生活中常用的紅外耳溫計(jì)的原理分析

傳統(tǒng)體溫測(cè)量是使用水銀溫度計(jì)進(jìn)行接觸式測(cè)量，具有性能穩(wěn)定、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，但存在測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、交叉?zhèn)魅撅L(fēng)險(xiǎn)大、玻璃破碎易引起汞中 毒等缺點(diǎn)。據(jù)世強(qiáng)市場(chǎng)經(jīng)理余彪介紹，紅外耳溫計(jì)是通過(guò)紅外傳感器采集耳腔和鼓膜的紅外輻射并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，主控CPU 單元將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度值并顯示在液晶屏上。與水銀溫度計(jì)相比，紅外耳溫計(jì)具有高精度、高分辨率、測(cè)量速度快、操作簡(jiǎn)便、安全舒適等優(yōu)點(diǎn)。

紅外耳溫計(jì)的基本原理

下視丘是大腦控制體溫的重要器官，與耳朵最接近。機(jī)體深部平均溫度發(fā)生變化，耳朵的溫度也迅速發(fā)生變化，并且耳朵內(nèi)部為封閉區(qū)域， 受外界因素影響小，因此耳溫與體溫最接近。紅外耳溫計(jì)通過(guò)測(cè)量人體耳道和鼓膜的紅外輻射來(lái)測(cè)量人體溫度，其輻射能量密度與溫度的關(guān)系符合斯蒂芬-波爾茲曼輻射定律:

E=εσT4 (1)

其中，E為輻射出射度，即單位面積所發(fā)射的輻射功率，單位為W/m3;ε為物體的輻射率;σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù);T為物體的熱力學(xué)溫度，單位為K。

式(1)表明，物體的溫度越高，輻射功率越大。只要已知物體的溫度和它的輻射率，即可計(jì)算出它所發(fā)射的輻射功率。反之，如果測(cè)量出物體的輻射功率，即可確定物體的溫度。因此，應(yīng)用紅外傳感器吸收紅外輻射的原理測(cè)量耳腔溫度的儀器，稱為紅外耳溫計(jì)。紅外傳感器采用串聯(lián)的熱電偶，冷接頭放置在厚的芯片襯底上，熱接頭放置在薄膜上，薄膜吸收紅外輻射，從而產(chǎn)生微弱電信號(hào)。根據(jù)式(1) 的原理， 紅外傳感器的輸出信號(hào)為：

Vir(Ta，To)=A(T4 o-T4 a) (2)

其中，A為總體的敏感度，和傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān);To為目標(biāo)物體的熱力學(xué)溫度，單位為K，由紅外溫度傳感器測(cè)出;Ta為環(huán)境的熱力學(xué)溫度，單位為K，需要附加的傳感器測(cè)量目標(biāo)物體的環(huán)境溫度。

硬件設(shè)計(jì)

紅外耳溫計(jì)依據(jù)紅外輻射原理進(jìn)行體溫測(cè)量。世強(qiáng)介紹的這款設(shè)計(jì)，主要由數(shù)字紅外傳感器、主控CPU 單元、液晶顯示器和其他外圍電路組成，其設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。當(dāng)按鍵按下時(shí)，數(shù)字紅外傳感器將采集到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。主控CPU 采集的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，在液晶屏顯示出耳腔溫度值，并伴隨蜂鳴器鳴叫。

1、傳感器部分

傳感器部分采用數(shù)字紅外傳感器MLX90615，主要由紅外熱電堆傳感器、低噪聲放大器、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和功能強(qiáng)大的DSP 單元等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。紅外熱電堆傳感器將采集到的紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號(hào)， 并經(jīng)過(guò)低噪聲放大器放大后送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)FIR/IIR 低通濾波器調(diào)理后送入數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)運(yùn)算處理后輸出測(cè)量結(jié)果并保存在MLX90615 內(nèi)部RAM 中，可以通過(guò)SMBus或PWM方式供主控CPU 單元讀取。

MLX90615 具有寬溫度范圍的高精度、高分辨率、發(fā)射率可調(diào)節(jié)、SMBus 兼容的數(shù)字接口等優(yōu)點(diǎn)，而作為醫(yī)用的MLX90615ESG-DAA 在36~39 ℃的人體溫度范圍內(nèi)的精確度達(dá)到了±0.1 ℃。MLX90615廣泛應(yīng)用于高精度非接觸溫度測(cè)量、家用溫度控制、衛(wèi)生保健、多重溫度區(qū)域控制等領(lǐng)域。

2、主控CPU

CPU 采用基于ARM Cortex-M3 的32 位微控制器EFM32G842F64。該控制器具有高速可靠、資源豐富、低功耗、寬溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制、醫(yī)療保健、手持設(shè)備等場(chǎng)合。EFM32G842F64具有64 KB 的片內(nèi)Flash 程序存儲(chǔ)器、53 個(gè)通用I/O引腳、2 個(gè)12 位A/D 轉(zhuǎn)換器、3 個(gè)通用定時(shí)器等外設(shè)資源和USART、IIC、SPI等通信接口， 能夠滿足紅外耳溫計(jì)的設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)中微控制器EFM32G842F64主要完成判斷按鍵輸入、紅外傳感器信號(hào)的采集與處理、驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示和蜂鳴器鳴叫等功能。

3、液晶顯示器

該設(shè)計(jì)顯示部分采用基于HD44780 液晶芯片的通用1602 字符型液晶屏， 它是指顯示的內(nèi)容為16×2，即可以顯示兩行， 每行16 個(gè)字符和數(shù)字的液晶模塊。液晶顯示屏具有功耗低、體積小、對(duì)比度可調(diào)、內(nèi)置字符發(fā)生器、易匹配處理器等優(yōu)點(diǎn)。[!--empirenews.page--]

4、其他外圍電路

其他外圍電路部分主要包括按鍵、蜂鳴器等部分。按鍵主要產(chǎn)生中斷信號(hào)， 使EFM32G842F64執(zhí)行紅外溫度檢測(cè)功能。蜂鳴器則提示用戶紅外溫度檢測(cè)結(jié)束。

軟件設(shè)計(jì)

1、程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要包括：初始化模塊、按鍵檢測(cè)模塊、紅外溫度檢測(cè)模塊和液晶顯示模塊等，其程序流程如圖3 所示。初始化模塊主要完成復(fù)位、通用I/O、中斷、定時(shí)器、IIC 等初始化設(shè)置。按鍵檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)按鍵是否按下，從而觸發(fā)外部中斷并執(zhí)行紅外溫度檢測(cè)功能。紅外溫度檢測(cè)模塊主要是按照IIC 總線方式對(duì)數(shù)字紅外傳感器MLX90615 進(jìn)行讀取操作， 并按預(yù)定的公式將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成耳腔溫度值。液晶顯示模塊主要是驅(qū)動(dòng)液晶顯示器， 將耳腔溫度值顯示在液晶屏上，方便用戶讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度值顯示在液晶屏上時(shí)，蜂鳴器鳴叫， 提示溫度測(cè)量工作結(jié)束。

2、紅外溫度檢測(cè)模塊

微控制器EFM32G842F64內(nèi)部集成了IIC 串行接口，因此該設(shè)計(jì)采用SMBus 兼容方式對(duì)紅外傳感器MLX90615 進(jìn)行讀寫操作。紅外測(cè)溫模塊主要包括讀取從地址、設(shè)置發(fā)射率、讀取被測(cè)物體數(shù)據(jù)、溫度轉(zhuǎn)換等步驟，其程序流程見(jiàn)4。在紅外溫度檢測(cè)模塊中，EFM32G842F64對(duì)數(shù)字紅外傳感器MLX90615進(jìn)行讀寫操作， 首先讀取紅外耳溫計(jì)中從器件MLX90615 的子地址(SMBus 從動(dòng)器地址默認(rèn)地址為5Bh)。MLX90615 中發(fā)射率出廠設(shè)置為1，而人體皮膚發(fā)射率為0.98。為了補(bǔ)償被測(cè)物體的發(fā)射率，需要重新設(shè)置MLX90615 的發(fā)射率。MLX90615的RAM 單元07h 地址存放的是被測(cè)物體的溫度值，因此，按照I2C 總線時(shí)序讀取多字節(jié)數(shù)據(jù)。MLX90615中讀出的溫度值轉(zhuǎn)換為攝氏溫度的公式為：

To=RAM(07h)0.02-273.15 (3)

由于突發(fā)性流行疾病時(shí)常爆發(fā)，傳統(tǒng)的體溫測(cè)量方式已經(jīng)不能滿足人體溫度的測(cè)量要求。我們?cè)O(shè)計(jì)的紅外耳溫計(jì)采用低功耗的ARM 處理器和高精度的數(shù)字紅外傳感器，簡(jiǎn)化了硬件和軟件設(shè)計(jì)任務(wù)，提高了設(shè)計(jì)的分辨率和精確度，在臨床護(hù)理、家庭保健等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)的分辨率達(dá)到了0.02℃，精確度達(dá)到了0.1℃，實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確測(cè)量人體耳腔溫度的目的。