基于MLX90615的红外耳温计设计(1)

June 2011 www.omeinfo.com OME Information 光机电信息第28卷 第6期 Vol.28 No.6 摘 要： 介绍了一种基于医用数字红外传感器 MLX90615 的红外耳温计设计。 基于红外测温原理， 耳温计 主要由数字红外传感器、 低功耗 CPU、 液晶显示屏和其他外围电路组成。 CPU 通过 I2C总线读取 MLX90615 采集的红外辐射信号， 将其转换为对应的人体耳腔温度值并显示在液晶屏上。 实验明， 耳温计分辨率达到 了 0.02 ℃， 准确度达到了 0.1 ℃， 实现了耳温的准确、 快速测量。 关键词： 红外耳温计； 数字红外传感器； MLX90615； 耳腔 中图分类号： TN219 文献标识码： A DOI： 10.3788/OMEI20112806.0035 基于MLX90615的红外耳温计设计 魏计林， 吴海洋， 邱选兵 （太原科技大学 物理系， 山西 太原 030024） Design of Infrared Ear Thermometer based on MLX90615 WEI Ji-lin， WU Hai-yang, QIU Xuan-bing (Department of Physics, Taiyuan University of Science & Technology, Taiyuan 030024， China) Abstract: The design of infrared ear thermometer based on medical digital infrared sensor MLX90615 was presented. According to infrared temperature measurement principle, the design mainly consisted of digital infrared sensor, low power consuption CPU unit, LCD display and other external circuit. The CPU unit read infrared ray siginal collected by MLX90615 through I2C bus, converted the digital signal to corresponding temperature of ear cavity and showed in LCD display. The experiment showed that the resolution and accuracy of the design reached 0.02 ℃ and 0.1 ℃, and achieved the goal to measure ear cavity accurately and rapidly. Keywords: ear thermometer; digital infrared sensor; MLX90615; ear cavity 文章编号：1007-1180(2011)06-0035-04 *基金项目： 山西省教育厅09年研究生优秀创新项目 (20093105) 35 June 2011 www.omeinfo.com 光机电信息 OME Information 第28卷 第6期 Vol.28 No.6 1 引 言 体温是人体基本生理指标之一， 是临床疾病和 生命体征判断的的重要依据。 在临床实践中， 通常 采用直肠温度、 口腔温度、 腋窝温度作为衡量机体 深部平均温度的指标[1]。 传统体温测量是使用水银温 度计进行接触式测量， 具有性能稳定、 误差小等优 点， 但存在测量时间长、 交叉传染风险大、 玻璃破 碎易引起汞中毒等缺点。 而红外耳温计是通过红外 传感器采集耳腔和鼓膜的红外辐射并转化为数字信 号， 主控 CPU 单元将数字信号转换为温度值并显示 在液晶屏上。 与水银温度计相比， 红外耳温计具有 高精度、 高分辨率、 测量速度快、 操作简便、 安全 舒适等优点。 2 红外耳温计的基本原理 下视丘是大脑控制体温的重要器官， 与耳朵最 接近。 机体深部平均温度发生变化， 耳朵的温度也 迅速发生变化， 并且耳朵内部为封闭区域， 受外界 因素影响小， 因此耳温与体温最接近[2]。 红外耳温计 通过测量人体耳道和鼓膜的红外辐射来测量人体温 度， 其辐射能量密度与温度的关系符合斯蒂芬-波尔 兹曼辐射定律[3]: E=εσT 4 （1） 其中， E为辐射出射度， 即单位面积所发射的辐射功 率， 单位为W ／m3； ε为物体的辐射率； σ为斯蒂芬- 波尔兹曼常数； T为物体的热力学温度， 单位为 K。 式 （1） 表明， 物体的温度越高， 辐射功率越 大。 只要已知物体的温度和它的辐射率， 即可计算 出它所发射的辐射功率。 反之， 如果测量出物体的 辐射功率， 即可确定物体的温度。 因此， 应用红外 传感器吸收红外辐射的原理测量耳腔温度的仪器， 称为红外耳温计。 红外传感器采用串联的热电偶， 冷接头放置在厚的芯片衬底上， 热接头放置在薄膜 上， 薄膜吸收红外辐射， 从而产生微弱电信号[4]。 根 据式 （1） 的原理， 红外传感器的输出信号为： Vir(Ta，To)=A(T 4o-T 4a) （2） 其中， A 为总体的敏感度， 和传感器的结构设计有 关； To为目标物体的热力学温度， 单位为 K， 由红外 温度传感器测出； Ta为环境的热力学温度， 单位为 K， 需要附加的传感器测量目标物体的环境温度。 3 硬件设计 红外耳温计依据红外辐射原理进行体温测量， 主要由数字红外传感器、 主控 CPU 单元、 液晶显示 器和其他外围电路组成， 其设计框图如图 1所示。 当 按键按下时， 数字红外传感器将采集到的红外辐射 转换成数字信号。 主控 CPU 采集的数字信号经过运 算后， 在液晶屏显示出耳腔温度值， 并伴随蜂鸣器 鸣叫。 3.1 传感器部分 传感器部分采用数字红外传感器 MLX90615ESG- DAA， 主要由红外热电堆传感器、 低噪声放大器、 16位模数转换器和功能强大的 DSP 单元等组成， 其 结构框图如图 2所示[4]。 红外热电堆传感器将采集到 的红外辐射转化为电信号， 并经过低噪声放大器放 大后送给模数转换器。 模数转换器输出的数字信号 经 FIR/IIR 低通滤波器调理后送入数字信号处理器， 数字信号处理器对数字信号运算处理后输出测量结 果并保存在 MLX90615内部 RAM中， 可以通过 SM- Bus或 PWM方式供主控 CPU单元读取。 MLX90615 具有宽温度范围的高精度、 高分辨 率、 发射率可调节、 SMBus兼容的数字接口等优点， 而作为医用的 MLX90615ESG-DAA 在 36~39 ℃的人 耳腔 红外 红外传感器 数字信号 主控 CPU 按键 驱动 液晶 显示 蜂鸣器 图 1 红外耳温计设计框图 动驱 36 June 2011 www.omeinfo.com OME Information 光机电信息第28卷 第6期 Vol.28 No.6 体温度范围内的精确度达到了±0.1 ℃。 MLX90615广 泛应用于高精度非接触温度测量、 家用温度控制、 卫生保健、 多重温度区域控制等领域。 3.2 主控 CPU CPU 采用基于 ARM Cortex-M3 的 32 位微控制 器 STM32F103C8。 该控制器具有高速可靠、 资源丰 富、 低功耗、 宽温度范围等优点， 广泛应用于电机 控制、 医疗保健、 手持设备等场合。 STM32F103C8 具有 64 KB的片内 Flash 程序存储器、 37 个通用 I/O 引脚、 2个 10路 12位 A/D转换器、 3 个通用定时器 等外设资源和 USART、 I2C、 SPI、 USB、 CAN等通信 接口[5]， 能够满足红外耳温计的设计要求。 该设计中 微控制器 STM32F103C8主要完成判断按键输入、 红 外传感器信号的采集与处理、 驱动液晶屏显示和蜂 鸣器鸣叫等功能。 3.3 液晶显示器 该设计显示部分采用基于 HD44780液晶芯片的 通用 1602字符型液晶屏， 它是指显示的内容为 16×2， 即可以显示两行， 每行 16 个字符和数字的液晶模 块。 液晶显示屏具有功耗低、 体积小、 对比度可调、 内置字符发生器、 易匹配处理器等优点。 3.4 其他外围电路 其他外围电路部分主要包括按键、 蜂鸣器等部 分。 按键主要产生中断信号， 使 STM32F103 执行红 外温度检测功能。 蜂鸣器则提示用户红外温度检测 结束。 4 软件设计 4.1 程序设计 软件设计采用模块化程序设计， 主要包括： 初 始化模块、 按键检测模块、 红外温度检测模块和液 晶显示模块等， 其程序如图 3 所示。 初始化模 块主要完成复位、 通用 I/O、 中断、 定时器、 I2C等初 始化设置。 按键检测模块主要是检测按键是否按下， 从而触发外部中断并执行红外温度检测功能。 红外 温度检测模块主要是按照 I2C总线方式对数字红外传 红外 ＋ - 放大器 模数 转换器 FIR/IIR 滤波器 SMB us/PWm 数字信号处理器 MLX90325MLX90615 基准电压 图 2 MLX90615的结构框图 结束 图3 程序流程图 液晶显示 蜂鸣提示 红外温度检测 按键是否按下 初始化 Y N R 37 June 2011 www.omeinfo.com 光机电信息 OME Information 第28卷 第6期 Vol.28 No.6 感器 MLX90615 进行读取操作， 并按预定的公式将 数字信号转换成耳腔温度值。 液晶显示模块主要是 驱动液晶显示器， 将耳腔温度值显示在液晶屏上， 方便用户读取数据。 当温度值显示在液晶屏上时， 蜂鸣器鸣叫， 提示温度测量工作结束。 4.2 红外温度检测模块 微控制器 STM32F103C8 内部集成了 I2C 串行接 口， 因此该设计采用 SMBus 兼容方式对红外传感器 MLX90615进行读写操作。 红外测温模块主要包括读 取从地址、 设置发射率、 读取被测物体数据、 温度 转换等步骤， 其程序流程见图 4。 在红外温度检测模 块中， STM32F103C8 对数字红外传感器 MLX90615 进行读写操作 ， 首先读取红外耳温计中从器件 MLX90615的子地址 （SMBus从动器地址默认地址为 5Bh）。 MLX90615中发射率出厂设置为 1， 而人体皮 肤发射率为 0.98。 为了补偿被测物体的发射率， 需 要重新设置 MLX90615 的发射率 。 MLX90615 的 RAM 单元 07h 地址存放的是被测物体的温度值， 因 此， 按照 I2C 总线时序读取多字节数据。 MLX90615 中读出的温度值转换为摄氏温度的公式为： To=RAM(07h）0.02-273.15 （3） 5 结束语 由于突发性流行疾病时常爆发， 传统的体温测 量方式已经不能满足人体温度的测量要求。 我们设 计的红外耳温计采用低功耗的 ARM处理器和高精度 的数字红外传感器， 简化了硬件和软件设计任务， 提高了设计的分辨率和精确度， 在临床护理、 家庭 保健等方面具有广泛的应用前景。 实验表明， 该设 计的分辨率达到了 0.02 ℃， 精确度达到了 0.1 ℃， 实 现了快速、 准确测量人体耳腔温度的目的。 图 4 红外温度检测模块程序流程图 读从器件地址 设置发射率 读取数据 温度转换 参考文献 [1] 郑煜. 生理学[M]. 成都： 四川大学出版社， 2005. [2] 张卫华， 吕月娥. 红外秒速耳温计设计中的关键技术问题[J]. 微机发展， 2003， 9（9）： 98-99 [3] 何勇， 王生泽. 光电传感器及其应用[M]. 北京： 化学工业出版社， 2004. [4] Melexis. MLX90615 Datasheet [EB/OL]. (2008-04-25)[2011-03-01]. http://china.melexis.com/prodmain.aspx? nID=625 [5] 李宁. 基于MDK的 STM32处理器开发应用[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2008. 作者简介： 魏计林 （1957-）， 男， 山西太原人， 博士， 教授， 1988年6月毕业于中国科技大学， 主要从事光学传感、 光学 测试及计算机工程应用等方面的研究。 E-mail： jilin_wei@163.com 38