无线高准确度基础体温计的硬件设计与实现

魏 群，吕 丹

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350001）

1 引言

基础体温指人体处在清醒而又非常安静，不受肌肉活动、精神紧张、食物及环境温度等因素影响时的体温。基础体温测定在临床上常被用来判断是否排卵、观察卵巢功能，是育龄期女性自主观察身体状况最方便的指标之一。针对传统水银温度计测量精度低，以及数字体温计产品量程窄、分辨率低、测量准确度低等问题，为实现高精度基础体温的测量与数据记录分析，文中旨在开发一款针对女性用户的无线高精度基础体温计，通过采用低功耗硬件设计，保证产品连续长时间可靠工作。

2 总体方案设计

2.1 需求设计分析

通过对市场上现有基础体温计的调查和消费人群特征的分析，对产品的需求做出以下设计：

（1）为确保使用安全，产品外壳应采用聚碳酸酯（PC）材料，具有良好的化学惰性和生物安全性，由于测温部分会接触用户口腔，考虑采用防水设计；

（2）为实现较高的测量精度，结合产品使用需要，主要技术指标定为：测温范围为（10～50）℃，分辨率为0.01℃，准确度为±0.02℃；

（3）为提高用户使用体验，需要产品操作简单，体积小巧，功耗低，存储容量大，可自动记录存储每日体温数据，通过蓝牙通讯模块直接连接手机或其他电子设备，通过数据传输功能在智能手机或其他电子设备上显示并绘制基础体温数据。

2.2 硬件架构设计

无线高精度基础体温计结构如图1所示。采用超低功耗单片机作为主控芯片，主机使用可充电锂电池供电；采用触摸按键设计，长短按搭配完成主机控制；LCD屏显示测温数据、无线状态和电池状态等；蜂鸣器提示开机、校准结束等；无线通讯采用蓝牙模块，可校准传感器并上传数据等。

图1 基础体温计结构示意图

3 硬件设计

3.1 控制芯片设计

图2 控制芯片电路图

HT67F5640单片机广泛应用于各种产品中，是一款A/D型具有8位高性能精简指令集的Flash单片机[1]。本项目选择该芯片具有如下优势：可使用内置的多通道20-bit Delta-Sigma 型A/D（ΔΣA/D）转换器，无需增加A/D转换模块；该芯片的RAM数据存储器足够满足本项目存储至少6个月的基础体温数据；内建完整的系统振荡器，无需外接时钟电路作为系统时钟源；LCD COM和LCD SEG接口方便控制笔段式LCD显示屏。

综上所示，本项目选择该芯片进行设计开发，可减少冗余电路，优化单片机操作和减少功耗，电路图如图2所示。

3.2 测温模块设计

3.2.1 传感器选用

电子体温计常用的传感器为热电阻传感器，其具有热电阻效应，即物质的电阻率随着温度变化而变化。在一定温度范围内，可以通过测量敏感材料的电阻来确定被测的温度。热电阻传感器按电阻温度特性的不同可分为正温度系数金属热电阻（通常称为热电阻）和负温度系数半导体热电阻（通常称为热敏电阻）两大类[2]。四种热电阻传感器性能对比见表1。

表1 四种热电阻传感器性能对比

从表1中可以看出，热敏电阻在最大允许误差和阻值变化率方面更符合设计要求，其在温度变化的同时，热敏电阻的阻值变化为铂热电阻的几十倍，具有更高的分辨率。且热敏电阻具有体积小、灵敏度高、反应速度快、分辨率高等优点，其缺点在于非线性。设计采用的核心控制芯片提供大容量的数据存储空间，能够完整记录所用热敏电阻的温度-阻值对应表，因此选择SEMITEC热敏电阻作为基础体温计的测量元件。

3.2.2 传感器电路设计

HT67F5640单片机包含一个多通道的20位A/D转换器，可以直接接入外部模拟信号，并将这些信号转换成20位数字量。A/D转换器输入通道由4个单端A/D输入通道和两组差分输入通道组成，差分通道包括PGA增益控制、ADC增益控制和ADC参考电压增益控制。此外，单片机还提供了一个温度传感器来补偿A/D转换器由温度引起的偏差。

设计的测温模块电路如图3所示，将NTC元件和R109对比差分输入，PGA、VREF、ADC增益都设置为“1”。

图3 测温模块电路

可以得出：

3.3 蓝牙通讯模块设计

无线通讯采用CSR主流蓝牙芯片HC-05，支持蓝牙V2.0协议标准，具有宽波特率范围4800～1382400，并且模块兼容单片机系统，可用于各种带蓝牙功能的电脑、手机、PDA、PSP等智能终端配对。蓝牙芯片电路图如图4所示，锂电池降压后给HC-05芯片供电，RXD和TXD管脚跟单片机相连，为TTL电平信号，波特率为9600。

3.4 电源模块

从待机时长和体积双方面考虑，选择200mAh的锂电池供电，尺寸为（20×12×5）mm，采用TP4057充电芯片为锂电池充电，充电电流为30mA；低压检测电路如图5所示，当锂电池电压低于3.5V时，传送低压信号至单片机，单片机处理后LCD屏进行低电源提示；最后，经过XC6206P300MR线性稳压器输出稳定的2.5V电源给单片机供电。

图4 蓝牙模块

图5 低压检测电路

4 测试条件及结果

根据JJF1226-2009《医用电子体温计校准规范》，使用二等铂电阻温度计校准装置（测量范围为-200℃～630℃）对两个无线高精度基础体温计进行校准测试，得到结果见表2。

表2 无线高精度基础体温计校准结果

5 结论

针对传统水银体温计及现有数字体温计的不足，本项目研制了一款便携式高准确度基于蓝牙通讯的基础体温计，可快速测量基础体温，具有体积小、功耗低、存储容量大、稳定性好、使用寿命长等优点，采用低功耗元件，可保证仪表长时间测量，经测试测温范围为10℃～50℃，分辨率为0.01℃，准确度为±0.02℃，各项技术指标已达到国内同类产品的领先水平。