医用体温监测系统.docx

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医用体温监测系统

摘　要

本人设计了一种医用体温监测系统，该系统通过以单片机AT89C51为核心的前端体温测量装置实时采集病人的体温，然后通过RS485将体温传送到病区PC机，实现对每个病人体温数据的自动或手动选择采集、处理、实时显示和对温度报表的查询、打印等。

体温测量装置采用温度传感器ds18b20，然后将数值传送到单片机AT89C51,通过单片机AT89C51完成数据采集和处理，最后经数码管显示所测的温度值。

在该系统中单片机对温度传感器进行控制和数据传输，借助串行通信实现了人机交互控制，系统控制方便，工作稳定，能实现可靠的数据传输。

关键词：

体温；RS485；AT89C51；ds18b20

TheResearchofMonitoringSystemforBodyTemperatureofMedicalUse

Abstract：

Themonitoringsystemforbodytemperatureofmedicaluseisdesignedandrealizedinthispaper.Patients′bodytemperatureisgatheredinrealtimebyameasuringdevicewhosekernelisAT89C51,andistransmittedtoPCbyRS485.

Thesoftwarecansetupthesystemparameter,canrecollect,process,recordthedataofbodytemperature,andcaninquire,printthetemperaturereportforms,itisthecommandcenterofthewholesystem.

Thistext,tothelittlecontrollerAT89C51,integratedtemperaturesensords18b20,andhasdescribedtheoperationprincipleofeachpartandplanofdesignofsystememphatically.

Weusesinglechipmicrocomputertocontrolthetemperaturesensorandcommunicatethedata,thus,man-machineconversationcomesintotrueinvirtueofserialcommunication.Therunningofsystemshowsthatitiseasytocontrolanditworksstablytoperformreliabledatatransmission.

Keywords:

bodytemperature；RS485；AT89C51；ds18b20;

3．2．1AT89C51结构原理及外围扩展MAX721919

第一章绪论

1.1系统背景

随着现代医学的开展和医院管理现代化的强烈要求，ICU是英文IntensiveCareUnit的缩写，意为重症加强护理病房。

重症医学监护是随着医疗护理专业的开展、新型医疗设备的诞生和医院管理体制的改良而出现的一种集现代化医疗护理技术为一体的医疗组织管理形式。

重症监护病房是利用各种各样的现代化设备及先进的治疗手段，如呼吸机、监护仪、输液泵、起搏器、冰毯、胃肠道外营养等治疗手段，对各种各样的危重病人，特别是对那些死亡迫在眉睫的病人进行非常密切的观察并用特殊的生命支持手段，以提高这些病人存活时机的一个特殊治疗护理病区。

ICU是危重病人进行抢救和严密监测的场所，要求病房环境合理、简洁、方便、利于观察和抢救。

体温是进行生命体征监测的重要指标之一，体温监测系统也是重症监护病房所必备的。

我们过去常用的体温检测仪器是水银体温计，这种温度计易碎，读数比拟难，而且误差比拟大，不符合ICU病房快速、准确的诊断要求。

基于上述原因，本人设计了医用体温监测系统，它能同时对人体多个点的温度进行检测，测量结果运用数码管实时显示，而且能够根据医生的需求，将测量的结果传送到计算机中进行储存、打印以及形成温度报表等。

除此之外，本系统不测体温时采集病房的温度，而且具有超限报警的功能，大大减轻了医护人员的工作负担，提高了工作效率，而且更准确的检测人体的温度，有效的完成ICU的体温检测工作。

本论文采用的是接触式的温度采集系统，传感器具有体积小，导热快，对温度场的干扰小的特点。

医用人体多点温度采集系统的仪器结构简单，使用灵活方便。

系统概述

本设计运用主从分布式思想，由一台上位机〔PC微型计算机〕和下位机〔单片机〕组成两级分布式多点温度测量系统。

该系统采用RS-485串行通讯标准，下位机〔单片机〕进行现场温度采集，然后将测得的温度值传给上位机。

温度值既可以送回主控PC机进行数据处理，显示器显示，也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值。

下位机是单片机基于集成温度传感器ds18b20的测温系统。

ds18b20可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，非常适用于医院病人的体温测量。

技术参数

1、测量的温度范围：

20℃——50℃；

2、系统检测的分辨率：

±℃；

第二章系统方案确定

系统整体方案论证

温度是一个十分重要的热工参量。

从微观上说，它反映物体分子运动平均动能的大小，而宏观上那么表示物体的冷热程度。

在各种热工实验中几乎都离不开温度，所以，温度测量是最重要的热工测量。

各种测温方法大都是利用物体的某些物理化学性质〔如物体的膨胀率、包阻率、热电势、辐射强度和颜色等）与温度具有—定关系的原理。

当温度不同时，上述各参量中的—个或几个随之发生变化，测出这些参量的变化，就可间接地知道被测物体的温度。

测温方法可分为接触式与非接触式两大类。

用接触式方法测温时，感温元件需要与被测介质直接接触，液体膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等均属于此类。

当用光学测温计、辐射测温汁、红外探测器测温时，感温元件不必与被测介质相接触，故称为非接触式测温方法。

方案一：

采用非接触式测温的方法

非接触式温度计主要分为全辐射温度计和红外温度计，下面我们来介绍一下这两种温度计的原理以及优缺点。

☆全辐射温度计

全辐射温度计由辐射感温器、显示仪表及辅助装置构成。

被测物体的热辐射能量，经物镜聚集在热电堆（由一组微细的热电偶串联而成〕上并转换成热电势输出，其值与被测物体的外表温度成正比，用显示仪表进行指示记录。

补偿光栏由双金属片控制，当环境温度变化时，光栏相应调节照射在热电堆上的热辐射能量，以补偿因温度变化影响热电势数值而引起的误差。

☆红外测温法

任何有一定温度的物体，都会以电磁波的形式向外界辐射能量。

所辐射能量的大小，直接与该物体的温度有关，具体地说是与该物体热力学温度的4次方成正比，利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度仪表。

这种测量不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测量。

红外温度仪表可用于很宽温度范围的测温，从－50℃直至高于3000℃。

在不同的温度范围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温〔0℃-100℃〕范围，能量主要集中在中红外和远红外波长。

用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪表，其具体的设计也不同。

下面我们来总结一下非接触式测温法的优缺点：

其优点是：

●与被测对象不接触，在测体温时不会造成不必要的感染；

●快速，通常测量时间小于1s，一般不会超过2s；

因此十分适合于在SARS预防检测中应用。

其缺点是：

●℃；

●测量结果受许多因素影响，重要的是被测对象辐射率的不确定性，不容易测出被测对象的真实温度；

●仪表本身比拟复杂，使用也比接触式医用温度计复杂，使用者要经一定培训才能正确使用；

●价格较高；

方案二：

采用接触式测温的方法

传统的接触式体温测量是用医用玻璃液体温度计〔俗称体温表〕、医用电子接触式温度计〔常用热敏电阻作为它的感温元件〕等插入人体内部〔舌下、直肠〕或置于腋下，通过接触使温度计的温度等于被测处的温度。

下面我们对两种测温方法做出了比拟：

表2-1接触式与非接触式测温方法比拟

接触式

非接触式

必要条件

感温元件必须与被测物体相接触

感温元件能接收到物体的辐射能

特点

不适宜热容量小的物体温度测量；不适宜动态温度测量；便于多点，集中测量和自动控制。

被测物体温度不变；适宜动态温度测量；适宜外表温度测量。

测量范围

适宜1000℃以下的温度测量

适宜高温测量

测温精度

测量范围的1%左右

一般在10℃左右

滞后

较大

较小

该系统主要用于住院人员的体温测量，医院本身具有良好的消毒系统，能够及时有效的防止病人之间以及医护人员和病人之间的交叉感染，另外，非接触式测温法受许多环境因素的影响，不易测出被测对象的实际温度，因此，本系统中采用接触式测温的方法。

方案概述

本系统主要应用于ICU重症监护病房，医生需要及时了解病人当前的体温，以便做出准确及时的诊断。

基于ICU病房的特点，本系统采用了上位机和单片机电子体温计构成的分布式的测量系统。

在一个楼层上设置一个上位机，上位机上连接多个单片机电子体温计，电子体温计的温度检测模块又连接人体的多个部位，这样有利于ICU的医护人员对体温做全面的分析，提高医护人员的工作效率和检测的准确性。

温度检测系统中我们采用集成温度传感器ds18b20检测人体的多点温度，然后将处理好的输入量传给单片机控制器，由数码显示管显示当前温度，显示电路局部我们采用键盘控制，实现单通道显示和多通道循环显示。

在电路中我们还设置了报警系统，当人体的温度或病房的温度过高或过低时将产生蜂鸣报警，给医护人员减轻工作负担。

上位机的通信系统中我们采用RS-485的串行通信接口，完成了上位机对整个检测系统的控制。

数据可利用上位机的强大功能进行存储，打印，报表生成等。

这样就形成了一个完整的医用人体温度检测系统。

系统的整体结构框图如下所示：

图2-1医用体温监测系统整体框图

重症监护病房的体温检测与普通的病房不相同，病人大多是患有严重疾病的，由于病人病情的特殊性，要求本系统同时检测人体的多点温度，以便医护人员全面正确的了解病人的身体状况。

医用体温测量系统根据人体不同部位的温度特性和适合不同病人的需要，选择了以下八个温度检测点：

一、腋窝测温法：

由于腋窝测温平安、方便且患者易于接受，故目前是临床上最常使用的测温部位。

其最大优点是简单，能连续测温。

缺点是测温时间较长，准确性不高。

腋窝的正常值为36℃℃。

二、口腔测温法：

该方法在世界大多数国家仍然使用，电子体温计经强力消毒后，根本可以防止交叉感染。

其优点是操作容易，无痛苦，测温值受外界影响较小，舌下温度比中枢温度和深部组织温度略低，其差异临床可忽略不计。

三、颈下测温法：

使新生儿取侧卧或仰卧位，将电子体温计横放于新生儿颈下皮肤皱褶处，测温3min即可。

该法适用于1岁以内较胖的患儿，因其颈部短而皮肤皱褶多，能将体温表夹紧，而较瘦患儿或年龄较大的患儿颈部相对长，其颈部皮肤不能将体温表夹紧，会影响测量结果。

四、肘窝测温法：

将电子体温计置于患者肘窝部，上臂内收且前臂向上弯曲（手指可搭在肩部）夹紧体温计10min即可。

因在夏季时，腋窝多汗液，而肘窝汗液蒸发快，测温时不需擦汗，因此，在炎热季节特殊情况下可以以肘窝温度代替腋窝温度。

五、背部肩胛间测温法：

背部肩胛间血管由腋动脉的主要分支组成，血管较丰富，且新生儿产热主要依靠棕色脂肪分解发挥作用，而棕色脂肪分布在大血管周围、肩胛间区、腋窝和颈部等处形成中心保暖系统。

实验证明新生儿背部肩胛间测温10min能较准确地反映新生儿体温。

六、腹股沟测温法：

将电子体温计放于腹股沟中与内交界处（即股动脉搏动处）进行腹股沟测温，3岁以下婴幼儿采用测腹股沟温度代替测腋温的方法是完全可行的。

腹股沟测温法也适于其他部位大面积烧伤患者。

七、腹部测温法：

将电子体温计置于脐左旁3cm处，以内裤松紧带压迫固定，置密闭状态，测量10min，这种方法适用于各年龄组，特别适用于不便测量腋窝及口腔温度者，如昏迷、老人、极度消瘦、腋窝空虚者和小儿。

八、鼻腔测温：

将电子体温计涂上薄薄的油脂轻轻插入鼻腔，直到和鼻腔内壁接触。

该部位温度可间接反映中枢温度，因受呼吸影响，不如口腔测温准确。

主要用于全麻手术时的监护，但缺氧的病人不能用。

综上所述，我们选用了腋窝、口腔、颈下、肘窝、背部肩胛、腹股沟、腹部、鼻腔，八个检测点，采用八个通道分时输入，单通道显示和多通道循环显示的方式。

传感器是信号输入通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。

由于传感器技术的开展非常迅速，各种各样的传感器应运而生，要选择适宜的传感器，首先要明确传感器的性能指标，这样就可以把同类产品的指标和价格进行比照，从中挑选符合要求的性价比最高的传感器。

传感器的主要性能指标有：

●具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围〔变化幅度范围，变化频率范围〕相一致。

●转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标〔一般应优于系统精度的十倍左右〕，转换速度应符合整机要求

●能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗震、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。

●能满足用户对可靠性和可维护性的要求。

介于正确选择传感器的依据，我们先简单了解一下常用的测温传感器的种类以及测温原理：

一、传统的分立式温度传感器〔含敏感元件〕

⑴、热电偶温度传感器

热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从—50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到—269℃，钨——铼最高可达2800℃。

热电偶的工作原理是基于物体的热电效应，热电偶的两个电极材料不同且两个接触点的温度也不同时，会产生热电势，这样热电偶就能进行温度测量。

热电偶的优缺点如下所示：

其优点是：

●信号灵敏度高、易于连续测量；

●可以远传〔与热电阻相比〕，无需参比温度；

●金属热电偶稳定性高、互换性好；

●准确度高，可以用作基准仪表；

其缺点是：

●需要电源鼓励；

●有〔会影响测量精度〕自热现象以及测量温度不能太高。

结论：

●热电偶是一种受温度影响很大的电器元件，当有电流流过电阻时，热电偶本身会产生热量，使阻值发生变化，即所谓的自热现象。

因此，假设长时间的工作，热电偶的精确度必然会受到影响。

●热电偶需要外部电源的鼓励。

这种电源通常还要加上滤波、去扰等外围设备，这样无形之中就增加了本钱，而且设计起来也很复杂。

由以上两条结论得出：

热电偶这种温度传感器并不适合本设计对温度传感器的选择要求。

⑵、热电阻温度传感器

热电阻温度计被广泛地用于低温及中温〔-200～500℃〕的温度测量，随着科技的开展，目前应用范围已扩展到1～5K的超低温领域。

同时，在1000～1200℃的高温范围内，也具有较好特性。

纯金属有正的温度系数，温度每升高1℃,电阻约增加0.4～0.6%，而半导体电阻率却随温度升高而减少，即有负的电阻温度系数，在20℃时，温度每变化1℃，电阻率却要变化约-2%～-6%。

它们都可用来制造热电阻或热敏电阻。

☆金属电阻温度计

对于绝大多数金属，电阻随温度升高而增大的特性方程为:

〔2.1〕

式中：

Rt,Rt0分别为热电阻在t℃和t0℃时的电阻值；

a1,a2,......,an为热电阻的温度系数〔1/℃〕；

温度系数ai在一定的温度范围内，可以近似认为为一个常数，不同的金属导体，ai取值的范围不同。

☆半导体热敏电阻

由于半导体热敏电阻比金属热电阻具有更高的电阻温度系数，所以它有较高的灵敏度。

同时，具有较好的动态特性。

半导体热敏电阻包括正温度系数〔PTC〕、负温度系数〔NTC〕、临界温度系数〔CTR〕热敏电阻等几类。

下面主要介绍NTC型热敏电阻的温度特性：

热敏电阻的温度特性

热敏电阻伏—安特性

热敏电阻安—时特性

图2-2热敏电阻的温度特性曲线

根据上述特性，我们总结出热敏电阻传感器的优缺点如下：

其优点是：

●电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10—100倍；

●结构简单，体积小，可以测量点温度；

●电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；

其缺点是：

●阻值与温度变化呈非线性状态；

●多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降；

●稳定性和互换性较差；

●ºC的温度信号；

结论：

●热敏电阻的阻值与温度变化呈非线性性。

在传感器的使用过程中，线性度是一个很重要的技术指标。

对于非线性的输入输出关系，需采用过零旋转拟合、零点拟合、端点连线平移、最小二乘法等直线拟合方法进行直线化，相比于线性输出的温度传感器，这就无疑增加了处理的难度和复杂性。

因此最好防止采用，以使数据处理局部简化。

●因为人体温度处于35℃——40℃的范围内，而热敏电阻经高温烧结，它可满足40ºC——90ºC的测量范围，不能到达所要求的测量范围，所以也不宜选用。

●ºC的温度信号，可见，热敏电阻的分辨率是很低的，不适合对人体温度的精确测量。

因此，由以上三条结论得出：

热敏电阻这种温度传感器并不适合本设计对温度传感器的选择要求。

二、集成温度传感器/控制器。

集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：

〔2.2〕

式中，K—波尔兹常数，q—电子电荷绝对值。

集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。

集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。

电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。

电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。

常见的集成温度传感器是ds18b20，DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820后最新推出的一种改良型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。

。

可以分别在和750ms内完成9位和12位的数字量，而且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线〔单线接口〕读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改良，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

由以上可以看出，集成温度传感器具有测量误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点，所以本系统采用ds18b20集成温度传感器。

在微机化测控系统中，通常把CPU及与其相连的存储器和接口电路统称为主机电路，主机电路是微机化测控系统的核心。

目前微机化测控系统采用的主机主要有PC机和单片机两种。

体温测量系统主要用于病人体温的测量，重点在于减少医护人员的负担，而且系统要轻便，价格廉价。

基于以上因素，本设计系统的下位机采用单片机。

而上位机主要用于医护人员储存温度资料，绘制曲线，需要较大的存储空间的数据处理能力，所以上位机选择PC机。

单片机是指在一块芯片上集成了计算机的根本部件，包括中央处理器、存储器、输入/输出接口、计数器/定时器以及其他有关部件。

一块芯片就构成了一台计算机。

单片机一般具有以下特点：

●可靠性高：

芯片本身是按照工业测控环境要求设计的，其工业抗干扰能一般优于普通的CPU，而且程序指令、系统常数均固化在ROM中，不易破坏，硬件集成度高，使系统可靠性大大提高。

●易扩展：

单片机内具有计算机正常工作所必需的部件，芯片外部有许多供扩展用的总线及并行、串行引脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。

●控制功能强：

为满足工业控制需要，单片机的指令系统均有极为丰富的条件分支转移指令、I/O端口的逻辑操作以及位处理功能。

●体积小：

由于单片机的高集成度，使得整个电路系统的体积有可能大幅度减小，并可以形成便携式仪器，携带和使用非常方便。

●开发周期短、本钱低。

正因为如此，目前常见的微机化测控系统，特别是小型测控系统和便携式测控仪器大多数采用单片机。

单片机的种类繁多，性能各异，目前8位机是单片机的主流机型。

目前我国国内使用的单片机是Intel公司生产的MCS-51系列。

目前使用的单片机主要类型有8031、87C51和AT89C51。

8031内部包括一个八位的CPU，128B的数据存储器，21个特殊功能存放器，4个八位的I/O口、一个全双工串行口，以及2个16位的定时器/计数器，但是8031的内部没有程序存储器，需要外扩，这样它的外围电路比拟复杂。

87C51片内带EPROM，它的管脚和MCS-51单片机相容，但是它的价格比同类的产品高。

AT89C51是一个低功耗，高性能的含有4KB闪烁存储器的8位CMOS单片机，时钟频率高达20MHZ，它与MCS-51的指令系统和引脚完全兼容。

闪烁存储器允许电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。

此外，89C51还支持由软件选择的2种掉电工作方式，非常适用于低功耗的场合。

而且它的价格比拟低，因此本系统中采用AT89C51作为下位机。

第三章系统硬件设计

医用人体温度检测系统中我们采用的传感器为ds18b20，是一个单总线数字输出型的传感器，下面我们来看看ds18b20的结构特点。

3．1．1ds18b20的测温原理与结构

单总线原理

　　单总线（1-wire）技术是Dallas公司的一项专有技术,它采用单根数据线作为总线,把数据、地址和控制三总线合在一起,并通过总线分时的方式与各单总线器件交互信息。

为了区分总线上的不同单总线器件,每个器件在出厂时都有一个与其它器件互不重复的固定的序列号,通过访问序列号,任何单总线器件都可被唯一地选出以用于通信。

单总线采用了线或的配置方式,其硬件原理图可见图。

主机为漏极开路输出,总线在闲状态时通过外接上拉电阻保持为高电平。

而单总线器件通过一个漏极开路或三态端口连接至该线上,它只能将总线下拉至低电平,并且在不发送数据时器件需要释放总线。

由于单总线只有一根数据线,主机与单总线器件之间便采用了对上下电平进行类似脉冲宽度调制的方式来实现对数据的发送。

图3-1单总线硬件原理图

DS18B20的特点

1.独特的单线接口方式，DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

2.在使用中不需要任何外围元件。

3.可用数据线供电，电压范围为～。

4.测温范围为-55～+125℃。

固有测温分辨率为℃。

5.通过编程可实现9～12位的数字读数方式。

6.用户可自设定非易失性的报警上下限