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    多參數監護儀等上位機使用的體溫數字探頭設計

    時間:2014-05-10 來源:未知 作者:學術堂 本文字數:3354字
    論文摘要

      前 言

      體溫測量是臨床及家庭保健了解人體生理和病理狀態的最基本手段之一。 目前國內醫院和家庭普遍采用水銀體溫計進行體溫測量。 雖然水銀體溫計價格便宜、讀數準確,但是由于具有響應速度慢、易破碎產生汞污染、不方便連續監測等缺點,在歐美國家已經被禁止銷售和使用,取而代之的是電子體溫計。 電子體溫計安全環保,響應速度快,不僅可用于家庭、門診和普通病房的體溫測量,也可用于 ICU 危重病人的體溫監測和網絡化的體溫監測。
      目前電子體溫監測的方法大多是利用溫度傳感器與人體接觸后的熱平衡原理來獲得體溫信息的。
      NTC(Negative Temperature Coefficient)熱 敏電阻是一種常用的溫度傳感器,采用這種傳感器設計的電子體溫計精度不高,尤其是在用于體溫監護時,需要較長的導線與監護系統連接, 在測量中很容易引入干擾。 此外,不同的溫度傳感器將會產生不同的信號變換形式和計算方法,這就要求體溫探頭必須與指定設備匹配,造成探頭的通用性極差。 本文設計了一種數字體溫探頭(Digital Body Temperature Probe, d-BTP),具有電路簡單、抗干擾能力強、成本低、匹配性好等優點。

      1 材料和方法

      1.1 測量原理

      d-BTP 的核心部件采用 Microchip 公司的 PIC12LF1822 單片機。 該單片機內置溫度傳感器,且內含RC 振蕩器、10 位模數轉換器(Analog to Digital Conv-erter,ADC)、1024 mV 基準電壓等。 芯片內部的溫度傳感器采用半導體二極管與內部 ADC 相連。 溫度的測量范圍為-40℃~ 85℃, 而人體的正常體溫一般介于 35℃~42℃之間,就測量范圍而言,完全滿足要求。
      圖 1 為 PIC12LF1822 中溫度傳感器的簡要結構。
      溫度模塊電路圖
      如圖 1 所示,溫度傳感器由 4 個串聯的二極管組成,對于單個的二極管,其溫度變化量為 1.32 mV/℃,因此溫變電壓 Vt(mV)的計算公式為:
      Vt=0.606-Temp·0.00132 (1)
      其中 Temp 為所測溫度,單位是℃。
      該溫度傳感器能夠工作在高精度和低精度兩種模式下,其中低精度模式下使用兩個二極管。 該模式下的溫度變化量為 2 倍的 Vt,即 2.64 mV/℃,計算公式為:
      2t=1.212-Temp·0.00264 (2)
      高精度模式下使用四個二極管。 該模式下的溫度變化量為 4 倍的 Vt,即 5.28 mV/℃,計算公式為:
      4Vt=2.425-Temp·0.00528 (3)
      人體的體溫一般介于 35℃~ 42℃之間,我們將體溫探頭的測量范圍設置在 25℃~45℃之間, 則可得:
      在低精度模式下, 溫度傳感器的電壓變化范圍在1.146 V~1.093 V 之間,即電壓變化量為 0.053 V;在高精度模式下, 溫度傳感器的電壓變化范圍在 2.293 V~2.187 V 之間,即電壓變化量為 0.106 V。 這里我們采用高精度模式,則在 PIC12LF1822 中,ADC 測得的實際溫度電壓 VtADC為:
      VtADC=VDD-4Vt(4)
      其中 VDD為芯片供電電壓。根據 PIC12LF1822 數據資料,VtADC正常輸入電壓不應小于 0.7 V,則根據式(4),VDD的電壓要求≥3.0 V。
      經過 AD 轉換之后,ADC 的輸出值 ADCresult為:
      公式
      其中 Vref為 ADC 的參考電壓,n 為 ADC 的分辨率(這里 n=10)。 Vref可以選擇固定參考電壓模式,提供1.024 V、2.048 V 和 4.098 V 三種參考電壓基準。 對于10 位分辨率的 ADC 來說,當參考電壓為 1.024 V 時,其電壓分辨率為 1.0 mV, 則其溫度分辨率為 0.189℃。 目前臨床上使用的大多數熱敏電阻電子體溫計的測量誤差在 0.5℃左右,由此可見,ADC 采用 1.024 V參考電壓所獲得的體溫測量精度相比而言是較高的。
      因此, 在設計時設定 VDD的電壓為 3.0 V,ADC 參考電壓為 1.024 V。

      1.2 硬件電路設計

      PIC12LF8122 單 片機在 500 kHz 主 頻時的典型耗電電流為 0.15 mA,ADC 工作時瞬時(<5mS)電流為 0.25 mA,d-BTP 可以直接由上位機 (如多參監護儀)UART 接口的 +5 V 電壓來供電。 由于 VDD的供電電壓為 3.0 V, 因此可以接一個低壓差線性穩壓器進行電源轉換,并保持電壓的穩定性。 d-BTP 硬件系統框圖如圖 2 所示。
       d-BTP 硬件系統框圖
     
      1.3 軟件程序設計

      為了簡化設計和控制過程,輸出采用自動定時串口輸出的方式,即當上位機提供合適的供電電壓后,體溫探頭在系統穩定之后自動發送體溫數據至上位機。每個體溫數據的檢測時間間隔為is。山于PIC12LF8122中一片機內置溫度傳感器所測量的體溫數據與單片機的供電電壓vDD有關,因此在每次測量體溫之前都要先測量vDD,然后將所測電壓帶入溫度輸出函數進行測量精度的校正。為了降低體溫探頭的功耗,在編寫溫度測量ADC函數時,使ADC在每次轉換期間系統處于睡眠狀態,同時使系統的看門狗定時器定時Is}在ADC完成一組數據轉換結束后,看門狗定時器喚醒單片機系統后再輸出數字體溫數據,然后回到測量vDD重復進行。
      總的軟件設計流程圖如圖3所示。
      系統軟件流程圖
     
      2 結 果

      基于上述原理,開發了 d-BTP 實物模型,整個體溫探頭的面積為 14.5 mm × 5.5 mm,如圖 4 所示。
    d-BTP 實物照片
      在測試階段為了能直觀的顯示 d-BTP 所測溫度,利用 Visual Basic 6.0 的通信控件 Mscomm 屬性設置和事件響應實現了 PC 機與 d-BTP 串口通信。 d-BTP采集的測試點實時溫度, 通過 MAX232 傳輸到 PC機,由上位機完成體溫數據的實時顯示和存儲。
      為了驗證 d-BTP 的準確性,將其用熱熔膠封裝好后與水銀體溫計同時放在恒溫水槽中進行測量比較,在體溫范圍內的測量結果如表 1 所示。
      實驗測量結果表
      實驗測量表明,d-BTP 測量結果絕對誤差小于0.2℃。
      d-BTP 性能指標如下:
      體積:14.5 mm × 5.5 mm ×2 mm;
      工作電壓:3 V~5.5 V;
      功耗: 0.8 mW(工作電壓為 5 V 時);
      測溫范圍:25℃~45℃;
      測量絕對誤差:< 0.2℃

      3 結 論

      本文設計了一種基于串口通信技術的數字體溫監測探頭,只需一片 PIC12LF1822 單片機外加少量元件即可完成除顯示和報警(可以在多參數監護儀等上位機中完成)之外的所有功能,具有結構簡單、成本低,精度高,抗干擾能力強等優點,同時無需考慮溫度曲線及阻抗與上位機的匹配,比較容易實現與多種監護設備的連接。

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