連續(xù)測(cè)量體溫監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳 迪，趙 琢，陳 逢

（威海威高醫(yī)療影像科技有限公司，威海 264210）

體溫是人體重要的生理參數(shù)，正常的體溫是維持人體新陳代謝的必要條件，體溫的監(jiān)測(cè)是臨床診治的重要指標(biāo)之一[1]。目前體溫測(cè)量?jī)x器按照工作原理不同主要分為水銀式、紅外式和電阻式。 水銀體溫計(jì)是我國(guó)臨床最常見(jiàn)的體溫測(cè)量工具，但是由于汞的危害性，世界范圍內(nèi)已經(jīng)逐步禁止其生產(chǎn)和使用[2]。 紅外體溫計(jì)根據(jù)紅外輻射原理進(jìn)行測(cè)量，使用便捷、無(wú)需接觸，但是易受干擾、精度較低[3]，只能用于公眾排查，不能用于臨床診治參考[4-5]。 電阻式體溫計(jì)采用鉑電阻或熱敏電阻等采集溫度，測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快，易于集成，使用越來(lái)越廣泛[6-7]。

按照使用需求不同，體溫測(cè)量可分為單次測(cè)量和連續(xù)測(cè)量。 目前滿足高精度連續(xù)測(cè)量的產(chǎn)品較少，只有醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀類(lèi)的設(shè)備可以滿足需求[8-9]。 但是監(jiān)護(hù)儀成本高、體積大、操作復(fù)雜，不適用于單純的體溫測(cè)量。 因此設(shè)計(jì)一款精度高、體積小、便于操作的連續(xù)測(cè)量體溫監(jiān)測(cè)儀，是有待解決的問(wèn)題。

基于此，本文設(shè)計(jì)了可連續(xù)測(cè)量體溫監(jiān)測(cè)儀，采用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻連續(xù)采集體溫，信號(hào)經(jīng)過(guò)處理電路進(jìn)入微控制器（MCU）進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC），計(jì)算出結(jié)果在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)外無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。 在測(cè)量精度、易用性、工作時(shí)長(zhǎng)等方面均滿足需求，實(shí)用效果良好。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

體溫監(jiān)測(cè)儀由微控制器、存儲(chǔ)器、溫度傳感器、信號(hào)采集電路、校準(zhǔn)電路、信號(hào)處理電路、顯示屏、蜂鳴器、按鍵、藍(lán)牙模塊、電源管理單元和鋰電池組成。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。其中，微控制器為系統(tǒng)核心，用于控制系統(tǒng)運(yùn)行、讀取與分析數(shù)據(jù)、響應(yīng)按鍵指令、驅(qū)動(dòng)顯示屏和控制藍(lán)牙模塊。 溫度傳感器用于將實(shí)時(shí)的溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化。 進(jìn)一步通過(guò)信號(hào)采集電路將電阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，送入信號(hào)處理電路。 校準(zhǔn)電路用于采集預(yù)設(shè)的參考值，并送入信號(hào)處理電路。 信號(hào)處理電路將模擬量小信號(hào)放大后送入微控制器的ADC。 顯示屏可以顯示體溫值、歷史數(shù)據(jù)、電池電量、提示信息、充電狀態(tài)等。 蜂鳴器用于發(fā)出提示聲音。 按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)機(jī)和操作命令輸入。藍(lán)牙模塊采用BLE 低功耗藍(lán)牙，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。 電源采用18650 電池組， 由電源管理單元進(jìn)行電池充電和路徑管理。使用USB Type-C 接口充電。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System architecture diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器

微控制器選用STM32L152。該芯片集成了ARM Cortex-M3 內(nèi)核，CPU 時(shí)鐘頻率最高至32 MHz，能提供高效的運(yùn)算能力。 內(nèi)置256 KB 閃存、32 KB 的SRAM 和8 KB 的EEPROM。 12 位1 MSPS 的ADC滿足體溫?cái)?shù)據(jù)采集的精度要求。數(shù)量眾多的GPIO滿足外部控制的需求。另外，它的突出特點(diǎn)是超低功耗。

2.2 信號(hào)采集、校準(zhǔn)和處理電路

信號(hào)采集、 校準(zhǔn)和處理電路是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。 前端溫度傳感器中的NTC熱敏電阻接入TEMP_IN，與電路板上的精密電阻R44、參考電壓Vref組成分壓電路，將采集到的當(dāng)前溫度下的電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值，經(jīng)過(guò)濾波網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)多路復(fù)用開(kāi)關(guān)74HC4501，進(jìn)入后端的放大電路，經(jīng)放大后輸入到STM32 的ADC 端口。

圖2 信號(hào)采集、校準(zhǔn)和處理電路圖Fig.2 Signal sampling，calibrating and processing circuit diagram

多路復(fù)用開(kāi)關(guān)74HC4501 是8 選1 開(kāi)關(guān)，輸入通道使用3 路，其中一路是通過(guò)溫度傳感器采集到的信號(hào)，另外兩路是參考電壓經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)精密電阻分壓得到的兩個(gè)參考點(diǎn)，目的在于根據(jù)實(shí)時(shí)采樣這兩個(gè)參考點(diǎn)的電壓值，進(jìn)行校準(zhǔn)和修正函數(shù)曲線。 參考溫度點(diǎn)選取的方法是根據(jù)熱敏電阻的溫度-阻值對(duì)照表，選擇溫度在測(cè)量范圍內(nèi)，并且使用常用精密電阻容易實(shí)現(xiàn)的溫度點(diǎn)。 設(shè)計(jì)中兩個(gè)參考溫度點(diǎn)為25.5 ℃和37.0 ℃。

圖2 中以運(yùn)放N10 為核心的放大電路將采集到的電壓信號(hào)放大到與ADC 的參考電壓相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)。 對(duì)放大電路進(jìn)行分析，用Vin表示放大電路輸入端電壓，Va表示經(jīng)過(guò)N10A 第1 級(jí)放大后的輸出電壓，Vy表示第一參考點(diǎn)輸入電壓，Vout表示經(jīng)過(guò)N10B 第2 級(jí)放大后的輸出電壓，根據(jù)電路參數(shù)分析可以得到：

已知電壓Vref和Vs，由式（1）、式（2）、式（3）可以計(jì)算出Vout和Vin的關(guān)系函數(shù)。

2.3 電源管理

體溫監(jiān)測(cè)儀要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量，需要大容量電池供電。設(shè)計(jì)選用3.7 V/6000 mAh 的18650 電池組。 考慮到體溫監(jiān)測(cè)儀在電池充電時(shí)也要正常工作，因此充電芯片需要具有電源路徑管理功能。 設(shè)計(jì)選取BQ25616 芯片，它是具有電源路徑管理功能的獨(dú)立式3.0 A 降壓型電池充電芯片，可以獨(dú)立調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)，包括輸入電流限制、充電電流和充電電壓。 電源管理電路如圖3 所示。

圖3 電源管理電路圖Fig.3 Power management circuit diagram

通過(guò)ILIM 引腳可以設(shè)置輸入電流限制，R117選用402 Ω 電阻接地，實(shí)現(xiàn)最大1.2 A 輸入電流。 通過(guò)ICHG 引腳可以設(shè)置恒流充電過(guò)程中的電流值，R118選用619 Ω 電阻接地， 實(shí)現(xiàn)1.1 A 的充電電流。VSET 引腳可以調(diào)節(jié)充電電壓， 此引腳懸空即設(shè)置為4.2 V 的充電電壓。#PGOOD 和STAT 兩個(gè)輸出引腳的組合，可以表示當(dāng)前充電狀態(tài)，兩者都是開(kāi)漏極輸出，通過(guò)發(fā)光二極管和限流電阻上拉到3.3 V，并且接入STM32 的IO 口，實(shí)現(xiàn)充電狀態(tài)指示燈功能，同時(shí)把狀態(tài)信息輸出到MCU。

2.4 顯示屏電路

顯示屏作為人機(jī)交互界面用于顯示體溫值、歷史體溫?cái)?shù)據(jù)、提示信息、當(dāng)前電池電量、電池充電狀態(tài)等。 系統(tǒng)采用1.3 寸、分辨率為128×64 的OLED液晶屏，亮度130 cd/m2，使用3.3 V 供電。 驅(qū)動(dòng)芯片為SH1106G，采用4 線SPI 接口傳輸數(shù)據(jù)。 顯示屏接口電路如圖4 所示。

圖4 顯示屏接口電路圖Fig.4 LCD interface circuit diagram

液晶屏在上電瞬間會(huì)有不確定狀態(tài)，可能顯示亂碼。 為了遮掩亂碼，設(shè)計(jì)了液晶屏背光時(shí)序控制。設(shè)計(jì)用MOS 管2301 作為背光的控制開(kāi)關(guān)。 STM32的GPIO 控制BL_SW 輸出高電平時(shí)，三極管V4導(dǎo)通，2301 的柵源極電壓差超過(guò)閾值，MOS 管導(dǎo)通，液晶屏背光點(diǎn)亮。

2.5 藍(lán)牙模塊電路

藍(lán)牙模塊用于將測(cè)出的體溫?cái)?shù)據(jù)向外部設(shè)備傳輸，采用BLE5.0 標(biāo)準(zhǔn)。使用藍(lán)牙透?jìng)鞣绞剑琒TM32 僅需使用UART 接口與藍(lán)牙模塊通信，即可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸。 RF-BM-4044 藍(lán)牙模塊具備-21～+2 dBm寬輸出功率調(diào)節(jié)，-97 dBm 高增益接收靈敏度。藍(lán)牙模塊的接口電路如圖5 所示。TX 和RX 引腳用于藍(lán)牙模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，連接到STM32 的RXD 和TXD 引腳。如圖6 所示。 關(guān)機(jī)狀態(tài)下，按下按鍵SW1，二極管D9導(dǎo)通，電源PWR 通過(guò)R1和R4分壓，MOS 管N1導(dǎo)通，系統(tǒng)上電。STM32 工作后先檢測(cè)BTN_DET 引腳，如果是低電平，則將PWR_EN 引腳拉高，使得三極管V1導(dǎo)通。 此時(shí)松開(kāi)按鍵，MOS 管N1也保持導(dǎo)通，完成系統(tǒng)開(kāi)機(jī)動(dòng)作。 系統(tǒng)正常運(yùn)行后，BTN_DET 引腳用于檢測(cè)按鍵動(dòng)作，并通過(guò)計(jì)時(shí)器識(shí)別長(zhǎng)按或短按，以執(zhí)行相應(yīng)命令。

圖5 藍(lán)牙模塊接口電路圖Fig.5 Bluetooth module interface circuit diagram

圖6 按鍵電路圖Fig.6 Button circuit diagram

2.6 按鍵電路

設(shè)計(jì)采用單按鍵，用于開(kāi)關(guān)機(jī)、功能操作和調(diào)取菜單。各種操作通過(guò)長(zhǎng)按、短按來(lái)區(qū)分。按鍵電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

體溫監(jiān)測(cè)儀的UI 分為兩個(gè)界面： 數(shù)據(jù)讀取界面和歷史數(shù)據(jù)界面。 每次開(kāi)機(jī)默認(rèn)進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取界面，兩個(gè)界面可以相互切換，在每個(gè)界面中進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作。 系統(tǒng)主程序流程如圖7 所示。 系統(tǒng)上電初始化后進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取界面，該界面中進(jìn)行連續(xù)體溫測(cè)量和顯示，再將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳輸。 通過(guò)短按按鍵（＜3 s）可以進(jìn)行界面切換的操作，即切換到歷史數(shù)據(jù)界面。歷史數(shù)據(jù)界面用于顯示最近保存的3組體溫值。 在歷史數(shù)據(jù)界面通過(guò)短按按鍵可以切換到數(shù)據(jù)讀取界面。 在任何一個(gè)界面下長(zhǎng)按按鍵（≥3 s）即為關(guān)機(jī)操作，系統(tǒng)關(guān)機(jī)。

圖7 系統(tǒng)主程序流程Fig.7 Main program flow chart of system

3.2 數(shù)據(jù)讀取設(shè)計(jì)

對(duì)于NTC 熱敏電阻的溫度-電阻曲線解析，通常有公式法、線性擬合法及查表法。 NTC 熱敏電阻有如下公式：

式中：T 和T1為開(kāi)爾文溫度；RT為溫度T 下的電阻值；R1為溫度T1下的電阻值；B 值是與熱敏電阻材料相關(guān)的參數(shù)，由廠家給出。 因此已知B，R1和T1，并通過(guò)ADC 和輸入端分壓電路計(jì)算出RT后，可以計(jì)算出溫度T。 但是實(shí)際上B 值只是在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)有意義，超出區(qū)間B 值會(huì)變化。因此按照公式法計(jì)算的溫度值存在較大偏差，當(dāng)精度要求高時(shí)無(wú)法滿足。 線性擬合法將NTC 熱敏電阻的溫度-電阻曲線分段線性擬合，但對(duì)于落在每一分段區(qū)間中的數(shù)據(jù)，與實(shí)際值存在一定偏差， 同樣不適合高精度應(yīng)用。而對(duì)于查表法，由于NTC 熱敏電阻廠家提供了0.1 ℃精度的溫度-電阻對(duì)照表，可以將誤差有效減小。

在基于熱敏電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)中，誤差包括參考電壓誤差、放大電路參數(shù)誤差、ADC 非線性誤差和截距誤差等。 設(shè)計(jì)采用兩個(gè)參考溫度點(diǎn)對(duì)誤差進(jìn)行校正。 原理是用高精度高穩(wěn)定性的精密電阻代替NTC 熱敏電阻，分別模擬在25.5 ℃和37.0 ℃時(shí)的數(shù)據(jù)。將用精密電阻進(jìn)行ADC 轉(zhuǎn)換后得到的電壓值與已知的對(duì)應(yīng)電壓值做比較，將兩者的差作為校準(zhǔn)參數(shù)，在實(shí)際測(cè)量體溫時(shí)，調(diào)用校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行修正，再查表得出校準(zhǔn)后的體溫值。 為了進(jìn)一步減小誤差，采用分段校準(zhǔn)。 數(shù)據(jù)讀取模塊的程序流程如圖8 所示。 用E1表示25.5 ℃時(shí)的校準(zhǔn)參數(shù)；E2表示37 ℃時(shí)的校準(zhǔn)參數(shù)；E 表示實(shí)際采用的校準(zhǔn)參數(shù)；t0表示初測(cè)體溫；tc表示校準(zhǔn)后體溫。 計(jì)算得出tc，在顯示屏上顯示。 下一步進(jìn)行超限檢測(cè)，判斷體溫是否超出測(cè)量范圍。 在數(shù)據(jù)讀取界面中，連續(xù)2 次短按按鍵，系統(tǒng)會(huì)保存當(dāng)前體溫?cái)?shù)據(jù)。 在歷史數(shù)據(jù)界面中可以查看最后3 次保存的體溫?cái)?shù)據(jù)。

圖8 數(shù)據(jù)讀取模塊程序流程Fig.8 Flow chart of data reading module program

3.3 超限檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)體溫監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)要求，在25～45 ℃測(cè)量范圍內(nèi)，整機(jī)除溫度傳感器探頭外的最大允許誤差為±0.1 ℃；其余顯示范圍內(nèi)最大允許誤差為±0.2 ℃。系統(tǒng)需判斷測(cè)量的溫度是否在25～45 ℃范圍內(nèi)，并給出提示信息，用于提示測(cè)量精度可能發(fā)生變化。具體實(shí)現(xiàn)方式如下：如果超出上述范圍，顯示屏顯示超出上限或者超出下限提示，同時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲1 s 進(jìn)行聲音提示。超限檢測(cè)程序流程如圖9 所示。

圖9 超限檢測(cè)程序流程Fig.9 Flow chart of overflow detection program

3.4 電池電量檢測(cè)設(shè)計(jì)

顯示屏在每個(gè)界面都可以顯示電池的電量和狀態(tài)。電池電壓通過(guò)STM32 的一路ADC 端口讀取。因使用的18650 電池組最高電壓為4.2 V，而ADC的參考電壓為2.5 V，因此用電阻網(wǎng)絡(luò)將電池電壓分壓到參考電壓范圍內(nèi)，再進(jìn)入ADC 讀取。 設(shè)計(jì)電量顯示為三格指示， 分格的節(jié)點(diǎn)電壓是3.7 V，3.4 V，3.2 V。低于3.2 V 顯示為空格。低于3.05 V 時(shí)，為保護(hù)鋰電池、避免過(guò)度放電，系統(tǒng)關(guān)機(jī)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試

測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試可以分為溫度探頭和整機(jī)兩部分單獨(dú)進(jìn)行。本系統(tǒng)中的NTC 熱敏電阻溫度探頭已有廠家的測(cè)試報(bào)告，因此只需測(cè)試整機(jī)部分。 設(shè)計(jì)測(cè)量范圍是15～45 ℃。按照設(shè)計(jì)要求，整機(jī)在25～45 ℃范圍內(nèi)最大允許誤差為±0.1 ℃；在小于25 ℃范圍內(nèi)最大允許誤差為±0.2 ℃。

使用溫度探頭模擬器進(jìn)行測(cè)試。 模擬器是根據(jù)熱敏電阻的溫度-阻值對(duì)照表，選擇測(cè)量范圍內(nèi)各個(gè)整攝氏度對(duì)應(yīng)的電阻值，使用精密電阻制作的測(cè)試設(shè)備， 其原理示意圖如圖10 所示。 通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，選擇接入對(duì)應(yīng)的電阻值。 選取5 臺(tái)體溫監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，抽取溫度點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如表1 所示。由測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在25～45 ℃范圍內(nèi)的最大誤差為±0.1 ℃；在小于25 ℃范圍內(nèi)的最大誤差為0.2 ℃，符合設(shè)計(jì)要求。 并且在正常體溫范圍內(nèi)的誤差較小。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results

圖10 溫度探頭模擬器原理示意圖Fig.10 Schematic diagram of temperature probe simulator

4.2 連續(xù)工作時(shí)間測(cè)試

首先測(cè)量系統(tǒng)工作電流，使用示波器電流探頭測(cè)量電池端電流，波形如圖11 所示，平均電流約為22 mA。 進(jìn)一步測(cè)量連續(xù)工作時(shí)間，從電池充滿電開(kāi)始連續(xù)工作，直到系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)為止。 測(cè)量樣機(jī)平均工作時(shí)間為273 h，符合設(shè)計(jì)需求。 體溫監(jiān)測(cè)儀實(shí)物測(cè)試如圖12 所示。

圖11 工作電流測(cè)試波形圖Fig.11 Waveform of working current test

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款連續(xù)測(cè)量的體溫監(jiān)測(cè)儀，以NTC 熱敏電阻作為溫度傳感器，采用低功耗的STM32L152 作為控制核心，通過(guò)設(shè)置參考點(diǎn)并實(shí)時(shí)采樣，修正函數(shù)曲線，保證了測(cè)量準(zhǔn)確性。 基于低功耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并選取小尺寸OLED 顯示屏和BLE 5.0 標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙模塊，配合大容量鋰電池，確保長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。 多功能單按鍵結(jié)合雙界面的UI 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)潔操作。經(jīng)測(cè)試表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確度高、工作時(shí)間長(zhǎng)。 整機(jī)成本低、體積小，可代替監(jiān)護(hù)儀測(cè)量體溫使用，具有較好的應(yīng)用前景。