基于AVR单片机的数字式耳温测量仪的设计

钱明理，谢海源

上海交通大学医学院附属新华医院资产管理部，上海 200092

0 前言

随着医院的发展，含汞医疗设备逐步被淘汰，水银体温计也在被淘汰之列。根据我院2012年的测量仪器采购情况，数字式耳温测量仪的采购数量在短时间内有一个爆发式的增长。然而目前市场上拥有医疗器械注册证的耳温测量仪产品只有1种，且价格在3000元以上，而充斥市场的低价耳温测量仪大多为民用产品，测试准确度和稳定性较难保证，用于医疗诊断存在一定的风险。

经初步调研，耳温测量仪在临床上有较大的需求，特别是在儿科的应用具有一定的优势。因此，医院自行开发一套耳温测量仪，存在一定的可行性。根据调研结果，耳温测量仪的实际制造成本应该在200～300元左右。为此，我们设计开发了1款基于AVR单片机和医用级数字式红外热电堆传感器MLX90615的电子耳温测量仪（简称测试耳温仪）。

1 主要开发器件的选择

MLX90615医用及数字式红外热电堆传感器是一种非接触式传感器，通过赛贝克效应来探测热辐射[1]，电压与温度的函数关系式为[2]：

式(1)中，U0为输出电压，电压单位为mV；T0和Ta分别为被测物体温度和背景温度，温度单位为K；ε为被测物体发射率；C为与传感器结构有关的系数。

早期的耳温测量仪一般采用传统的模拟传感器，典型的型号有10TP583T、TS118-3、ZTP135S-R等。模拟传感器设计较为复杂，而且稳定性较难控制[3]。近年来逐渐有直接数字式的红外热电堆传感器推出，如TI公司的温度传感器，最高精度为1℃[4]，可用于感知热源，用于医学诊断则达不到要求；MELEXIS公司的传感器在36～39℃范围内，精度达到了0.1℃，分辨率为0.02℃，而且专门设计了医用级传感器MLX90615-DAA[5]。其内部结构，见图1。

图1 MLX90615-DAA内部结构图

目前常用的单片机有51系列、AVR系列、PIC系列和ARM单片机等。而MLX90615-DAA传感器采用IIC总线协议进行数据传输，51系列单片机不具备专门的IIC功能，用软件实现较复杂，且占用较多运行资源；采用ARM单片机也过于浪费资源。综合考虑，本研究采用AVR单片机进行开发，型号是较常用的Atmega16系列[6-8]。

2 硬件电路设计。

温度传感器采用3.3 V供电，因此硬件电路按此电压设计。单片机Atmega16L的工作电压为2.7～5.5 V，为保证输入电压的稳定，硬件设计增加了ASM1117-3.3三端稳压芯片，对于常用的纽扣电池3、6、9 V均能使用；电源设计增加了防反接功能，起到对元器件保护作用。传感器输出为两线协议，电路连接，见图2。

图2 电路连接

图2 中，SDA为数据线、SCL为时钟线，Atmega16为主机，传感器MLX90615-DAA为从机。SDA和SCL分别连接PC1和PC0引脚，实际设计需增加上拉电阻，这里使用了300 kΩ弱上拉电阻，否则传感器不能输出高电平。显示采用4位段码液晶显示，偏压1/3 V，由HT1621驱动芯片进行驱动。HT1621以32×4位的格式储存所显示的数据，适用于多种LCD应用场合。耳温测量采用中断方式进行触发，由INT0口完成。

系统通过蜂鸣器提示测试完成的信号，并具有正常和高温报警功能，分别用红色和绿色LED进行显示。硬件电路采用Altium Designer 9.0进行设计，电路硬件连接示意图，见图3。

图3 硬件连接示意图

3 系统软件设计。

软件采用WinAVR进行程序设计、GCC编译器编译。软件设计主要分为3个部分：① 数据的测量和计算；② 测量结果显示；③ 空闲状态下掉电模式和唤醒模式提示。程序执行流程图，见图4。

图4 程序执行流程

笔者前一版本的设计采用51系列单片机实现，需要模拟IIC总线进行通信，程序设计非常复杂，而且调试困难。而采用AVR单片机设计，程序相对要简单很多，而且JTAG接口具有在线调试功能，使用非常方便。AVR单片机具有TWI两线串行接口；TWBR（比特率寄存器），用于存放发送和接收的数据，数据长度为8bit；TWCR（控制寄存器）用于单片机引脚第二功能使能中断控制设置；TWSR（状态寄存器），主要用于产生波特率，程序设置为9600波特率，晶振采用7.3728 MHz。通过寄存器设置可直接进行IIC通信。IIC协议读操作示意图，见图5。

图5 IIC协议的读操作

图中S位为起始位，SDA拉低，总线处于占用状态，Slave Address为7位从机地址（这里的从机为传感器），Wr为写操作标识，A为应答位，Command为写8位命令（这里是写入读取温度命令）。IIC总线的读写转换需要重新进行设备握手；PEC为校验码。图中白色部分为主机向从机发送数据状态，灰色部分为从机向主机发送数据状态。

单片机从传感器RAM中的0x7h地址中读取温度值，再通过转换公式直接计算目标体温度。一般情况下，单片机只需要进行读操作即可。

4 系统测试。

4.1 稳定性测试

采用某品牌耳温度仪测和试耳温仪分别对20人测试，其中体温正常5人，发烧15人。对同一测试样本间隔30 s重复测量5次，对测试数据进行比较，见图6。

图6 稳定性测试数据比较直方图

图中条状高度代表方差，方差值越大，稳定性越差。浅色代表某品牌耳温度仪的测量方差，深色代表测试耳温仪的方差。可见，测试耳温仪的方差优于某品牌耳温仪，且温度稳定性在±0.1℃以内，与传感器的技术参数相符。

4.2 准确性测试

对测试耳温仪的测试结果与口腔温度计（假设为标准仪器）和国外某品牌医用耳温测量仪测量结果进行比较，重复测量20次，结果见表1。

表1 两种耳温测试仪与口腔温度计测试误差比较（温度单位℃）

从测试情况看，某品牌耳温仪与测试耳温仪的最大偏差都为0.2℃，但是，20次测量结果中，某品牌耳温仪出现0.2℃偏差5次，0.1℃偏差11次，无偏差4次；测试耳温仪出现0.2℃偏差2次，0.1℃偏差7次，无偏差11次。可见测试耳温仪的测量温度更接近口表。

5 分析和改进

本研究开发的耳温测量仪具有如下优点：制作成本低，制作单个耳温仪的成本在200元以下，相比价格在3000元左右的进口耳温仪成本相差悬殊；从传感器的技术参数看，测量性能好，精度较高；3AVR单片机属于新一代单片机，程序执行采用流水结构，与51系列单片机比较运算速度快。本设计采用8 MHz晶振，单条指令执行周期为0.125 μs，而采用51系列单片机[10]，单周期指令的执行时间为1 μs。AVR单片机具有内部上点复位功能，而且引脚内置了上拉电阻，而51系列单片机需要设置外部复位电路，而且P0口需要接外部上拉电阻。AVR单片机具有TWI接口，只需设置3个内置的寄存器即可进行IIC通信，其中 JTAG接口的在线调试功能，使开发时间明显缩短。考虑到实际使用情况，该系统采用纽扣电池供电，大大减少了仪器的体积和重量。系统专门对电源部分进行了改进，使得3～9 V的电源均适合该系统使用。但是，系统如果作为一款产品进行开发，外观的设计也是相当重要的，本项目只进行了电路系统的开发，未进行外观的设计。

[1]傅中君,侯雪亚.基于TS118-1的无接触式人体体温计的实现[J].江苏技术师范学院学报,2007,(13):7-8.

[2]庞建莹,施云波,修德斌,等.基于红外传感器的电器火灾预警系统[J].仪表技术与传感器,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.从MCS51向AVR的快速转换[EB/OL].(2013-6-15)[2013-07-12].http://www.SL.com.cn.

[8]谢海源.基于数字式红外热电堆传感器的耳温仪设计[J].中国医疗器械杂志,2013,(5):336-339.

[9]AVR.具有16KB系统内可编程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+系列单片机工作指南[EB/OL].(2005-02-16)[2013-07-12].http://www.MCU-Memory.com.