摘要: 本文介绍在便携式多参数生理监护仪研制中所采用的监护用多路数字体温计的电路结构工作原理及其应用

中图分类号: R318.6文献标识码: A文章编号: 1005-202X(2000)03-0148-02

The development of portable multi-channel digital clinical thermometer

CHEN Ya-ming, DENG Qin-kai, TAN Xiao-dan, CAO Xi-wu

(Department of Physics, The First Military Medical University, Guangzhou 510515, China)

Abstract：This paper introduces the principle and the electric structure about the digit clinical thermometer with multi-channel probes. It can be used in clinical monitoring and homecaring.

Key words：thermal resistor;temperature sensor;chip microprocessors

人体体温是人体新陈代谢的一个重要生理参数,是临床疾病诊断的一个重要生理指标。人正常的口温为36.2～37.2 ℃,肛温比口温高0.5℃,腋下温度比口温低0.5℃。许多疾病会引起人体体温的异常。

目前医院临床和家庭保健中常用的是水银体温计,这种体温计价钱便宜,测量准确,但测量等待时间长,读数不便,并且难以对人体体温进行连续的监测。为此,作者研制了多路数字体温计,该仪器采用高灵敏度的热敏电阻温度传感器作为测温探头,其体积小重量轻,可用胶布将其粘贴在人体体表,使用方便,测量等待时间短;采用LED显示器显示测量温度,读数直观;本仪器具有四个测温探头,可同时测量人体体表的四点体温,所测数据由显示器循环显示;仪器还具有温度报警功能,使用者可根据临床监护需要自行设置报警温度,当所测病人体温超过报警值时,发出音响信号,以示警报。

仪器电路结构如图1所示,由热敏电阻温度传感器、前置放大器、A/D转换电路、单片机8031系统、LCD显示器、报警和报警预置电路,开关稳压电源电路组成,其工作原理分述如下:

图1 电路方框图

图2 补偿电路

1 热敏电阻温度传感器

本仪器采用感温灵敏度高的负温度系数热敏电阻作为温度传感器测温探头,将人体体表的温度信号转换为电信号。热敏电阻的阻值随它的绝对温度关系如下式所示:

由于随T增加按指数规律减少,所以当热敏电阻通有电流时,流过的电流与温度变化呈非线性关系,这样给温度计的定标带来极大麻烦,为了改善线性,可在热敏电阻两端并联补偿电阻R,如图2所示,流过a、b的电流I=IR+IRT由于是流过补偿电阻电流,几乎不随T变化,它与IRT并联相加后,使总电流I 随T 变化的曲线变得平坦,改善了线性,但也降低了对温度的敏感性,所以并联补偿电阻不能取得过小,一般不能小于RT。为了进一步改善温度传感器的线性,本仪器还采用串联补偿,R＇是串联补偿电阻,它与热敏电阻RT及其并联补偿电阻相互串联后接在电源V+两端,如图2所示,其线性补偿原理和计算方法叙述如下

设当传感器达到上限温度TH=45℃时,传感器两端a、b的并联电阻为R＇_TH

传感器两端a、b输出电压

(1)

当传感器温度达到下限温度T_L=25℃时,

a、b间并联电阻为,

a、b其输出电压

(2)

当传感器中点温度TM=35℃时,

a、b两端并联电阻为R＇TM

其输出电压

(3)

由于中点温度为上限温度和下限温度的平均值,要使在这三个点上传感器上的输出电压与温度成线性,中点温度输出电压也应该为上限温度和下限温度输出电压的平均值

即

将(1),(2),(3)代入上式求解可得线性串联补偿电阻

只要将上限温度、下限温度和中点温度时传感器两点间并联电阻值代入上式,就可算出串联线性补偿电阻,使输出电压与温度更接近线性。

2 前置放大器和模拟开关

温度传感器两端a、b获得温度电压信号的输出,为了确保其线性补偿特性不受后继电路影响,在输出端接有一跟随器。通过跟随器的温度电压经一反相放大器放大后,使得温度电压由原来的随温度递减关系转变为温度递增,这样就可以用电压来表示温度。反相放大器反相端输入电阻为可调,用以调整放大器的放大倍数,反相输入端还输入由分压电位器输入的直流电压,调节分压电位器可改变放大器的静态直流输出电压。经反相放大器放大后的各路温度电压信号分时地经模拟开关送入A/D进行模数转换。

3 A/D转换电路

为了提高精度,本电路采用MAX191 12位模数转换电路。MAX191是高速A/D转换芯片,内置参考电压和内部时钟,本电路的A/D转换受单片机控制,单片机通过片选口和读写口启动A/D进行转换,转换完毕向单片机送出高电平,经单片机查询后,分两次读出转换数据的低8位和高4位。

4 单片机系统

本仪器采用80c31低功耗8位单片机作为控制和数据处理系统,其P0口和P2口外接RAM62256数据存储器和EPROM27512作为程序存储器,其基本功能如下所述:

(1) 控制和选择模拟开关的通道地址,使各路温度电压信号轮流通过模拟开关进入A/D采样

(2) 启动A/D进行模数转换,每当查询到转换完成后,分两次从P0口读出所转换的低8位和高4位数据

(3) 将重复采样中读得数据进行平均计算,换算成对应的温度,并送LED显示器显示通道地址和所测温度

(4) 完成报警和预置功能。

本系统的程序流程图如图3所示

3 单片机系统程序流程图

5 LED显示器

采用4位高亮度LED作为显示器,首位用来显示通道地址,后三位显示测量温度,最小分度为0.1度。每位LED受一个CD4511BCD码驱动器驱动,单片机P1口低四位向各驱动器提供数据,高四位提供位选择信号,每路温度数据静态显示5秒钟,再循环显示下一路温度数据。

6 报警电路和开关稳压电源

为了便于临床监护,本仪器具有报警预置、报警和报警解除功能,单片机INT0口外接按钮开关构成报警预置电路,当按钮被按下时,单片机系统产生中断进入预置状态,数码显示器闪烁显示预置初值,按钮每按一下预置值增1,当预置数值达到测量上限45.0℃时,预置数返回25℃,从该值开始单向循环递增。停止5秒不按钮,默认置数完毕,系统返回测量状态。当仪器所测温度超过预置温度时,即通过T0口向蜂鸣器送出音响信号,以示报警,当需要解除报警的话,只要按一下与单片机T1口所连接的按钮,就可中断音响,停止报警,如果再按一下该钮系统又返回报警状态。为了保持本仪器工作电源稳定,采用了MAX744低功耗脉宽调制式开关稳压电源,其转换效率达到90%。

7 仪器的调试

本仪器有四个温度测量通道,各个通道的探头和放大器特性各有差异,为了确保每个通道在相同温度时均能获得相同的温度电压信号,在每路放大器中均有两个可调电位器,一个用来调节放大器的放大倍数,另一个用来调节放大器的静态工作点。调试时将测温探头浸在恒温水槽中,将其温度设置在下限温度25℃,调节静态工作点电位器使显示器显示温度与下限温度一致。再将恒温水槽温度设置在上限温度45℃,调节放大倍数电位器使显示器显示温度与上限温度一致。由于这两个电位器对上下限温度均有影响,所以要经多次反复调节,才能使上下限测量温度与实际温度达到一致。

本仪器体积小,重量轻,可以同时测量四路体温,具有报警设置和报警功能,使用方便,测量精度高,实验表明在25℃到45℃范围内,绝对<