基于AVR單片機的數字式耳溫測量儀的設計

錢明理，謝海源

上海交通大學醫學院附屬新華醫院資產管理部，上海 200092

0 前言

隨著醫院的發展，含汞醫療設備逐步被淘汰，水銀體溫計也在被淘汰之列。根據我院2012年的測量儀器采購情況，數字式耳溫測量儀的采購數量在短時間內有一個爆發式的增長。然而目前市場上擁有醫療器械注冊證的耳溫測量儀產品只有1種，且價格在3000元以上，而充斥市場的低價耳溫測量儀大多為民用產品，測試準確度和穩定性較難保證，用于醫療診斷存在一定的風險。

經初步調研，耳溫測量儀在臨床上有較大的需求，特別是在兒科的應用具有一定的優勢。因此，醫院自行開發一套耳溫測量儀，存在一定的可行性。根據調研結果，耳溫測量儀的實際制造成本應該在200～300元左右。為此，我們設計開發了1款基于AVR單片機和醫用級數字式紅外熱電堆傳感器MLX90615的電子耳溫測量儀（簡稱測試耳溫儀）。

1 主要開發器件的選擇

MLX90615醫用及數字式紅外熱電堆傳感器是一種非接觸式傳感器，通過賽貝克效應來探測熱輻射[1]，電壓與溫度的函數關系式為[2]：

式(1)中，U0為輸出電壓，電壓單位為mV；T0和Ta分別為被測物體溫度和背景溫度，溫度單位為K；ε為被測物體發射率；C為與傳感器結構有關的系數。

早期的耳溫測量儀一般采用傳統的模擬傳感器，典型的型號有10TP583T、TS118-3、ZTP135S-R等。模擬傳感器設計較為復雜，而且穩定性較難控制[3]。近年來逐漸有直接數字式的紅外熱電堆傳感器推出，如TI公司的溫度傳感器，最高精度為1℃[4]，可用于感知熱源，用于醫學診斷則達不到要求；MELEXIS公司的傳感器在36～39℃范圍內，精度達到了0.1℃，分辨率為0.02℃，而且專門設計了醫用級傳感器MLX90615-DAA[5]。其內部結構，見圖1。

圖1 MLX90615-DAA內部結構圖

目前常用的單片機有51系列、AVR系列、PIC系列和ARM單片機等。而MLX90615-DAA傳感器采用IIC總線協議進行數據傳輸，51系列單片機不具備專門的IIC功能，用軟件實現較復雜，且占用較多運行資源；采用ARM單片機也過于浪費資源。綜合考慮，本研究采用AVR單片機進行開發，型號是較常用的Atmega16系列[6-8]。

2 硬件電路設計。

溫度傳感器采用3.3 V供電，因此硬件電路按此電壓設計。單片機Atmega16L的工作電壓為2.7～5.5 V，為保證輸入電壓的穩定，硬件設計增加了ASM1117-3.3三端穩壓芯片，對于常用的紐扣電池3、6、9 V均能使用；電源設計增加了防反接功能，起到對元器件保護作用。傳感器輸出為兩線協議，電路連接，見圖2。

圖2 電路連接

圖2 中，SDA為數據線、SCL為時鐘線，Atmega16為主機，傳感器MLX90615-DAA為從機。SDA和SCL分別連接PC1和PC0引腳，實際設計需增加上拉電阻，這里使用了300 kΩ弱上拉電阻，否則傳感器不能輸出高電平。顯示采用4位段碼液晶顯示，偏壓1/3 V，由HT1621驅動芯片進行驅動。HT1621以32×4位的格式儲存所顯示的數據，適用于多種LCD應用場合。耳溫測量采用中斷方式進行觸發，由INT0口完成。

系統通過蜂鳴器提示測試完成的信號，并具有正常和高溫報警功能，分別用紅色和綠色LED進行顯示。硬件電路采用Altium Designer 9.0進行設計，電路硬件連接示意圖，見圖3。

圖3 硬件連接示意圖

3 系統軟件設計。

軟件采用WinAVR進行程序設計、GCC編譯器編譯。軟件設計主要分為3個部分：① 數據的測量和計算；② 測量結果顯示；③ 空閑狀態下掉電模式和喚醒模式提示。程序執行流程圖，見圖4。

圖4 程序執行流程

筆者前一版本的設計采用51系列單片機實現，需要模擬IIC總線進行通信，程序設計非常復雜，而且調試困難。而采用AVR單片機設計，程序相對要簡單很多，而且JTAG接口具有在線調試功能，使用非常方便。AVR單片機具有TWI兩線串行接口；TWBR（比特率寄存器），用于存放發送和接收的數據，數據長度為8bit；TWCR（控制寄存器）用于單片機引腳第二功能使能中斷控制設置；TWSR（狀態寄存器），主要用于產生波特率，程序設置為9600波特率，晶振采用7.3728 MHz。通過寄存器設置可直接進行IIC通信。IIC協議讀操作示意圖，見圖5。

圖5 IIC協議的讀操作

圖中S位為起始位，SDA拉低，總線處于占用狀態，Slave Address為7位從機地址（這里的從機為傳感器），Wr為寫操作標識，A為應答位，Command為寫8位命令（這里是寫入讀取溫度命令）。IIC總線的讀寫轉換需要重新進行設備握手；PEC為校驗碼。圖中白色部分為主機向從機發送數據狀態，灰色部分為從機向主機發送數據狀態。

單片機從傳感器RAM中的0x7h地址中讀取溫度值，再通過轉換公式直接計算目標體溫度。一般情況下，單片機只需要進行讀操作即可。

4 系統測試。

4.1 穩定性測試

采用某品牌耳溫度儀測和試耳溫儀分別對20人測試，其中體溫正常5人，發燒15人。對同一測試樣本間隔30 s重復測量5次，對測試數據進行比較，見圖6。

圖6 穩定性測試數據比較直方圖

圖中條狀高度代表方差，方差值越大，穩定性越差。淺色代表某品牌耳溫度儀的測量方差，深色代表測試耳溫儀的方差。可見，測試耳溫儀的方差優于某品牌耳溫儀，且溫度穩定性在±0.1℃以內，與傳感器的技術參數相符。

4.2 準確性測試

對測試耳溫儀的測試結果與口腔溫度計（假設為標準儀器）和國外某品牌醫用耳溫測量儀測量結果進行比較，重復測量20次，結果見表1。

表1 兩種耳溫測試儀與口腔溫度計測試誤差比較（溫度單位℃）

從測試情況看，某品牌耳溫儀與測試耳溫儀的最大偏差都為0.2℃，但是，20次測量結果中，某品牌耳溫儀出現0.2℃偏差5次，0.1℃偏差11次，無偏差4次；測試耳溫儀出現0.2℃偏差2次，0.1℃偏差7次，無偏差11次。可見測試耳溫儀的測量溫度更接近口表。

5 分析和改進

本研究開發的耳溫測量儀具有如下優點：制作成本低，制作單個耳溫儀的成本在200元以下，相比價格在3000元左右的進口耳溫儀成本相差懸殊；從傳感器的技術參數看，測量性能好，精度較高；3AVR單片機屬于新一代單片機，程序執行采用流水結構，與51系列單片機比較運算速度快。本設計采用8 MHz晶振，單條指令執行周期為0.125 μs，而采用51系列單片機[10]，單周期指令的執行時間為1 μs。AVR單片機具有內部上點復位功能，而且引腳內置了上拉電阻，而51系列單片機需要設置外部復位電路，而且P0口需要接外部上拉電阻。AVR單片機具有TWI接口，只需設置3個內置的寄存器即可進行IIC通信，其中 JTAG接口的在線調試功能，使開發時間明顯縮短。考慮到實際使用情況，該系統采用紐扣電池供電，大大減少了儀器的體積和重量。系統專門對電源部分進行了改進，使得3～9 V的電源均適合該系統使用。但是，系統如果作為一款產品進行開發，外觀的設計也是相當重要的，本項目只進行了電路系統的開發，未進行外觀的設計。

[1]傅中君,侯雪亞.基于TS118-1的無接觸式人體體溫計的實現[J].江蘇技術師范學院學報,2007,(13):7-8.

[2]龐建瑩,施云波,修德斌,等.基于紅外傳感器的電器火災預警系統[J].儀表技術與傳感器,2010,(3):64-66.

[3]SEMITEC.10TP583T infrared thermometer datasheet[EB/OL](2003-10-15)[2004-01-21].http://www.sensor-ic.com.

[4]TEXAS INSTRUMENTS.TMP006 user guide datasheet[EB/OL](2010-09-12)[2011-05-06].http://www.ti.com.

[5]MELEXIS.MLX90615 infrared thermometer datasheet[EB/OL](2012-08-30)[2013-01-11].http://www.melexis.com.

[6]HOLTEK.HT1621/HT1621G RAM Mapping 32×4 LCD Controller for I/O MCU[EB/OL](2010-09-08)[2012-01-25].http://www.holtek.com.tw.

[7]詹位前.從MCS51向AVR的快速轉換[EB/OL].(2013-6-15)[2013-07-12].http://www.SL.com.cn.

[8]謝海源.基于數字式紅外熱電堆傳感器的耳溫儀設計[J].中國醫療器械雜志,2013,(5):336-339.

[9]AVR.具有16KB系統內可編程FLASH的8位AVR微控制器[EB/OL].(2006-02-16)[2013-07-12].http://www.atmel.com.

[10]宏晶科技.STC89C51RC/RD+系列單片機工作指南[EB/OL].(2005-02-16)[2013-07-12].http://www.MCU-Memory.com.