王球+瞿昊

摘要：人體核心溫度是重要的醫(yī)療生理信號。然而常用的獲取核心溫度的方法因具有侵入式的、不便捷地限制了使用，使得核心溫度的監(jiān)測常常是在醫(yī)院環(huán)境中檢測，這不利于疾病的監(jiān)測和控制。零熱流方法監(jiān)測核心溫度，可以從前額部位獲取腦部核心溫度，使得核心溫度檢測便捷、舒適。該文設(shè)計的零熱流溫度采集系統(tǒng)采用恒流源方法，通過電池電源供電，信號經(jīng)過電壓的放大、電位調(diào)節(jié)和低通濾波實(shí)現(xiàn)了核心溫度的便攜式采集。并通過恒溫水浴鍋對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，提高了采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：核心溫度；零熱流方法；恒流源方法；MSP430；生物節(jié)律

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）13-0205-03

人體腦部核心溫度是重要的醫(yī)療生理信號。核心溫度具有生物鐘信息，對核心溫度長時間監(jiān)測可以及時了解核心溫度的變化，從而獲取人體的生物節(jié)律。溫度檢測方法有直接接觸法和紅外感應(yīng)的方法。但對于人體腦部核心溫度的檢測，直接接觸方法難以實(shí)現(xiàn)，并且可能會給被測試帶來創(chuàng)傷；紅外感應(yīng)獲取皮膚較為淺層的溫度；現(xiàn)用的耳溫計測量溫度受環(huán)境的影響，并且在耳部感染時測量溫度不可靠。文獻(xiàn)和文獻(xiàn)提出的零熱流溫度檢測方法可以在前額部位實(shí)現(xiàn)腦部核心溫度的檢測。本文基于零熱流原理，采用恒流源方法設(shè)計了一種核心溫度檢測的電路，實(shí)現(xiàn)核心溫度的便攜式測量。

1結(jié)構(gòu)模型

前額測量部位分為三層結(jié)構(gòu)。最內(nèi)層為骨質(zhì)層，中間為脂肪層，最外部為皮膚層，三層結(jié)構(gòu)視為緊密接觸的平整結(jié)構(gòu)。在這個模型當(dāng)中，假設(shè)皮膚層分布均勻，沒有血管、汗腺等組織。熱量發(fā)散是通過豎直方向，沒有水平方向的擴(kuò)散。如圖1所示，測量模型為對稱圓形結(jié)構(gòu)，測量點(diǎn)軸對稱中心r軸上，溫度分布為軸向的，骨質(zhì)層以下溫度為核心溫度。當(dāng)距離中心位置足夠遠(yuǎn)時，認(rèn)為x軸方向熱量散發(fā)為0。因此，從腦部發(fā)散的熱量都需要通過向外部皮膚發(fā)散進(jìn)行散熱，并且認(rèn)為傳感器測量中心點(diǎn)處，腦部熱量延r軸傳遞。

傳感器也分為三層結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。上層和最下層為絕熱塑料，中間層為加熱片。兩個熱敏電阻所處位置在絕熱塑料的中間部位，位置如圖。與加熱片接觸的熱敏電阻為傳感器1，與皮膚接觸的熱敏電阻為傳感器2.因此，在設(shè)計電路中，需要同時采集傳感器1和傳感器2兩端的電壓，并且需要控制加熱片。

2恒流源原理

電路設(shè)計當(dāng)中，常見的測溫電路有惠斯通測溫電橋和恒流源測溫方法。測溫電橋輸出部分為節(jié)點(diǎn)之間的電位差，并抵消部分基礎(chǔ)電壓，突出電壓變化部分，電路較為復(fù)雜。恒流源方法用于溫度測量時，可以保留熱敏電阻的線性特性。

3電路設(shè)計

核心溫度檢測系統(tǒng)中包括傳感器部分，電路調(diào)節(jié)部分和信號采集處理部分，總體結(jié)構(gòu)如圖所示。零熱流傳感器與人體接觸后，可以獲取人體身理參數(shù)信息，經(jīng)信號調(diào)理電路放大，電位調(diào)節(jié)和濾波后，采用ADC12實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換采集信號，對采集數(shù)據(jù)處理后用于控制傳感器中加熱片工作，直到獲取核心溫度。

3.1恒流源電路設(shè)計

采用LMl34設(shè)計恒流源電路。LM134為三端可調(diào)恒流源，10000：1的電流調(diào)節(jié)特性，動態(tài)電壓調(diào)節(jié)范圍為1V到40V，穩(wěn)定輸出電流范圍1uA～10mA。在標(biāo)準(zhǔn)LM134電路結(jié)構(gòu)中增加一個二極管和電阻，建立零溫度效應(yīng)電流源可以消除溫度依賴特性。

如圖4所示為LMl34搭建恒流源電路。LM134具有正的溫度系數(shù)，加入一個負(fù)溫度系數(shù)的前置偏執(zhí)二極管IN457，從而消除溫度效應(yīng)。由圖可知

3.2放大電路

采用恒流源方法進(jìn)行溫度的測量。其電路結(jié)構(gòu)如圖4a。LM134產(chǎn)生1mA恒定電流，經(jīng)過熱敏電阻R_t1和熱敏電阻R_t2以及精確電阻Rref。常溫環(huán)境下，PT100熱敏電阻阻值較大，而人體溫度測量區(qū)間從32℃-42℃內(nèi)，電阻阻值變化較小。因此，恒流源電路中需要調(diào)節(jié)電位，突出人體溫度范圍內(nèi)的溫度變化。AD620儀表放大器使用外接電阻可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，同時5引腳輸入偏置電壓可以調(diào)節(jié)輸出電位。

由恒流源方法可知，熱敏電阻R_t1、熱敏電阻R_t2和精確參考電阻R_ref的兩端電壓放大后為V₁，V₂，V_ref，基準(zhǔn)電壓值為，熱敏電阻兩端電壓經(jīng)過兩級放大器放大，放大倍數(shù)為G₁和G₂。精確電阻兩端電壓只需放大一次，放大倍數(shù)為G₃。則有

V_f為32℃時電流經(jīng)過熱敏電阻產(chǎn)生的電壓值，此時熱敏電阻阻值為R_f。

V_f=IR_g

故對于熱敏電阻R_t1有

3.3濾波電路電路

電路中有噪聲信號，噪聲來源于工頻干擾和電磁干擾。并且溫度變化非常緩慢，因此高頻信號都是由噪聲引起的。電路中加入濾波2Hz的濾波電路，可以消除噪聲。采用OP07搭建巴特沃茲低通濾波器實(shí)現(xiàn)噪聲信號的濾波。R₃和R₄為51KΩ的電阻，電容C₁為2.2uf，C₂為1uf，則等效電阻為R₀=R₃=R₄，等效電容為C₀=C₁/1.4=1.571uf，則截止頻率為

滿足截止頻率2Hz要求。

3.4加熱片控制

加熱片控制電路中，使用PI控制算法實(shí)現(xiàn)對加熱片加熱溫度的控制。這里采用PMW波形控制加熱片兩端的電壓值，從而達(dá)到控制加熱片加熱功率。

其中V_w為加熱片兩端的電壓，V為供電電壓，P/P_a為PMW的占空比。占空比通過控制MSP430中定時器Timer_A得到。

3.5模數(shù)轉(zhuǎn)換

電路采用MSP430F149作為控制芯片，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC12采集模擬電壓信號。由圖可知，ADC12需要采集三路電壓信號為AD₁，AD₂，AD₃。在ADC12中，其參考電壓為3.3V時，則ADC12的分辨率為

即控制電路最小的識別電壓為0.81 mV。則最小可識別的溫度變化為

而熱敏電阻的精確度為0.1℃，因此采用ADC12保證了測量電路的精度要求。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計過程中，令V_f為IxR_f，存在近似的效果，因此需要對測量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。通過匣溫水浴鍋對所設(shè)計的電路進(jìn)行校準(zhǔn)，將兩個熱敏電阻放人恒溫水浴鍋內(nèi)，獲取AD1/AD3和ADJAD，與溫度的關(guān)系圖。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。

由圖可知，溫度與AD₁/AD₃和AD₂/AD₃有良好的線性關(guān)系。最小二乘法獲取擬合曲線為：對于傳感器1有

對于傳感器2有

采用所設(shè)計的傳感器采集人體腦部核心溫度，獲取的核心溫度波形顯示如圖所示。

5結(jié)束語

本電路設(shè)計中采用LMl34實(shí)現(xiàn)了零溫度漂移的1mA恒流源；采用恒流源方法測溫，保持熱敏電阻PT100的線性特性，能夠得到高精度溫度測量數(shù)據(jù)。核心溫度采集系統(tǒng)采用零熱流的方法獲取核心溫度，其采用電池供電，可作為便攜式設(shè)備，在航天領(lǐng)域和消防領(lǐng)域都具有很廣闊的應(yīng)用前景。