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1、基于 NTC 的体温测量系统设计 苑冬梅 杨坤 张妍妍 李宝杰 中国人民解放军第 302 医院医学工程科 摘 要： 目的 设计一款基于 NTC 热敏电阻的便携式体温测量设备。方法 基于恒流源, 以 NTC 热敏电阻为体温传感器, 采用高精度差分式 ADC 芯片将模拟信号变为数字信号, 送入单片机分析处理, 同时给出各部分误差的来源以及误差校准方案, 最后对设备进行实验验证。结果 实验结果表明, 经过误差校准后的体温测量设备测量误差小于0.1, 完全满足医用电子体温计的使用标准。结论 此系统提出一种全新的设计方案, 并且具有较强的稳定性和实用性;同时校准方案中所阐述的实时校准方法, 对研究电子体
2、温计的校准方法提供了一定的参考价值。关键词： 体温测量; 恒流源; NTC 热敏电阻; 实时校准; 电子体温计; 作者简介：杨坤, 副主任药师, 主要研究方向为医院管理工作。邮箱:收稿日期：2017-03-22Design of Temperature Measurement System Based on Negative Temperature CoeffcientYUAN Dongmei YANG Kun ZHANG Yanyan LI Baojie Department of Medical Engineering, 302 Military Hospital of PLA; Abst
3、ract： Objective To design of a portable temperature measurement equipment based on NTC thermistor. Methods Firstly, based on the constant current source, negative temperature coeffcient (NTC) thermistor was chosen as the body temperature sensor, and high-precision differential analog digital convert
4、er (ADC) chip was used to convert analog signal to digital signal. Then, the digital signal was sent into the microcontroller analysis and processing, the error source of various parts and calibration scheme were given. Finally, the equipment was experimentally verified. Results The experimental res
5、ults showed that the measurement error of the body temperature measurement equipment after the error calibration was less than 0.1, which fully met the standard of medical electronic thermometer. Conclusion This system presents a new design scheme with strong stability and practicability. At the sam
6、e time, the real-time calibration method mentioned in the calibration scheme also provides some reference value for further study of electronic thermometer calibration.Keyword： body temperature measurement; constant current source; negative temperature coeffcient thermistor; real-time calibration; e
7、lectronic clinical thermometer; Received： 2017-03-22引言人体体温是指人体内部的核心温度, 它不仅可以简单的判断被测试者是否有发烧发热, 还能对测得的体温数据进行处理和分析, 为疾病的诊断、治疗提供更多指导, 包括术中和术后的生命监护1, 传染性疾病的预防2等。目前临床用于体温测量的设备主要是水银体温计和电子体温计。水银体温计测量时间长, 并且需要人工读取数据3, 数据无法自动处理与传输, 不能实现连续监测;电子体温计因其方便、快捷的特点被人们所接受, 按传感器类型分为铂电阻温度传感器、集成温度传感器、热电偶温度传感器和热敏电阻温度传感器。铂电
8、阻精度高、线性度较好, 但是其成本较高;集成温度传感器体积小, 但是其测量精度、长期稳定性较差;热电偶测量范围广、重复性好, 但设计复杂、难以集成;而热敏电阻因其成本低、响应速度快、灵敏度高且易于集成而被广泛使用4。目前热敏电阻式电子体温计通常采用负温度系数热敏电阻 (Negative Temperature Coefficient, NTC) , 为了提高 NTC 热敏电阻电子体温计的测量精度, 已有的研究提出了 NTC 热敏电阻阻值与温度特性的反演曲线拟合法以降低 NTC 的非线性误差5;通过使用修正系数, 降低了热敏电阻因电流增加所带来的测量误差6;通过多项式拟合的方法矫正 NTC 热敏
9、电阻的非线性来提高温度测量精度7。基于以上研究背景, 本文设计了一款基于 NTC 热敏电阻的便携式体温测量设备。阐述了基于 NTC 热敏电阻的便携式体温测量设备的设计原理和实现方法;详细分析了误差的来源, 针对误差的来源提出了实时校准模型, 并对设备进行了实验验证。1 方案总体设计本文所述的体温测量系统是基于 NTC 热敏电阻的便携式体温测量设备, 具有体积小, 功耗低、易穿戴, 测量精确等特点, 并且具有无线数据传输功能;适合家庭健康监护和医疗体温监测领域8。该体温测量系统基于恒流源测电阻的方法, 包括单片机、恒流源、模拟开关、NTC 热敏电阻体温传感器、校准电阻、模数转换器 (Analog
10、 Digital Converter, ADC) 以及供电电池, 系统整体结构框图, 见图 1。单片机选用 NORDIC 公司 n RF51822, 功耗低、功能强大, 并且具有片上的蓝牙模块;恒流源以运算放大器为核心元件, 恒流特性好, 负载大, 电流可控;模拟开关采用低阻抗的模拟开关, 极低的导通电阻使得模拟开关的接入不影响体温的测量;体温传感器采用负温度系数的热敏电阻, 体积小、精度高、价格便宜;校准电阻采用低温漂、高精度贴片电阻, 相对稳定的参数保证了体温测量设备的实时校准。ADC 采用 AD 公司的 ADS1100, ADC 精度高达 16 位, 连续自校准, 增益可调, 差分输入,
11、 使体温的高精度测量成为可能。供电电池采用可更换的纽扣锂电池供电, 纽扣锂电池体积小、容量大, 适用温度范围宽, 适合多种场合应用。图 1 体温测量系统整体结构框图 下载原图恒流源模块输出电流, 通过体温传感器, 在体温传感器两端产生压降, 差分输入 ADC, 将模拟电压信号转换为数字电压信号, 送入单片机;单片机将数字电压数据转换为温度数据, 对温度数据进行计算处理, 并通过蓝牙传输至上位机汇总、分析。误差校准单元由恒流源、ADC 模块、校准电阻以及模拟开关构成。单片机控制模拟开关, 将相应的校准电阻接入电路, 通过内部设定的参数计算电路中的误差, 然后自动调整内部参数, 保证当前测量环境下
12、的测量准确度。校准模块主要校准由于器件非线性误差 (放大器、电阻) 、温漂、器件老化等原因引入的误差, 使得温度测量更加准确。本文将主要分析讨论体温采集部分电路, 见图 2。重点讨论各部分的误差, 以及针对相应误差的校准方法。GB/T 21416-2008 对医用电子体温计的性能指标提出的要求如下9:温度显示范围为 35.041.0;温度分辨力0.1;最大允许误差:41时为0.3, 35.336.9和 39.141.0时为0.2, 3739时为0.1。为了满足体温测量精度的要求, 且同时兼顾可穿戴、低成本、低功耗及小体积的需求, 在系统元器件选择方面考虑如下。体温传感器的分类十分广泛, 性能也
13、各有差异, 结合本体温测量系统的需求, 选择热敏电阻作为体温度传感器10。目前体温的测量主要采用 NTC 热敏电阻, 本文选择的也是 NTC 热敏电阻, 型号为 MF54-503E3950FA-30, 测温精度 0.01, 阻值精度0.05%;封装形式为火柴头状直径 1.0 mm, 长度 4.0 mm, 引线长度 87 mm。具体尺寸参数和封装, 见图3。体温探头采用一次性粘贴式体温探头贴, 采用透气保温型水溶胶泡面, 探头采用树脂胶防水处理, 接口采用两线的耳机插口。图 2 体温采集部分电路系统原理图 下载原图图 3 体温传感器与体温探头 下载原图注:a.体温传感器的尺寸;b.体温探头的封装
14、。体温测量的精度不仅仅与 NTC 热敏电阻的精度、非线性度等参数有关, 也与测量电路的精度相关, 最直接的影响就是恒流源的精度11。本设计中的恒流源电路由集成运算放大器、参考电压、参考电阻 R 组成。它们的精度都最终影响测量的精度;运算放大器与参考电阻都选用低温漂, 高精度的器件。恒流源的原理, 见图 4。图 4 恒流源模块 下载原图ADC 采用高精度连续自校准模数转换器 ADS1100。该芯片采用差分输入, 减少了外部电路的干扰;分辨率高达 16 位, 为实现高精度测量提供了可能;参考电压采用供电电压, 降低了电路的成本;AD 转换芯片采用内置集成电路 (Inter-Integrated C
15、ircuit, I2C) 接口与单片机进行通信, 减少了单片机的输入/输出接口 (Input/Output, I/O) 开销, 降低了电路的复杂度, 一定程度上降低了成本。ADC 芯片可被配置为 8/16/32/128 Hz 的采样率, 片内集成了可编程的增益放大器, 最大高达 8 倍的增益, 允许更小信号输入, 具有更高的分辨率12。单片机采用 NORDIC 公司的 n RF51822。芯片搭配片上低压差稳压器 (Low Dropout Regulator, LDO) 时电源范围为 1.83.6 V, LDO 旁路模式为1.751.95 V;片上下拉直流-直流转换器转换器 (Direct C
16、urrent/Direct Current Converter, DC/DC) 用于 3 V 电池 (纽扣电池) 。片上250 ppm, 32 k HZ RC 振荡器在蓝牙低功耗应用时, 不需外部 32 k Hz 晶体, 可节省成本和电路板空间;6 mm6 mm 48 脚方形扁平无引脚封装 (Quad Flat No-lead package, QFN) , 提供最多可达 32 个通用输入/输出 (General Purpose Input/Output, GPIO) ;内部集成了完整的蓝牙协议堆栈 (到配置文件的链接层) , 降低了功耗, 减少了体积, 降低了成本。系统的软件采用 C 语言编写, KEIL 软件编译后, 烧写入单片机。固件功能包括:体温数据采集、体温数据转换、误差校准、蓝牙数据传输。在 n RF51822 低功耗睡眠的软件应用中, 当执行 NRF_POWER-
