1、基于 NTC 的体温测量系统设计 苑冬梅 杨坤 张妍妍 李宝杰 中国人民解放军第 302 医院医学工程科 摘 要： 目的 设计一款基于 NTC 热敏电阻的便携式体温测量设备。方法 基于恒流源, 以 NTC 热敏电阻为体温传感器, 采用高精度差分式 ADC 芯片将模拟信号变为数字信号, 送入单片机分析处理, 同时给出各部分误差的来源以及误差校准方案, 最后对设备进行实验验证。结果 实验结果表明, 经过误差校准后的体温测量设备测量误差小于0.1, 完全满足医用电子体温计的使用标准。结论 此系统提出一种全新的设计方案, 并且具有较强的稳定性和实用性;同时校准方案中所阐述的实时校准方法, 对研究电子体
2、温计的校准方法提供了一定的参考价值。关键词： 体温测量; 恒流源; NTC 热敏电阻; 实时校准; 电子体温计; 作者简介：杨坤, 副主任药师, 主要研究方向为医院管理工作。邮箱:收稿日期：2017-03-22Design of Temperature Measurement System Based on Negative Temperature CoeffcientYUAN Dongmei YANG Kun ZHANG Yanyan LI Baojie Department of Medical Engineering, 302 Military Hospital of PLA; Abst
3、ract： Objective To design of a portable temperature measurement equipment based on NTC thermistor. Methods Firstly, based on the constant current source, negative temperature coeffcient (NTC) thermistor was chosen as the body temperature sensor, and high-precision differential analog digital convert
4、er (ADC) chip was used to convert analog signal to digital signal. Then, the digital signal was sent into the microcontroller analysis and processing, the error source of various parts and calibration scheme were given. Finally, the equipment was experimentally verified. Results The experimental res
5、ults showed that the measurement error of the body temperature measurement equipment after the error calibration was less than 0.1, which fully met the standard of medical electronic thermometer. Conclusion This system presents a new design scheme with strong stability and practicability. At the sam
6、e time, the real-time calibration method mentioned in the calibration scheme also provides some reference value for further study of electronic thermometer calibration.Keyword： body temperature measurement; constant current source; negative temperature coeffcient thermistor; real-time calibration; e
7、lectronic clinical thermometer; Received： 2017-03-22引言人体体温是指人体内部的核心温度, 它不仅可以简单的判断被测试者是否有发烧发热, 还能对测得的体温数据进行处理和分析, 为疾病的诊断、治疗提供更多指导, 包括术中和术后的生命监护1, 传染性疾病的预防2等。目前临床用于体温测量的设备主要是水银体温计和电子体温计。水银体温计测量时间长, 并且需要人工读取数据3, 数据无法自动处理与传输, 不能实现连续监测;电子体温计因其方便、快捷的特点被人们所接受, 按传感器类型分为铂电阻温度传感器、集成温度传感器、热电偶温度传感器和热敏电阻温度传感器。铂电
8、阻精度高、线性度较好, 但是其成本较高;集成温度传感器体积小, 但是其测量精度、长期稳定性较差;热电偶测量范围广、重复性好, 但设计复杂、难以集成;而热敏电阻因其成本低、响应速度快、灵敏度高且易于集成而被广泛使用4。目前热敏电阻式电子体温计通常采用负温度系数热敏电阻 (Negative Temperature Coefficient, NTC) , 为了提高 NTC 热敏电阻电子体温计的测量精度, 已有的研究提出了 NTC 热敏电阻阻值与温度特性的反演曲线拟合法以降低 NTC 的非线性误差5;通过使用修正系数, 降低了热敏电阻因电流增加所带来的测量误差6;通过多项式拟合的方法矫正 NTC 热敏
9、电阻的非线性来提高温度测量精度7。基于以上研究背景, 本文设计了一款基于 NTC 热敏电阻的便携式体温测量设备。阐述了基于 NTC 热敏电阻的便携式体温测量设备的设计原理和实现方法;详细分析了误差的来源, 针对误差的来源提出了实时校准模型, 并对设备进行了实验验证。1 方案总体设计本文所述的体温测量系统是基于 NTC 热敏电阻的便携式体温测量设备, 具有体积小, 功耗低、易穿戴, 测量精确等特点, 并且具有无线数据传输功能;适合家庭健康监护和医疗体温监测领域8。该体温测量系统基于恒流源测电阻的方法, 包括单片机、恒流源、模拟开关、NTC 热敏电阻体温传感器、校准电阻、模数转换器 (Analog
10、 Digital Converter, ADC) 以及供电电池, 系统整体结构框图, 见图 1。单片机选用 NORDIC 公司 n RF51822, 功耗低、功能强大, 并且具有片上的蓝牙模块;恒流源以运算放大器为核心元件, 恒流特性好, 负载大, 电流可控;模拟开关采用低阻抗的模拟开关, 极低的导通电阻使得模拟开关的接入不影响体温的测量;体温传感器采用负温度系数的热敏电阻, 体积小、精度高、价格便宜;校准电阻采用低温漂、高精度贴片电阻, 相对稳定的参数保证了体温测量设备的实时校准。ADC 采用 AD 公司的 ADS1100, ADC 精度高达 16 位, 连续自校准, 增益可调, 差分输入,
11、 使体温的高精度测量成为可能。供电电池采用可更换的纽扣锂电池供电, 纽扣锂电池体积小、容量大, 适用温度范围宽, 适合多种场合应用。图 1 体温测量系统整体结构框图 下载原图恒流源模块输出电流, 通过体温传感器, 在体温传感器两端产生压降, 差分输入 ADC, 将模拟电压信号转换为数字电压信号, 送入单片机;单片机将数字电压数据转换为温度数据, 对温度数据进行计算处理, 并通过蓝牙传输至上位机汇总、分析。误差校准单元由恒流源、ADC 模块、校准电阻以及模拟开关构成。单片机控制模拟开关, 将相应的校准电阻接入电路, 通过内部设定的参数计算电路中的误差, 然后自动调整内部参数, 保证当前测量环境下
12、的测量准确度。校准模块主要校准由于器件非线性误差 (放大器、电阻) 、温漂、器件老化等原因引入的误差, 使得温度测量更加准确。本文将主要分析讨论体温采集部分电路, 见图 2。重点讨论各部分的误差, 以及针对相应误差的校准方法。GB/T 21416-2008 对医用电子体温计的性能指标提出的要求如下9:温度显示范围为 35.041.0;温度分辨力0.1;最大允许误差:41时为0.3, 35.336.9和 39.141.0时为0.2, 3739时为0.1。为了满足体温测量精度的要求, 且同时兼顾可穿戴、低成本、低功耗及小体积的需求, 在系统元器件选择方面考虑如下。体温传感器的分类十分广泛, 性能也
13、各有差异, 结合本体温测量系统的需求, 选择热敏电阻作为体温度传感器10。目前体温的测量主要采用 NTC 热敏电阻, 本文选择的也是 NTC 热敏电阻, 型号为 MF54-503E3950FA-30, 测温精度 0.01, 阻值精度0.05%;封装形式为火柴头状直径 1.0 mm, 长度 4.0 mm, 引线长度 87 mm。具体尺寸参数和封装, 见图3。体温探头采用一次性粘贴式体温探头贴, 采用透气保温型水溶胶泡面, 探头采用树脂胶防水处理, 接口采用两线的耳机插口。图 2 体温采集部分电路系统原理图 下载原图图 3 体温传感器与体温探头 下载原图注:a.体温传感器的尺寸;b.体温探头的封装
14、。体温测量的精度不仅仅与 NTC 热敏电阻的精度、非线性度等参数有关, 也与测量电路的精度相关, 最直接的影响就是恒流源的精度11。本设计中的恒流源电路由集成运算放大器、参考电压、参考电阻 R 组成。它们的精度都最终影响测量的精度;运算放大器与参考电阻都选用低温漂, 高精度的器件。恒流源的原理, 见图 4。图 4 恒流源模块 下载原图ADC 采用高精度连续自校准模数转换器 ADS1100。该芯片采用差分输入, 减少了外部电路的干扰;分辨率高达 16 位, 为实现高精度测量提供了可能;参考电压采用供电电压, 降低了电路的成本;AD 转换芯片采用内置集成电路 (Inter-Integrated C
15、ircuit, I2C) 接口与单片机进行通信, 减少了单片机的输入/输出接口 (Input/Output, I/O) 开销, 降低了电路的复杂度, 一定程度上降低了成本。ADC 芯片可被配置为 8/16/32/128 Hz 的采样率, 片内集成了可编程的增益放大器, 最大高达 8 倍的增益, 允许更小信号输入, 具有更高的分辨率12。单片机采用 NORDIC 公司的 n RF51822。芯片搭配片上低压差稳压器 (Low Dropout Regulator, LDO) 时电源范围为 1.83.6 V, LDO 旁路模式为1.751.95 V;片上下拉直流-直流转换器转换器 (Direct C
16、urrent/Direct Current Converter, DC/DC) 用于 3 V 电池 (纽扣电池) 。片上250 ppm, 32 k HZ RC 振荡器在蓝牙低功耗应用时, 不需外部 32 k Hz 晶体, 可节省成本和电路板空间;6 mm6 mm 48 脚方形扁平无引脚封装 (Quad Flat No-lead package, QFN) , 提供最多可达 32 个通用输入/输出 (General Purpose Input/Output, GPIO) ;内部集成了完整的蓝牙协议堆栈 (到配置文件的链接层) , 降低了功耗, 减少了体积, 降低了成本。系统的软件采用 C 语言编
17、写, KEIL 软件编译后, 烧写入单片机。固件功能包括:体温数据采集、体温数据转换、误差校准、蓝牙数据传输。在 n RF51822 低功耗睡眠的软件应用中, 当执行 NRF_POWER-SYSTEMOFF=1;CPU 将停止运行, 保留外设参数, 实测睡眠模式下电路电流消耗 10A, 为了降低可穿戴式体温计的功耗, 系统采用定时上传数据, 每隔 1 s 上传一次体温数据。为进一步降低功耗, 单片机只在采集和发送体温数据时处于正常工作模式, 其他时间皆处于睡眠模式, 无线通信模块也只是在发送数据时被唤醒。2 系统误差分析为了提高系统的精确度, 降低测量的误差, 对测温的误差进行了分析, 根据信
18、号的传输方向将测温的误差分为以下 3 部分:体温传感器误差、恒流源误差、ADC 转换误差。2.1 体温传感器误差体温传感器采用 NTC 热敏电阻。体温传感器的误差包括热敏电阻误差和非线性误差13。热敏电阻的误差和非线性误差是生产造成的。为了后期测量的精确性, 在采购热敏电阻是统一采购正偏或负偏的热敏电阻。通过恒温槽和高精度的电阻测量设备, 将热敏电阻的阻值与温度的曲线绘制成数表, 根据系统的精度要求设定数表的离散程度。数表标定后以程序的形式固化入单片机, 采用此种方式, 减小了单片机的计算量, 提高了精度。2.2 恒流源误差恒流源单元的核心器件是运算放大器, 采用运算放大器设计的恒流源恒流特性
19、好, 负载大, 电流可控11。保证流过 NTC 热敏电阻的电流恒定。恒流源单元, 见图 4。由运算放大器与反馈电阻 R 组成。R X为体温传感器。流过热敏电阻 RX的电流为:其中决定恒流源电流 I 精度的因素有:放大器的性能、放大器的供电电压、放大器的参考电压、反馈电阻 R 的精度。如果能够确定以上因素就可以保证恒流源电流 I 的精度。2.2.1 放大器的性能实际中的运算放大器并非理想的运算放大器, 其存在输入偏置电流和输入失调电压14。输入信号为零时 (图 56) , 放大器输入偏置电流 IBN、I Bp和输入失调电压 VIO对输出电压的影响15。IBN、I Bp引起的输出电压误差 VO1由
20、公式 (1) 计算, V IO引起的输出电压误差 VO2由公式 (2) 计算。由于输入偏置电流与输入失调电压的存在, 输出电压将产生误差, 导致输入的恒流源电流产生误差 I 1。图 5 输入偏置电流的影响 下载原图图 6 输入失调电压的影响 下载原图2.2.2 参考电压的误差恒流源电路的参考电压是通过供电电压分压后得到的, 其中系统的供电采用统一供电方式。如果供电电压发生变化, 参考电压 VREF 发生变化, 导致恒流源 I发生变化;AD 转换的参考电压也是采用供电电压, 也将发生变化, 最终导致采样的 AD 值有可能发生变化;恒流源参考电压 VREF 与供电电压 VCC 的关系:其中 R1、
21、R 2为分压电阻, 在此可视为常数。那么供电电压 VCC 发生变化后, AD采样值输出变化的公式:其中 VCC 为电源电压, R 为恒流源电路的反馈电阻, R X为被测体温传感器;VD RX为 RX在恒流源电路中的电压值的 AD 采样值。由公式 (4) 化简为公式 (5) , 可见 RX的 AD 采样值与电源电压 VCC 无关。2.2.3 分压电阻误差分压电阻 R1、R 2存在误差, 虽然 R1、R 2选择了高精度、低温漂的精密电阻, 但是 R1、R 2仍然存在误差, 使得参考电压产生一定的误差:其中 VREF 为分压电阻误差所产生的误差电压, 最终将产生误差电流 I 2。但选择了相对稳定的精
22、密电阻, 保持误差的稳定性, 不会对系统产生太大的影响。2.2.4 参考电阻误差恒流源参考电阻至关重要, 它不仅影响恒流源的精度, 而且影响整个测温系统性能。参考电阻与参考电压决定了恒流源电流的大小, 如果恒流源电流过小, 使得热敏电阻变化产生的压差变小, 影响测温的精度16;如果电流过大, 使得电路流过热敏电阻将产生热量, 直接影响正确的测量, 导致整个系统的性能发生变化。参考电阻阻值精度为0.1%, 温度系数为 25 ppm/。它最终影响恒流源电流的公式如下:综上所述, 恒流源产生的误差电流为:2.3 ADC 误差ADC 引入的误差主要由 ADC 转换过程引入的误差和 ADC 参考电源引入
23、的误差。其中 ADC 参考源引入的误差, 上述已经分析过, 不会对测量结果产生影响。ADC转换过程中的误差将会对测量结果产生影响。ADC 采用的是精密的连续自校准 ADC 芯片。ADC 的误差主要来源于:积分非线性 (Integral Nonlinearity, INL) 、差分非线性 (Differential Nonlinearity, DNL) 和截距误差 (Offset Error) 。INL 是指 ADC 输出与通过 ADC 负满量程和正满量程点的传递函数直线之间的最大偏差, 而 DNL 是指两个相邻码之间的实际步长与理想的最低有效位 (Least Significant Bit,
24、LSB) 变化值之间的差异。根据 INL 和 DNL 定义, 认为 ADC 受非线性影响约为1 LSB。ADC 截距误差最大值为2 LSB12。便于分析方便将以上的误差统一叠加并且换算到 ADC 的差分输入端由 Voffset 表示 (图 7) 。3 测量电路的误差校准经过以上误差分析, 分别将误差统一为恒流源误差 I、ADC 差分输入误差Voffset;为了尽量减小这两部分的误差, 系统加入了误差校准的单元, 误差校准单元由:恒流源、ADC 模块、校准电阻以及模拟开关构成。首先, 将恒流源的电流与 ADC 的输入误差视为未知数。其次, 通过模块开关接通校准电阻 Rx1, 测量出一个对应 Rx
25、1 的 AD 值。再通过模块开关接通校准电阻 Rx2, 测量出一个对应 Rx2 的 AD 值。最后, 通过公式 (8) 构建方程;求出实际的恒流源的电流与ADC 的输入误差, 从而校准电路的误差。误差校准模型, 见图 7。图 7 恒流源与 ADC 电路抽象模型 下载原图Vrx 为被测体温传感器 Rx 的实际电压值, Vadx 为电阻 Rx 的测量值, Voffset为 AD 转换的误差电压, 且 Vadx=Voffset+Vrx。电流 I 为恒流源电流, 流过电阻 Rx;设恒流源电流 I 与偏差电压 Voffset 为未知数 x、y, 则有公式 8:采用两固定电阻 Rx1、Rx2 进行参数校准
26、, 得到方程组 1:可以解得 x、y, 将电路中的误差降低。所以 Rx 的实际被测电压Vrx=Rxx=Vadx-y, 其中 x 为恒流源的实际电流, y 为 AD 转换模块的误差电压, 电阻 Rx1、Rx2 就是校准电阻 RT1、校准电阻 RT2。校准单元不但能校准由恒流源、ADC 模块、器件误差 (放大器、电阻等) 、温漂、器件老化等原因引起的电路误差, 而且还能校准由于环境温度、湿度变化带来的电路误差, 实现实时校准, 弥补仅出厂前校准一次的缺陷, 使得体温实时测量更加准确。4 实验结果分析本文对上述体温测量系统进行测量实验, 为验证设计体温设备的测量精度, 本文选取了 35、38、403
27、 个温度点对校准后的体温设备的精度进行了测试和统计。测试设备采用雪中炭公司生产的恒温水槽, 该设备具有自制的温度控制模块, 温度波动度为0.02。恒温水槽启动后, 将其目标温度分别设为 35、38、40, 按一次设定功能键进入实际修正状态, 如温度偏高就按减键, 偏低就按加键, 修正完备后再按设定功能键几秒左右退出即可。等显示值达到设定温度时稳定 0.5 h 后即可进行实验。实验过程中, 为评估恒温水槽的误差17-18, 以 4 支水银温度计作为温度基准器进行测量, 水银温度计精度为0.02, 将水银温度计放置在水槽的 4 个角落处, 测量恒温水槽中 4 个点的温度, 4 支水银温度计皆通过相
28、关单位标定。测试时, 8 个被测体温设备样本放置于水槽中, 并使其固定, 10 min 后开始读数。被测体温设备测量数据, 见表 1。表 1 被测体温设备测量数据 () 下载原表 被测体温测量设备分别在 35、38、403 个温度点的温度误差分布曲线图, 见图 8。图 8 被测体温测量设备的温度误差 下载原图从图 8 中可以看出在 35温度点时, 8 个样本的温度误差0.08, 测量结果满足 GB/T 21416-2008 对医用电子体温计在 35时最大允许误差为0.3的要求;在 38温度点时, 8 个样本的温度误差0.03, 测量结果满足GB/T 21416-2008 对医用电子体温计在 3
29、8时最大允许误差为0.1的要求;在 40温度点时, 8 个样本的温度误差0.05, 测量结果满足 GB/T 21416-2008 对医用电子体温计在 40时最大允许误差为0.2的要求。5 讨论本文所设计基于 NTC 热敏电阻的便携式体温测量设备, 采用恒流源, 以 NTC 热敏电阻作为体温传感器, 分析了电路中的各部分误差, 针对测量误差设计了双电阻实时校准模型, 通过实验对 35、38、403 个温度点的温度误差进行分析表明, 该系统完全满足医用电子体温计的行业规范。以往研究为了提高 NTC 热敏电阻电子体温计的测量精度都做过一定努力, 已有研究提出了 NTC 热敏电阻阻值与温度特性的反演曲
30、线拟合法以降低 NTC 的非线性误差5, 另一研究通过多项式拟合的方法矫正 NTC 热敏电阻的非线性来提高温度测量精度7, 但是计算量相对增加, 提高了功耗, 不太适合便携的低功耗设备。通过使用修正系数, 降低了热敏电阻因电流增加所带来的测量误差, 本文采用可调恒流源控制体温传感器电流, 使电流不会影响体温的测量6。本文设计的系统虽然在一定程度上提高了测量精度, 但测量精度仍需进一步提高。NTC 热敏电阻作为传感器测量体温时, 测量速度较慢19, 准确高效的体温传感器需要进一步探索。体温实时监测受环境温度影响较大, 减少环境温度对体温测量的影响也是准确实时监测需要攻克的一个难题。另外测量部位对
31、体温测量结果的准确性也存在干扰, 体表面温度与核心温度的对应关系需要进一步研究, 可以使某个部位的体表温度能够很好反映体内的核心温度, 这将使体温测量在临床的应用更加有意义, 应用前景更加宽广。6 结论本文设计了一款基于 NTC 热敏电阻的便携式体温测量设备, 以 NTC 热敏电阻为传感器, 可连续高精度测体温系统。详细分析了温度测量误差的来源, 且针对误差来源设定了相应校准的方案。恒温水槽测量实验结果表明, 经校准后的体温测量设备在 3 个温度点的温度误差均满足医用电子体温计的误差要求, 能够达到医用电子体温计的使用标准;同时本文校准方案所提到的实时校准方法也对电子体温计的进一步研究提供了一
32、定的参考价值。参考文献1刘金碧, 曹海, 马世颖.体外循环手术术中术后体温的监测和护理J.航空航天医学杂志, 2011, 22 (7) :875-876. 2郭尚德, 刘宏, 孙永胜, 等.体温监测对高校甲型 H1N1 流感防控的效果评价J.现代预防医学, 2011, 38 (7) :1322-1323. 3聂秋芸.电子体温计与水银体温计测温对比分析J.中国误诊学杂志, 2010, 10 (17) :4056. 4邓迟, 胡巍, 刁盛锡, 等.一种基于 NTC 的体温传感器测量误差分析及校准技术J.中国医疗器械杂志, 2015, 39 (6) :395-399. 5周以琳, 李金亮, 杨勇,
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