CN106802196B - 用于自动检定的电子体温计蜂鸣器声音检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于自动检定的电子体温计蜂鸣器声音检测装置及方法。通过咪头模块采集声音信号并转换成模拟电信号，对电信号频率段进行有源滤波并二次电压放大；利用A/D采集模块将放大的信号转换成数字电信号；该信号通过快速傅里叶变换算法对信号进行时域频域转换运算得到其频谱特性，计算指定频谱段与其它频段频数的加权平均值，从而进一步判断电子体温计的声音信号中存在蜂鸣器报警声，从而对电子体温计蜂鸣器进行声音故障检测。本发明实现了电子体温计蜂鸣器故障的检测，解决了现有技术中电子体温计蜂鸣器故障自动检测困难的问题，而无需借助人工进行检测，简单有效，准确性好。
Description
技术领域
本发明属于声音检测领域，具体涉及了一种用于自动检定的电子体温计蜂鸣器声音检测装置及方法。
背景技术
电子体温计蜂鸣器位于体温计的尾端，完全封装在塑料壳内，其声音的频率段在7.5-8.5khz，属于中高频段。根据医用电子体温计校准规程中规定电子体温计在生产出厂前必须对其进行功能性要求检测。医用电子体温计校准规程(JJF1226-2009)中指出，电子体温计蜂鸣器正常发声是判断其能否正常开机的关键。目前工业现场没有合适的自动检测方法，手动检测方法的具体过程如下：人工拿取电子体温计并按压开关，用耳朵进行判断蜂鸣器能否发声，而这种方法存在严重的问题，比如检测效率低下，容易疲劳操作导致误差。
发明内容
为了解决目前电子体温计出厂检定中关于蜂鸣器故障自动检定困难的问题，本发明提供了一种用于自动检定的电子体温计蜂鸣器声音检测装置及方法。
本发明方法是根据医用电子体温计校准规程(JJF1226-2009)中电子体温计蜂鸣器正常发声是判断其能否正常开机和超温报警的关键而必须对进行故障检测的要求下设计了装置和方法对电子体温计进行检测。
为解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一、一种用于自动检定的电子体温计蜂鸣器声音检测装置：
包括壳体以及置于壳体内的有源滤波模块和STM32最小系统板，有源滤波模块固定在壳体内的底部，STM32最小系统板通过四角的支撑柱固定在壳体内，并使得STM32最小系统板靠近壳体顶部，STM32最小系统板中液晶屏幕正上方的壳体顶面开有有机玻璃视窗。
还包括置于壳体外的咪头模块和供电电源，壳体上开有两个圆孔，供电电源经穿过其中一圆孔的电线与STM32最小系统板连接，STM32最小系统板和有源滤波模块，咪头模块经穿过另一圆孔的电线分别与STM32最小系统板和有源滤波模块连接。
所述的有源滤波模块的电压输入口经电线与咪头模块连接，所述的有源滤波模块的电压输出口经电线与STM32最小系统板的A/D采集电压输出口连接。
具体实施的咪头模块采用驻极体话筒式咪头模块，咪头模块有三个接口，包括5伏供电电压接口、地线接口和模拟电信号输出接口。咪头模块与STM32最小系统板的电源输出口和地输入口连接，供电电源与STM32最小系统板的供电输入口连接。
所述的有源滤波模块内置有用电压信号正向放大的通带电压放大电路、用于将信号反向放大的高频小信号调谐放大电路和用于整流滤波有效捕捉指定频率段的窄频带滤波电路。
二、一种用于自动检定的电子体温计蜂鸣器声音检测的方法，采用以下步骤：
Step1：采用咪头模块作为声音传感器安装在电子体温计附近，采集电子体温计的声音信号；
Step2：咪头模块将声音信号并转换成对应强度的模拟电信号，并对模拟电信号进行电压放大，放大倍数为200倍，信号强度为15-20mv，然后输出到有源滤波模块；
Step3：有源滤波模块将从咪头模块接收的输入电压进行处理发送到STM32最小系统板；
Step4：STM32最小系统板将从有源滤波模块接收到的数字电信号进行分析处理获得信号频谱，并采用以下公式计算得到信号频谱的横坐标，即频谱的频率分布点：
fn＝(n-1)×fs/N
其中，n为采样点的序号，N为采样点的总数，n＝1～N，fs为采样频率；
频谱进行分析：
计算8.0-8.5khz范围的特征频率段内出现的频数总和、0.1-7.9khz范围的低频率段内出现的频数总和以及高于8.5khz范围的高频率段内出现的频数总和，当特征频率段频数的加权平均值大于等于低频率段和高频率段频数加权平均值的5倍以上，则电子体温计的声音信号中存在蜂鸣器报警声，否则不存在。
所述步骤Step3中有源滤波模块将从咪头模块接收的输入电压进行处理，具体是采用以下方式：先进行第一次电压放大，放大倍率为15倍，放大频段为全频段；接着，放大后的电压进行窄频段带通滤波处理，通带频率范围为7.5-8.5khz，中心频段8.2khz，限波带宽-3dB；然后滤波后的电压进行第二次电压放大，放大倍率为100倍，放大频段为滤波过程的通带；最后使得有源滤波模块输出的电信号特性为：滤波频段幅值1000-1500mv，其它频段幅值≤200mv，直流分量幅值≤50mv。
所述的有源滤波模块的第一次电压放大为正向电压放大，第二次电压放大为反向电压放大。
所述步骤Step4中数字电信号进行分析处理获得信号频谱，具体是：
先数字电信号以每32位形式存入STM32最小系统板中的缓存区作为一个输入数组，其中输入数组中高16位为电压值，低16位默认为0；
然后将输入数组通过调用STM32最小系统板中DSP库的1024点FFT变换算法进行快速傅里叶变换，其中以输入数组的高16位值作为变换实部，低16位值作为变换虚部，变换点数为1024，变换结果作为输出数组；
接着，对各输出数组进行谐波幅值计算，依次取出各输出数组高低16位计算获得各复数模值和谐波幅值，根据所有复数模值和谐波幅值采用频谱计算方法获得信号频谱。
所述步骤Step4中的采样频率fs是由STM32最小系统板(11)接收咪头模块发送过来的电压信号后，再采用以下公式计算公式获得：
式中，f为STM32的晶振频率，i为分频数，其中i≤6，I为设定周期倍数。
所述步骤Step5后进一步通过STM32最小系统板在液晶屏幕进行显示输出，具体是通过控制STM32最小系统板第二高低电平输出口(即PC13口)和第一高低电平输出口(即PC0口)，控制端口的高低电平进行显示输出。具体是如下表：
表1
| 检测结果 | 电平输出情况 |
| 未检测出报警声 | PC0低电平、PC13高电平 |
| 能检测出报警声 | PC0高电平、PC13低电平 |
本发明具有的创新性如下：
1、本发明实现了电子体温计蜂鸣器故障的检测，解决了现有技术中电子体温计蜂鸣器故障自动检测困难的问题，而无需借助人工进行检测。
2、针对电子体温计蜂鸣器发声微弱的特性和特征频谱不固定特性，特别地设计了有源滤波模块。针对电子体温计蜂鸣器发声微弱的特性，设计通带电压放大电路与高频小信号调谐放大电路，对声音信号进行一次电压正向放大和一次电压反向放大。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明装置示意图。
图中：1、供电电源；2、咪头模块；3、电压输入口；4、有源滤波模块；5、电压输出口；6、支撑柱；7、第二高低电平输出口；8、第一高低电平输出口；9、A/D采集电压输出口；10、外界触发电压输入口；11、STM32最小系统板；12、有机玻璃视窗；13、供电输入口；14、电源输出口；15、地输入口；16、圆孔。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，具体实施的装置包括壳体、置于壳体外的咪头模块2和供电电源1以及置于壳体内的有源滤波模块4和STM32最小系统板11，有源滤波模块4固定在壳体内的底部，STM32最小系统板11通过四角的支撑柱6固定在壳体内，四个金属支撑柱6将STM32最小系统板11抬高到有机玻璃视窗12正下方，使得STM32最小系统板11靠近壳体顶部，STM32最小系统板11中液晶屏幕正上方的壳体顶面开有有机玻璃视窗12。
壳体上开有两个圆孔16，供电电源1经穿过其中一圆孔16的电线与STM32最小系统板11连接，STM32最小系统板11和有源滤波模块4，咪头模块2经穿过另一圆孔16的电线分别与STM32最小系统板11和有源滤波模块4连接。本发明装置是将STM32单片机、UAF42有源滤波放大电路和各导线封装在塑料外壳内。
STM32最小系统板11设有第二高低电平输出口7(PC13口)和第一高低电平输出口8(PC0口)、A/D采集电压输出口9(PA1口)、外界触发电压输入口10(PA0口)、供电输入口13、电源输出口14、地输入口15。有源滤波模块4的电压输入口3经电线与咪头模块2连接，有源滤波模块4的电压输出口5经电线与STM32最小系统板11的A/D采集电压输出口10连接。咪头模块2与STM32最小系统板11的电源输出口14和地输入口15连接，供电电源1与STM32最小系统板11的供电输入口13连接。
具体实施的咪头模块2采用驻极体话筒式咪头模块，咪头模块有三个接口，包括5伏供电电压接口、地线接口和模拟电信号输出接口。
有源滤波模块4内置有用电压信号正向放大的通带电压放大电路、用于将信号反向放大的高频小信号调谐放大电路和用于滤波有效捕捉指定频率段的窄频带滤波电路。
本发明的具体实施例及其实施工作过程如下：
采用一种驻极体式咪头模块作为声音采集装置，监听范围0.1-2m，供电电压直流稳压5V，信噪比96dB，采集音频范围20-20khz，尺寸28×52mm。
实施例的有源滤波模块采用型号UAF42，使用图2所示的实验装置进行实验，计算得到采集声音的频谱特性。同时，使用室内温湿计和分贝计对实验环境进行实时监测。实验中，选取六个咪头模块和八支蜂鸣器正常的棒式电子体温计，分别按压电子体温计开关，同时使其靠近声音传感器，观察液晶显示屏。
用实验装置针对同一批次电子体温计，用气泵模拟工业现场环境噪音，用分贝仪监测环境噪音的强度，当环境噪音强度逐渐增强时，实验装置测量电子体温计发声频段逐渐失真，记录该噪音强度(阈值)与实验数据。
每次实验过程如下：
Step1：采用咪头模块作为声音传感器安装在电子体温计附近，采集电子体温计的声音信号；
Step2：咪头模块将声音信号并转换成对应强度的模拟电信号，并对模拟电信号进行电压放大，放大倍数为200倍，信号强度为15-20mv，然后从模拟电压输出口输出到UAF42有源滤波模块的模拟电压输入口；
Step3：UAF42有源滤波模块将从咪头模块接收的输入电压进行处理发送到STM32最小系统板11的A/D采集电压输出口9；
Step4：STM32最小系统板11将从有源滤波模块接收到的数字电信号进行分析处理获得信号频谱：
先数字电信号以每32位形式存入STM32最小系统板11中的缓存区作为一个输入数组，其中输入数组中高16位为电压值，低16位默认为0；实施例的每个输入数组包括1024个点，共采集8个采样数组，采样总时长0.24s。
然后将输入数组通过调用STM32最小系统板11中DSP库的1024点FFT变换算法进行快速傅里叶变换，其中以输入数组的高16位值作为变换实部，低16位值作为变换虚部，变换点数为1024，变换结果为32位作为输出数组。
接着，对各输出数组进行谐波幅值计算，依次取出各输出数组高低16位计算获得各复数模值和谐波幅值，根据所有复数模值和谐波幅值采用频谱计算方法获得信号频谱。
同时计算得到信号频谱的横坐标，即频谱的频率分布点。
Step5：对上述步骤Step4得到的信号频谱进行分析：
计算8.0-8.5khz范围的特征频率段内出现的频数总和、0.1-7.9khz范围的低频率段内出现的频数总和以及高于8.5khz范围的高频率段内出现的频数总和，
计算结果统计如下表：
表2环境噪音分贝≤60dB
表3环境噪音分贝在60-70dB
表4环境噪音分贝在70-80dB(#表示装置检测失真)
表5环境噪音分贝在80-90dB(#表示装置检测失真)
从上表可以统计获得：
当特征频率段频数的加权平均值大于等于低频率段和高频率段频数加权平均值的5倍以上，则电子体温计的声音信号中存在蜂鸣器报警声，否则不存在。
Step6：进一步通过STM32最小系统板11在液晶屏幕进行显示输出，具体是通过控制STM32最小系统板11第二高低电平输出口7和第一高低电平输出口8，控制端口的高低电平进行显示输出。结果显示在液晶屏上并通过有机玻璃视窗12进行观察。
综上数据所述，本发明中用于自动检定过程中电子体温计蜂鸣器声音检测的方法在环境噪音≤80dB时测试效果良好，简单易行。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于自动检定过程中电子体温计蜂鸣器声音检测的方法，其特征在于：
所述方法采用一种用于自动检定的电子体温计蜂鸣器声音检测装置，装置包括壳体以及置于壳体内的有源滤波模块(4)和STM32最小系统板(11)，
有源滤波模块(4)固定在壳体内的底部，STM32最小系统板(11)通过四角的支撑柱(6)固定在壳体内，并使得STM32最小系统板(11)靠近壳体顶部，STM32最小系统板(11)中液晶屏幕正上方的壳体顶面开有有机玻璃视窗(12)；
方法采用以下步骤：
Step1：采用咪头模块作为声音传感器安装在电子体温计附近，采集电子体温计的声音信号；
Step2：咪头模块将声音信号并转换成对应强度的模拟电信号，并对模拟电信号进行电压放大，放大倍数为200倍，信号强度为15-20mv，然后输出到有源滤波模块；
Step3：有源滤波模块将从咪头模块接收的输入电压进行处理发送到STM32最小系统板(11)；
Step4：STM32最小系统板(11)将从有源滤波模块接收到的数字电信号进行分析处理获得信号频谱，并采用以下公式计算得到信号频谱的横坐标，即频谱的频率分布点：fn＝(n-1)×fs/N
其中，n为采样点的序号，N为采样点的总数，n＝1～N，fs为采样频率；
Step5：对上述步骤Step4得到的信号频谱进行分析：
计算8.0-8.5khz范围的特征频率段内出现的频数总和、0.1-7.9khz范围的低频率段内出现的频数总和以及高于8.5khz范围的高频率段内出现的频数总和，当特征频率段频数的加权平均值大于等于低频率段和高频率段频数加权平均值的5倍以上，则电子体温计的声音信号中存在蜂鸣器报警声，否则不存在。
2.根据权利要求1所述的一种用于自动检定过程中电子体温计蜂鸣器声音检测的方法，其特征在于：所述步骤Step3中有源滤波模块将从咪头模块接收的输入电压进行处理，具体是采用以下方式：先进行第一次电压放大，放大倍率为15倍，放大频段为全频段；接着，放大后的电压进行窄频段带通滤波处理，通带频率范围为7.5-8.5khz，中心频段8.2khz，限波带宽-3dB；然后滤波后的电压进行第二次电压放大，放大倍率为100倍，放大频段为滤波过程的通带；最后使得有源滤波模块输出的电信号特性为：滤波频段幅值1000-1500mv，其它频段幅值≤200mv，直流分量幅值≤50mv。
3.根据权利要求2所述的一种用于自动检定过程中电子体温计蜂鸣器声音检测的方法，其特征在于：所述的有源滤波模块的第一次电压放大为正向电压放大，第二次电压放大为反向电压放大。
4.根据权利要求1所述的一种用于自动检定过程中电子体温计蜂鸣器声音检测的方法，其特征在于：所述步骤Step4中数字电信号进行分析处理获得信号频谱，具体是：
先数字电信号以每32位形式存入STM32最小系统板(11)中的缓存区作为一个输入数组，其中输入数组中高16位为电压值，低16位默认为0；
然后将输入数组通过调用STM32最小系统板(11)中DSP库的1024点FFT变换算法进行快速傅里叶变换，其中以输入数组的高16位值作为变换实部，低16位值作为变换虚部，变换点数为1024，变换结果作为输出数组；
接着，对各输出数组进行谐波幅值计算，依次取出各输出数组高低16位计算获得各复数模值和谐波幅值，根据所有复数模值和谐波幅值采用频谱计算方法获得信号频谱。
5.根据权利要求1所述的一种用于自动检定过程中电子体温计蜂鸣器声音检测的方法，其特征在于：所述步骤Step4中的采样频率fs是由STM32最小系统板(11)接收咪头模块发送过来的电压信号后，再采用以下公式计算公式获得：
式中，f为STM32的晶振频率，i为分频数，其中i≤6，I为设定周期倍数。
6.根据权利要求1所述的一种用于自动检定过程中电子体温计蜂鸣器声音检测的方法，其特征在于：所述步骤Step5后进一步通过STM32最小系统板(11)在液晶屏幕进行显示输出，具体是通过控制STM32最小系统板(11)第二高低电平输出口(7)和第一高低电平输出口(8)，控制端口的高低电平进行输出控制。
7.根据权利要求1所述的一种用于自动检定过程中电子体温计蜂鸣器声音检测的方法，其特征在于：装置还包括置于壳体外的咪头模块(2)和供电电源(1)，壳体上开有两个圆孔(16)，供电电源(1)经穿过其中一圆孔(16)的电线与STM32最小系统板(11)连接，STM32最小系统板(11)和有源滤波模块(4)，咪头模块(2)经穿过另一圆孔(16)的电线分别与STM32最小系统板(11)和有源滤波模块(4)连接。
8.根据权利要求1所述的一种用于自动检定过程中电子体温计蜂鸣器声音检测的方法，其特征在于：所述的有源滤波模块(4)的电压输入口(3)经电线与咪头模块(2)连接，所述的有源滤波模块(4)的电压输出口(5)经电线与STM32最小系统板(11)的A/D采集电压输出口(10)连接。
9.根据权利要求1所述的一种用于自动检定过程中电子体温计蜂鸣器声音检测的方法，其特征在于：所述的有源滤波模块(4)内置有用电压信号正向放大的通带电压放大电路、用于将信号反向放大的高频小信号调谐放大电路和用于整流滤波有效捕捉指定频率段的窄频带滤波电路。
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