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[導(dǎo)讀]本文所設(shè)計(jì)的體溫?cái)?shù)據(jù)采集裝置采用紅外耳溫測(cè)量方法,另外,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)體溫?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)記錄存儲(chǔ)以及一段時(shí)間的溫度曲線觀測(cè),設(shè)計(jì)了紅外耳溫計(jì)與PC機(jī)的通信以及上位機(jī)軟件。

1引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的蓬勃發(fā)展,科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高,醫(yī)療機(jī)構(gòu)的現(xiàn)代化和信息化建設(shè)也是大勢(shì)所趨。在醫(yī)院傳統(tǒng)體溫測(cè)量中,水銀溫度計(jì)操作不便、使用費(fèi)時(shí),而且不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)通信等。隨著電子科學(xué)的迅猛發(fā)展,新型溫度傳感器的出現(xiàn)以及新型高性能單片機(jī)的不斷推出,使得溫度測(cè)量的自動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)成為了可能。

2 概述

生活中有一部分人處于“亞健康”狀態(tài)。亞健康,按中醫(yī)觀點(diǎn)而論是身體已經(jīng)出現(xiàn)了陰陽、氣血、臟腑營衛(wèi)的不平衡狀態(tài)。按照西醫(yī)的觀點(diǎn)。這些不平衡狀態(tài)表現(xiàn)為體溫、體重、心率、血壓、尿液成份等人體生理信號(hào)在一段時(shí)間里發(fā)生了不正常的變化。分析一段時(shí)間的信號(hào)變化數(shù)據(jù),就可以對(duì)一個(gè)人的健康狀態(tài)做出比較客觀的判斷。體溫?cái)?shù)據(jù)已經(jīng)成為評(píng)判“亞健康”的重要指標(biāo)之一。

為了客觀準(zhǔn)確地進(jìn)行體溫檢查,醫(yī)學(xué)上不少學(xué)者對(duì)檢查部位和方法的選擇進(jìn)行了多方面的研究,常見的檢查部位和方法如下:口腔測(cè)溫、腋窩測(cè)溫、直腸內(nèi)測(cè)溫、鼓膜測(cè)溫等。除了上述方法外,還可以在背部肩腳間、腹部、腹股溝、肘窩和手部等部位進(jìn)行測(cè)溫,但不常用。臨床測(cè)溫常用水銀體溫計(jì)和紅外耳溫計(jì),但兩者的測(cè)量時(shí)間差異很大,前者需要幾分鐘才能穩(wěn)定,而后者僅需幾秒。紅外耳溫計(jì)測(cè)溫快而準(zhǔn),而且獲取的是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的溫度,是人體的核心體溫,在正常體溫和輕度低溫情況下耳溫均能反映實(shí)際的溫度。但是,世面上推出的紅外耳溫計(jì)均沒有配置串口通信功能,無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、自動(dòng)保存數(shù)據(jù)和溫度曲線繪制功能,大大限制了溫度檢測(cè)的自動(dòng)化進(jìn)程。

本文所設(shè)計(jì)的體溫數(shù)據(jù)采集裝置采用紅外耳溫測(cè)量方法,另外,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)體溫?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)記錄存儲(chǔ)以及一段時(shí)間的溫度曲線觀測(cè),設(shè)計(jì)了紅外耳溫計(jì)與PC機(jī)的通信以及上位機(jī)軟件。體溫檢查時(shí)。用戶從平臺(tái)的耳溫計(jì)托盤上將紅外耳溫計(jì)取出,并按下耳溫計(jì)開關(guān),然后將紅外測(cè)溫頭插人耳道并向下壓使之完全貼合,按下“start”按鍵,耳溫計(jì)的顯示屏上相應(yīng)地顯示本次檢查結(jié)果。當(dāng)用戶將耳溫計(jì)放回托盤時(shí),借助耳溫計(jì)的重量按下安裝在托盤上的行程開關(guān),單片機(jī)系統(tǒng)就會(huì)將檢測(cè)結(jié)果通過串口傳輸?shù)絇C機(jī),PC機(jī)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存,將溫度數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。通過一段時(shí)間的體溫檢測(cè)。在PC機(jī)上自動(dòng)繪制溫度數(shù)據(jù)曲線,可以反映出一段時(shí)間內(nèi)人體體溫的變化,作為評(píng)判“亞健康”的標(biāo)準(zhǔn)之一。

采用這種方法設(shè)計(jì)的體溫?cái)?shù)據(jù)采集裝置已應(yīng)用在“智能馬桶系統(tǒng)”中,表現(xiàn)出使用方便、檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、測(cè)量自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

3 紅外測(cè)溫原理與紅外溫度傳感器

紅外測(cè)溫是利用測(cè)量物體所輻射出來的輻射能量來測(cè)量物體溫度,它的理論依據(jù)是斯蒂芬一玻爾茲曼定律:物體的溫度越高,它所輻射出來的能量越多。當(dāng)溫度為T時(shí),物體在所有波長(zhǎng)上(物體的輻射幾乎包括所有的波長(zhǎng))的總輻射強(qiáng)度W為:

式中wλ—溫度為T(K)的物體,在波長(zhǎng)為λ處的分譜輻射強(qiáng)度,單位為(W/cm2.μm);

c1—第一輻射常數(shù);c1=3.7415×10-12(W/cm2)

c2—第二輻射常數(shù);c2=1.4388(cm2?K)

ελ—分譜比輻射率,與物體的材料、表面情況及波長(zhǎng)有關(guān);

σ—斯蒂芬一玻爾茲曼常數(shù),σ=5.6697×10-12[(W/cm2).T4];

T—物體的絕對(duì)溫度,單位K;

ε—物體表面的法向比輻射率,絕對(duì)黑體ε=1.0。非絕對(duì)0<ε<1.0;

λ——熱輻射發(fā)射的電磁波波長(zhǎng)。

峰值輻射波長(zhǎng)λm與物體自身的絕對(duì)溫度T成反比,即

λm=2897/T(μm)   (2)

此式稱為維恩位移定律。表明溫度越高,它的峰值輻射波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)(即波長(zhǎng)越短)。

由(2)式可知,物體的溫度越高,所輻射的輻射功率愈大。顯然,在物體表面的法向比輻射率已知的情況下,根據(jù)(1)式只要能測(cè)量出物體所輻射的輻射功率,便可確定物體的溫度。

紅外溫度傳感器由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成,結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量,視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定,紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路,并按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。

圖l中的光學(xué)系統(tǒng)有兩個(gè)作用:(1) 把被測(cè)量處的紅外線集中到檢測(cè)元件上;(2) 把進(jìn)入儀表的紅外線發(fā)射面限制在固定范圍內(nèi),檢測(cè)元件把紅外線能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào),信號(hào)處理單元針對(duì)檢測(cè)元件輸出的信號(hào)用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行處理,變成人們需要的各種模擬和數(shù)字量信息,通信單元把結(jié)果傳輸給單片機(jī)。

4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

體溫?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括TN紅外測(cè)溫傳感器接入、單片機(jī)、按鍵、LED\LCD顯示、PC機(jī)與單片機(jī)通信部分。單片機(jī)采用凌陽公司推出的16位SPCE061A系列單片機(jī)。LED顯示采用7段LED數(shù)碼管,LCD液晶采用凌陽公司的SPLC50l液晶模塊。設(shè)計(jì)兩種顯示方式:LED顯示和LCD顯示。

TN紅外測(cè)溫傳感器接入部分采用SPI編程,通過SPCE061A I/O口的控制,將所測(cè)得的溫度接收到SPCE061A中來處理。其測(cè)量范圍:-33℃~220℃,精度:±0.3℃;響應(yīng)時(shí)間:0.5 s。

按鍵部分:通過PIA8和GND接按鍵,按鍵啟動(dòng)測(cè)溫,LED/LCD顯示數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)一直顯示,直到重新啟動(dòng)測(cè)量更新數(shù)據(jù)。

LED/LCD顯示部分:在LED顯示中,通過SP-LC501的IOAO-8輸出段選碼,IOBO-3輸出4位位選碼。LCD顯示中,通過IOAO-8輸出8位數(shù)據(jù),IOB9接單片機(jī)的CS1,IOB4接A0,IOB5接R/W,IOB6接EP。

PC與單片機(jī)的通信:采用MAX232電平轉(zhuǎn)換電路,IOB7接MAX232的ROUT2,IOB10接DIN2。

5 通信協(xié)議

體溫采集裝置采用收、發(fā)、地三線的方式通信,工作方式采用主從方式。PC機(jī)為主機(jī),耳溫計(jì)為從機(jī)。下位機(jī)采用中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)幀,下位機(jī)通過與COM1口連接與PC機(jī)進(jìn)行通信。通信規(guī)則如下:

(1) 由主機(jī)下傳,從機(jī)應(yīng)答上傳,從機(jī)必須在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)主機(jī)發(fā)出的任何命令應(yīng)答。

(2) 一次發(fā)送4個(gè)字節(jié),每個(gè)字節(jié)代表一定的功能,每個(gè)字節(jié)為十六進(jìn)制值。

(3) 主機(jī)下傳操作命令,從機(jī)上傳主機(jī)發(fā)的執(zhí)行命令。表示從機(jī)收到主機(jī)執(zhí)行命令。主機(jī)下傳讀寫數(shù)據(jù)命令,從機(jī)按返回?cái)?shù)據(jù)格式上傳。

(4) 從機(jī)收到命令或數(shù)據(jù),如果校驗(yàn)和錯(cuò),不發(fā)上傳命令或數(shù)據(jù)。通信協(xié)議如表1所列。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序采用模塊化編程,便于調(diào)試和移植。鍵盤掃描采用查詢方式,串口通信采用中斷方式。下位機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

體溫檢測(cè)數(shù)據(jù)通過串行口通信傳送到計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理,本系統(tǒng)用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行基于PC機(jī)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件采用NI公司推出的LabVIEW軟件。LabVIEW是一種基于圖形的集成化程序開發(fā)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器的概念,它是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件,增強(qiáng)了用戶在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)上配以高效經(jīng)濟(jì)的硬件設(shè)備來構(gòu)建自己的儀器系統(tǒng)的能力。

本系統(tǒng)使用串行端口子模塊編程,在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)串口通信可以調(diào)用硬件接口模塊(InstrumentI/O)中的VISA和Serial子模塊。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)幀,對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分解處理得到溫度數(shù)據(jù)。并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)保存。上位機(jī)發(fā)送控制命令啟動(dòng)下位機(jī),并同時(shí)接收下位機(jī)傳輸?shù)?byte數(shù)據(jù)幀,也可以接收下位機(jī)鍵盤啟動(dòng)檢測(cè)后傳輸過來的4byte數(shù)據(jù)幀。對(duì)于按照通信協(xié)議產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幀可以在LabVIEW中利用GDI編程實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)幀格式中提取出溫度數(shù)據(jù)的十位、個(gè)位以及小數(shù)點(diǎn)后一位,并且自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的文本記錄,方便查看。LabVIEW設(shè)計(jì)的前面板調(diào)試界面如圖4所示。

7 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的紅外溫度檢測(cè)系統(tǒng)體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,使用十分方便。將紅外傳感器部分單獨(dú)制作成手持式耳溫計(jì),通過延長(zhǎng)線(可達(dá)2 m),可以十分方便地進(jìn)行大量的體溫檢測(cè)。通過在PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)保存分析,可以繪制一段時(shí)間的體溫變化曲線。通過對(duì)驗(yàn)證機(jī)的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,溫度測(cè)量準(zhǔn)確,檢測(cè)自動(dòng)化程度高。本系統(tǒng)特別適合在醫(yī)院、大型公共場(chǎng)合使用,也可以應(yīng)用于家庭。

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