無線高準確度基礎(chǔ)體溫計的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

魏 群，呂 丹

（福建省計量科學(xué)研究院，福建 福州 350001）

1 引言

基礎(chǔ)體溫指人體處在清醒而又非常安靜，不受肌肉活動、精神緊張、食物及環(huán)境溫度等因素影響時的體溫。基礎(chǔ)體溫測定在臨床上常被用來判斷是否排卵、觀察卵巢功能，是育齡期女性自主觀察身體狀況最方便的指標之一。針對傳統(tǒng)水銀溫度計測量精度低，以及數(shù)字體溫計產(chǎn)品量程窄、分辨率低、測量準確度低等問題，為實現(xiàn)高精度基礎(chǔ)體溫的測量與數(shù)據(jù)記錄分析，文中旨在開發(fā)一款針對女性用戶的無線高精度基礎(chǔ)體溫計，通過采用低功耗硬件設(shè)計，保證產(chǎn)品連續(xù)長時間可靠工作。

2 總體方案設(shè)計

2.1 需求設(shè)計分析

通過對市場上現(xiàn)有基礎(chǔ)體溫計的調(diào)查和消費人群特征的分析，對產(chǎn)品的需求做出以下設(shè)計：

（1）為確保使用安全，產(chǎn)品外殼應(yīng)采用聚碳酸酯（PC）材料，具有良好的化學(xué)惰性和生物安全性，由于測溫部分會接觸用戶口腔，考慮采用防水設(shè)計；

（2）為實現(xiàn)較高的測量精度，結(jié)合產(chǎn)品使用需要，主要技術(shù)指標定為：測溫范圍為（10～50）℃，分辨率為0.01℃，準確度為±0.02℃；

（3）為提高用戶使用體驗，需要產(chǎn)品操作簡單，體積小巧，功耗低，存儲容量大，可自動記錄存儲每日體溫數(shù)據(jù)，通過藍牙通訊模塊直接連接手機或其他電子設(shè)備，通過數(shù)據(jù)傳輸功能在智能手機或其他電子設(shè)備上顯示并繪制基礎(chǔ)體溫數(shù)據(jù)。

2.2 硬件架構(gòu)設(shè)計

無線高精度基礎(chǔ)體溫計結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用超低功耗單片機作為主控芯片，主機使用可充電鋰電池供電；采用觸摸按鍵設(shè)計，長短按搭配完成主機控制；LCD屏顯示測溫數(shù)據(jù)、無線狀態(tài)和電池狀態(tài)等；蜂鳴器提示開機、校準結(jié)束等；無線通訊采用藍牙模塊，可校準傳感器并上傳數(shù)據(jù)等。

圖1 基礎(chǔ)體溫計結(jié)構(gòu)示意圖

3 硬件設(shè)計

3.1 控制芯片設(shè)計

圖2 控制芯片電路圖

HT67F5640單片機廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品中，是一款A(yù)/D型具有8位高性能精簡指令集的Flash單片機[1]。本項目選擇該芯片具有如下優(yōu)勢：可使用內(nèi)置的多通道20-bit Delta-Sigma 型A/D（ΔΣA/D）轉(zhuǎn)換器，無需增加A/D轉(zhuǎn)換模塊；該芯片的RAM數(shù)據(jù)存儲器足夠滿足本項目存儲至少6個月的基礎(chǔ)體溫數(shù)據(jù)；內(nèi)建完整的系統(tǒng)振蕩器，無需外接時鐘電路作為系統(tǒng)時鐘源；LCD COM和LCD SEG接口方便控制筆段式LCD顯示屏。

綜上所示，本項目選擇該芯片進行設(shè)計開發(fā)，可減少冗余電路，優(yōu)化單片機操作和減少功耗，電路圖如圖2所示。

3.2 測溫模塊設(shè)計

3.2.1 傳感器選用

電子體溫計常用的傳感器為熱電阻傳感器，其具有熱電阻效應(yīng)，即物質(zhì)的電阻率隨著溫度變化而變化。在一定溫度范圍內(nèi)，可以通過測量敏感材料的電阻來確定被測的溫度。熱電阻傳感器按電阻溫度特性的不同可分為正溫度系數(shù)金屬熱電阻（通常稱為熱電阻）和負溫度系數(shù)半導(dǎo)體熱電阻（通常稱為熱敏電阻）兩大類[2]。四種熱電阻傳感器性能對比見表1。

表1 四種熱電阻傳感器性能對比

從表1中可以看出，熱敏電阻在最大允許誤差和阻值變化率方面更符合設(shè)計要求，其在溫度變化的同時，熱敏電阻的阻值變化為鉑熱電阻的幾十倍，具有更高的分辨率。且熱敏電阻具有體積小、靈敏度高、反應(yīng)速度快、分辨率高等優(yōu)點，其缺點在于非線性。設(shè)計采用的核心控制芯片提供大容量的數(shù)據(jù)存儲空間，能夠完整記錄所用熱敏電阻的溫度-阻值對應(yīng)表，因此選擇SEMITEC熱敏電阻作為基礎(chǔ)體溫計的測量元件。

3.2.2 傳感器電路設(shè)計

HT67F5640單片機包含一個多通道的20位A/D轉(zhuǎn)換器，可以直接接入外部模擬信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成20位數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器輸入通道由4個單端A/D輸入通道和兩組差分輸入通道組成，差分通道包括PGA增益控制、ADC增益控制和ADC參考電壓增益控制。此外，單片機還提供了一個溫度傳感器來補償A/D轉(zhuǎn)換器由溫度引起的偏差。

設(shè)計的測溫模塊電路如圖3所示，將NTC元件和R109對比差分輸入，PGA、VREF、ADC增益都設(shè)置為“1”。

圖3 測溫模塊電路

可以得出：

3.3 藍牙通訊模塊設(shè)計

無線通訊采用CSR主流藍牙芯片HC-05，支持藍牙V2.0協(xié)議標準，具有寬波特率范圍4800～1382400，并且模塊兼容單片機系統(tǒng)，可用于各種帶藍牙功能的電腦、手機、PDA、PSP等智能終端配對。藍牙芯片電路圖如圖4所示，鋰電池降壓后給HC-05芯片供電，RXD和TXD管腳跟單片機相連，為TTL電平信號，波特率為9600。

3.4 電源模塊

從待機時長和體積雙方面考慮，選擇200mAh的鋰電池供電，尺寸為（20×12×5）mm，采用TP4057充電芯片為鋰電池充電，充電電流為30mA；低壓檢測電路如圖5所示，當鋰電池電壓低于3.5V時，傳送低壓信號至單片機，單片機處理后LCD屏進行低電源提示；最后，經(jīng)過XC6206P300MR線性穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定的2.5V電源給單片機供電。

圖4 藍牙模塊

圖5 低壓檢測電路

4 測試條件及結(jié)果

根據(jù)JJF1226-2009《醫(yī)用電子體溫計校準規(guī)范》，使用二等鉑電阻溫度計校準裝置（測量范圍為-200℃～630℃）對兩個無線高精度基礎(chǔ)體溫計進行校準測試，得到結(jié)果見表2。

表2 無線高精度基礎(chǔ)體溫計校準結(jié)果

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)水銀體溫計及現(xiàn)有數(shù)字體溫計的不足，本項目研制了一款便攜式高準確度基于藍牙通訊的基礎(chǔ)體溫計，可快速測量基礎(chǔ)體溫，具有體積小、功耗低、存儲容量大、穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)點，采用低功耗元件，可保證儀表長時間測量，經(jīng)測試測溫范圍為10℃～50℃，分辨率為0.01℃，準確度為±0.02℃，各項技術(shù)指標已達到國內(nèi)同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平。