连续测量体温监测仪的设计与实现

吴 迪，赵 琢，陈 逢

（威海威高医疗影像科技有限公司，威海 264210）

体温是人体重要的生理参数，正常的体温是维持人体新陈代谢的必要条件，体温的监测是临床诊治的重要指标之一[1]。目前体温测量仪器按照工作原理不同主要分为水银式、红外式和电阻式。 水银体温计是我国临床最常见的体温测量工具，但是由于汞的危害性，世界范围内已经逐步禁止其生产和使用[2]。 红外体温计根据红外辐射原理进行测量，使用便捷、无需接触，但是易受干扰、精度较低[3]，只能用于公众排查，不能用于临床诊治参考[4-5]。 电阻式体温计采用铂电阻或热敏电阻等采集温度，测量精度高、响应速度快，易于集成，使用越来越广泛[6-7]。

按照使用需求不同，体温测量可分为单次测量和连续测量。 目前满足高精度连续测量的产品较少，只有医用监护仪类的设备可以满足需求[8-9]。 但是监护仪成本高、体积大、操作复杂，不适用于单纯的体温测量。 因此设计一款精度高、体积小、便于操作的连续测量体温监测仪，是有待解决的问题。

基于此，本文设计了可连续测量体温监测仪，采用负温度系数（NTC）热敏电阻连续采集体温，信号经过处理电路进入微控制器（MCU）进行模拟/数字转换（ADC），计算出结果在显示屏上实时显示，并对外无线传输数据。 在测量精度、易用性、工作时长等方面均满足需求，实用效果良好。

1 系统方案设计

体温监测仪由微控制器、存储器、温度传感器、信号采集电路、校准电路、信号处理电路、显示屏、蜂鸣器、按键、蓝牙模块、电源管理单元和锂电池组成。系统框图如图1 所示。其中，微控制器为系统核心，用于控制系统运行、读取与分析数据、响应按键指令、驱动显示屏和控制蓝牙模块。 温度传感器用于将实时的温度变化转换为电阻值变化。 进一步通过信号采集电路将电阻值变化转换为电压变化，送入信号处理电路。 校准电路用于采集预设的参考值，并送入信号处理电路。 信号处理电路将模拟量小信号放大后送入微控制器的ADC。 显示屏可以显示体温值、历史数据、电池电量、提示信息、充电状态等。 蜂鸣器用于发出提示声音。 按键实现系统开关机和操作命令输入。蓝牙模块采用BLE 低功耗蓝牙，实现测量数据的无线传输。 电源采用18650 电池组， 由电源管理单元进行电池充电和路径管理。使用USB Type-C 接口充电。

图1 系统框图Fig.1 System architecture diagram

2 硬件设计

2.1 微控制器

微控制器选用STM32L152。该芯片集成了ARM Cortex-M3 内核，CPU 时钟频率最高至32 MHz，能提供高效的运算能力。 内置256 KB 闪存、32 KB 的SRAM 和8 KB 的EEPROM。 12 位1 MSPS 的ADC满足体温数据采集的精度要求。数量众多的GPIO满足外部控制的需求。另外，它的突出特点是超低功耗。

2.2 信号采集、校准和处理电路

信号采集、 校准和处理电路是系统的关键部分，电路设计如图2 所示。 前端温度传感器中的NTC热敏电阻接入TEMP_IN，与电路板上的精密电阻R44、参考电压Vref组成分压电路，将采集到的当前温度下的电阻值转换为电压值，经过滤波网络，通过多路复用开关74HC4501，进入后端的放大电路，经放大后输入到STM32 的ADC 端口。

图2 信号采集、校准和处理电路图Fig.2 Signal sampling，calibrating and processing circuit diagram

多路复用开关74HC4501 是8 选1 开关，输入通道使用3 路，其中一路是通过温度传感器采集到的信号，另外两路是参考电压经过预设精密电阻分压得到的两个参考点，目的在于根据实时采样这两个参考点的电压值，进行校准和修正函数曲线。 参考温度点选取的方法是根据热敏电阻的温度-阻值对照表，选择温度在测量范围内，并且使用常用精密电阻容易实现的温度点。 设计中两个参考温度点为25.5 ℃和37.0 ℃。

图2 中以运放N10 为核心的放大电路将采集到的电压信号放大到与ADC 的参考电压相对应的范围内。 对放大电路进行分析，用Vin表示放大电路输入端电压，Va表示经过N10A 第1 级放大后的输出电压，Vy表示第一参考点输入电压，Vout表示经过N10B 第2 级放大后的输出电压，根据电路参数分析可以得到：

已知电压Vref和Vs，由式（1）、式（2）、式（3）可以计算出Vout和Vin的关系函数。

2.3 电源管理

体温监测仪要实现长时间连续测量，需要大容量电池供电。设计选用3.7 V/6000 mAh 的18650 电池组。 考虑到体温监测仪在电池充电时也要正常工作，因此充电芯片需要具有电源路径管理功能。 设计选取BQ25616 芯片，它是具有电源路径管理功能的独立式3.0 A 降压型电池充电芯片，可以独立调节各项参数，包括输入电流限制、充电电流和充电电压。 电源管理电路如图3 所示。

图3 电源管理电路图Fig.3 Power management circuit diagram

通过ILIM 引脚可以设置输入电流限制，R117选用402 Ω 电阻接地，实现最大1.2 A 输入电流。 通过ICHG 引脚可以设置恒流充电过程中的电流值，R118选用619 Ω 电阻接地， 实现1.1 A 的充电电流。VSET 引脚可以调节充电电压， 此引脚悬空即设置为4.2 V 的充电电压。#PGOOD 和STAT 两个输出引脚的组合，可以表示当前充电状态，两者都是开漏极输出，通过发光二极管和限流电阻上拉到3.3 V，并且接入STM32 的IO 口，实现充电状态指示灯功能，同时把状态信息输出到MCU。

2.4 显示屏电路

显示屏作为人机交互界面用于显示体温值、历史体温数据、提示信息、当前电池电量、电池充电状态等。 系统采用1.3 寸、分辨率为128×64 的OLED液晶屏，亮度130 cd/m2，使用3.3 V 供电。 驱动芯片为SH1106G，采用4 线SPI 接口传输数据。 显示屏接口电路如图4 所示。

图4 显示屏接口电路图Fig.4 LCD interface circuit diagram

液晶屏在上电瞬间会有不确定状态，可能显示乱码。 为了遮掩乱码，设计了液晶屏背光时序控制。设计用MOS 管2301 作为背光的控制开关。 STM32的GPIO 控制BL_SW 输出高电平时，三极管V4导通，2301 的栅源极电压差超过阈值，MOS 管导通，液晶屏背光点亮。

2.5 蓝牙模块电路

蓝牙模块用于将测出的体温数据向外部设备传输，采用BLE5.0 标准。使用蓝牙透传方式，STM32 仅需使用UART 接口与蓝牙模块通信，即可实现蓝牙数据传输。 RF-BM-4044 蓝牙模块具备-21～+2 dBm宽输出功率调节，-97 dBm 高增益接收灵敏度。蓝牙模块的接口电路如图5 所示。TX 和RX 引脚用于蓝牙模块发送和接收数据，连接到STM32 的RXD 和TXD 引脚。如图6 所示。 关机状态下，按下按键SW1，二极管D9导通，电源PWR 通过R1和R4分压，MOS 管N1导通，系统上电。STM32 工作后先检测BTN_DET 引脚，如果是低电平，则将PWR_EN 引脚拉高，使得三极管V1导通。 此时松开按键，MOS 管N1也保持导通，完成系统开机动作。 系统正常运行后，BTN_DET 引脚用于检测按键动作，并通过计时器识别长按或短按，以执行相应命令。

图5 蓝牙模块接口电路图Fig.5 Bluetooth module interface circuit diagram

图6 按键电路图Fig.6 Button circuit diagram

2.6 按键电路

设计采用单按键，用于开关机、功能操作和调取菜单。各种操作通过长按、短按来区分。按键电路

3 软件设计

3.1 系统主程序设计

体温监测仪的UI 分为两个界面： 数据读取界面和历史数据界面。 每次开机默认进入数据读取界面，两个界面可以相互切换，在每个界面中进行对应的操作。 系统主程序流程如图7 所示。 系统上电初始化后进入数据读取界面，该界面中进行连续体温测量和显示，再将数据通过蓝牙传输。 通过短按按键（＜3 s）可以进行界面切换的操作，即切换到历史数据界面。历史数据界面用于显示最近保存的3组体温值。 在历史数据界面通过短按按键可以切换到数据读取界面。 在任何一个界面下长按按键（≥3 s）即为关机操作，系统关机。

图7 系统主程序流程Fig.7 Main program flow chart of system

3.2 数据读取设计

对于NTC 热敏电阻的温度-电阻曲线解析，通常有公式法、线性拟合法及查表法。 NTC 热敏电阻有如下公式：

式中：T 和T1为开尔文温度；RT为温度T 下的电阻值；R1为温度T1下的电阻值；B 值是与热敏电阻材料相关的参数，由厂家给出。 因此已知B，R1和T1，并通过ADC 和输入端分压电路计算出RT后，可以计算出温度T。 但是实际上B 值只是在一个温度区间内有意义，超出区间B 值会变化。因此按照公式法计算的温度值存在较大偏差，当精度要求高时无法满足。 线性拟合法将NTC 热敏电阻的温度-电阻曲线分段线性拟合，但对于落在每一分段区间中的数据，与实际值存在一定偏差， 同样不适合高精度应用。而对于查表法，由于NTC 热敏电阻厂家提供了0.1 ℃精度的温度-电阻对照表，可以将误差有效减小。

在基于热敏电阻的温度测量系统中，误差包括参考电压误差、放大电路参数误差、ADC 非线性误差和截距误差等。 设计采用两个参考温度点对误差进行校正。 原理是用高精度高稳定性的精密电阻代替NTC 热敏电阻，分别模拟在25.5 ℃和37.0 ℃时的数据。将用精密电阻进行ADC 转换后得到的电压值与已知的对应电压值做比较，将两者的差作为校准参数，在实际测量体温时，调用校准参数进行修正，再查表得出校准后的体温值。 为了进一步减小误差，采用分段校准。 数据读取模块的程序流程如图8 所示。 用E1表示25.5 ℃时的校准参数；E2表示37 ℃时的校准参数；E 表示实际采用的校准参数；t0表示初测体温；tc表示校准后体温。 计算得出tc，在显示屏上显示。 下一步进行超限检测，判断体温是否超出测量范围。 在数据读取界面中，连续2 次短按按键，系统会保存当前体温数据。 在历史数据界面中可以查看最后3 次保存的体温数据。

图8 数据读取模块程序流程Fig.8 Flow chart of data reading module program

3.3 超限检测程序设计

根据体温监测仪的设计要求，在25～45 ℃测量范围内，整机除温度传感器探头外的最大允许误差为±0.1 ℃；其余显示范围内最大允许误差为±0.2 ℃。系统需判断测量的温度是否在25～45 ℃范围内，并给出提示信息，用于提示测量精度可能发生变化。具体实现方式如下：如果超出上述范围，显示屏显示超出上限或者超出下限提示，同时驱动蜂鸣器发声1 s 进行声音提示。超限检测程序流程如图9 所示。

图9 超限检测程序流程Fig.9 Flow chart of overflow detection program

3.4 电池电量检测设计

显示屏在每个界面都可以显示电池的电量和状态。电池电压通过STM32 的一路ADC 端口读取。因使用的18650 电池组最高电压为4.2 V，而ADC的参考电压为2.5 V，因此用电阻网络将电池电压分压到参考电压范围内，再进入ADC 读取。 设计电量显示为三格指示， 分格的节点电压是3.7 V，3.4 V，3.2 V。低于3.2 V 显示为空格。低于3.05 V 时，为保护锂电池、避免过度放电，系统关机。

4 系统测试

4.1 测量准确度测试

测量准确度测试可以分为温度探头和整机两部分单独进行。本系统中的NTC 热敏电阻温度探头已有厂家的测试报告，因此只需测试整机部分。 设计测量范围是15～45 ℃。按照设计要求，整机在25～45 ℃范围内最大允许误差为±0.1 ℃；在小于25 ℃范围内最大允许误差为±0.2 ℃。

使用温度探头模拟器进行测试。 模拟器是根据热敏电阻的温度-阻值对照表，选择测量范围内各个整摄氏度对应的电阻值，使用精密电阻制作的测试设备， 其原理示意图如图10 所示。 通过转动旋钮，选择接入对应的电阻值。 选取5 台体温监测仪样机进行测试，抽取温度点的测试结果如表1 所示。由测试数据可见，在25～45 ℃范围内的最大误差为±0.1 ℃；在小于25 ℃范围内的最大误差为0.2 ℃，符合设计要求。 并且在正常体温范围内的误差较小。

表1 测试结果Tab.1 Test results

图10 温度探头模拟器原理示意图Fig.10 Schematic diagram of temperature probe simulator

4.2 连续工作时间测试

首先测量系统工作电流，使用示波器电流探头测量电池端电流，波形如图11 所示，平均电流约为22 mA。 进一步测量连续工作时间，从电池充满电开始连续工作，直到系统自动关机为止。 测量样机平均工作时间为273 h，符合设计需求。 体温监测仪实物测试如图12 所示。

图11 工作电流测试波形图Fig.11 Waveform of working current test

5 结语

本文设计实现了一款连续测量的体温监测仪，以NTC 热敏电阻作为温度传感器，采用低功耗的STM32L152 作为控制核心，通过设置参考点并实时采样，修正函数曲线，保证了测量准确性。 基于低功耗的系统设计，并选取小尺寸OLED 显示屏和BLE 5.0 标准的蓝牙模块，配合大容量锂电池，确保长时间连续工作。 多功能单按键结合双界面的UI 设计实现了简洁操作。经测试表明，系统性能稳定、测量准确度高、工作时间长。 整机成本低、体积小，可代替监护仪测量体温使用，具有较好的应用前景。