CN101187586B - 一种快速体温测量装置的探头加热电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速体温测量装置的探头加热电路，包括发热单元、开关电路、处理器和加热能量控制模块，所述发热单元和开关电路串联在加热电源和地之间，所述开关电路响应处理器输出的PWM控制信号和加热能量控制模块输出的控制信号，用于仅在PWM控制信号和加热能量控制模块输出的控制信号同时有效时导通以使通过发热单元的电流回路接通。从而控制提供给加热通道的能量，使发热单元不会过热，提高了加热电路的安全性。

Description

一种快速体温测量装置的探头加热电路

【技术领域】

本发明涉及一种快速体温测量装置，尤其涉及该快速体温测量装置的探头加热电路。

【背景技术】

人体温度测量方式根据温度探头的形式而分成两类：一类是直接接触式，利用热平衡方法获得体温，探头可以是热敏电阻、铂电阻、水银等，这个方法是目前体温测量的标准方法，缺点是由于达到热平衡需要一定时间，所以测量时间长；另一类是非接触式，利用人体的热辐射获得体温，探头可以是红外传感器等，这个方法的特点测量时间短，但测量误差较大。

医疗诊断用的体温测量一般是采用第一类方法，以获得较准确的体温测量值，由于测量时间长，这类测量又分成连续测量和预测式测量两种形式的测量方法。

连续测量体温计是将温度探头与待测温部位紧密接触，并实时、连续地显示待测部位的温度，由于人体和测温元件之间的热传导需要一个过程，因而此方法测量体温需要较长的时间，一般测量口腔的时间为3分钟，腋下为5分钟。

预测式体温计是根据一定时间内体温探头温度上升曲线的特点来间接预测出探头与待测部位平衡时的温度，由于它不用等到探头与待测部位达成热平衡时就可以得到待测部位的最终温度，所以大大缩短了测量时间，因此又被称为快速体温测量。

当体积相对较小的低温物体与体积相对较大的高温物体相接触时，小的低温物体的温度变化公式为：

$T\left(t\right)=T_R+(T_F-T_R)\·(1-e^{\frac{t}{\mathrm{\τ}}})---\left(1\right)$

T(t)是表示小物体的以时间为变量的温度函数，T_F是小物体的近似稳定温度，T_R是小物体的初始温度，t是时间，τ为系统时间常数。

将上式用于预测体温测量时，就需要将探头从某恒定的低温T₁开始与人体测量部位接触，在较短的时间Δt内探头温度上升到T₂，这样，根据公式(1)即可计算出探头最后平衡温度的预测值T_F：

$T_F=\frac{T_2-T_1\·e^{-\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\τ}}}}{1-e^{-\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\τ}}}}---\left(2\right)$

根据上面的快速体温测量原理可知，在探头在放入人体测量部位前，需将探头的温度加热到一恒定温度，一般为32～33摄氏度；在放入人体进行测量后，探头检测到温升，一段时间Δt后即可根据预测算法计算出预测温度值。

图1是预测式体温计的测量原理框图。其中探头加热电路是预测式体温测量系统中的重要组成部分，一般要求从体温探头拨出到放入人体测量部位的时间间隔内(一般为4～8秒)，将探头温度加热到我们要求的开始温度值T₁(32~33摄氏度)。根据实际需求，加热器需要的最大加热功率一般为0.6W～0.8W，如果使用+5V电压来驱动加热器，同时选用30Ω阻值的加热电阻，那么加热电路最大电流约为160mA。百毫安级的加热器设计实现方法较多，这里主要介绍两种。

一是利用恒流源控制电路设计加热器。

如图2所示，当驱动加热的开关电路K1闭合的时候，通过输入电压Vin和恒流源限流电阻R1来控制驱动电流大小：

$I=\frac{\mathrm{Vin}}{R1}---\left(3\right)$

另：上式成立的条件是三极管Q1仍然工作在放大区，即Q1集电极和发射极间电压Uce大于基极和发射极间电压Ube。

如果不需要加热，那么只要将驱动加热的开关电路K1断开即可。

驱动加热的开关电路K1可以利用MOS管实现，控制MOS管的栅极-源极电压U_gs即可实现通道的开关状态切换。

二是利用PWM(Pulse width modulation，脉宽调制)控制电路设计加热器。

如图3所示，当PWM输入为高电平(5VTTL)时，Q1导通，加热器通道电流约为：

$I=\frac{\mathrm{AVCC}-U_{\mathrm{DS}}}{R2}---\left(4\right)$

其中，U_DS为MOS管Q1导通时漏极和源极间压降；AVCC为加热器供电电压；当PWM输入为低电平时，Q1截止，加热停止。因此控制PWM输入的占空比即可改变加热器输出功率。

从上面两种加热器的实现方法上看，方法二要比方法一更优，主要体现在以下几点：

①、电路结构简单，成本低。

②、相同驱动条件下加热效率高。

③、控制更为方便。因为相对于输出给定电平，现在常用的MCU处理器更方便输出PWM信号。

但现有的这两种加热器电路的设计，基本上都只是单一的实现加热和控制功能，不能够满足现有医疗检测设备的单一故障下安全性要求，特别是在探头出现过量加热时，缺乏安全性保证。

【发明内容】

本发明要解决的主要技术问题是：克服现有技术中的缺陷，提供一种快速体温测量装置的探头加热电路，通过控制提供给加热通道的热量，提高探头加热电路的安全性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种快速体温测量装置的探头加热电路，包括发热单元、开关电路、处理器和加热能量控制模块，所述发热单元和开关电路串联在加热电源和地之间，所述开关电路响应处理器输出的PWM控制信号和加热能量控制模块输出的控制信号，用于仅在PWM控制信号和加热能量控制模块输出的控制信号同时有效时导通以使通过发热单元的电流回路接通。

其中，所述加热能量控制模块的一种实施例是包括超时保护电路，所述超时保护电路响应处理器的控制，输出超时控制信号至开关电路，用于对发热单元的加热时间进行计时，在加热时间超过设定时间后控制开关电路断开。

所述超时保护电路的一种实施例是包括充电电容、二极管、第九电阻和第十一电阻，所述充电电容的负端耦合到处理器的使能控制信号输出端，正端分别耦合到二极管的阳极和第九电阻的第一端，第九电阻的第二端耦合到开关电路，所述二极管的阴极耦合到数字部分电源，所述第十一电阻连接在数字部分电源和充电电容的正端之间。

本发明的进一步改进是：所述加热能量控制模块还可以单独包括或在超时保护电路的基础上进一步包括限流保护电路，所述限流保护电路与加热电源相连，所述开关电路响应处理器输出的PWM控制信号和限流保护电路输出的限流控制信号，用于仅在PWM控制信号和限流控制信号同时有效时导通以使通过发热单元的电流回路接通。

所述限流保护电路的一种实施例是包括限流电阻和第三开关管，所述限流电阻的第一端耦合到加热电源，第二端分别耦合到第三开关管的控制极和开关电路，所述第三开关管的第一主电流导通极耦合到加热电源，第二主电流导通极分别耦合到开关电路和地。

所述开关电路的一种实施例是串接在发热单元和地之间，所述开关电路包括第二开关管、第五开关管和第一电阻；所述第五开关管的控制极与超时保护电路的输出端相连，第一主电流导通极响应处理器输出的PWM控制信号，第二主电流导通极与第二开关管控制极相连；所述第二开关管的第一、二主电流导通极连接在发热单元和地之间，所述第一电阻连接在第二开关管的控制极和地之间。

所述开关电路的另一种实施例是串接在发热单元和加热电源之间，所述开关电路包括第一开关管；所述第一开关管的第一、二主电流导通极连接在发热单元和加热电源之间，所述第一开关管的控制极还响应限流保护电路的输出。

所述开关电路的又一种实施例是包括两组，第一组串接在发热单元和加热电源之间，第二组串接在发热单元和地之间；所述第一组开关电路包括第一开关管，所述第一开关管的控制极响应处理器输出的PWM控制信号和限流保护电路的输出，第一、二主电流导通极连接在发热单元和加热电源之间；所述第二组开关电路包括第二开关管、第五开关管和第一电阻；所述第五开关管的控制极与超时保护电路的输出端相连，第一主电流导通极响应处理器输出的PWM控制信号，第二主电流导通极与第二开关管控制极相连；所述第二开关管的第一、二主电流导通极连接在发热单元和地之间，所述第一电阻连接在第二开关管的控制极和地之间。

本发明的更进一步改进是：还包括故障检测电路，所述故障检测电路的输入端连接限流电阻的第二端，输出端耦合到处理器的ADC输入口。

本发明的有益效果是：本发明通过控制发热单元的加热时间和/或通过发热单元的电流，从而控制提供给发热单元的热量，使发热单元不会过度加热，提高了探头加热电路的安全性。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1为快速体温测量电路的原理框图；

图2为现有技术中恒流源驱动加热电路图；

图3为现有技术中PWM控制驱动加热电路图；

图4为本发明的实现超时保护功能的一种实施例的电路图；

图5为本发明的实现限流功能的一种实施例的电路图；

图6为本发明的增加故障检测功能的一种实施例的电路图；

图7为本发明的另一种实施例的电路图。

【具体实施方式】

实施例一、如图4所示为加热能量控制模块实现超时保护功能的探头加热电路，加热能量控制模块包括超时保护电路2，处理器嵌入在体温模块的探头内部，用于生成驱动开关电路在导通和断开模式之间转换的PWM控制信号，即图中的信号1，它可通过改变PWM占空比来控制探头加热器输出功率。发热单元为图中的加热电阻R2。在本实施例中，开关电路为串接在加热电阻R2和地之间的开关电路K2。

本实施例中有两种电源：一是加热电源AVCC，专供加热器使用，一般为5V；二是数字部分电源VDD，一般为3.3V，供嵌入式处理器系统电源和限流保护电路用；同时嵌入式处理器的I/O口信号和PWM信号输出的高电平也是VDD。

超时保护电路2响应处理器的I/O口输出的使能控制信号(即信号2)，并在使能控制信号有效时开始计时保护，开关电路K2响应处理器输出的PWM控制信号和超时保护电路输出的超时控制信号，只有在PWM控制信号和超时控制信号同时有效时，开关电路K2才能完全导通使通过加热电阻R2的电流回路接通。

超时保护电路2包括充电电容C1、二极管D1、第九电阻R9和第十一电阻R11，开关电路K2包括第二开关管Q2、第五开关管Q5和第一电阻R1；第二开关管Q2、第五开关管Q5可以选择MOS管或三极管实现开关功能，图4中第二开关管Q2为MOS管，第五开关管Q5为三极管。当开关管为三极管时，控制极、第一主电流导通极和第二主电流导通极分别指三极管的基极、发射极和集电极，当开关管为MOS管时，控制极、第一主电流导通极和第二主电流导通极分别指MOS管的栅极、源极和漏极。

充电电容C1的负端连接处理器的使能控制信号输出端，正端分别连接二极管D1的阳极和第九电阻R9的第一端，第九电阻R9的第二端连接第五开关管Q5的基极，由第九电阻R9的第二端输出超时控制信号。二极管的阴极连接数字部分电源VDD，第十一电阻R11连接在数字部分电源VDD和充电电容C1的正端之间。第五开关管Q5的发射极还响应处理器输出的PWM控制信号，集电极与第二开关管Q2的栅极相连；第二开关管Q2的漏极连接加热电阻R2，源极接地，栅极通过第一电阻R1接地。

本实施例通过控制电容充电时间常数实现硬件加热超时保护功能，防止加热器在加热控制算法运行异常时加热器一直工作而被损坏，其工作过程是：

①、在加热驱动前，信号2为低电平，充电电容C1两端电压约为VDD，充电电容C1内有储能；

②、如果信号2突变为高电平(VDD)时，即充电电容C1负端电压有突变，由于充电电容C1内存储有电荷，正端电压会在原来VDD基础上再抬高VDD，这样马上会导致二极管D1导通，所以充电电容C1上的电荷会很快的从导通的二极管D1上放电，然后慢慢的稳定在略高于VDD左右，充电电容C1两端电压基本相等，二极管D1截止。这样保证在启动加热之前，充电电容C1中基本无存储电荷；

③、等待电平基本稳定后，信号2再由高变低时，充电电容C1两端电压均为0V，这时即可控制信号1来驱动加热器工作。当信号1为高电平时，第五开关管Q5导通，同时第二开关管Q2也导通，信号1经过第四开关管Q4反向后同样驱动第一开关管Q1使其导通，加热器即开始加热；当信号1为低电平时，Q1、Q2、Q4和Q5均截止，加热就停止；

④、在上面的加热/停止过程中，均会慢慢的对充电电容C1进行充电；在加热过程中，有两个途径会对充电电容C1充电：一是VDD通过第十一电阻R11对充电电容C1充电；二是信号1通过第五开关管Q5导通的射极-基极PN结和第九电阻R9对充电电容C1充电。而在停止加热过程中，只是通过第十一电阻R11对充电电容C1充电；控制R9、R11和C1的参数值就能设定我们需要的硬件加热保护时间；

⑤、充电电容C1充电过程中，正端电压逐渐上升，上升到一定值时，加在第五开关管Q5的射极-基极PN结偏置电压就开始不足以使其导通。因此充电一段时间(设定的超时保护时间)后，第五开关管Q5截止，第一电阻R1两端电压降接近0V，导致第二开关管Q2截止，加热即自动停止，即实现了硬件加热超时保护。

为了保护钳位二极管D1，在二极管D1的阳极和充电电容C1的正端之间连接有第十电阻R10。

另外，还可以使用处理器内部集成的定时器(Timer)或者实时时钟(RTC)定时来控制IO口对加热通道进行超时保护，其原理与上述相同。

实施例二、与实施例一不同的是加热能量控制模块通过限流控制提供给加热电阻的热量，本实施例实现限流的原理是：紧接着加热器供电电源AVCC连接一个对探头短路的限流保护电路，而用于接通发热单元电流回路的可控开关电路连接在限流保护电路和发热单元之间，开关电路的开关状态由处理器输出的PWM控制信号和限流保护电路的输出信号共同控制，并且只有在两控制信号同时有效时开关电路才会完全导通使发热单元的电流回路接通，从而使发热单元发热以使探头升温。该限流保护电路可以在实施例一的基础上设计，如图6所示，也可以不依赖实施例一而单独设计，如图5所示。

如图5、6所示，限流保护电路与加热电源相连，开关电路为串接在加热电源AVCC和加热电阻R2之间的开关电路K1。开关电路K1响应处理器输出的PWM控制信号和限流保护电路1输出的限流控制信号，仅在PWM控制信号和限流控制信号同时有效时导通以使通过发热单元的电流回路接通。本实施例中，开关电路K1包括第一开关管Q1，第一开关管Q1可以选择MOS管或三极管实现开关功能，图5中第一开关管Q1为MOS管。限流保护电路1包括限流电阻R3和第三开关管Q3，第三开关管Q3可以选择MOS管或三极管实现开关功能，图5中第三开关管Q3为三极管。限流电阻R3的第一端耦合到加热电源AVCC，第二端分别耦合到第三开关管Q3的基极和第一开关管Q1的源极，第三开关管Q3的发射极耦合到加热电源AVCC，集电极通过集电极电阻R4接地。处理器生成的PWM控制信号输出后先经过一个反向驱动器，将处理器输出的PWM信号电平反向后驱动第一开关管Q1，本实施例中的反向驱动器包括第六电阻R6、第七电阻R7和第四开关管Q4，第四开关管Q4为三极管，第七电阻R7连接在处理器的PWM控制信号输出端和第四开关管Q4的基极之间，第四开关管的发射极接地，第六电阻R6的一端连接在第四开关管Q4的集电极。反向驱动器还可以通过其他电路实现，例如非门也可以实现同样的功能。第一开关管Q1的栅极分别连接第六电阻R6的另一端和第三开关管Q3的集电极，由第六电阻R6的另一端输出PWM信号、第三开关管Q3的集电极输出限流控制信号至第一开关管Q1，第一开关管Q1的漏极连接加热电阻R2，加热电阻R2的另一端接地。

本实施例利用三极管基极-射极导通压降Ube实现加热通道过流监测，同时结合MOS管的压控电流源的工作特点来限制过流时的通道电流，实现了硬件限流保护的功能。其限流的工作原理是：当加热电流I₁在正常范围内(小于限流保护的阈值电流 $I_t=\frac{U_{\mathrm{eb}0}}{R3},$ U_eb0为第三开关管Q3在导通时射极-基极压降)时，限流电阻R3两端的压降为U_eb＝R3×I₁＜U_eb0，那么第三开关管Q3不导通，加热驱动电路正常工作。当出现电阻短路时，电流会超过阈值电流I_t，这时过流检测限流电阻R3两端压降增加为U_eb＝R3×I₁＞U_eb0，第三开关管Q3射极-基极的PN结会导通，同时射极-集电极端电压又为5V，因此会将第一开关管Q1的栅极电压抬高，来钳位保护流过第一开关管Q1源漏间的电流I(也就是流过加热电阻R2的电流)，最后电路电流会限定在一个恒定电流，即设定的阈值电流 $I_t=\frac{U_{\mathrm{eb}0}}{R3}.$

处理器输出的PWM控制信号通过第八电阻R8接地，它的作用是在处理器上电而其IO口还没有初始化时，PWM信号为高阻态，信号电平不确定；为保证此时加热电路部分能够正常截止，所以添加这个下拉电阻R8来保证其为低电平，这样第一开关管Q1肯定截止，即上电的时候加热器不工作。

实施例三、如图6所示，在上述实施例的基础上增加故障检测功能的探头加热电路，故障检测电路3用来对加热器通道电流状态进行监测，发现故障后输出相应信号给处理器系统以便进行相关操作，例如报警和关断加热器等。故障检测电路3可以是跟随器或比较器，在图6中，运放A1连接成一跟随器，运放A1的正输入端连接限流电阻R3的第二端，采样该点的电压值，输出信号3，信号3送给嵌入式处理器ADC输入端口供采样监测加热器状态：当加热电路正常时，信号3电压小于AVCC-U_eb0；当加热电路出现短路时，信号3电压等于AVCC-U_eb0；当断路时，信号3电压等于AVCC。其中U_eb0为Q3在导通时射极-基极压降。

本实施例结合硬件限流保护电路利用AD转换器或比较器实现了加热器故障检测功能，提高了加热电路的安全性。

上述实施例中，开关电路可以串接在发热单元和地之间，也可以串接在发热单元和加热电源之间，或者开关电路可以包括两组，一组串接在加热电阻R2和地之间，另一组串接在加热电阻R2和加热电源AVCC之间。超时保护电路2和限流保护电路1可以控制上述的任一个开关电路。

如图7所示为超时保护电路2和限流保护电路1都控制开关电路K1的电路图，开关电路包括第一开关管Q1和第六开关管Q6；本实施例中，第一开关管Q1为MOS管，第六开关管Q6为三极管。第六开关管Q6的基极与超时保护电路2的第九电阻R9的第二端相连，发射极响应处理器输出的PWM控制信号，集电极耦合到第一开关管Q1的栅极；第一开关管Q1的源极和漏极连接在加热电阻R2和地之间，同时第一开关管Q1的栅极还响应限流保护电路1的输出。

根据上述原理，本领域技术人员还可以推演出其他方式，例如超时保护电路2和限流保护电路1都控制开关电路K2。

综上所述，本发明通过硬件实现了快速体温模块的探头加热电路的过流保护、故障检测和超时保护，大大提高了快速体温模块的可靠性和安全性。

Claims (14)

1.一种快速体温测量装置的探头加热电路，包括发热单元、开关电路、处理器，所述发热单元和开关电路串联在加热电源和地之间，其特征在于：还包括加热能量控制模块，所述开关电路响应处理器输出的PWM控制信号和加热能量控制模块输出的控制信号，用于仅在PWM控制信号和加热能量控制模块输出的控制信号同时有效时导通以使通过发热单元的电流回路接通。

2.如权利要求1所述的快速体温测量装置的探头加热电路，其特征在于：所述加热能量控制模块包括超时保护电路，所述超时保护电路响应处理器的控制，输出超时控制信号至开关电路，用于对发热单元的加热时间进行计时，在加热时间超过设定时间后控制开关电路断开。

3.如权利要求2所述的快速体温测量装置的探头加热电路，其特征在于：所述超时保护电路包括充电电容、二极管、第九电阻和第十一电阻，所述充电电容的负端耦合到处理器的使能控制信号输出端，正端分别耦合到二极管的阳极和第九电阻的第一端，第九电阻的第二端耦合到开关电路，所述二极管的阴极耦合到数字部分电源，所述第十一电阻连接在数字部分电源和充电电容的正端之间。

4.如权利要求3所述的快速体温测量装置的探头加热电路，其特征在于：所述超时保护电路还包括第十电阻，所述第十电阻连接在二极管的阳极和充电电容的正端之间。

5.如权利要求1至4中任一项所述的快速体温测量装置的探头加热电路，其特征在于：所述加热能量控制模块还包括限流保护电路，所述限流保护电路与加热电源相连，所述开关电路响应处理器输出的PWM控制信号和限流保护电路输出的限流控制信号，用于仅在PWM控制信号和限流控制信号同时有效时导通以使通过发热单元的电流回路接通。

6.如权利要求5所述的快速体温测量装置的探头加热电路，其特征在于：所述限流保护电路包括限流电阻和第三开关管，所述限流电阻的第一端耦合到加热电源，第二端分别耦合到第三开关管的控制极和开关电路，所述第三开关管的第一主电流导通极耦合到加热电源，第二主电流导通极分别耦合到开关电路和地。

7.如权利要求1至4中任一项所述的快速体温测量装置的探头加热电路，其特征在于：所述开关电路串接在发热单元和地之间，所述开关电路包括第二开关管、第五开关管和第一电阻；所述第五开关管的控制极与超时保护电路的输出端相连，第一主电流导通极响应处理器输出的PWM控制信号，第二主电流导通极与第二开关管控制极相连；所述第二开关管的第一、二主电流导通极连接在发热单元和地之间，所述第一电阻连接在第二开关管的控制极和地之间。

8.如权利要求5所述的快速体温测量装置的探头加热电路，其特征在于：所述开关电路串接在发热单元和加热电源之间，所述开关电路包括第一开关管；所述第一开关管的第一、二主电流导通极连接在发热单元和加热电源之间，所述第一开关管的控制极还响应限流保护电路的输出。

9.如权利要求5所述的快速体温测量装置的探头加热电路，其特征在于：所述开关电路包括两组，第一组串接在发热单元和加热电源之间，第二组串接在发热单元和地之间；所述第一组开关电路包括第一开关管，所述第一开关管的控制极响应处理器输出的PWM控制信号和限流保护电路的输出，第一、二主电流导通极连接在发热单元和加热电源之间；所述第二组开关电路包括第二开关管、第五开关管和第一电阻；所述第五开关管的控制极与超时保护电路的输出端相连，第一主电流导通极响应处理器输出的PWM控制信号，第二主电流导通极与第二开关管控制极相连；所述第二开关管的第一、二主电流导通极连接在发热单元和地之间，所述第一电阻连接在第二开关管的控制极和地之间。

10.如权利要求8所述的快速体温测量装置的探头加热电路，其特征在于：还包括用于将PWM控制信号反向的反向驱动器，所述反向驱动器连接在处理器的PWM控制信号输出端和第一开关管之间。

11.如权利要求10所述的快速体温测量装置的探头加热电路，其特征在于：所述反向驱动器包括第六电阻、第七电阻和第四开关管，所述第七电阻连接在处理器的PWM控制信号输出端和第四开关管的控制极之间，所述第六电阻连接在第四开关管的第二主电流导通极和第一开关管的控制极之间，所述第四开关管的第一主电流导通极接地。

12.如权利要求11所述的快速体温测量装置的探头加热电路，其特征在于：还包括第八电阻，所述第八电阻连接在处理器的PWM控制信号输出端和地之间。

13.如权利要求6所述的快速体温测量装置的探头加热电路，其特征在于：还包括故障检测电路，所述故障检测电路的输入端连接限流电阻的第二端，输出端耦合到处理器的ADC输入口。

14.如权利要求13所述的快速体温测量装置的探头加热电路，其特征在于：所述故障检测电路为一跟随器或比较器。

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