基于MSP430的可存储式人体皮温测量仪

凌振宝，方远韬，肖 尧，许 鹏，王文婷，庞宇轩

(吉林大学a.仪器科学与电气工程学院，长春130061;b.通信工程学院，长春130012;c.口腔医学院，长春130026)

0 引言

人体皮温是临床医疗和医学研究过程中最重要的客观指标之一，其准确性和精确性直接影响到疾病的诊断和治疗。

根据发热的共性可将发热过程分为3个阶段:体温上升期、持续高热期和体温下降期。随时掌握体温变化的趋势，对临床用药以及药性分析都有重要意义，且随着医疗水平的不断提高，人体各项指标测量的精确性愈加重要，人体皮温作为其中最具有普遍性的指标，但其测量方式依旧沿用老式的由护士查房时用水银柱体温计进行皮温测量。这种测量方式因精度不足可能造成误诊。笔者针对现有皮温测量设备精度及实时测量能力不足的问题，依据热敏电阻测温、计算机通信及单片机技术，设计了一种可存储式人体皮温测量仪，可对人体皮温数据进行测量、存储和分析。

1 设计思路

该仪器利用热敏电阻进行测量，既有较快的速度，又可在保证测量精度的前提下降低成本。利用MSP430单片机内部的12位ADC(模数转换器)进行模数转换，将测得的电压数据转换为温度数值，同时凭借MSP430单片机低功耗的特点［1］，在实现各种功能的同时实现其便携性。利用MSP430F149单片机内部的60 kByte的Flash存储器，满足了长时间的实时测量并记录病人的皮温数据［2］的要求。并且利用串口通信将存储的数据传输至PC［3］，绘制皮温曲线，对患者的皮温变化进行分析。

2 系统硬件设计

笔者设计的测量仪包括:测量模块、存储模块和显示模块。测量模块主要由热敏电阻构成的电桥和电压跟随器组成，存储模块主要由MSP430单片机内部的大容量Flash组成，显示模块主要由CPU处理器和显示屏组成，在3模块协调配合工作下实现皮温的精确测量和存储［4］。其工作过程为:热敏电阻接入电桥中，电桥连接到电压跟随器［5］，输出至单片机，单片机内部的12位A/D可将电压信号转换成精度为0.1℃的温度数值，而后将数据存储到单片机内部的大容量存储器中［6］。与单片机连接的液晶屏可即时显示病人的皮温，便于随时观察病人的皮温变化［7］。读取控制按键与单片机连接，控制单片机在需要时将数据读出并通过通信电路将数据传输至上位机中［8］，以便进一步进行数据处理和分析。其硬件系统组成如图1所示。

图1 硬件系统组成框图Fig.1 Block diagram of the hardware system

2.1 测量模块

负温度系数热敏电阻［9］是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子(电子和空穴)数目少，电阻较高;温度升高时，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长和价格低等优点，广泛应用于需要定点测温的温度自动控制电路［10］。

由于电桥输出电压为差模电压，所以，在电桥后加装电压跟随器。使电压值可方便传输至单片机的A/D转换器中。电路图如图2所示。

图2 测量模块电路图Fig.2 Block diagram of the temperature measurement module

2.2 存储模块

MSP430F149是TI公司的16位RISC单片机，具有16个16位的寄存器，27条精简指令，片内Flash 60 kByte，片内RAM 2 kByte以及使用双重取数据技术，满足应用的要求［11］。

该设计中，60 kByte的空间可在每5 min存储一次数据的情况下存储多天的皮温数据，进而进行数据分析及曲线绘制。

2.3 显示模块

SMC1602字符型液晶显示模块［12］是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD(Liquid Crystal Display)。MSP430F149读取nRF905接收的数据并通过I/O口控制LCD进行显示。单片机的P5.5为R/W控制信号，P5.3为LCD的E使能信号。P3口作为LCD现实数据(或指令)通信口［13］。显示模块电路图如图3所示。

图3 显示模块电路图Fig.3 Display module circuit

2.4 通信模块

由于该设计需要对数据进行进一步分析对比，所以，单片机和PC机之间的通信是必要的。根据MAX232通信技术设计了串口通信电路，将测得数据传输至上位机［14］。电路图如图4所示。

图4 Max232串口电路图Fig.4 Max232 serial interface circuit

3 软件设计

MSP430上电后，各器件初始化，定时器设置为5 min。从P6.1脚接收测量电路的电压信号，每5 min将电压信号通过MSP430内部的12位A/D及相关温度算式转化为温度数据。送至Flash寄存器进行储存以及1602显示。同时，系统不断查询是否有55H信号从P6.5脚输入，若有55H信号输入，则将Flash寄存器存储的皮温数据输出至PC机，以便进行后续处理。程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图Fig.5 Process flow chart

4 系统测试结果及分析

在设计完成后，对该设计进行了性能测试。测试方式:小组中找一名成员作为“患者”接受测试。先将热敏电阻用松紧带固定于腋下，将测试仪装在带有肩带的袋子中;然后测量仪上电，开始测量。佩戴者将携带12 h。同时将测量仪与上位机相连，传输数据。最后将数据通过EXCEL绘制图形，进行分析。

测试结果及分析:经过对测量数据的分析，“患者”的体温在12 h内变化曲线如图6所示。

图6 测试皮温变化图Fig.6 Test skin temperature chart

因“患者”体型较胖，且在10:00时进行了半小时的运动，及考虑到时间对人体体温的影响，该“患者”体温相对正常。测量精度及存储准确度良好，符合实际要求。

5 结语

该测量仪采用MSP430单片机、热敏电阻技术，基于模块化的思想进行总体构建，能实现精确测量、实时记录，精度符合实际应用的需求，在临床医疗与医学研究中可提供更充分可靠的依据。该设计具有性能高、低功耗和成本低等特点，符合医院与新药研制的需求，具有一定前景及市场价值。

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