本文介紹了一種基于醫(yī)用數(shù)字紅外傳感器MLX90615 的紅外耳溫計設計。基于紅外測溫原理，耳溫計主要由數(shù)字紅外傳感器、低功耗CPU、液晶顯示屏和其他外圍電路組成。CPU 通過I2C 總線讀取MLX90615采集的紅外輻射信號，將其轉換為對應的人體耳腔溫度值并顯示在液晶屏上。實驗結果表示，該耳溫計分辨率達到了0.02℃，準確度達到了0.1℃，實現(xiàn)了耳溫的準確、快速測量。

紅外耳溫計的優(yōu)點

傳統(tǒng)體溫測量是使用水銀溫度計進行接觸式測量，具有性能穩(wěn)定、誤差小等優(yōu)點，但存在測量時間長、交叉?zhèn)魅?strong>風險大、玻璃破碎易引起汞中毒等缺點。據(jù)世強市場經(jīng)理余彪介紹，紅外耳溫計是通過紅外傳感器采集耳腔和鼓膜的紅外輻射并轉化為數(shù)字信號，主控CPU 單元將數(shù)字信號轉換為溫度值并顯示在液晶屏上。與水銀溫度計相比，紅外耳溫計具有高精度、高分辨率、測量速度快、操作簡便、安全舒適等優(yōu)點。

紅外耳溫計的基本原理

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。紅外耳溫計通過測量人體耳道和鼓膜的紅外輻射來測量人體溫度，其輻射能量密度與溫度的關系符合斯蒂芬-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，即可計算出它所發(fā)射的輻射功率。反之，如果測量出物體的輻射功率，即可確定物體的溫度。因此，應用紅外傳感器吸收紅外輻射的原理測量耳腔溫度的儀器，稱為紅外耳溫計。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，從而產生微弱電信號。根據(jù)式（1） 的原理， 紅外傳感器的輸出信號為：

Vir（Ta，To）=A（T4 o-T4 a） （2）

其中，A為總體的敏感度，和傳感器的結構設計有關；To為目標物體的熱力學溫度，單位為K，由紅外溫度傳感器測出；Ta為環(huán)境的熱力學溫度，單位為K，需要附加的傳感器測量目標物體的環(huán)境溫度。

硬件設計

紅外耳溫計依據(jù)紅外輻射原理進行體溫測量。世強介紹的這款設計，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，其設計框圖如圖1所示。當按鍵按下時，數(shù)字紅外傳感器將采集到的紅外輻射轉換成數(shù)字信號。主控CPU 采集的數(shù)字信號經(jīng)過運算后，在液晶屏顯示出耳腔溫度值，并伴隨蜂鳴器鳴叫。

圖1 紅外耳溫計設計框圖

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)轉換器和功能強大的DSP 單元等組成，其結構框圖如圖2所示。紅外熱電堆傳感器將采集到的紅外輻射轉化為電信號， 并經(jīng)過低噪聲放大器放大后送給模數(shù)轉換器。模數(shù)轉換器輸出的數(shù)字信號經(jīng)FIR/IIR 低通濾波器調理后送入數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器對數(shù)字信號運算處理后輸出測量結果并保存在MLX90615 內部RAM 中，可以通過SMBus或PWM方式供主控CPU 單元讀取。

圖2 MLX90615 的結構框圖

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

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， 廣泛應用于電機控制、醫(yī)療保健、手持設備等場合。EFM32G842F64具有64 KB 的片內Flash 程序存儲器、53 個通用I/O引腳、2 個12 位A/D 轉換器、3 個通用定時器等外設資源和USART、I2C、SPI等通信接口， 能夠滿足紅外耳溫計的設計要求。該設計中微控制器EFM32G842F64主要完成判斷按鍵輸入、紅外傳感器信號的采集與處理、驅動液晶屏顯示和蜂鳴器鳴叫等功能。

3、液晶顯示器

該設計顯示部分采用基于HD44780 液晶芯片的通用1602 字符型液晶屏， 它是指顯示的內容為16×2，即可以顯示兩行， 每行16 個字符和數(shù)字的液晶模塊。液晶顯示屏具有功耗低、體積小、對比度可調、內置字符發(fā)生器、易匹配處理器等優(yōu)點。

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。按鍵主要產生中斷信號， 使EFM32G842F64執(zhí)行紅外溫度檢測功能。蜂鳴器則提示用戶紅外溫度檢測結束。

軟件設計

1、程序設計

軟件設計采用模塊化程序設計，主要包括：初始化模塊、按鍵檢測模塊、紅外溫度檢測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位、通用I/O、中斷、定時器、I2C 等初始化設置。按鍵檢測模塊主要是檢測按鍵是否按下，從而觸發(fā)外部中斷并執(zhí)行紅外溫度檢測功能。紅外溫度檢測模塊主要是按照I2C 總線方式對數(shù)字紅外傳感器MLX90615 進行讀取操作， 并按預定的公式將數(shù)字信號轉換成耳腔溫度值。液晶顯示模塊主要是驅動液晶顯示器， 將耳腔溫度值顯示在液晶屏上，方便用戶讀取數(shù)據(jù)。當溫度值顯示在液晶屏上時，蜂鳴器鳴叫， 提示溫度測量工作結束。

???????????????????????

圖3 程序流程圖

圖4 紅外溫度檢測模塊程序流程圖

2、紅外溫度檢測模塊

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

To=RAM（07h）0.02-273.15 （3）

由于突發(fā)性流行疾病時常爆發(fā)，傳統(tǒng)的體溫測量方式已經(jīng)不能滿足人體溫度的測量要求。我們設計的紅外耳溫計采用低功耗的ARM 處理器和高精度的數(shù)字紅外傳感器，簡化了硬件和軟件設計任務，提高了設計的分辨率和精確度，在臨床護理、家庭保健等方面具有廣泛的應用前景。實驗表明，該設計的分辨率達到了0.02℃，精確度達到了0.1℃，實現(xiàn)了快速、準確測量人體耳腔溫度的目的。