多参数监护仪等上位机使用的体温数字探头设计

　　前 言

　　体温测量是临床及家庭保健了解人体生理和病理状态的最基本手段之一。 目前国内医院和家庭普遍采用水银体温计进行体温测量。 虽然水银体温计价格便宜、读数准确，但是由于具有响应速度慢、易破碎产生汞污染、不方便连续监测等缺点，在欧美国家已经被禁止销售和使用，取而代之的是电子体温计。 电子体温计安全环保，响应速度快，不仅可用于家庭、门诊和普通病房的体温测量，也可用于 ICU 危重病人的体温监测和网络化的体温监测。
　　目前电子体温监测的方法大多是利用温度传感器与人体接触后的热平衡原理来获得体温信息的。
　　NTC（Negative Temperature Coefficient）热 敏电阻是一种常用的温度传感器，采用这种传感器设计的电子体温计精度不高，尤其是在用于体温监护时，需要较长的导线与监护系统连接， 在测量中很容易引入干扰。 此外，不同的温度传感器将会产生不同的信号变换形式和计算方法，这就要求体温探头必须与指定设备匹配，造成探头的通用性极差。 本文设计了一种数字体温探头（Digital Body Temperature Probe， d-BTP），具有电路简单、抗干扰能力强、成本低、匹配性好等优点。

　　1 材料和方法

　　1.1 测量原理

　　d-BTP 的核心部件采用 Microchip 公司的 PIC12LF1822 单片机。 该单片机内置温度传感器，且内含RC 振荡器、10 位模数转换器（Analog to Digital Conv-erter，ADC）、1024 mV 基准电压等。 芯片内部的温度传感器采用半导体二极管与内部 ADC 相连。 温度的测量范围为-40℃~ 85℃， 而人体的正常体温一般介于 35℃~42℃之间，就测量范围而言，完全满足要求。
　　图 1 为 PIC12LF1822 中温度传感器的简要结构。
　　如图 1 所示，温度传感器由 4 个串联的二极管组成，对于单个的二极管，其温度变化量为 1.32 mV/℃，因此温变电压 Vt（mV）的计算公式为：
　　Vt=0.606-Temp·0.00132 （1）
　　其中 Temp 为所测温度，单位是℃。
　　该温度传感器能够工作在高精度和低精度两种模式下，其中低精度模式下使用两个二极管。 该模式下的温度变化量为 2 倍的 Vt，即 2.64 mV/℃，计算公式为：
　　2t=1.212-Temp·0.00264 （2）
　　高精度模式下使用四个二极管。 该模式下的温度变化量为 4 倍的 Vt，即 5.28 mV/℃，计算公式为：
　　4Vt=2.425-Temp·0.00528 （3）
　　人体的体温一般介于 35℃~ 42℃之间，我们将体温探头的测量范围设置在 25℃~45℃之间， 则可得：
　　在低精度模式下， 温度传感器的电压变化范围在1.146 V~1.093 V 之间，即电压变化量为 0.053 V；在高精度模式下， 温度传感器的电压变化范围在 2.293 V~2.187 V 之间，即电压变化量为 0.106 V。 这里我们采用高精度模式，则在 PIC12LF1822 中，ADC 测得的实际温度电压 VtADC为：
　　VtADC=VDD-4Vt（4）
　　其中 VDD为芯片供电电压。根据 PIC12LF1822 数据资料，VtADC正常输入电压不应小于 0.7 V，则根据式（4），VDD的电压要求≥3.0 V。
　　经过 AD 转换之后，ADC 的输出值 ADCresult为： 　　其中 Vref为 ADC 的参考电压，n 为 ADC 的分辨率（这里 n=10）。 Vref可以选择固定参考电压模式，提供1.024 V、2.048 V 和 4.098 V 三种参考电压基准。 对于10 位分辨率的 ADC 来说，当参考电压为 1.024 V 时，其电压分辨率为 1.0 mV， 则其温度分辨率为 0.189℃。 目前临床上使用的大多数热敏电阻电子体温计的测量误差在 0.5℃左右，由此可见，ADC 采用 1.024 V参考电压所获得的体温测量精度相比而言是较高的。
　　因此， 在设计时设定 VDD的电压为 3.0 V，ADC 参考电压为 1.024 V。

　　1.2 硬件电路设计

　　PIC12LF8122 单 片机在 500 kHz 主 频时的典型耗电电流为 0.15 mA，ADC 工作时瞬时（<5mS）电流为 0.25 mA，d-BTP 可以直接由上位机 （如多参监护仪）UART 接口的 +5 V 电压来供电。 由于 VDD的供电电压为 3.0 V， 因此可以接一个低压差线性稳压器进行电源转换，并保持电压的稳定性。 d-BTP 硬件系统框图如图 2 所示。
　　1.3 软件程序设计

　　为了简化设计和控制过程，输出采用自动定时串口输出的方式，即当上位机提供合适的供电电压后，体温探头在系统稳定之后自动发送体温数据至上位机。每个体温数据的检测时间间隔为is。山于PIC12LF8122中一片机内置温度传感器所测量的体温数据与单片机的供电电压vDD有关，因此在每次测量体温之前都要先测量vDD，然后将所测电压带入温度输出函数进行测量精度的校正。为了降低体温探头的功耗，在编写温度测量ADC函数时，使ADC在每次转换期间系统处于睡眠状态，同时使系统的看门狗定时器定时Is}在ADC完成一组数据转换结束后，看门狗定时器唤醒单片机系统后再输出数字体温数据，然后回到测量vDD重复进行。
　　总的软件设计流程图如图3所示。
　　2 结 果

　　基于上述原理，开发了 d-BTP 实物模型，整个体温探头的面积为 14.5 mm × 5.5 mm，如图 4 所示。
　　在测试阶段为了能直观的显示 d-BTP 所测温度，利用 Visual Basic 6.0 的通信控件 Mscomm 属性设置和事件响应实现了 PC 机与 d-BTP 串口通信。 d-BTP采集的测试点实时温度， 通过 MAX232 传输到 PC机，由上位机完成体温数据的实时显示和存储。
　　为了验证 d-BTP 的准确性，将其用热熔胶封装好后与水银体温计同时放在恒温水槽中进行测量比较，在体温范围内的测量结果如表 1 所示。
　　实验测量表明，d-BTP 测量结果绝对误差小于0.2℃。
　　d-BTP 性能指标如下：
　　体积：14.5 mm × 5.5 mm ×2 mm；
　　工作电压：3 V~5.5 V；
　　功耗： 0.8 mW（工作电压为 5 V 时）；
　　测温范围：25℃~45℃；
　　测量绝对误差：< 0.2℃

　　3 结 论

　　本文设计了一种基于串口通信技术的数字体温监测探头，只需一片 PIC12LF1822 单片机外加少量元件即可完成除显示和报警（可以在多参数监护仪等上位机中完成）之外的所有功能，具有结构简单、成本低，精度高，抗干扰能力强等优点，同时无需考虑温度曲线及阻抗与上位机的匹配，比较容易实现与多种监护设备的连接。

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