理是基于黑體輻射定律。黑體是一種理想化的輻射體，它在任何溫度下都能吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量，沒(méi)有能量的反射和透過(guò)，其表面的吸收率為1。應(yīng)該指出，自然界中并不存在真正的黑體，但為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，其表達(dá)式為［2］

式中h為普朗克常數(shù)，h=6.63×10－34J·s;c為真空常數(shù);k為玻耳茲曼常數(shù)。

由式（1）可以計(jì)算出在溫度為T時(shí)黑體在全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射出度為

由式（2）可以看出:黑體總的輻射出度與黑體的絕對(duì)溫度T四次方呈正比。由于自然界不存在真正的黑體，因此物體就有輻射率。紅外測(cè)溫的實(shí)質(zhì)是測(cè)目標(biāo)物與傳感器或者環(huán)境的溫度之間的差值，其公式可表達(dá)為

式中E為輻射出射度，W·m－3;δ為斯蒂芬玻耳茲曼常數(shù)，σ=5.67×10－8W·m－2·K－4;ε為物體的輻射率;T為物體的溫度，K;T0為物體周圍的環(huán)境溫度，K。

因此，通過(guò)對(duì)物體輻射強(qiáng)度E的測(cè)量就能求出物體的溫度。

人體主要輻射波長(zhǎng)為9～10 μm的紅外線，通過(guò)對(duì)人體自身輻射紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定人體表面溫度。由于該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，因而，可利用人體輻射的紅外能量準(zhǔn)確地測(cè)量人體表面溫度［3］。

1.2 TPS334傳感器的主要特性

熱電堆紅外測(cè)溫傳感器TPS334具有創(chuàng)新的硅基微機(jī)械技術(shù)保證了它的極好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，非常低的溫度靈敏系數(shù)，極好的光電特性。在整個(gè)溫度測(cè)量范圍內(nèi)能達(dá)到±1℃的精度。對(duì)于比較窄的溫度測(cè)量范圍，如，體溫測(cè)量，精度可以達(dá)到 ±0.1℃。靈敏度溫度補(bǔ)償為0.02%K［4］。

1.3 硬件電路圖

傳感器、信號(hào)放大、溫度補(bǔ)償電路框圖如圖2所示。外部電源經(jīng)1.2 V的穩(wěn)壓二極管得到傳感器的工作電壓。紅外傳感器TPS334的1，3引腳輸出光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)［5］，經(jīng)高精度運(yùn)放ICL7650一級(jí)放大，再由雙運(yùn)算放大器LM358的其中一個(gè)運(yùn)放二級(jí)放大，從LM358的1腳輸出到S3C2410的AIN［0］引腳，其他兩路的電路框圖一樣，分別輸出到S3C2410的AIN［1］與AIN［2］引腳，然后作A/D轉(zhuǎn)換等處理。傳感器的2，4是熱敏電阻器引腳，其輸出經(jīng)LM358的另一個(gè)運(yùn)放，用于溫度補(bǔ)償［6］。

圖2 硬件電路框圖Fig 2 Block diagram of hardware circuit

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要完成A/D轉(zhuǎn)換和將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果轉(zhuǎn)換成實(shí)際的溫度值等功能。此外，還包括實(shí)際溫度和報(bào)警溫度的比較、當(dāng)超過(guò)報(bào)警溫度值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Nandflash中。為了得到穩(wěn)定且精確的數(shù)據(jù)，A/D轉(zhuǎn)換采用多次平均法，然后又用多路平均法得到最終的數(shù)據(jù)。軟件流程圖如圖3所示［7］。

2.2 軟件溫度補(bǔ)償

雖然在硬件方面通過(guò)運(yùn)放進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，但通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果如圖4，整體上仍然是非線性。然而，在35～42℃范圍內(nèi)的線性度很好，因此，在軟件方面采用區(qū)間線性化進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償［8］。

圖3 軟件流程圖Fig 3 Flow chart of software

圖4 溫度電壓曲線圖Fig 4 Curve of temperature vs voltage

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證與分析

利用空調(diào)將室內(nèi)溫度控制在25℃，把該裝置的紅外探頭對(duì)準(zhǔn)溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置并調(diào)節(jié)距離為10 cm左右。設(shè)8個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量4次，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試結(jié)果（℃）Tab 1 Test results（℃）

由表1可知，測(cè)試結(jié)果的最大誤差為0.2℃，讀數(shù)穩(wěn)定。影響測(cè)試結(jié)果精度的因素很多，主要受輻射率、探測(cè)距離及環(huán)境因素的影響［9］。在輻射率方面，由于人體并非真正的黑體，輻射率比黑體小得多，這樣紅外傳感器輸出的電壓變化較小，影響系統(tǒng)的精度。在另外2個(gè)方面，為了提高精度，就需要限定探測(cè)距離與室內(nèi)溫度。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在智能輪椅床上的多方位紅外體溫檢測(cè)裝置，為實(shí)現(xiàn)輪椅床的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)提供了一種獲得人體溫度生理參數(shù)的有效檢測(cè)手段。該裝置測(cè)量誤差在0.2℃范圍內(nèi)，適用于被測(cè)目標(biāo)與紅外探頭的距離在10 cm左右。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該裝置穩(wěn)定性好，響應(yīng)時(shí)間短，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

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