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分享搭建无源体温测量系统的过程!!

导读:提出了一种基于近场通信( NFC) 技术的低成本无源体温测量的解决方案。


返回列表 来源:未知 发布日期:2019-09-27 11:42【

近场通信( NFC) 是一种射频识别技术( RFID) , 可以在短距离内实现设备之间的快速通信。虽 然近场通信已存在十多年,但这种技术直到付费系 统的大量使用才得以延伸。此外,目前大多数智能手机都配备 NFC,NFC 在物联网场景中的重要性正 在快速增长。

1 系统设计

图 1 描绘了该工作中提出的系统工作原理。当 智能手机靠近 NFC 天线时,天线接收到来自手机的 磁场,NFC IC( Ntag I 2 C) 会自动唤醒。如果能量收 集模式被激活并且磁场强度足够( 高于芯片配置的 能量收集的阈值) ,Ntag I 2 C 从 RF 场接收的过剩能 量可以为检测系统的其他组成部分供电。该芯片在 最高电流吸收模式下能够提供 5mA 的电流。

当积能单元被启动,信号测量的各组成部分开始 工作。恒流电路产生稳定的电流给温度传感器( 热敏电阻) ,热敏电阻上的电压信号被放大后进行 A/D 转 换,对数字信号进行计算和处理可以得到温度测量结 果。这个结果被发送到 Ntag I 2 C,通过 NFC 天线传送 到智能手机,在 APP 程序界面上显示。由于 NFC 芯片从智能手机感应出能量并且输 出电流在 3.0 V 时小于 5 mA,无法承担整个电路的 功耗; 因此,积能单元是整个系统设计中的关键技 术。如图 2 所示,给出了一种分时控制的积能方法。 NFC 芯片从智能手机感应能量并输出 3.0 V 电压 ( VNFC ) 以对储能电容器( Cst ) 充电。随着时间的增加,能量在电容器中累积到一定的阈值电压。低压 差稳压器打开,为测量电路的各个部分供电。当储 能电压( Vst ) 低于某个阈值时,稳压器关闭,能量再 次累积在储能电容器中。通过控制切换时间,可以 实现与测量电路相对应的不同电流负载( Rload ) 。具 体地,可以通过更长的关断时间来使储能电容器中 累积的能量更多,从而获得更大的负载电流。为了 确保输出电压 Vload的稳定性,使用 2.5 V 输出电压 调节器装置作为开关电路; 通过将具有不同占空比 的控制信号( Ssc ) 输入到电压调节器的控制引脚,可 以实现分时开关控制。NTC 热敏电阻为负温度系数的热敏电阻,根据体温测量需要,对 NTC 热敏电阻在 35 ℃ ~ 42 ℃ 采用密闭高低温试验箱(上海一恒BPHS-500A)控制温度,使用精密 LCR 数字 电桥来测量 NTC 热敏电阻随着温度变化而对应的 电阻值,测得的实际数据如下。

2 实验及结果分析

为了确定积能效应的性能,因此对电路积能部 分进行了实验分析。积能效应通过分时控制来实 现,具体为通过调节低压差稳压器的开关时间来实 现不同的能量积累需求。电路工作原理为,给稳压 器件的开关引脚输入占空比不同的电平,来实现不 同的积能。描述了 Rch = 800 Ω,Cst = 940 μF, Rload = 200 Ω 时,控制电平与积能电压和负载电压的 关系。当控制引脚上的电平为低时,储能电容充电, 负载电源关闭。随着充电时间的增加,储能电压上 升至饱和电压 3.0 V,负载电压为 0 V。当控制电平 为高时,积能电压下降,而负载电压输出 2.5 V。低 电平对应的积能时间越长,负载能力越强。储能电容的大小对积能效应有一定的影响,电 容越大,积能能力越强。为对不同储能电 容大小时,负载时间随着充电时间的改变。从图中 可以看出,在储能电容大小不同时,负载时间随着充 电时间的增加而增加。但是电容越小,越容易饱和。 当储能电容为 470 μF 时,负载时间最长只能达到 20 ms,而电容增加到 940 μF 时,负载时间可以达到 40ms。在大多数情况下,电容越大,相同的积能时 间会带来更长的负载时间。但是,越大的电容需要 越长的最小充电时间。可以看到,当储能电容为 1 410 μF时,如果积能时间为 1.0 s,几乎不能产生有 效的负载时间。在积能时间为 1.5 s 时,也出现了大 电容负载时间小于小电容负载时间的情况。这是因 为在电容越大的情况下,过短的积能时间难以提高 储能电压 Vst,这使得稳压器件不能正常工作,从而 造成更短的负载时间。

3 结论

本文呈现一种基于 NFC 的低成本、无源体检系 统方案。针对 NFC 感应的能量不足,尝试了一种分 时控制的积能方式,力图实现一种较高功耗下的测 量模式,可以扩展应用到更多的医疗检测系统中。 通过研制一种基于 NTC 热敏电阻温度传感器的体 温测量样机,初步验证了这种方案的可行性。实验 结果表明,基于 NFC 的测量系统,利用随时携带的智能手机可以方便实现体温测量,测量结果可以在 手机应用程序上显示,或上传到云端进行存储和对 数据进一步分析。