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摘要：人体核心温度是重要的医疗生理信号。然而常用的获取核心温度的方法因具有侵入式的、不便捷地限制了使用，使得核心温度的监测常常是在医院环境中检测，这不利于疾病的监测和控制。零热流方法监测核心温度，可以从前额部位获取脑部核心温度，使得核心温度检测便捷、舒适。该文设计的零热流温度采集系统采用恒流源方法，通过电池电源供电，信号经过电压的放大、电位调节和低通滤波实现了核心温度的便携式采集。并通过恒温水浴锅对传感器进行校准，提高了采集系统的准确性。
关键词：核心温度；零热流方法；恒流源方法；MSP430；生物节律
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）13-0205-03
人体脑部核心温度是重要的医疗生理信号。核心温度具有生物钟信息，对核心温度长时间监测可以及时了解核心温度的变化，从而获取人体的生物节律。温度检测方法有直接接触法和红外感应的方法。但对于人体脑部核心温度的检测，直接接触方法难以实现，并且可能会给被测试带来创伤；红外感应获取皮肤较为浅层的温度；现用的耳温计测量温度受环境的影响，并且在耳部感染时测量温度不可靠。文献和文献提出的零热流温度检测方法可以在前额部位实现脑部核心溫度的检测。本文基于零热流原理，采用恒流源方法设计了一种核心温度检测的电路，实现核心温度的便携式测量。
1结构模型
前额测量部位分为三层结构。最内层为骨质层，中间为脂肪层，最外部为皮肤层，三层结构视为紧密接触的平整结构。在这个模型当中，假设皮肤层分布均匀，没有血管、汗腺等组织。热量发散是通过竖直方向，没有水平方向的扩散。如图1所示，测量模型为对称圆形结构，测量点轴对称中心r轴上，温度分布为轴向的，骨质层以下温度为核心温度。当距离中心位置足够远时，认为x轴方向热量散发为0。因此，从脑部发散的热量都需要通过向外部皮肤发散进行散热，并且认为传感器测量中心点处，脑部热量延r轴传递。
传感器也分为三层结构，其结构如图1所示。上层和最下层为绝热塑料，中间层为加热片。两个热敏电阻所处位置在绝热塑料的中间部位，位置如图。与加热片接触的热敏电阻为传感器1，与皮肤接触的热敏电阻为传感器2.因此，在设计电路中，需要同时采集传感器1和传感器2两端的电压，并且需要控制加热片。
2恒流源原理
电路设计当中，常见的测温电路有惠斯通测温电桥和恒流源测温方法。测温电桥输出部分为节点之间的电位差，并抵消部分基础电压，突出电压变化部分，电路较为复杂。恒流源方法用于温度测量时，可以保留热敏电阻的线性特性。
3电路设计
核心温度检测系统中包括传感器部分，电路调节部分和信号采集处理部分，总体结构如图所示。零热流传感器与人体接触后，可以获取人体身理参数信息，经信号调理电路放大，电位调节和滤波后，采用ADC12实现模数转换采集信号，对采集数据处理后用于控制传感器中加热片工作，直到获取核心温度。
3.1恒流源电路设计
采用LMl34设计恒流源电路。LM134为三端可调恒流源，10000：1的电流调节特性，动态电压调节范围为1V到40V，稳定输出电流范围1uA～10mA。在标准LM134电路结构中增加一个二极管和电阻，建立零温度效应电流源可以消除温度依赖特性。
如图4所示为LMl34搭建恒流源电路。LM134具有正的温度系数，加入一个负温度系数的前置偏执二极管IN457，从而消除温度效应。由图可知
3.2放大电路
采用恒流源方法进行温度的测量。其电路结构如图4a。LM134产生1mA恒定电流，经过热敏电阻Rt1和热敏电阻Rt2以及精确电阻Rref。常温环境下，PT100热敏电阻阻值较大，而人体温度测量区间从32℃-42℃内，电阻阻值变化较小。因此，恒流源电路中需要调节电位，突出人体温度范围内的温度变化。AD620仪表放大器使用外接电阻可以调节放大倍数，同时5引脚输入偏置电压可以调节输出电位。
由恒流源方法可知，热敏电阻Rt1、热敏电阻Rt2和精确参考电阻Rref的两端电压放大后为V1，V2，Vref，基准电压值为，热敏电阻两端电压经过两级放大器放大，放大倍数为G1和G2。精确电阻两端电压只需放大一次，放大倍数为G3。则有
Vf为32℃时电流经过热敏电阻产生的电压值，此时热敏电阻阻值为Rf。
Vf=IRg
故对于热敏电阻Rt1有
3.3滤波电路电路
电路中有噪声信号，噪声来源于工频干扰和电磁干扰。并且温度变化非常缓慢，因此高频信号都是由噪声引起的。电路中加入滤波2Hz的滤波电路，可以消除噪声。采用OP07搭建巴特沃兹低通滤波器实现噪声信号的滤波。R3和R4为51KΩ的电阻，电容C1为2.2uf，C2为1uf，则等效电阻为R0=R3=R4，等效电容为C0=C1/1.4=1.571uf，则截止频率为
满足截止频率2Hz要求。
3.4加热片控制
加热片控制电路中，使用PI控制算法实现对加热片加热温度的控制。这里采用PMW波形控制加热片两端的电压值，从而达到控制加热片加热功率。
其中Vw为加热片两端的电压，V为供电电压，P/Pa为PMW的占空比。占空比通过控制MSP430中定时器Timer_A得到。
3.5模数转换
电路采用MSP430F149作为控制芯片，采用模数转换器ADC12采集模拟电压信号。由图可知，ADC12需要采集三路电压信号为AD1，AD2，AD3。在ADC12中，其参考电压为3.3V时，则ADC12的分辨率为
即控制电路最小的识别电压为0.81 mV。则最小可识别的温度变化为
而热敏电阻的精确度为0.1℃，因此采用ADC12保证了测量电路的精度要求。
4实验结果
设计过程中，令Vf为IxRf，存在近似的效果，因此需要对测量结果进行校准。通过匣温水浴锅对所设计的电路进行校准，将两个热敏电阻放人恒温水浴锅内，获取AD1/AD3和ADJAD，与温度的关系图。其实验结果如图所示。
由图可知，温度与AD1/AD3和AD2/AD3有良好的线性关系。最小二乘法获取拟合曲线为：对于传感器1有
对于传感器2有
采用所设计的传感器采集人体脑部核心温度，获取的核心温度波形显示如图所示。
5结束语
本电路设计中采用LMl34实现了零温度漂移的1mA恒流源；采用恒流源方法测温，保持热敏电阻PT100的线性特性，能够得到高精度温度测量数据。核心温度采集系统采用零热流的方法获取核心温度，其采用电池供电，可作为便携式设备，在航天领域和消防领域都具有很广阔的应用前景。
关键词：核心温度；零热流方法；恒流源方法；MSP430；生物节律
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）13-0205-03
人体脑部核心温度是重要的医疗生理信号。核心温度具有生物钟信息，对核心温度长时间监测可以及时了解核心温度的变化，从而获取人体的生物节律。温度检测方法有直接接触法和红外感应的方法。但对于人体脑部核心温度的检测，直接接触方法难以实现，并且可能会给被测试带来创伤；红外感应获取皮肤较为浅层的温度；现用的耳温计测量温度受环境的影响，并且在耳部感染时测量温度不可靠。文献和文献提出的零热流温度检测方法可以在前额部位实现脑部核心溫度的检测。本文基于零热流原理，采用恒流源方法设计了一种核心温度检测的电路，实现核心温度的便携式测量。
1结构模型
前额测量部位分为三层结构。最内层为骨质层，中间为脂肪层，最外部为皮肤层，三层结构视为紧密接触的平整结构。在这个模型当中，假设皮肤层分布均匀，没有血管、汗腺等组织。热量发散是通过竖直方向，没有水平方向的扩散。如图1所示，测量模型为对称圆形结构，测量点轴对称中心r轴上，温度分布为轴向的，骨质层以下温度为核心温度。当距离中心位置足够远时，认为x轴方向热量散发为0。因此，从脑部发散的热量都需要通过向外部皮肤发散进行散热，并且认为传感器测量中心点处，脑部热量延r轴传递。
传感器也分为三层结构，其结构如图1所示。上层和最下层为绝热塑料，中间层为加热片。两个热敏电阻所处位置在绝热塑料的中间部位，位置如图。与加热片接触的热敏电阻为传感器1，与皮肤接触的热敏电阻为传感器2.因此，在设计电路中，需要同时采集传感器1和传感器2两端的电压，并且需要控制加热片。
2恒流源原理
电路设计当中，常见的测温电路有惠斯通测温电桥和恒流源测温方法。测温电桥输出部分为节点之间的电位差，并抵消部分基础电压，突出电压变化部分，电路较为复杂。恒流源方法用于温度测量时，可以保留热敏电阻的线性特性。
3电路设计
核心温度检测系统中包括传感器部分，电路调节部分和信号采集处理部分，总体结构如图所示。零热流传感器与人体接触后，可以获取人体身理参数信息，经信号调理电路放大，电位调节和滤波后，采用ADC12实现模数转换采集信号，对采集数据处理后用于控制传感器中加热片工作，直到获取核心温度。
3.1恒流源电路设计
采用LMl34设计恒流源电路。LM134为三端可调恒流源，10000：1的电流调节特性，动态电压调节范围为1V到40V，稳定输出电流范围1uA～10mA。在标准LM134电路结构中增加一个二极管和电阻，建立零温度效应电流源可以消除温度依赖特性。
如图4所示为LMl34搭建恒流源电路。LM134具有正的温度系数，加入一个负温度系数的前置偏执二极管IN457，从而消除温度效应。由图可知
3.2放大电路
采用恒流源方法进行温度的测量。其电路结构如图4a。LM134产生1mA恒定电流，经过热敏电阻Rt1和热敏电阻Rt2以及精确电阻Rref。常温环境下，PT100热敏电阻阻值较大，而人体温度测量区间从32℃-42℃内，电阻阻值变化较小。因此，恒流源电路中需要调节电位，突出人体温度范围内的温度变化。AD620仪表放大器使用外接电阻可以调节放大倍数，同时5引脚输入偏置电压可以调节输出电位。
由恒流源方法可知，热敏电阻Rt1、热敏电阻Rt2和精确参考电阻Rref的两端电压放大后为V1，V2，Vref，基准电压值为，热敏电阻两端电压经过两级放大器放大，放大倍数为G1和G2。精确电阻两端电压只需放大一次，放大倍数为G3。则有
Vf为32℃时电流经过热敏电阻产生的电压值，此时热敏电阻阻值为Rf。
Vf=IRg
故对于热敏电阻Rt1有
3.3滤波电路电路
电路中有噪声信号，噪声来源于工频干扰和电磁干扰。并且温度变化非常缓慢，因此高频信号都是由噪声引起的。电路中加入滤波2Hz的滤波电路，可以消除噪声。采用OP07搭建巴特沃兹低通滤波器实现噪声信号的滤波。R3和R4为51KΩ的电阻，电容C1为2.2uf，C2为1uf，则等效电阻为R0=R3=R4，等效电容为C0=C1/1.4=1.571uf，则截止频率为
满足截止频率2Hz要求。
3.4加热片控制
加热片控制电路中，使用PI控制算法实现对加热片加热温度的控制。这里采用PMW波形控制加热片两端的电压值，从而达到控制加热片加热功率。
其中Vw为加热片两端的电压，V为供电电压，P/Pa为PMW的占空比。占空比通过控制MSP430中定时器Timer_A得到。
3.5模数转换
电路采用MSP430F149作为控制芯片，采用模数转换器ADC12采集模拟电压信号。由图可知，ADC12需要采集三路电压信号为AD1，AD2，AD3。在ADC12中，其参考电压为3.3V时，则ADC12的分辨率为
即控制电路最小的识别电压为0.81 mV。则最小可识别的温度变化为
而热敏电阻的精确度为0.1℃，因此采用ADC12保证了测量电路的精度要求。
4实验结果
设计过程中，令Vf为IxRf，存在近似的效果，因此需要对测量结果进行校准。通过匣温水浴锅对所设计的电路进行校准，将两个热敏电阻放人恒温水浴锅内，获取AD1/AD3和ADJAD，与温度的关系图。其实验结果如图所示。
由图可知，温度与AD1/AD3和AD2/AD3有良好的线性关系。最小二乘法获取拟合曲线为：对于传感器1有
对于传感器2有
采用所设计的传感器采集人体脑部核心温度，获取的核心温度波形显示如图所示。
5结束语
本电路设计中采用LMl34实现了零温度漂移的1mA恒流源；采用恒流源方法测温，保持热敏电阻PT100的线性特性，能够得到高精度温度测量数据。核心温度采集系统采用零热流的方法获取核心温度，其采用电池供电，可作为便携式设备，在航天领域和消防领域都具有很广阔的应用前景。