一種低功耗的便攜式體溫計設計

景陽春

（延安大學，陜西 延安 716000）

0 引言

近年來，由于國內(nèi)社會快節(jié)奏的生活方式和工作壓力，人們在忙碌的同時還需要及時了解自身身體的健康狀況，身心上的疲憊可想而知，在這種背景下，智能醫(yī)療產(chǎn)品的發(fā)展突飛猛進，便攜式體溫計就是其中之一，它改變了人們對體溫測量方式的選擇.目前常見的體溫測量的方式有：水銀體溫計、電子體溫計和紅外線體溫計等，測溫范圍均在35℃～42℃[1].因為紅外線體溫計和電子體溫計中無水銀成分，所以被稱為“無汞體溫計”.雖然水銀體溫計測得的溫度穩(wěn)定而且準確，但缺點是測量時間計較長，而且容易破碎和造成汞污染從而引發(fā)汞中毒.“無汞體溫計”具有測量速度快、安全、靈敏等特點，能實現(xiàn)將測量所得的溫度數(shù)字化顯示，能夠儲存測溫數(shù)據(jù)，實時反饋體溫的變化趨勢.將智能化和體溫計相結合，通過借助移動終端設備，將測得體溫呈現(xiàn)在移動平臺上，提升了測量效率且具有實時性，在新的時代背景下，更加具有前瞻性，在政策的指導下，此類體溫計將會進入一個生長期[2].

1 設計思路

1.1 設計要求

（1）溫度采集器具備測溫速度快、靈敏度高、測量數(shù)據(jù)準確、傳輸穩(wěn)定的特點.

（2）移動終端實現(xiàn)體溫實時監(jiān)控和記錄，通過記憶曲線查看體溫變化.[3]

（3）由于溫度采集器是適合大眾使用的，所以在設計的時候選擇了低成本的器件.

基于以上描述，選用STM32 F103C8T6作為系統(tǒng)的主控芯片，DS18B20作為溫度測量傳感器，WiFi模塊傳輸數(shù)據(jù)到移動終端.

1.2 設計原理

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要由人體溫度采集模塊、微控制器模塊、OLED液晶顯示模塊、WIFI通信模塊和蜂鳴器等模塊組成.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.3 方案選擇

主控器選用STM32 F103C8T6，內(nèi)核為32位，數(shù)據(jù)處理速度快，并且其供電電壓為3.3V，功耗較小[4].傳感器選用DS18B20，采用單線接口方式的數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、抗干擾能力強、精度高的特點.通信模塊選用ESP8266作為通信工具，是一款超低功耗的WIFI傳輸模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議線，可將用戶的物理設備連接到無線網(wǎng)絡上，進行互聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能[5].選用OLED型號作為顯示屏，具備自發(fā)光、不需要背光源、對比度高、反應速度快、構造簡單等優(yōu)點，該模塊具有多種接口方式，供電電壓3.3V即可，并有單色和雙色兩種選擇.

2 系統(tǒng)硬件設計

基于低功耗的便攜式體溫計設計的總原理圖如圖2所示.核心模塊為STM32F103CBT6微處理器，DS18B20溫度傳感器與STM32F103CBT6的11號引腳相連，將測得溫度以脈沖信號輸出至STM32F103CBT6進行處理[6]，OLED模塊在微處理器的驅(qū)動下顯示溫度，若所測溫度高于正常體溫，則觸發(fā)報警，同時ESP8266 WiFi模塊與云端建立連接并將溫度數(shù)據(jù)傳輸至已連接的移動終端上[7].

圖2 系統(tǒng)總電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)編程選用Keil uVision5作為軟件開發(fā)系統(tǒng)，用C語言執(zhí)行軟件編程.系統(tǒng)軟件設計主要包括DS18B20傳感器、無線WIFI模塊和OLED顯示模塊.

3.1 系統(tǒng)軟件組成

3.1.1 DS18B20傳感器

由于DS18B20是采用單總線的方式與STM32實現(xiàn)雙向通信的，所以DS18B20對讀寫數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求，DS18B20應遵循相應的時序邏輯從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院驼_性.該時序協(xié)議定義了多種信號的時序：初始化時序、寫字節(jié)時序、讀字節(jié)時序.[8]所有時序都是將STM32為主機，DS18B20為從機.主機輸出低電平并至少保持480us,以產(chǎn)生復位脈沖.接著主機釋放總線，上拉電阻將總線拉高，保持15～60us，并進入接收模式.接著DS18B20將總線拉低保持60～240us，以產(chǎn)生低電平應答脈沖.讀、寫時序都需要至少60us，且在兩次獨立的時序之間至少需要1us的恢復時間，數(shù)據(jù)和命令都是從低位開始，將讀取的8位數(shù)據(jù)乘以0.0625即可得到實際溫度[9].DS18B20模塊的流程圖如圖3所示.

圖3 DS18B20模塊的流程圖

圖4 WIFI模塊的流程圖

3.1.2 無線WIFI模塊

ESP8266利用串口協(xié)議和STM32實現(xiàn)雙向通信，STM32發(fā)送AT指令對系統(tǒng)進行初始化，即設置進入WiFi模塊并退出透傳，開機重啟，連接網(wǎng)絡等操作；接著需要在云端添加設備，WIFI采用TCP協(xié)議連接云端IP，這樣就和平臺建立連接；云端利用EDP協(xié)議連接設備ID號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流上傳，這樣就可以在平臺上查看到數(shù)據(jù)記憶曲線[10].WIFI模塊的流程圖如圖4所示.

3.1.3 OLED顯示模塊

首先，對OLED顯示屏進行初始化，接著驅(qū)動IC初始化，對I/O口初始化，開啟顯示并清屏；接著按照時序協(xié)議對其寫數(shù)據(jù)或者寫命令，OLED更新緩存顯示內(nèi)容；利用漢字取模軟件將漢字、字符轉化成十六進制碼表，調(diào)用碼表就可以顯示漢字了.OLED顯示流程圖如圖5所示.

圖5 OLED顯示流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試與測量

硬件部分調(diào)試需要檢測STM32最小系統(tǒng)能否正常工作；檢測電路板的每個芯片管腳焊接是否連接準確；對已經(jīng)進行靜態(tài)檢測的每個硬件功能模塊，再仔細分析并檢測電路的每個模塊能否正常工作，排除因疏忽某一部分而引入的錯誤.在確認全部檢查正常無誤的情況，根據(jù)系統(tǒng)電路的原理圖完成其PCB，從而獲得電路板.軟件調(diào)試主要是對軟件編程和硬件之間的匹配進行檢測.首先，對程序整體進行檢查，如DS18B20傳感器、WIFI模塊、OLED顯示模塊、STM32F103C8T6的GPIO配置是否正常，是否與硬件的連接相互匹配.然后檢查各個模塊的數(shù)據(jù)是否能正常的發(fā)送和接收，如DS18B20傳感器是否準確的將數(shù)據(jù)讀出，WIFI模塊能否接受到正確的AT指令，OLED顯示模塊是否可以正常工作.最后測試OLED顯示的溫度數(shù)據(jù)是否正常，云端能否正常接受到數(shù)據(jù)，移動終端能否查看到溫度記憶曲線.

5 結束語

本文主要設計了一款具有低功耗、便攜式、智能化功能的體溫計，能夠準確、高效地測量并記錄被測者的人體溫度，當超過正常值時進行報警，能夠?qū)崟r監(jiān)測和統(tǒng)計被測者的體溫數(shù)據(jù)，對于現(xiàn)實生活具有很大的意義，可廣泛應用于家庭和醫(yī)院等領域，具有廣闊的市場前景[11].本設計還存在一些缺陷，還需要進一步完善設計，比如對系統(tǒng)的外包裝進行設計，實現(xiàn)系統(tǒng)外包裝的便攜和美觀.