一种低功耗的便携式体温计设计

景阳春

（延安大学，陕西 延安 716000）

0 引言

近年来，由于国内社会快节奏的生活方式和工作压力，人们在忙碌的同时还需要及时了解自身身体的健康状况，身心上的疲惫可想而知，在这种背景下，智能医疗产品的发展突飞猛进，便携式体温计就是其中之一，它改变了人们对体温测量方式的选择.目前常见的体温测量的方式有：水银体温计、电子体温计和红外线体温计等，测温范围均在35℃～42℃[1].因为红外线体温计和电子体温计中无水银成分，所以被称为“无汞体温计”.虽然水银体温计测得的温度稳定而且准确，但缺点是测量时间计较长，而且容易破碎和造成汞污染从而引发汞中毒.“无汞体温计”具有测量速度快、安全、灵敏等特点，能实现将测量所得的温度数字化显示，能够储存测温数据，实时反馈体温的变化趋势.将智能化和体温计相结合，通过借助移动终端设备，将测得体温呈现在移动平台上，提升了测量效率且具有实时性，在新的时代背景下，更加具有前瞻性，在政策的指导下，此类体温计将会进入一个生长期[2].

1 设计思路

1.1 设计要求

（1）温度采集器具备测温速度快、灵敏度高、测量数据准确、传输稳定的特点.

（2）移动终端实现体温实时监控和记录，通过记忆曲线查看体温变化.[3]

（3）由于温度采集器是适合大众使用的，所以在设计的时候选择了低成本的器件.

基于以上描述，选用STM32 F103C8T6作为系统的主控芯片，DS18B20作为温度测量传感器，WiFi模块传输数据到移动终端.

1.2 设计原理

系统总体框图如图1所示，主要由人体温度采集模块、微控制器模块、OLED液晶显示模块、WIFI通信模块和蜂鸣器等模块组成.

图1 系统总体框图

1.3 方案选择

主控器选用STM32 F103C8T6，内核为32位，数据处理速度快，并且其供电电压为3.3V，功耗较小[4].传感器选用DS18B20，采用单线接口方式的数字温度传感器，具有体积小、抗干扰能力强、精度高的特点.通信模块选用ESP8266作为通信工具，是一款超低功耗的WIFI传输模块，内置TCP/IP协议线，可将用户的物理设备连接到无线网络上，进行互联网通信，实现联网功能[5].选用OLED型号作为显示屏，具备自发光、不需要背光源、对比度高、反应速度快、构造简单等优点，该模块具有多种接口方式，供电电压3.3V即可，并有单色和双色两种选择.

2 系统硬件设计

基于低功耗的便携式体温计设计的总原理图如图2所示.核心模块为STM32F103CBT6微处理器，DS18B20温度传感器与STM32F103CBT6的11号引脚相连，将测得温度以脉冲信号输出至STM32F103CBT6进行处理[6]，OLED模块在微处理器的驱动下显示温度，若所测温度高于正常体温，则触发报警，同时ESP8266 WiFi模块与云端建立连接并将温度数据传输至已连接的移动终端上[7].

图2 系统总电路原理图

3 系统软件设计

系统编程选用Keil uVision5作为软件开发系统，用C语言执行软件编程.系统软件设计主要包括DS18B20传感器、无线WIFI模块和OLED显示模块.

3.1 系统软件组成

3.1.1 DS18B20传感器

由于DS18B20是采用单总线的方式与STM32实现双向通信的，所以DS18B20对读写数据位有着严格的时序要求，DS18B20应遵循相应的时序逻辑从而保证数据传输的完整性和正确性.该时序协议定义了多种信号的时序：初始化时序、写字节时序、读字节时序.[8]所有时序都是将STM32为主机，DS18B20为从机.主机输出低电平并至少保持480us,以产生复位脉冲.接着主机释放总线，上拉电阻将总线拉高，保持15～60us，并进入接收模式.接着DS18B20将总线拉低保持60～240us，以产生低电平应答脉冲.读、写时序都需要至少60us，且在两次独立的时序之间至少需要1us的恢复时间，数据和命令都是从低位开始，将读取的8位数据乘以0.0625即可得到实际温度[9].DS18B20模块的流程图如图3所示.

图3 DS18B20模块的流程图

图4 WIFI模块的流程图

3.1.2 无线WIFI模块

ESP8266利用串口协议和STM32实现双向通信，STM32发送AT指令对系统进行初始化，即设置进入WiFi模块并退出透传，开机重启，连接网络等操作；接着需要在云端添加设备，WIFI采用TCP协议连接云端IP，这样就和平台建立连接；云端利用EDP协议连接设备ID号，实现数据流上传，这样就可以在平台上查看到数据记忆曲线[10].WIFI模块的流程图如图4所示.

3.1.3 OLED显示模块

首先，对OLED显示屏进行初始化，接着驱动IC初始化，对I/O口初始化，开启显示并清屏；接着按照时序协议对其写数据或者写命令，OLED更新缓存显示内容；利用汉字取模软件将汉字、字符转化成十六进制码表，调用码表就可以显示汉字了.OLED显示流程图如图5所示.

图5 OLED显示流程图

4 系统调试与测量

硬件部分调试需要检测STM32最小系统能否正常工作；检测电路板的每个芯片管脚焊接是否连接准确；对已经进行静态检测的每个硬件功能模块，再仔细分析并检测电路的每个模块能否正常工作，排除因疏忽某一部分而引入的错误.在确认全部检查正常无误的情况，根据系统电路的原理图完成其PCB，从而获得电路板.软件调试主要是对软件编程和硬件之间的匹配进行检测.首先，对程序整体进行检查，如DS18B20传感器、WIFI模块、OLED显示模块、STM32F103C8T6的GPIO配置是否正常，是否与硬件的连接相互匹配.然后检查各个模块的数据是否能正常的发送和接收，如DS18B20传感器是否准确的将数据读出，WIFI模块能否接受到正确的AT指令，OLED显示模块是否可以正常工作.最后测试OLED显示的温度数据是否正常，云端能否正常接受到数据，移动终端能否查看到温度记忆曲线.

5 结束语

本文主要设计了一款具有低功耗、便携式、智能化功能的体温计，能够准确、高效地测量并记录被测者的人体温度，当超过正常值时进行报警，能够实时监测和统计被测者的体温数据，对于现实生活具有很大的意义，可广泛应用于家庭和医院等领域，具有广阔的市场前景[11].本设计还存在一些缺陷，还需要进一步完善设计，比如对系统的外包装进行设计，实现系统外包装的便携和美观.