摘 要： 介绍关于非接触式人体体温计的软硬件设计，主要应用于医疗测温、公共卫生以及家庭保健等方面。该体温计以单片机为核心，TPS434作为敏感探测元件，可实现人体体温的精确测量。体温计额外增加测距模块和语音播报模块，更加人性化且易普及。
关键词： 单片机；传感器；医疗测温；人性化
体温的测量是实际生活中经常遇到的情况，但传统的体温计(也就是水银体温计)却有着很多的不足之处：测温时间长,读取不便捷，易破损而造成被测者受伤甚至中毒。近几年来，非接触式电子体温计逐渐发展起来，越来越多地应用在各个行业，如体温测量、冶金以及玻璃制造等。相对于传统水银体温计而言，非接触式电子体温计具有快速、无需接触被测者、无汞害、方便携带等优点。
与当今现有的非接触式电子体温计相比，本文设计的体温计有以下特点：(1)增加测距模块方便使用者精确控制测温距离; (2)自动播报体温,使其更加人性化、易普及;(3)自动统计人数。
1 探测参数
温度是本系统的重要探测参数。温度传感器可接收人体发出的远红外线，所得数据再经过电路转化以及算法运算最终得到被测者的体温。由于环境中存在各种波长的红外线，本系统在传感器探测口又增加了菲涅耳透镜，减少了其他红外波段的干扰，从而使所测得的值更加精确。
2 系统硬件设计
图1所示是本系统的硬件流程图[1]，该系统主要包括4个模块：信号采集模块、信号处理模块、控制处理模块和人机通道。
2.1信号采集模块
微小的采集误差都可能造成测得温度的大幅度变化，所以本系统采用高精度的温度传感器TPS434作为采集元器件。TPS434是一款红外热电堆温度传感器[2]，它具有较好的重复性和较高的灵敏度，适合测温仪使用。TPS434内部结构如图2所示。
TPS434由热电堆和热敏电阻组成，热电堆是由两个或多个热电偶串接组成，各热电偶输出的热电势是互相叠加的。当测量物体温度时，热端与被测物体接触，冷端与测量仪表接触，由此便会产生电动势。红外热电堆温度传感器中的热敏电阻是一个负温度系数的热敏电阻，它的阻值随温度的上升而下降。热敏电阻的作用是测量环境温度，由于热电堆输出的电动势是反映热电偶冷热两端的温度差(即被测物体与热电堆冷端的温度差)，而不是反映被测物体的真实温度。因此，还需要利用热敏电阻测出热电堆冷端温度，两者相加才能得到真实的体温。
2.2 信号处理模块
图3为信号处理模块的流程原理图，前后分别经过前置放大电路、滤波电路、后置放大电路，将信号处理得到规则的信号后，经A/D转换电路得到适合处理的数字信号。
2.2.1前置放大电路
由于红外温度传感器TPS434输出的电动势非常微小，因此需要放大器将其放大以便测量。在本系统中采用AD620做前置放大电路的核心芯片。AD620是一款单芯片仪表放大器，采用经典的三运放改进设计。它具有低功耗、低成本、高精度等优点，而且它只需改变电阻值便可实现1~1 000的增益，适合前置放大使用。本设计中R1=1 k?赘，增益为Au=+1，实际放大约50.4倍,满足信号初级放大的要求。图4为电路的具体原理图。
2.2.2 高通滤波电路
高通滤波器是用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号的滤波器，其通过截止频率来固定通过信号的频率。图5所示为二阶有源高通滤波器滤波电路[3],其中电阻RP为调零电阻，高通滤波电路的通带增益为Au=1+，图中R1=R2=1 k?赘，故增益为2。截止频率f，图中R=31.8 k?赘，C=10 ?滋F，即截止频率取0.5 Hz。
2.2.3 低通滤波电路
将图5所示的高通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源低通滤波器。低通滤波器用来通过低频信号,衰减或抑制高频信号。图6为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应与低通滤波器是“镜象”关系。图中电阻RP为调零电阻，滤波电路的通带增益为，图中R1=R2=1 k?赘。截止频率，图中R=4.82 k?赘，C=0.33 ?滋F，即截止频率取100 Hz。
2.2.4 后置放大电路
经过前置放大后，TPS434输出的微弱信号大约被放大了50倍，因此需要用后级放大电路将其信号控制在0~5 V之间，以便A/D转换器处理。在后级放大电路中，采用了双极性运算放大器OP07，增益为，同时采用了两级放大，第一级放大6倍，第二级放大10倍，共放大60倍。图7为其电路的具体原理图。
2.2.5 50 Hz陷波电路
典型的陷波滤波器可以在双T网络后加一级同相比例运算电路构成。图8所示为带阻滤波器(陷波滤波器)电路，即在规定的频带内，信号不能通过(或受到很大衰减或抑制)，而在其余频率范围，信号则能顺利通过，通过截止频率来固定通过信号的频率。电路中电阻RP为调零电阻，滤波电路的通带增益为，图中R1=1 k?赘，R2=0.8 k?赘增益为1.8。中心频率， 图中R=6.77 k?赘，C=0.47 ?滋F， 即中心频率取50 Hz。由带阻宽度B=2f0×(2-Au)可知，带宽为20 Hz。
2.2.6 A/D转换电路
经过放大电路后，信号已经被控制在0~5 V之间，将其与A/D转换电路相连，便可将模拟信号转换为数字信号以便单片机处理。在A/D转换电路中，采用高速串行模/数转换器AD7888，图9为AD7888与单片机接口设计[4]的基本电路图。
AT89C52单片机与AD7888配套使用时，需要设置地址、数据及控制信号。如图9所示，用其中的一个I/O端口产生数据转换的串行时钟，一个I/O端口写入控制字，一个I/O端口控制片选信号，最后用一个I/O端口接收数字信号数据。
2.3 控制处理模块
控制处理模块包括单片机最小系统和键盘接口电路。
本系统采用的单片机型号是AT89C52[5]。AT89C52是一个低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8 KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 B的随机存取数据存储器(RAM)，在电子行业中有着广泛的应用。图10为AT89C52单片机的最小系统图。
本系统采用行列式键盘，键盘接口电路行列式键盘(矩阵式键盘)用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上，使用这种键盘大大减少了I/O口线。行列式键盘中行线通过上拉电阻接到+5 V电源上。无按键按下时，行线均处于高电平；而当有按键按下，行线电平将由此行上相连的列线决定，这一点是识别行列式键盘的关键。根据本系统各功能的需要，采用了行列式键盘，如图11所示。方向键1~4用于在设置界面选择设置项目；测温键按下后进入测温界面进行测温；设置键按下后进入设置界面进行设置；OK键具有确认功能，按下后返回初始界面。
2.4人机通道
本系统中的人机通道可以分为3个模块：语音播报模块、OLED液晶显示模块、超声测距模块。
2.4.1语音播报模块
语音播报模块采用芯片ISD4003作为核心芯片。ISD4003是美国ISD公司继ISD33000系列之后的最新产品,它采用了多电平直接模拟量存储技术， 不需要经过A/D或者D/A转换，将每个采样值直接存储在片内的快闪存储器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声。芯片ISD4003、音频功放芯片LM386以及扬声器三者组合即可实现语音的播放。
2.4.2 OLED液晶显示模块
为了更直观地显示内容信息，本系统采用OLED液晶屏做为人机通道的交互平台。相比其他液晶屏，其具有亮度高、显示精度高、功耗低等优点。同时，OLED的超小体积及超强兼容也十分满足本系统的要求。根据本系统的要求，OLED液晶须显示以下内容：被测者温度、环境温度、温度单位、测温距离、测量人数以及电量。
2.4.3 超声测距模块
本系统采用集成超声波模块HC-SR04实现测距。本模块性能稳定，测度距离精确，高精度，盲区小。该模块感应角度不大于15°，探测距离为2 cm~450 cm，完全适合本系统的使用，同时精度高达0.2 cm，大大减小了误差。模块只有4个接线口：VCC、trig(控制端)、echo(接收端)、GND，接线方式简单，便于软件编写和调试。
3 系统软件设计
本系统将温度传感器发出的信号处理后经过软件判断，可自动实现液晶显示、语音提醒，同时也可人为控制来实现各种人机交互的功能。图12为软件流程图。
人体体温测量在日常生活中非常普遍。随着科技的进步，测量方法越来越先进，从原来的水银体温计到现在的电子体温计，从之前的接触式到目前的非接触式，使用越来越便捷。本系统所设计的非接触式人体体温计使用高精度的传感器、放大器及A/D转换器等硬件，使得测量速度大大提升。本系统经过扩展，可以扩大测温范围，低高温物体都可以测，不仅适合医院、公共场所、家庭等测体温，也适合工厂冶金、玻璃制作等行业的测温，将大大提高普及率。
参考文献
[1] 张希影.基于74LS595驱动的温度显示器设计[J].微型机与应用,2013,32(23):83-85,89.
[2] 陈安宇.医用传感器[M].北京：科学出版社,2008.
[3] 陈光建,何华平，曾惠彬.心电信号放大滤波电路的研究与设计[J].2009,22(4):107-109.
[4] 马立国.AD7888与AT89C51单片机接口应用技术[J].集成电路通讯,2007,25(2):32-36.
[5] 张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社,2010.