基于單片機(jī)智能電子體溫計(jì)的設(shè)計(jì)

譚成兵，孫式運(yùn)

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，安徽 亳州 236800)

正常的人體可以利用體溫調(diào)節(jié)中樞調(diào)節(jié)神經(jīng)和體液，來(lái)保持身體產(chǎn)生熱量和散發(fā)熱量處于動(dòng)態(tài)平衡，從而使體溫保持相對(duì)恒定，當(dāng)人體處于生病狀態(tài)時(shí)體溫調(diào)節(jié)功能就會(huì)不正常.因此，通過(guò)體溫測(cè)量來(lái)判斷人體健康狀況是疾病檢查最常用而有效的手段.傳統(tǒng)的體溫測(cè)量都采用水銀溫度計(jì).但水銀(汞)有毒，容易因溫度計(jì)破碎發(fā)生汞中毒而存在安全隱患.2013年10月中國(guó)政府簽約加入了關(guān)于減少汞排放的《水俁公約》，該公約已于2017年8月生效，條約規(guī)定自2020年起，各簽約國(guó)不準(zhǔn)生產(chǎn)、進(jìn)口和出口未申請(qǐng)豁免的添汞產(chǎn)品[1].隨著《水俁公約》的生效，水銀溫度計(jì)將逐漸淘汰而被電子溫度計(jì)替代.但用于人體體溫測(cè)量的電子體溫計(jì)必須要滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21416-2008《醫(yī)用電子體溫計(jì)》的要求，包括測(cè)量精度要求和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、異常報(bào)警等功能要求[2].

目前市場(chǎng)上的電子溫度計(jì)主要有熱電阻溫度計(jì)、集成溫度計(jì)、紅外溫度計(jì)和智能溫度計(jì)等.熱電阻溫度計(jì)采用金屬熱電阻(一般為鉑電阻)采集溫度，精度較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好.但靈敏度較低，且價(jià)格偏高，不適合做體溫計(jì)[3].集成溫度計(jì)利用半導(dǎo)體的溫度特性采集溫度，易于微型化、集成化，價(jià)格最低，但半導(dǎo)體易受其他因素干擾，其測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性不好[4].紅外溫度計(jì)利用人體體溫所輻射的紅外線進(jìn)行溫度采集，無(wú)需與病人接觸，清潔衛(wèi)生，測(cè)量速度快，工作效率高，但容易受到環(huán)境干擾，精度難保證，且轉(zhuǎn)化電路復(fù)雜，成本較高，目前一般只用于體溫的初步篩查[5，6].智能溫度計(jì)采用單片機(jī)作為處理核心，可根據(jù)需要把溫度信息進(jìn)行選擇性處理，很容易實(shí)現(xiàn)GB/T 21416-2008《醫(yī)用電子體溫計(jì)》的技術(shù)要求，功能較好，發(fā)展前景廣闊[7].

本設(shè)計(jì)是一種低成本、便攜式的醫(yī)用體溫計(jì)，滿足GB/T 21416-2008《醫(yī)用電子體溫計(jì)》的功能要求.綜上所述，本設(shè)計(jì)的智能溫度計(jì)采用靈敏度較高的負(fù)溫度系數(shù)型(NTC)熱敏電阻作為測(cè)溫探頭，經(jīng)直流電橋電路轉(zhuǎn)化為電壓信息后送入C8051F980單片機(jī)進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)溫度顯示和異常報(bào)警等功能.相比于同類產(chǎn)品功耗低壽命長(zhǎng)，使用方便，能滿足測(cè)量需要，具有較高的實(shí)用價(jià)值[8].

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由測(cè)溫元件、電源電路、轉(zhuǎn)化電路、主控部分及輸出部分組成.測(cè)溫元件采用NTC熱敏電阻，電源電路采用TL431穩(wěn)壓管搭建的穩(wěn)壓電路，轉(zhuǎn)化電路采用惠斯登直流電橋，主控部分采用C8051F980單片機(jī)，輸出部分包括LCD液晶顯示器及報(bào)警器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的工作原理是：測(cè)溫元件探測(cè)溫度信息并轉(zhuǎn)化為電阻的變化，再經(jīng)直流電橋轉(zhuǎn)化為電壓變化，送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按程序設(shè)定的功能要求進(jìn)行溫度顯示、異常報(bào)警及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等操作.

2 硬件選擇與設(shè)計(jì)

2.1 熱敏電阻

本設(shè)計(jì)選用靈敏度較高的負(fù)溫度系數(shù)型(Negative Temperature Coefficient，NTC)半導(dǎo)體熱敏電阻.該電阻的阻值隨著溫度的升高而減小，如式(1)所示[9].

(1)

式(1)中：B—材料系數(shù);T0—參考溫度，一般取25℃，即T0=(273.15+25)K=298.15 K；T—工作時(shí)實(shí)際溫度，T=(t+273.15)K；R0—冷電阻，即溫度T0時(shí)的電阻；RT—溫度T時(shí)的實(shí)際電阻.由于B、T0、R0均為已知量，故Rt是T的單值函數(shù)，只要知道熱敏電阻阻值RT就可以算出對(duì)應(yīng)溫度T.由于NTC熱敏電阻熱慣性小測(cè)溫快，非常適合制作體溫計(jì).

RT與T是指數(shù)函數(shù)，并非線性關(guān)系.為了對(duì)其進(jìn)行線性化處理，對(duì)(1)式兩邊取對(duì)數(shù)得：

(2)

本設(shè)計(jì)選用日本SEMITEC公司生產(chǎn)的503ET熱敏電阻.該電阻額定功率3.5 mW，時(shí)間常數(shù)3.4 s，測(cè)溫范圍：-40-100 ℃，最大直徑1.5 mm，功耗低體積小響應(yīng)快，非常適合作為體溫探頭[10].查閱503ET熱敏電阻的技術(shù)參數(shù)可知，R25 ℃=(50±3%)KΩ，B值：(4055±1%)K，代入式(2)可得：

(3)

但由于R25 ℃和B值本身的誤差，式(3)只是理論直線，存在一定誤差，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，求得實(shí)際擬合直線.

2.2 電源電路

本設(shè)計(jì)采用TL431穩(wěn)壓管搭建電源電路對(duì)系統(tǒng)供電.TL431是TI公司(美國(guó)德州儀器)生產(chǎn)的一款高性能、低價(jià)格穩(wěn)壓集成電路，技術(shù)成熟性能穩(wěn)定，工作電流1-150 mA，一節(jié)普通紐扣電池即可供電.內(nèi)部參考電壓2.495 V(25℃)，可通過(guò)調(diào)節(jié)外接電阻輸出2.495-36 V的電壓[11].電源電路如圖2所示.

查閱TL431技術(shù)手冊(cè)可知，其輸出電壓為：

(4)

式(4)中U0為TL431內(nèi)部參考電壓，即2.495 V.設(shè)計(jì)中選用R1=R3=1 K,R2=2 K,代入(4)式可得UOUT=7.485 V，此電壓可以對(duì)直流電橋供電.如果不接電阻R2和R3，則可直接取出參考電壓U0=2.495 V，可對(duì)單片機(jī)和LCD液晶顯示器供電.

2.3 轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換電路采用惠斯登直流電橋，如圖3所示.

圖3 轉(zhuǎn)換電路

圖3中R4、R5、R6、R7和RT組成直流電橋.由電橋理論，輸出電壓為：

(5)

由電橋理論，當(dāng)橋臂比等于1時(shí)，即滿足式(6)時(shí)靈敏度最高[12]:

(6)

考慮到輸出電壓不能太小，又兼顧電橋靈敏度，設(shè)計(jì)中我們?nèi)4=R5=R7=20 K，R6=10 K.式中VCC為穩(wěn)壓電路提供的工作電壓，即7.485 V.把數(shù)據(jù)代入式(5)計(jì)算可得：

(7)

式(7)中熱敏電阻RT阻值隨溫度變化而變化，在測(cè)量體溫所規(guī)定的35-42 ℃范圍內(nèi)，其阻值為32.67-24.57 KΩ，代入(7)式可估算電壓范圍為1.354-0.999 V，這個(gè)電壓已能被單片機(jī)直接識(shí)別，無(wú)需進(jìn)行放大處理，節(jié)約成本和設(shè)計(jì)空間.

2.4 單片機(jī)及其外圍電路

考慮到低功耗、微型化設(shè)計(jì)要求，同時(shí)要沒(méi)有太復(fù)雜的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與運(yùn)算，綜合比較各種微控器，本設(shè)計(jì)選用芯科科技的8位單片機(jī)C8051F980[13].查閱其技術(shù)資料可知，其工作電壓1.8-3.6 V，可用TL431 穩(wěn)壓管參考電壓直接供電.外形尺寸僅 3 mm× 3 mm，最小睡眠電流為10 nA，喚醒時(shí)間2 μs，同時(shí)集成了豐富的外設(shè)接口.C8051F980內(nèi)部自帶一個(gè)12位ADC，設(shè)計(jì)中采用差分結(jié)構(gòu)，可將直流電橋輸出電壓直接讀取并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換.

本設(shè)計(jì)中，只需要一個(gè)啟動(dòng)鍵喚醒單片機(jī)開(kāi)始工作，一個(gè)確認(rèn)鍵確認(rèn)數(shù)據(jù)保存，LCD液晶驅(qū)動(dòng)顯示溫度，并輸出一個(gè)可調(diào)信號(hào)給蜂鳴器報(bào)警即可，外圍電路簡(jiǎn)單，此處不再贅述.

3 擬合直線的確定與誤差分析

本設(shè)計(jì)的工作原理是ΔT→ΔR→ΔU，理論上單片機(jī)讀取輸入電壓后可根據(jù)(7)式計(jì)算RT，再根據(jù)(1)式即可計(jì)算出T.但由于熱敏電阻阻值RT和材料系數(shù)B均存在一定誤差，且線路電阻和電路各元件間的干擾也會(huì)造成一定誤差，為了提高測(cè)量精度，我們對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，用最小二乘法確定RT與1/T間的函數(shù)關(guān)系.

根據(jù)GB/T 21416-2008《醫(yī)用電子體溫計(jì)》第4.3條規(guī)定，醫(yī)用電子體溫計(jì)的測(cè)溫范圍不小于35-41 ℃，測(cè)量精度應(yīng)該滿足表1要求[2]：

表1 醫(yī)用電子體溫計(jì)精度要求 單位：℃

可見(jiàn)，為了保證測(cè)量精度，重點(diǎn)是37℃-39℃范圍內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)要精確.為此，我們進(jìn)行了此范圍內(nèi)的測(cè)量取樣，數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 測(cè)量溫度與熱敏電阻和輸出電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系

利用最小二乘法求得擬合直線：

y=4042.65x-2.731

(8)

該擬合直線最大殘差r4=-0.0006，線性度較好.因此經(jīng)校正后的電阻與溫度關(guān)系應(yīng)為：

(9)

由式(9)和式(2)比較，不難求得：

B=4042.65K，R0=50.4KΩ

B值與廠家提供參數(shù)B=(4055 ±1%)K對(duì)比誤差0.3%；R0值與廠家提供的參數(shù)R25 ℃=(50±3%)KΩ對(duì)比誤差0.8%，均小于允許的最大誤差，從而保證了體溫測(cè)量的準(zhǔn)確性.

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 體溫計(jì)算

由以上分析，單片機(jī)工作后首先讀取電壓，按式(7)計(jì)算RT：

然后利用式(9)計(jì)算T，即賦值于中間變量x=1/T和y=lnRT，利用線性函數(shù)式(8)計(jì)算，最后再將T換算為攝氏度：

t=(T-273.15)℃

圖4 體溫測(cè)量程序

4.2 工作流程

按GB/T 21416-2008《醫(yī)用電子體溫計(jì)》的要求，醫(yī)用體溫計(jì)要有異常報(bào)警和

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能.人體體溫測(cè)量值與測(cè)量部位有關(guān)，其中腋下溫度最低，為 36.0-37.0 ℃.且不同人群體溫也略有不同.一般認(rèn)為超過(guò)37.3 ℃就是發(fā)燒，其中37.4-38 ℃為低燒，38.1-41 ℃為高燒，41 ℃以上為超高燒.

系統(tǒng)工作時(shí)，首先通過(guò)啟動(dòng)按鍵喚醒單片機(jī)，單片機(jī)開(kāi)始讀取由轉(zhuǎn)換電路輸入的電壓，然后按上面分析計(jì)算溫度，并把結(jié)果輸送到液晶顯示器進(jìn)行顯示.為避免溫度計(jì)誤動(dòng)，程序設(shè)定其工作時(shí)間為120 s(從按鍵開(kāi)始計(jì)時(shí))，測(cè)量結(jié)束會(huì)發(fā)出“嘀”一聲提示音，并提示是否保存數(shù)據(jù).如果繼續(xù)測(cè)量，按復(fù)位鍵啟動(dòng)即可.如果發(fā)現(xiàn)溫度異常，單片機(jī)會(huì)發(fā)出信號(hào)觸發(fā)報(bào)警器報(bào)警.如無(wú)其他操作，系統(tǒng)會(huì)延時(shí)60 s自動(dòng)關(guān)機(jī)，并保存最近一次測(cè)量數(shù)據(jù)(保存數(shù)據(jù)條數(shù)可根據(jù)需要設(shè)定).系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)如圖4所示.

5 測(cè)試結(jié)果

為檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)的可靠性，我們用溫水來(lái)模擬“發(fā)熱”和“低溫”等的溫度檢測(cè)與報(bào)警測(cè)試，測(cè)量結(jié)果與相同條件下測(cè)量精度較高的某實(shí)驗(yàn)室用數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量結(jié)果作標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示.

表3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比(單位：℃)

測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)的智能體溫計(jì)最大誤差為0.1℃，誤報(bào)率為零，完全滿足GB/T 21416-2008《醫(yī)用電子體溫計(jì)》所規(guī)定的精度和功能要求.

6 總 結(jié)

本設(shè)計(jì)采用熱敏電阻作測(cè)溫探頭，測(cè)量迅速準(zhǔn)確.采用直流電橋作轉(zhuǎn)化電路，簡(jiǎn)單實(shí)用.用C8051F980低功耗、微型化的單片機(jī)作中控，成本低體積小，便于攜帶和使用，超低功耗使得其壽命較長(zhǎng)，能很好地滿足GB/T 21416-2008《醫(yī)用電子體溫計(jì)》所規(guī)定的技術(shù)要求.同時(shí)，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為處理核心，可以通過(guò)編程進(jìn)行功能拓展，便于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究.