基于澎湃微PT32x033系列的NTC应用 血糖仪环境温度监测

 

概 述

NTC电阻，即负温度系数热敏电阻，英文全称为Negative Temperature Coefficient，指的是阻值随温度上升而呈指数关系减小的现象和材料。

NTC热敏电阻一般以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料：

温度越低，这些氧化物材料的载流子（电子和空穴）数目减少，其电阻增大

温度越高，氧化物材料的载流子（电子和空穴）数目增多，其电阻减小

NTC电阻正以其成本低、精度高的特性，被越来越广泛的应用在各种场合。

Part 1

NTC电阻在血糖仪中的应用  

血糖仪采用电化学原理，测试血糖试纸反应区内的生化酶与血液中的葡萄糖产生的微电流，再转化成葡萄糖浓度读数。这一过程对于测试环境的温度有着较高的要求，适宜血糖仪运作的温度一般来说在10℃~40℃之间，太冷或者太热的环境均会影响其测试准确性。

使用NTC电阻检测温度并对结果进行温度补偿，避免测试结果因外界温度产生偏差，耽误病患的治疗，正成为一种主流的低成本解决方案。

Part 2

基于PT32x033的NTC应用  

NTC常规的应用是将热敏电阻和普通电阻器串联连接，并施加以恒定电压VIN，再将端点电压VNTC接入到ADC中采样，如下图所示：

图1 NTC恒压驱动电路

使用上图所示的电路，热敏电阻此时的阻值，可以通过下面的公式计算得出：

2.1 多选的恒压源VIN

针对恒定的电压源VIN，在血糖仪应用中，PT32x033提供了几种配置策略：

BG2v0通过AVREF+引脚间接的作为恒压源

BG2v0通过DVREF+引脚间接的作为恒压源

如下图所示：

图2 可选的恒压源配置策略

注  

1.  虚线，指可选的连接

2.  BG2v0通过AVREF+或DVREF+引脚间接的作为恒压源时，RNTC在25℃的阻值应大于100KΩ

2.2 高精度ADC

PT32x033内部集成了一个12bit分辨率的高精度ADC，下图为ADC的框图

图3 ADC框图

ADC提供了几个可选的参考源：

VDDA

BG2V0

AVREF+

在血糖仪应用中，选择BG2v0以提供成本和精度间的最佳平衡。

Part 3

NTC温度算法  

 

NTC的温度算法常见的有下列三种，这些算法都需要获得高精度的NTC电阻阻值作为前提。

B值法

查表法

线性拟合法

B值法需要占用较大的计算资源，但其得出的数据准确度较高，血糖仪Demo板上使用的就是这种方法通过NTC阻值来计算温度，下面就重点对B值法进行描述：

3.1 B值法

B值法根据一条公式，仅需要代入NTC电阻值和B值这两个变量，即可获取温度值，可移植性高，操作方便，公式如下所示：

其中：

TN为常量，表示25℃的开尔文温度单位：298.15

B为变量，指NTC电阻的B值，血糖仪DEMO板上使用的NTC电阻B值为3380

273.15为常量，开氏度中的绝对零度，将开氏度减去绝对零度，即获得摄氏度

下面是根据上述公式，血糖仪DEMO程序封装的函数，如下图所示：

图4 基于B值法的函数

3.2 查表法

NTC的阻值对应着温度，查表法正是应用这个原理总结的一种较为流行的简单方法。

使用查表法，需要将NTC的相关阻值根据温度的规律，都记录在一个数组中，通过将当前计算得出的NTC电阻值与数组成员进行对比，从而获得对应的温度值。但查表法难以获取更加细分的温度值且实际操作复杂，需要建立数组，可移植性差。

3.3 线性拟合法

查表法的缺陷在于无法获取更细分的温度，且实际操作复杂，需要根据NTC数据手册的“阻值温度对应表”去建立数组，可移植性差。因此在这个基础上，还延伸了一种更为简便的方法：“线性拟合法”。

线性拟合法需要根据“阻值温度对应表”去拟合出一条线性公式，在程序上，通过这条线性公式，将计算得出的电阻值代入即可获取温度值。

但该方法同样也需要建立拟合数据，且可移植性差，实际操作较为繁琐。