如何快速設(shè)計(jì)紅外體溫檢測儀?
發(fā)布時(shí)間:2020-04-08 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】體溫檢測是我們居家,出入社區(qū)或工作場所以及出行中的必要監(jiān)測。紅外體溫檢測儀通過非接觸式測溫,在確保體溫監(jiān)測的同時(shí)又杜絕了接觸傳染。在這里我們來和大家談?wù)勥@個(gè)系統(tǒng)和主要的設(shè)計(jì)方案。
MSP430系列單片機(jī)是德州儀器(TI)公司1996年開始推向市場的一種16位超低功耗RISC混合信號處理器,基于該系列產(chǎn)品開發(fā)出來的應(yīng)用不計(jì)其數(shù),數(shù)不勝數(shù),尤其是面向傳感與檢測類終端應(yīng)用,因其在片上集成有高性能ADC、LCD驅(qū)動、串口通訊、PWM輸出等模塊,成為了紅外體溫檢測儀廠商的不二之選。配合TI提供的豐富的線上軟硬件設(shè)計(jì)資源,使得開發(fā)人員可以大大簡化設(shè)計(jì)流程,快速開發(fā)紅外體溫檢測儀原型機(jī),同時(shí)節(jié)省電路板空間從而降低成本。
下圖提供了基于MSP430單片機(jī)和TI電源管理、放大器及溫度傳感器器件的紅外溫度檢測儀系統(tǒng)解決方案。
圖 1 紅外體溫檢測儀系統(tǒng)框圖
MSP430系列單片機(jī)作為方案的主控MCU,可為測溫儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案提供以下功能和特性:
豐富的外設(shè)滿足測溫儀設(shè)計(jì)需求:
1、MSP430片上集成的逐次逼近式SAR ADC或高分辨率Sigma-Delta ADC配合TI的TLV333放大器對模擬型紅外溫度傳感器采集到的高精度信號量進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換數(shù)字溫度量,同時(shí)可以對電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;
2、MSP430片上集成的LCD驅(qū)動模塊,可以幫助開發(fā)人員為測溫儀快速實(shí)現(xiàn)LCD顯示的設(shè)計(jì)。MSP430FR4133內(nèi)置的高達(dá) 4×36 段或 8×32 段 LCD 驅(qū)動模塊,更是支持LCD的Segment和COM管腳的靈活配置,可以簡化開發(fā)人員的PCB設(shè)計(jì);
3、I2C串口通訊接口可以滿足高精度數(shù)字溫度傳感器或數(shù)字型紅外溫度傳感器、數(shù)字型接近傳感器等輔助傳感元件的信號采集和輸入;
4、片上集成的定時(shí)器模塊可以輸出多路PWM信號以驅(qū)動測溫儀指示燈、蜂鳴器等裝置;
5、GPIO在超低功耗模式下的中斷使能,可以為電池供電的測溫儀系統(tǒng)提供待機(jī)模式下的快速按鍵響應(yīng)。
超低功耗設(shè)計(jì)助力測溫儀的長續(xù)航和高使用頻次:
MSP430系列單片機(jī)從1996年推出至今,一直以超低功耗作為產(chǎn)品的家族基因,為產(chǎn)品的低功耗設(shè)計(jì)提供豐富的低功耗智能外設(shè)。因?yàn)楦哳l次使用,紅外體溫檢測儀對設(shè)備電池供電的續(xù)航和使用頻次要求頗高,因此測溫儀的低功耗運(yùn)行便成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
豐富的產(chǎn)品系列提供了靈活的內(nèi)存選擇:
MSP430系列單片機(jī)提供片上16KB以上存儲器可以滿足絕大多數(shù)測溫儀產(chǎn)品的內(nèi)存需求。該系列豐富的產(chǎn)品家族更是提供高達(dá)512KB的多種內(nèi)存選擇,用戶選擇不同內(nèi)存大小的同時(shí)無需過多的工作量便可以快速遷移現(xiàn)有設(shè)計(jì)。可為測溫儀推薦的產(chǎn)品型號有:
表1 紅外體溫儀MCU產(chǎn)品型號推薦
圖1的方案中同時(shí)包括了TI豐富的電源管理(TPS61099, TPS62170, LP5907)、信號鏈(TLV333)和傳感器產(chǎn)品(TMP117)。
TPS61099x系列芯片是專門針對需要超低功耗應(yīng)用的升壓芯片,首先,靜態(tài)功耗僅僅為800nA(一直使能狀態(tài)),這個(gè)功耗幾乎和市面上所有的升壓芯片的shutdown功耗一樣,而且輸入電壓低至0.7V,可以完美支持單節(jié)干電池供電,同時(shí)在輸入1.5V,輸出3.3V/10uA條件下可達(dá)到82%的效率。TPS61099x系列芯片提供輸出可調(diào)版本和輸出固定版本兩種供客戶選擇,固定版本支持1.8V~5.0V幾乎各種常見輸出電壓。目前TPS61099x系列產(chǎn)品支持兩種封裝,WCSP(1.2mm x 0.8mm)和QFN(2mm x 2mm)。
TLV333運(yùn)放是TI的零溫漂運(yùn)放系列產(chǎn)品,具有高精度低功耗的特點(diǎn)。一方面,該運(yùn)放的超低輸入失調(diào)電壓(15 µV max)和低溫漂(0.02利于最小化溫度檢測誤差,其軌到軌輸入/輸出性能幫助最大化動態(tài)范圍。另一方面,低靜態(tài)電流(28 µA max)、低電壓(1.8V to 5.5V)和小尺寸封裝(最小SC70封裝),加上的工作溫度范圍,非常適合手持式或電池供電的醫(yī)療設(shè)備。此外,該運(yùn)放系列也有雙通道(TLV2333)和四通道(TLV4333)的選擇。
在某些系統(tǒng)中可能需要更快的建立時(shí)間和更低的噪聲來幫助加快溫度測量。對于這些情況,OPA388是替代TLV333的不錯(cuò)選擇。 OPA388將提供較低的失調(diào)(最大值為5μV),較低的噪聲(7 nV / rt(Hz))和更快的建立時(shí)間(2μs),所有這些都將有助于最小化建立時(shí)間和所需的平均采樣數(shù)量達(dá)到指定的溫度分辨率。
TI具有多種運(yùn)算放大器,可用于模擬傳感元件和ADC之間的信號接口。下表列出了其他可以適用于此設(shè)計(jì)的放大器,所有放大器均采用雙重封裝。
表2 用于信號接口的運(yùn)算放大器推薦
TI提供了多種溫度傳感器,我們的高精度數(shù)字傳感器TMP117x在-20°C至50°C范圍內(nèi)的精度為±0.1°C。該器件集成了16位分辨率ADC,可通過I2C或SMBus與設(shè)計(jì)人員的數(shù)字控制器進(jìn)行通信。該器件專為電池供電的系統(tǒng)而設(shè)計(jì),因?yàn)樗谕C(jī)時(shí)僅具有150nA的Iq消耗,并且每1Hz轉(zhuǎn)換周期只需要3.5µA。對于更具成本敏感性的數(shù)字溫度感測應(yīng)用,可以使用TI的TMP1075,它在−25°C至+ 100°C的范圍內(nèi)具有±1°C(最大值)的精度。對于在MCU元件中集成了ADC的系統(tǒng),TI還提供了模擬溫度傳感器。 TMP23x提供了廣泛的設(shè)計(jì)靈活性,因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員可以在±0.5°C至±6°C的精度和增益范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。
為了給ADC和感應(yīng)元件供電設(shè)計(jì)通常需要一個(gè)低噪聲,靈敏的電壓軌。低壓差穩(wěn)壓器(LDO)易于使用,并且能夠?yàn)槊舾械哪M電源軌提供干凈,低噪聲的電源,因此這是一種常見的選擇。對于這種特定的需求,LP5907的超低噪聲(6.5 µVRMS),高紋波抑制(82 db @ 1 kHz)和低靜態(tài)電流(典型值為12µA,停機(jī)模式下為200nA )讓它成為最佳選擇。這為ADC和傳感元件提供了所需的低噪聲軌(在過濾DC / DC紋波的同時(shí)還產(chǎn)生了很小的固有輸出噪聲),同時(shí)還為電池供電的應(yīng)用提供了低靜態(tài)電流(延長了電池壽命)。對于直接電池電源連接,TPS7A02是另一個(gè)不錯(cuò)的選擇,因?yàn)樗峁┝思{瓦級IQ(25nA,停機(jī)模式下為3nA),同時(shí)還提供了較高的PSRR,可用于后置DC / DC調(diào)節(jié)。 TPS7A02還具有出色的瞬態(tài)響應(yīng),這對于占空比負(fù)載至關(guān)重要。
市場上有一些高端產(chǎn)品也包括低功耗藍(lán)牙(BLE)通信模塊。如果有興趣將其添加到系統(tǒng)中,CC2640R2F IC或CC2650MODA模塊則是非常適合。 TI的SimpleLink™ 軟件能幫助設(shè)計(jì)人員盡快的完成開發(fā)過程。
為了減少電流的消耗,還可以使用諸如TPS2051x這樣的具有集成故障的負(fù)載開關(guān),或者具有超低漏電流的TPS22916xx,都可以用于將BLE模塊與電池電源或任何其他直流電源斷開。這將允許系統(tǒng)延長電池壽命,同時(shí)為用戶增加其他功能。
TI致力于為試圖快速設(shè)計(jì)紅外體溫檢測儀以及合理選擇零件的客戶提供全面的零件選擇指南。 TI高度重視客戶在我們遍布全球的生產(chǎn)基地的支持下設(shè)計(jì)和制造這種終端設(shè)備的工作。 TI通過提供高質(zhì)量的設(shè)計(jì)幫助和出色的客戶支持,努力在溫度計(jì)中繼續(xù)保持強(qiáng)大的影響力。
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