【方案设计】红外传测温感器在非接触耳温计上的应用

      本文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。实验结果表示，该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。

红外耳温计的优点
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。据世强市场经理余彪介绍，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。

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。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:

E=εσT4               （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。根据式（1）的原理， 红外传感器的输出信号为：

Vir(Ta，To)=A(T4 o-T4 a) （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。

硬件设计
红外耳温计依据红外辐射原理进行体温测量。世强介绍的这款设计，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。

图1 红外耳温计设计框图

1、传感器部分
传感器部分采用数字红外传感器MLX90615，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。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SMBus或PWM方式供主控CPU单元读取。

图2 MLX90615的结构框图

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。

2、主控CPU
CPU采用基于ARM Cortex-M3的32位微控制器EFM32G842F64。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。EFM32G842F64具有64KB的片内Flash程序存储器、53个通用I/O引脚、2个12位A/D转换器、3个通用定时器等外设资源和USART、I2C、SPI等通信接口，能够满足红外耳温计的设计要求。该设计中微控制器EFM32G842F64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、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。

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EFM32G842F64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。

软件设计
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，其程序流程如图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。
               

                           图3 程序流程图

                                 
2、红外温度检测模块
微控制器EFM32G842F64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4。在红外温度检测模块中，EFM32G842F64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）

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。