基于NTC的體溫測量系統設計

苑冬梅，楊坤，張妍妍，李寶杰

中國人民解放軍第302醫院 醫學工程科，北京 100039

基于NTC的體溫測量系統設計

苑冬梅，楊坤，張妍妍，李寶杰

中國人民解放軍第302醫院 醫學工程科，北京 100039

目的設計一款基于NTC熱敏電阻的便攜式體溫測量設備。方法基于恒流源，以NTC熱敏電阻為體溫傳感器，采用高精度差分式ADC芯片將模擬信號變為數字信號，送入單片機分析處理，同時給出各部分誤差的來源以及誤差校準方案，最后對設備進行實驗驗證。結果實驗結果表明，經過誤差校準后的體溫測量設備測量誤差小于±0.1℃，完全滿足醫用電子體溫計的使用標準。結論此系統提出一種全新的設計方案，并且具有較強的穩定性和實用性；同時校準方案中所闡述的實時校準方法，對研究電子體溫計的校準方法提供了一定的參考價值。

體溫測量；恒流源；NTC熱敏電阻；實時校準；電子體溫計

引言

人體體溫是指人體內部的核心溫度，它不僅可以簡單的判斷被測試者是否有發燒發熱，還能對測得的體溫數據進行處理和分析，為疾病的診斷、治療提供更多指導，包括術中和術后的生命監護[1]，傳染性疾病的預防[2]等。目前臨床用于體溫測量的設備主要是水銀體溫計和電子體溫計。水銀體溫計測量時間長，并且需要人工讀取數據[3]，數據無法自動處理與傳輸，不能實現連續監測；電子體溫計因其方便、快捷的特點被人們所接受，按傳感器類型分為鉑電阻溫度傳感器、集成溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器和熱敏電阻溫度傳感器。鉑電阻精度高、線性度較好，但是其成本較高；集成溫度傳感器體積小，但是其測量精度、長期穩定性較差；熱電偶測量范圍廣、重復性好，但設計復雜、難以集成；而熱敏電阻因其成本低、響應速度快、靈敏度高且易于集成而被廣泛使用[4]。

目前熱敏電阻式電子體溫計通常采用負溫度系數熱敏電阻（Negative Temperature Coefficient，NTC），為了提高NTC熱敏電阻電子體溫計的測量精度，已有的研究提出了NTC熱敏電阻阻值與溫度特性的反演曲線擬合法以降低NTC的非線性誤差[5]；通過使用修正系數，降低了熱敏電阻因電流增加所帶來的測量誤差[6]；通過多項式擬合的方法矯正NTC熱敏電阻的非線性來提高溫度測量精度[7]。

基于以上研究背景，本文設計了一款基于NTC熱敏電阻的便攜式體溫測量設備。闡述了基于NTC熱敏電阻的便攜式體溫測量設備的設計原理和實現方法；詳細分析了誤差的來源，針對誤差的來源提出了實時校準模型，并對設備進行了實驗驗證。

1 方案總體設計

本文所述的體溫測量系統是基于NTC熱敏電阻的便攜式體溫測量設備，具有體積小，功耗低、易穿戴，測量精確等特點，并且具有無線數據傳輸功能；適合家庭健康監護和醫療體溫監測領域[8]。該體溫測量系統基于恒流源測電阻的方法，包括單片機、恒流源、模擬開關、NTC熱敏電阻體溫傳感器、校準電阻、模數轉換器（Analog Digital Converter，ADC）以及供電電池，系統整體結構框圖，見圖1。單片機選用NORDIC公司nRF51822，功耗低、功能強大，并且具有片上的藍牙模塊；恒流源以運算放大器為核心元件，恒流特性好，負載大，電流可控；模擬開關采用低阻抗的模擬開關，極低的導通電阻使得模擬開關的接入不影響體溫的測量；體溫傳感器采用負溫度系數的熱敏電阻，體積小、精度高、價格便宜；校準電阻采用低溫漂、高精度貼片電阻，相對穩定的參數保證了體溫測量設備的實時校準。ADC采用AD公司的ADS1100，ADC精度高達16位，連續自校準，增益可調，差分輸入，使體溫的高精度測量成為可能。供電電池采用可更換的紐扣鋰電池供電，紐扣鋰電池體積小、容量大，適用溫度范圍寬，適合多種場合應用。

圖1 體溫測量系統整體結構框圖

恒流源模塊輸出電流，通過體溫傳感器，在體溫傳感器兩端產生壓降，差分輸入ADC，將模擬電壓信號轉換為數字電壓信號，送入單片機；單片機將數字電壓數據轉換為溫度數據，對溫度數據進行計算處理，并通過藍牙傳輸至上位機匯總、分析。誤差校準單元由恒流源、ADC模塊、校準電阻以及模擬開關構成。單片機控制模擬開關，將相應的校準電阻接入電路，通過內部設定的參數計算電路中的誤差，然后自動調整內部參數，保證當前測量環境下的測量準確度。校準模塊主要校準由于器件非線性誤差（放大器、電阻）、溫漂、器件老化等原因引入的誤差，使得溫度測量更加準確。本文將主要分析討論體溫采集部分電路，見圖2。重點討論各部分的誤差，以及針對相應誤差的校準方法。

GB/T 21416-2008對醫用電子體溫計的性能指標提出的要求如下[9]：溫度顯示范圍為35.0℃～41.0℃；溫度分辨力≤0.1℃；最大允許誤差：＜35.3℃和＞41℃時為±0.3℃，35.3℃～36.9℃和39.1℃～41.0℃時為±0.2℃，37℃～39℃時為±0.1℃。

為了滿足體溫測量精度的要求，且同時兼顧可穿戴、低成本、低功耗及小體積的需求，在系統元器件選擇方面考慮如下。體溫傳感器的分類十分廣泛，性能也各有差異，結合本體溫測量系統的需求，選擇熱敏電阻作為體溫度傳感器[10]。目前體溫的測量主要采用NTC熱敏電阻，本文選擇的也是NTC熱敏電阻，型號為MF54-503E3950FA-30，測溫精度0.01℃，阻值精度±0.05%；封裝形式為火柴頭狀直徑1.0 mm，長度4.0 mm，引線長度87 mm。具體尺寸參數和封裝，見圖3。體溫探頭采用一次性粘貼式體溫探頭貼，采用透氣保溫型水溶膠泡面，探頭采用樹脂膠防水處理，接口采用兩線的耳機插口。

圖2 體溫采集部分電路系統原理圖

圖3 體溫傳感器與體溫探頭

體溫測量的精度不僅僅與NTC熱敏電阻的精度、非線性度等參數有關，也與測量電路的精度相關，最直接的影響就是恒流源的精度[11]。本設計中的恒流源電路由集成運算放大器、參考電壓、參考電阻R組成。它們的精度都最終影響測量的精度；運算放大器與參考電阻都選用低溫漂，高精度的器件。恒流源的原理，見圖4。

圖4 恒流源模塊

ADC采用高精度連續自校準模數轉換器ADS1100。該芯片采用差分輸入，減少了外部電路的干擾；分辨率高達16位，為實現高精度測量提供了可能；參考電壓采用供電電壓，降低了電路的成本；AD轉換芯片采用內置集成電路（Inter-Integrated Circuit，I2C）接口與單片機進行通信，減少了單片機的輸入/輸出接口（Input/Output，I/O）開銷，降低了電路的復雜度，一定程度上降低了成本。ADC芯片可被配置為8/16/32/128 Hz的采樣率，片內集成了可編程的增益放大器，最大高達8倍的增益，允許更小信號輸入，具有更高的分辨率[12]。

單片機采用NORDIC公司的nRF51822。芯片搭配片上低壓差穩壓器（Low Dropout Regulator，LDO）時電源范圍為1.8～3.6 V，LDO旁路模式為1.75～1.95 V；片上下拉直流-直流轉換器轉換器（Direct Current/Direct Current Converter，DC/DC）用于3 V電池（紐扣電池）。片上±250 ppm，32 kHZ RC振蕩器在藍牙低功耗應用時，不需外部32 kHz晶體，可節省成本和電路板空間；6 mm×6 mm 48腳方形扁平無引腳封裝（Quad Flat No-lead package，QFN），提供最多可達32個通用輸入/輸出（General Purpose Input/Output，GPIO）；內部集成了完整的藍牙協議堆棧（到配置文件的鏈接層），降低了功耗，減少了體積，降低了成本。

系統的軟件采用C語言編寫，KEIL軟件編譯后，燒寫入單片機。固件功能包括：體溫數據采集、體溫數據轉換、誤差校準、藍牙數據傳輸。在nRF51822低功耗睡眠的軟件應用中，當執行NRF_POWER-＞SYSTEMOFF=1；CPU將停止運行，保留外設參數，實測睡眠模式下電路電流消耗10 μA，為了降低可穿戴式體溫計的功耗，系統采用定時上傳數據，每隔1 s上傳一次體溫數據。為進一步降低功耗，單片機只在采集和發送體溫數據時處于正常工作模式，其他時間皆處于睡眠模式，無線通信模塊也只是在發送數據時被喚醒。

2 系統誤差分析

為了提高系統的精確度，降低測量的誤差，對測溫的誤差進行了分析，根據信號的傳輸方向將測溫的誤差分為以下3部分：體溫傳感器誤差、恒流源誤差、ADC轉換誤差。

2.1 體溫傳感器誤差

體溫傳感器采用NTC熱敏電阻。體溫傳感器的誤差包括熱敏電阻誤差和非線性誤差[13]。熱敏電阻的誤差和非線性誤差是生產造成的。為了后期測量的精確性，在采購熱敏電阻是統一采購正偏或負偏的熱敏電阻。通過恒溫槽和高精度的電阻測量設備，將熱敏電阻的阻值與溫度的曲線繪制成數表，根據系統的精度要求設定數表的離散程度。數表標定后以程序的形式固化入單片機，采用此種方式，減小了單片機的計算量，提高了精度。

2.2 恒流源誤差

恒流源單元的核心器件是運算放大器，采用運算放大器設計的恒流源恒流特性好，負載大，電流可控[11]。保證流過NTC熱敏電阻的電流恒定。恒流源單元，見圖4。由運算放大器與反饋電阻R組成。RX為體溫傳感器。流過熱敏電阻RX的電流為：

其中決定恒流源電流I精度的因素有：放大器的性能、放大器的供電電壓、放大器的參考電壓、反饋電阻R的精度。如果能夠確定以上因素就可以保證恒流源電流I的精度。

2.2.1 放大器的性能

實際中的運算放大器并非理想的運算放大器，其存在輸入偏置電流和輸入失調電壓[14]。輸入信號為零時（圖5～6），放大器輸入偏置電流IBN、IBp和輸入失調電壓VIO對輸出電壓的影響[15]。

IBN、IBp引起的輸出電壓誤差VO1由公式(1)計算，VIO引起的輸出電壓誤差VO2由公式(2)計算。

由于輸入偏置電流與輸入失調電壓的存在，輸出電壓將產生誤差，導致輸入的恒流源電流產生誤差ΔI1。

圖5 輸入偏置電流的影響

圖6 輸入失調電壓的影響

2.2.2 參考電壓的誤差

恒流源電路的參考電壓是通過供電電壓分壓后得到的，其中系統的供電采用統一供電方式。如果供電電壓發生變化，參考電壓VREF發生變化，導致恒流源I發生變化；AD轉換的參考電壓也是采用供電電壓，也將發生變化，最終導致采樣的AD值有可能發生變化；恒流源參考電壓VREF與供電電壓VCC的關系：

其中R1、R2為分壓電阻，在此可視為常數。那么供電電壓VCC發生變化后，AD采樣值輸出變化的公式：

其中VCC為電源電壓，R為恒流源電路的反饋電阻，RX為被測體溫傳感器；VDRX為RX在恒流源電路中的電壓值的AD采樣值。

由公式(4)化簡為公式(5)，可見RX的AD采樣值與電源電壓VCC無關。

2.2.3 分壓電阻誤差

分壓電阻R1、R2存在誤差，雖然R1、R2選擇了高精度、低溫漂的精密電阻，但是R1、R2仍然存在誤差，使得參考電壓產生一定的誤差：

其中ΔVREF為分壓電阻誤差所產生的誤差電壓，最終將產生誤差電流ΔI2。但選擇了相對穩定的精密電阻，保持誤差的穩定性，不會對系統產生太大的影響。

2.2.4 參考電阻誤差

恒流源參考電阻至關重要，它不僅影響恒流源的精度，而且影響整個測溫系統性能。參考電阻與參考電壓決定了恒流源電流的大小，如果恒流源電流過小，使得熱敏電阻變化產生的壓差變小，影響測溫的精度[16]；如果電流過大，使得電路流過熱敏電阻將產生熱量，直接影響正確的測量，導致整個系統的性能發生變化。參考電阻阻值精度為±0.1%，溫度系數為25 ppm/℃。它最終影響恒流源電流的公式如下：

綜上所述，恒流源產生的誤差電流為：ΔI=ΔI1+ΔI2+ΔI3。

2.3 ADC誤差

ADC引入的誤差主要由ADC轉換過程引入的誤差和ADC參考電源引入的誤差。其中ADC參考源引入的誤差，上述已經分析過，不會對測量結果產生影響。ADC轉換過程中的誤差將會對測量結果產生影響。

ADC采用的是精密的連續自校準ADC芯片。ADC的誤差主要來源于：積分非線性（Integral Nonlinearity，INL）、差分非線性（Differential Nonlinearity，DNL）和截距誤差（Offset Error）。INL是指ADC輸出與通過ADC負滿量程和正滿量程點的傳遞函數直線之間的最大偏差，而DNL是指兩個相鄰碼之間的實際步長與理想的最低有效位（Least Significant Bit，LSB）變化值之間的差異。根據INL和DNL定義，認為ADC受非線性影響約為±1 LSB。ADC截距誤差最大值為±2 LSB[12]。便于分析方便將以上的誤差統一疊加并且換算到ADC的差分輸入端由Voffset表示（圖7）。

3 測量電路的誤差校準

經過以上誤差分析，分別將誤差統一為恒流源誤差ΔI、ADC差分輸入誤差Voffset；為了盡量減小這兩部分的誤差，系統加入了誤差校準的單元，誤差校準單元由：恒流源、ADC模塊、校準電阻以及模擬開關構成。首先，將恒流源的電流與ADC的輸入誤差視為未知數。其次，通過模塊開關接通校準電阻Rx1，測量出一個對應Rx1的AD值。再通過模塊開關接通校準電阻Rx2，測量出一個對應Rx2的AD值。最后，通過公式(8)構建方程；求出實際的恒流源的電流與ADC的輸入誤差，從而校準電路的誤差。誤差校準模型，見圖7。

圖7 恒流源與ADC電路抽象模型

Vrx為被測體溫傳感器Rx的實際電壓值，Vadx為電阻Rx的測量值，Voffset為AD轉換的誤差電壓，且Vadx =Voffset +Vrx。電流I為恒流源電流，流過電阻Rx；設恒流源電流I與偏差電壓Voffset為未知數x、y，則有公式8:

采用兩固定電阻Rx1、Rx2進行參數校準，得到方程組1:

可以解得x、y，將電路中的誤差降低。所以Rx的實際被測電壓Vrx=Rx×x=Vadx-y，其中x為恒流源的實際電流，y為AD轉換模塊的誤差電壓，電阻Rx1、Rx2就是校準電阻RT1、校準電阻RT2。

校準單元不但能校準由恒流源、ADC模塊、器件誤差（放大器、電阻等）、溫漂、器件老化等原因引起的電路誤差，而且還能校準由于環境溫度、濕度變化帶來的電路誤差，實現實時校準，彌補僅出廠前校準一次的缺陷，使得體溫實時測量更加準確。

4 實驗結果分析

本文對上述體溫測量系統進行測量實驗，為驗證設計體溫設備的測量精度，本文選取了35℃、38℃、40℃3個溫度點對校準后的體溫設備的精度進行了測試和統計。

測試設備采用雪中炭公司生產的恒溫水槽，該設備具有自制的溫度控制模塊，溫度波動度為±0.02℃。恒溫水槽啟動后，將其目標溫度分別設為35℃、38℃、40℃，按一次設定功能鍵進入實際修正狀態，如溫度偏高就按減鍵，偏低就按加鍵，修正完備后再按設定功能鍵幾秒左右退出即可。等顯示值達到設定溫度時穩定0.5 h后即可進行實驗。

實驗過程中，為評估恒溫水槽的誤差[17-18]，以4支水銀溫度計作為溫度基準器進行測量，水銀溫度計精度為±0.02℃，將水銀溫度計放置在水槽的4個角落處，測量恒溫水槽中4個點的溫度，4支水銀溫度計皆通過相關單位標定。測試時，8個被測體溫設備樣本放置于水槽中，并使其固定，10 min后開始讀數。被測體溫設備測量數據，見表1。

表1 被測體溫設備測量數據（℃）

被測體溫測量設備分別在35℃、38℃、40℃3個溫度點的溫度誤差分布曲線圖，見圖8。

圖8 被測體溫測量設備的溫度誤差

從圖8中可以看出在35℃溫度點時，8個樣本的溫度誤差≤±0.08℃，測量結果滿足GB/T 21416-2008對醫用電子體溫計在35℃時最大允許誤差為±0.3℃的要求；在38℃溫度點時，8個樣本的溫度誤差≤±0.03℃，測量結果滿足GB/T 21416-2008對醫用電子體溫計在38℃時最大允許誤差為±0.1℃的要求；在40℃溫度點時，8個樣本的溫度誤差≤±0.05℃，測量結果滿足GB/T 21416-2008對醫用電子體溫計在40℃時最大允許誤差為±0.2℃的要求。

5 討論

本文所設計基于NTC熱敏電阻的便攜式體溫測量設備，采用恒流源，以NTC熱敏電阻作為體溫傳感器，分析了電路中的各部分誤差，針對測量誤差設計了雙電阻實時校準模型，通過實驗對35℃、38℃、40℃3個溫度點的溫度誤差進行分析表明，該系統完全滿足醫用電子體溫計的行業規范。

以往研究為了提高NTC熱敏電阻電子體溫計的測量精度都做過一定努力，已有研究提出了NTC熱敏電阻阻值與溫度特性的反演曲線擬合法以降低NTC的非線性誤差[5]，另一研究通過多項式擬合的方法矯正NTC熱敏電阻的非線性來提高溫度測量精度[7]，但是計算量相對增加，提高了功耗，不太適合便攜的低功耗設備。通過使用修正系數，降低了熱敏電阻因電流增加所帶來的測量誤差，本文采用可調恒流源控制體溫傳感器電流，使電流不會影響體溫的測量[6]。

本文設計的系統雖然在一定程度上提高了測量精度，但測量精度仍需進一步提高。NTC熱敏電阻作為傳感器測量體溫時，測量速度較慢[19]，準確高效的體溫傳感器需要進一步探索。體溫實時監測受環境溫度影響較大，減少環境溫度對體溫測量的影響也是準確實時監測需要攻克的一個難題。另外測量部位對體溫測量結果的準確性也存在干擾，體表面溫度與核心溫度的對應關系需要進一步研究，可以使某個部位的體表溫度能夠很好反映體內的核心溫度，這將使體溫測量在臨床的應用更加有意義，應用前景更加寬廣。

6 結論

本文設計了一款基于NTC熱敏電阻的便攜式體溫測量設備，以NTC熱敏電阻為傳感器，可連續高精度測體溫系統。詳細分析了溫度測量誤差的來源，且針對誤差來源設定了相應校準的方案。恒溫水槽測量實驗結果表明，經校準后的體溫測量設備在3個溫度點的溫度誤差均滿足醫用電子體溫計的誤差要求，能夠達到醫用電子體溫計的使用標準；同時本文校準方案所提到的實時校準方法也對電子體溫計的進一步研究提供了一定的參考價值。

[1] 劉金碧,曹海,馬世穎.體外循環手術術中術后體溫的監測和護理[J].航空航天醫學雜志,2011,22(7):875-876.

[2] 郭尚德,劉宏,孫永勝,等.體溫監測對高校甲型H1N1流感防控的效果評價[J].現代預防醫學,2011,38(7):1322-1323.

[3] 聶秋蕓.電子體溫計與水銀體溫計測溫對比分析[J].中國誤診學雜志,2010,10(17):4056.

[4] 鄧遲,胡巍,刁盛錫,等.一種基于NTC的體溫傳感器測量誤差分析及校準技術[J].中國醫療器械雜志,2015,39(6):395-399.

[5] 周以琳,李金亮,楊勇,等.NTC熱敏電阻R-T特性的高精度補償[J].青島科技大學學報(自然科學版),2010,31(1):80-82.

[6] 鄭曉文,鄭紅.工作電流對熱敏電阻測溫的影響[J].宇航計測技術,2001,21(4):44-52.

[7] 趙漢賓,和衛星,呂繼東,等.低功耗高精度體溫計設計[J].計算機測量與控制,2011,19(3):676-678.

[8] Crawford DC,Hicks B,Thompson MJ.Which thermometer?Factors influencing best choice for intermittent clinical temperature assessment[J].J Med Eng,2006,30(4):199.

[9] GB/T 21416-2008,醫用電子體溫計[S].

[10] 李明,王盼,付茜茜.幾種體溫計測量結果準確性的研究綜述[J].農村經濟與科技,2016,27(24):282.

[11] 李建新.基于恒流源的電阻測量[J].現代電子技術,2004,27(19):89-90.

[12] 李禹政.基于ADS1100的經絡檢測儀的研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2014.

[13] 鄧遲.可穿戴式電子體溫計研究與軟硬件設計[D].安徽:中國科學技術大學,2016.

[14] 華成英.模擬電子技術基礎教程[M].北京:清華大學出版社,2006.

[15] 李琳.集成運算放大器的誤差分析[J].計量與測試技術,2006,33(12):19-20.

[16] 倪秀輝,張琳琳,任國興.基于MSP430的熱敏電阻高精度測溫設計[J].儀表技術與傳感器,2009,183(3):100-103.

[17] Zeng QQ,Chen L,Xie M,et al.Calibration of thermostatic bath used on electronic thermometer verification[J].Appl Mech Mater,2014,635:819-823.

[18] Pusnik I,Bojkovski J,Drnovsek J.Development of a calibration bath for clinical thermometers[A].11thMediterranean Conference on Medical and Biomedical Engineering and Computing 2007[C].Heidelberg:Springer,2007:338-341.

[19] 趙曉偉.基于藍牙BLE的智能體溫測量系統的設計與實現[D].南京:南京郵電大學,2015.

Design of Temperature Measurement System Based on Negative Temperature Coeffcient

YUAN Dongmei, YANG Kun, ZHANG Yanyan, LI Baojie
Department of Medical Engineering, 302 Military Hospital of PLA, Beijing 100039, China

ObjectiveTo design of a portable temperature measurement equipment based on NTC thermistor.MethodsFirstly, based on the constant current source, negative temperature coeffcient (NTC) thermistor was chosen as the body temperature sensor, and high-precision differential analog digital converter (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.ResultsThe experimental results 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.ConclusionThis system presents a new design scheme with strong stability and practicability. At the same time, the real-time calibration method mentioned in the calibration scheme also provides some reference value for further study of electronic thermometer calibration.

body temperature measurement; constant current source; negative temperature coeffcient thermistor; real-time calibration; electronic clinical thermometer

R318.6

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.11.024

1674-1633(2017)11-0098-06

2017-03-22

2017-04-13

楊坤，副主任藥師，主要研究方向為醫院管理工作。

通訊作者郵箱：yangkun302yy@126.com

本文編輯 袁雋玲