基于TS118_1的无接触式人体体温计的实现

第 13卷第 2期 2007 年 4 月 江 苏 技 术 师 范 学 院 学 报 JOURNAL OF J IANGSU TEACHERS UN IVERSITY OF TECHNOLOGY Vol. 13,No. 2 Ap r. , 2007 收稿日期 : 2007203205;修回日期 : 2007203230 作者简介 :傅中君 (19732) ,男 ,实验师 ,硕士 ,研究方向为自动控制、嵌入式系统。 　 基于 TS11821的无接触式人体体温计的实现 　 　 傅　中　君 , 侯　雪　亚 (江苏技术师范学院 计算机科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 ,江苏 常州 　213001) 　 摘　要 : 人体体温是临床医学中一个重要的生理参数 ,现代医学对人体体温的测量要求更加安全方便卫生。无 接触式人体体温测量是一种理想的解决方法。应用德国 HL2Planartechnik公司的 TS11821表面温度测量传感器 进行非接触式人体体温测量的原理 ,给出了基于 TS11821的无接触式人体体温计软硬件实现 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。基于 TS11821 的无接触式人体体温计具有精度高、成本低、安全的特点 ,市场应用前景广泛。 关键词 : 体温计 ; 红外线 ; 无接触测量 中图分类号 : TP732. 205　　　　文献标识码 : A 　 　 0　引　言 　 临床医学中 ,体温是一个重要的生理参数。病人的体温为医生提供了生理状态的重要信息。水银式 体温计和电子式体温计通过口腔、腋窝、直肠等体表接触来测量人体的平均温度。其缺点是测量时间较 长 ,受测量位置的影响大 ,给使用者带来诸多不便。2003年“非典 ”疫情的爆发 ,对人体体温测量提出了更 高的要求 ,需要一种更加安全方便卫生的测量工具。红外辐射式体温计应用红外线辐射测量原理实现了 人体体温的无接触测量。 　 1　测量原理 　 人体体温无接触测量的核心部件是德国 HL2Planartechnik公司生产的 TS11821型无接触式表面温度 测量传感器。TS11821无接触测量的原理是 :所有的物体都会向外发射红外线 ,而发射功率正比于物体的 表面温度。那么精确测量物体的红外线发射功率就能确定物体的表面温度。TS11821应用微结构薄膜技 术在硅底板上集成了许多个基于热电效应的热电偶 (图 12a)。热电偶的热端和冷端之间用隔热的 SiNx 隔膜隔开 ,热端的吸收区把引入的红外线转换成热量 ,而热电偶把热量成比例地转换成电压输出。 TS11821采用 TO18封装 (图 12b) ,在距离人体 5cm范围内红外线吸收效率接近 100% ,也就是说有效测量 距离为 ≤5cm。在 TS11821内还集成了一个热敏电阻 ,用于测量环境温度。 TS11821输出的物理量有两个。 (1)输出阻抗 Rrtd: Rrtd与环境温度 Tamb呈一定的函数关系 ,测量 Rrtd就可以确定当前的环境温度。 (2)电偶输出电压 V tp: V tp与被测目标温度 Tobj和环境温度 Tamb之间的温差呈函数关系。 1. 1　环境温度 Tam b的计算 Tamb = F (R rtd) (1) 第 2期 傅中君 侯雪亚:基于 TS11821的无接触式人体体温计的实现 图 1　TS11821的结构和外观 [ 1 ] Fig. 1　Structure and view of TS11821 环境温度 Tamb和热敏电阻输出阻抗 R rtd之间的对应关系 F如表 1所示 ,表中只给出了整温度点时 的输出阻抗 ,而点与点之间则认为 Tamb与 R rtd呈近似线性关系。 对于不特定的环境温度 Tamb_act与输出阻抗 R rtd_act可以通过算法 (2)计算 : IF R rtd[ Index - 1 ]≤R rtd_act < R rtd[ Index] , THEN Tamb_act = R rtd_act - R rtd[ Index - 1 ]R rtd[ Index] - R rtd[ Index - 1 ] + ( Index - 1) ×10。 (2) 例如 :假定实测 R rtd_act = 1 140. 5Ω。因为 R rtd [ 2 ] = 1 113. 1Ω < R rtd_act < R rtd [ 3 ] = 1 172. 0Ω。 则有 Tamb_act = 10 [ (1 140. 5 - 1 113. 1) / (1 172. 0 - 1 - 113. 1) + 2 ] = 24. 65℃。 表 1　Tamb - R rtd对应关系 [ 2 ] Tab. 1　Temperature characteristics of resistance temperature detector Index Tamb /℃ R rtd /Ω 1 10 1 055. 6 2 20 1 113. 1 3 30 1 172. 0 4 40 1 231. 0 1. 2　目标温度 To b j的计算 Tobj = G ( Tamb, V tp) (3) 目标温度 Tobj与环境温度 Tamb、热电偶输出电压 V tp之间的对应关系 G如表 2、图 2所示。 例如 : Tobj = G ( Tamb = 20℃, V tp = 1 164. 6μV) = 37℃。对于不特定的目标温度 Tobj_act与环境温度 Tamb_act、热电偶输出电压 V tp_act可以用算法 (4)计算 : (1)计算 li = Tamb / 10. 0。 (2)从最小值循环增加 b,直到 V tp [ li, b ] > V tp_act。V tp [ li, b ]的计算公式如下 : V tp [ li, b ] =V tp [ li - INT ( li) ] ×{V tp [ INT ( li) , b ] - V tp [ INT ( li) + 1, b ] } +V tp [ INT ( li) + 1, b ]。(4) (3)计算目标温度 Tobj: Tobj = V tp_act - V tp [ li, b - 1 ]V tp [ li, b ] - V tp [ li, b - 1 ] + b - 1。 (5) 式中 : INT( x) ———取整操作 ,例如 INT(1. 8) = 1; V tp [ line, col]———line行 col列的 V tp值 ,如 V tp [ 2, 37 ] = 1 164. 6μV。 例如 :实测 Tamb = 25. 0℃, V tp_act = 862. 3μV。则 : li = 2. 5; V tp [ 2. 5, 37 ] = 819. 95; V tp [ 2. 5, 38 ] = 901. 05。 因为 V tp [ 2. 5, 37 ] < V tp _act < V tp [ 2. 5, 38 ]。则有 Tobj = {V tp _act - V tp [ 2. 5, 37 ] } /{ V tp [ 2. 5, 38 ] - V tp [ 2. 5, 37 ] } + 37 = 37. 52。 表 2只给出了 Tobj与 Tamb、V tp之间的对应关系的一部分 ,详细信息见参考文献 [ 2 ]。 7 江 　苏 　技 　术 　师 　范 　学 　院 　学 　报 第 13卷 表 2　To b j与 Tam b、V tp之间的部分对应关系 Tab. 2　Temperature characteristics of thermop ile output V tp /μV Tobj/℃ 　 L ine　 Tamb /℃ 35　 36　 37　 38　 39　 40　 41　 1 10 1 733. 6 1 816. 7 1 902. 9 1 992. 4 2 085. 2 2 181. 2 2 280. 6 2 20 1 010. 6 1 085. 5 1 164. 6 1 247. 2 1 332. 9 1 421. 0 1 510. 9 3 30 323. 4 397. 9 475. 3 555. 1 637. 1 721. 0 806. 3 4 40 - 368. 3 - 296. 2 - 223. 3 - 149. 6 - 75. 2 0. 0 75. 9 图 2　Tobj - V tp对应关系 [ 2 ] Fig. 2　Thermop ile voltage vs. object temperature 　 2　硬件设计 图 3　硬件总体结构图 Fig. 3　Structure of hardware 　 2. 1　总体结构 无接触式人体体温计由单片机、温度 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 、电源供应、 LCD显示四部分组成 ,其硬件总体结构图如图 3所示。 M icrochip公司的 8位单片机 PIC16C770内部包含自 动复位电路、多种可选择的内部时钟、看门狗、256B数据存 储器和 2KB程序存储器 ,外围不需要电路支持就能独立工 作 ;另外 , P IC16C770内部还集成了一个高精度的 6通道的 12位 ADC[ 3 ]。在本系统中 ,采用了 P IC16C770片内自带的 ADC采样温度检测电路输出的环境温度和热电偶输出电 压。其中 ,通道 1 (RA0)采集环境温度、通道 2 (RA1)采集 热电偶输出 ;另外 , RA2用于关断温度采样电路、RA3用于 关断热电偶输出调理电路。RA5连接检测按钮 ,按下按钮就开始测量人体体温。 基于便携方面的考虑 ,系统采用电池供电。电源供应部分负责系统的供电和管理 , RA4用于采集电 池电量不足 (LBO)信号。 基于接口方便和功耗方面的考虑 ,温度输出显示采用内嵌驱动的 4位字段式 LCD, RA6、RA7用于选 8 第 2期 傅中君 侯雪亚:基于 TS11821的无接触式人体体温计的实现 图 4　温度测量电路图 Fig. 4　Circuit of temperature measuring 择需要修改显示的字段 , RB输出显示的 7段码。 2. 2　温度检测 2. 2. 1　环境温度检测电路 Maxim公司的 MAX4481是具有关断功能的低电压、 低功耗、高精度运算放大器。其工作电压最低至 215V, 静态工作电流 50μA, 关断状态下工作电流最大 015μA [ 4 ]。环境温度检测电路实现环境温度检测电阻阻 值 R rtd到输出电压 V rtd转换 ,具体原理图见图 4;转换原 理是 MAX4481运算放大器构成的电压跟随器跟踪 R1和 RTD的分压电压变化 , R1和 RTD的分压电压随 RTD阻 值的变化而变化 ,具体转换关系如下 : VRTD = 215 RRTDRRTD + R1 。 (6) 2. 2. 2　热电偶输出电压检测电路 由于热电偶输出电压较小 (只有 mV级 ) ,需要进行 图 5　温度测量 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 Fig. 5　Flow chart of temperature measuring 线形放大。为此 ,设计了一个高性能的同向放大器电路 (图 4) , 实现 VTP到 VTPAMP的线形转化。放大原理 :根据运算放大器 的特性 , R4两端电压恒为 VTP,所以流过 R4和 R5的电流恒为 i =VTPR4 。 (7) 所以 VTPAMP为 VTPAMP = i·R5 +VTP + 215 R3R2 + R3 , (8) 即 VTPAMP =VTP 1 + R5R4 + 215 R3R2 + R3 。 (9) 2. 3　电源供应和低功耗设计 电源供应部分采用 MAX IM公司的 MAX1795电源供应和管 理芯片。MAX1795内部包含一个高效率的 DC /DC转换器 (转换 效率 > 95% ) ,单节电池供电 (最小输入电压 0. 7V )就能得到单片 机和其它数字电路工作需要的稳定的电压 ,输出电压可设计为 2V到 5. 5V (通过调整 R3、R4电阻实现 ,具体设计方法参见文献 [ 5 ] ) ,供电电流最大可至 1. 5A。在本系统中 ,采用单节锂电池供 电 ,输出电压设计为 2. 5V。 MAX1795内部还包含低电压检测电路 ,可用来检测当前电池 电量 ,并在电池电量不足时输出电量不足报警信号 (LBO )。电池电压通过 R1、R2分压电路连接检测电路 输入端 LB I,通过调整 R1、R2的阻值可以自定义电量不足的阈值 ,具体方法参见文献 [ 5 ]。 由于系统采用电池供电 ,所以采用了多方面的低功耗措施 ,具体有 : (1)低电压、低功耗工作单片机 : P IC16C770在频率 37kHz、电压 2. 5V下工作时工作电流仅为 11μA; 并且还用睡眠模式 ,睡眠模式下工作电流只有 1μA。 (2)温度测量调理电路采用低电压低功耗可关断的运放芯片 : MAX4481工作电压 2. 5V～5. 5V ,静态 工作电流 50μA;并且支持关断功能 ,关断状态下工作电流最大 0. 5μA。 (3)显示采用功耗极低的 LCD显示方案。 (4)精心设计电源供应电路 :MAX1795转换效率高 ,自身功耗低 (静态工作电流 25μA)。 9 江 　苏 　技 　术 　师 　范 　学 　院 　学 　报 第 13卷 (5)采用节电的软件措施 : 10 s无操作单片机自动进入休眠状态 ,用户按键唤醒 ;温度测量调理电路不 用时自动关断 ; 10 s无操作关断 LCD显示。 　 3　软件设计 　 非接触式人体体温计软件结构较为简单。包含硬件电路休眠和唤醒、AD转换、LCD显示、AD转换结 果到环境温度被测温度运算等几部分。休眠和唤醒部分主要实现在合适的时机让 CPU、运算放大器和 LCD等电路进入休眠状态和从休眠状态唤醒的功能 ; AD转换部分包含两路 AD转换 (环境温度和被测温 度 )的启动、AD转换结果的读取和保存等部分 ; LCD显示部分负责把被测温度显示在 LCD上。AD转换 结果到环境温度被测温度运算部分包含数字平均滤波、环境温度的转换、根据环境温度计算被测温度三 个部分 ;数字平均滤波实现对 n次转换结果的平均滤波 ,避免数据扰动和 AD转换的随机性对测量结果的 影响 ,一般 n > 5就能保证结果的可靠性 ;环境温度和被测温度的转换采用查表和运算相结合的方法来实 现 ,先计算环境温度 ,然后根据环境温度计算被测温度 ,具体算法见本文“2测量原理 ”。 　 4　结　语 　 非接触手持式人体体温计价格低、体积小 ,实现了体温的快速准确测量 ,具有稳定性好、精度高、测量 安全、使用方便等特点。 参考文献 : [ 1 ] HL2Planartechnik GmbH. Thermosensors TS11821 / TS11822, p relim inary[ EB /OL ]. [ 1999203212 ]. http: / /www. hlp labar. de. [ 2 ] HL2Planartechnik GmbH.Measuring Protocol TS11821 [ EB /OL ]. [ 2001209218 ]. http: / /www. hlp labar. de. [ 3 ] M icrochip Technology Inc. P IC16C717 /770 /771 Datasheet[ EB /OL ]. [ 2001209218 ]. http: / /www.m icrochip. com. [ 4 ] Maxim Integrated Products.MAX44802MAX4483 Datasheet[ EB /OL ]. [ 2001207216 ]. http: / /www.maxim2ic. com. [ 5 ] Maxim Integrated Products.MAX1795 / MAX1796 / MAX1797 Datasheet[ EB /OL ]. [2000211203 ]. http: / /www.maxim2ic. com. Im p lem en ta tion o f Non2con tac t Hum an2body The rm om e te r B a sed o n TS11821 FU Zhong2jun, HOU X ue2ya (School of Com puter Science and Eng ineering, J iangsu Teachers U niversity of Technology, Changzhou 213001, China) Ab s trac t: Human2body temperature is an important physiological parameter in clinical medicine. The safer, more convenient and more sanitary measure of human2body temperature is needed in modern medicine. Non2contact human2body temperature measuring is a perfect solution. This paper expounds the p rincip le of non2contact human2body temperature measuring by the non2contact surface temperature measuring sensor TS11821 p roduced by Germany HL2Planartechnik Company. It also gives the hard2 ware and software solution of the human2body thermometer based on TS11821. It measures safely and accurately, and costs lowly and has wide app lication future in the market. Key wo rd s: human2body thermometer; infrared radiation; non2contact measuring 责任 安全质量包保责任状安全管理目标责任状8安全事故责任追究制幼儿园安全责任状占有损害赔偿请求权 编辑 　张志钊 01