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如何利用TI快(kuai)速设计(ji)红外体温检测仪

time : 2021-01-19 09:51       作者:凡亿pcb

体温检测(ce)(ce)是(shi)我(wo)们(men)居家,出(chu)入社区或(huo)工作场(chang)所以及出(chu)行中的(de)必要监测(ce)(ce)。红外(wai)体温检测(ce)(ce)仪通(tong)过(guo)非接触式测(ce)(ce)温有助于(yu)减少(shao)接触传染。在这(zhei)里(li)我(wo)们(men)来和大(da)家谈(tan)谈(tan)这(zhei)个系(xi)统(tong)和主要的(de)设计方案。
MSP430系列(lie)(lie)单(dan)片机是(shi)德州仪器(TI)公司(si)1996年(nian)开始(shi)推向市场的一种(zhong)16位(wei)超(chao)低功耗RISC混合(he)(he)信(xin)号处理器,基于该系列(lie)(lie)产品开发出来的应用不计(ji)其数,数不胜数,尤其是(shi)面向传(chuan)感与检测类终端应用,因(yin)其在片上(shang)集成有高性能ADC、LCD驱动、串口通讯、PWM输出等模块,成为了红外体温(wen)检测仪厂商的不二之选。配合(he)(he)TI提供的丰富的线上(shang)软硬(ying)件设计(ji)资源,使得开发人(ren)员可以大大简化设计(ji)流程,快(kuai)速开发红外体温(wen)检测仪原型机,同时(shi)节省电路板空间从而(er)降低成本。
下图提供了基于(yu)MSP430单片机(ji)和TI电源(yuan)管理(li)、放大器及温(wen)度(du)传感器器件(jian)的红(hong)外(wai)温(wen)度(du)检测仪系统解决方案。
MSP430系列单片机(ji)作为方(fang)案的主控MCU,可(ke)为测(ce)温仪系统设计(ji)方(fang)案提(ti)供(gong)以下功能和特性:
丰(feng)富的外设满足测温仪(yi)设计需求(qiu)
1、MSP430片(pian)上集成的(de)(de)逐次逼(bi)近式SAR ADC或高(gao)分辨率Sigma-Delta ADC配合TI的(de)(de)TLV333放大器对模拟型红外(wai)温(wen)度传感器采(cai)集到的(de)(de)高(gao)精(jing)度信号量进(jin)行采(cai)样并(bing)转换数字温(wen)度量,同(tong)时可(ke)以对电(dian)池电(dian)压(ya)进(jin)行实时监控;
2、MSP430片上集成的LCD驱动模块,可以帮助开发人(ren)员为测温仪快(kuai)速实现LCD显示的设计。MSP430FR4133内(nei)置(zhi)的高(gao)达(da) 4×36 段或 8×32 段 LCD 驱动模块,更是(shi)支(zhi)持LCD的Segment和COM管脚的灵活配置(zhi),可以简化开发人(ren)员的PCB设计;
3、I2C串口(kou)通讯接口(kou)可以满足高精度数字(zi)温度传感(gan)器或数字(zi)型红外(wai)温度传感(gan)器、数字(zi)型接近传感(gan)器等(deng)辅(fu)助(zhu)传感(gan)元件(jian)的(de)信号采集和输入;
4、片上集(ji)成(cheng)的定(ding)时器(qi)(qi)模块可(ke)以(yi)输出多路PWM信号(hao)以(yi)驱动测温(wen)仪指示(shi)灯(deng)、蜂鸣器(qi)(qi)等装(zhuang)置(zhi);
5、GPIO在超低(di)功耗模式下(xia)的(de)中断(duan)使能,可(ke)以为电(dian)池供(gong)电(dian)的(de)测温仪系统提(ti)供(gong)待机(ji)模式下(xia)的(de)快(kuai)速按键(jian)响(xiang)应(ying)。
ti设计
超低功耗设(she)计(ji)助力(li)测温仪的长续航和(he)高使用频次
MSP430系列单片机从1996年推出(chu)至今(jin),一直以超低(di)功耗作为产(chan)(chan)品的(de)(de)家族基因(yin)(yin),为产(chan)(chan)品的(de)(de)低(di)功耗设(she)计提供(gong)丰富的(de)(de)低(di)功耗智能外(wai)设(she)。因(yin)(yin)为高(gao)频次(ci)使用,红外(wai)体温检(jian)测仪(yi)对设(she)备电(dian)池供(gong)电(dian)的(de)(de)续航和使用频次(ci)要求颇高(gao),因(yin)(yin)此测温仪(yi)的(de)(de)低(di)功耗运行便成为系统(tong)设(she)计的(de)(de)关键挑(tiao)战。
丰富(fu)的产品系列提供了灵活的内存选择
MSP430系列单片机(ji)提供(gong)片上16KB以(yi)上存储器(qi)可以(yi)满足绝大多数测(ce)温仪产品(pin)的(de)内(nei)(nei)存需求。该系列丰富的(de)产品(pin)家族更是提供(gong)高达512KB的(de)多种(zhong)内(nei)(nei)存选择(ze),用户(hu)选择(ze)不(bu)同内(nei)(nei)存大小的(de)同时无需过多的(de)工作量便(bian)可以(yi)快(kuai)速迁移现有设(she)计。可为测(ce)温仪推荐的(de)产品(pin)型号有:
TPS61099 系(xi)列芯(xin)片是专门针对(dui)需要(yao)超低(di)功(gong)(gong)耗应用的升(sheng)压(ya)芯(xin)片,首先,静态功(gong)(gong)耗仅仅为(wei)800nA,而且输(shu)入(ru)电压(ya)低(di)至0.7V,可(ke)以(yi)完美支持(chi)单节干电池供电,同时在输(shu)入(ru)1.5V,输(shu)出(chu)3.3V/10uA条件下(xia)可(ke)达到80%的效率(lv)。TPS61099x系(xi)列芯(xin)片提供输(shu)出(chu)可(ke)调(diao)版本(ben)和(he)输(shu)出(chu)固定版本(ben)两种供客户选择(ze),固定版本(ben)支持(chi)1.8V~5.0V几乎各种常(chang)见输(shu)出(chu)电压(ya)。
TPS62170降压转换器提供低(di)IQ,有(you)助于(yu)延长系统(tong)的(de)电池寿(shou)命,尤其是在(zai)不使用系统(tong)时。此外,它(ta)还支(zhi)持(chi)在(zai) 2 MHz 以上的(de)切换频(pin)率下实(shi)现(xian)高效率,以帮(bang)助设计人员减少所需电感(gan)器的(de)大小,从而(er)减小整(zheng)个(ge)解决方案的(de)大小。
TLV333运(yun)(yun)放是TI的(de)零温(wen)漂运(yun)(yun)放系列(lie)产品(pin),具(ju)有高精度(du)低(di)(di)功耗的(de)特(te)点。一(yi)方面(mian),该运(yun)(yun)放的(de)超低(di)(di)输入(ru)(ru)失调(diao)电压(15 µV max)和低(di)(di)温(wen)漂(0.02 μV/℃)利于最(zui)(zui)小(xiao)(xiao)化(hua)温(wen)度(du)检(jian)测误差,其轨(gui)到轨(gui)输入(ru)(ru)/输出性(xing)能帮助最(zui)(zui)大化(hua)动(dong)态范围(wei)。另一(yi)方面(mian),低(di)(di)静态电流(liu)(28 µA max)、低(di)(di)电压(1.8V to 5.5V)和小(xiao)(xiao)尺寸封装(最(zui)(zui)小(xiao)(xiao)SC70封装),加上(shang)-40℃ 至+125℃ 的(de)工作(zuo)温(wen)度(du)范围(wei),非常(chang)适合(he)手持式或电池供(gong)电的(de)医疗设(she)备。此外,该运(yun)(yun)放系列(lie)也有双通(tong)道(TLV2333)和四通(tong)道(TLV4333)的(de)选择。
在某(mou)些系(xi)统中可能需要(yao)更快的建立(li)(li)时(shi)(shi)间(jian)和更低的噪声来帮(bang)助加快温度(du)(du)测(ce)量(liang)(liang)。对(dui)于(yu)这些情况(kuang),OPA388是替(ti)代TLV333的不(bu)错(cuo)选择。OPA388将提供较(jiao)低的输(shu)入(ru)失调电(dian)压(最大值为5μV),较(jiao)低的噪声(7 nV / rt(Hz))和更快的建立(li)(li)时(shi)(shi)间(jian)(2μs),所(suo)有这些都将有助于(yu)最小化建立(li)(li)时(shi)(shi)间(jian)和所(suo)需的平均采样数量(liang)(liang)达到指定的温度(du)(du)分辨率。
TI具有(you)多种运算(suan)放大器(qi),可用于模拟传感元件和ADC之间的(de)信号接口。下表(biao)列出(chu)了其(qi)他可以(yi)适(shi)用于此设计的(de)放大器(qi),所有(you)放大器(qi)均采用双(shuang)重封装(zhuang)。
TI提(ti)供(gong)(gong)了(le)多种温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器,我(wo)们的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)高精(jing)度(du)(du)(du)(du)数(shu)字(zi)(zi)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器TMP117x在(zai)(zai)-20°C至50°C范(fan)围(wei)(wei)内的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)精(jing)度(du)(du)(du)(du)为±0.1°C。该器件集(ji)成了(le)16位分辨率ADC,可(ke)通(tong)过(guo)I2C或SMBus与设(she)计(ji)人员的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)数(shu)字(zi)(zi)控制(zhi)器进行通(tong)信(xin)。该器件专为电(dian)池供(gong)(gong)电(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)系(xi)统而设(she)计(ji),因(yin)为它在(zai)(zai)停(ting)机时(shi)仅具(ju)有150nA的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)Iq消(xiao)耗,并(bing)且每(mei)1Hz转换周期只需要3.5µA。对(dui)(dui)于(yu)在(zai)(zai)MCU中具(ju)有集(ji)成ADC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)系(xi)统,TI还提(ti)供(gong)(gong)了(le)模拟温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器和热敏电(dian)阻。LMT70提(ti)供(gong)(gong)与温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)相对(dui)(dui)应的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)压输出,在(zai)(zai)20°C至42°C之间的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)(zui)大准确(que)度(du)(du)(du)(du)为±0.13°C。对(dui)(dui)于(yu)成本敏感(gan)(gan)(gan)型系(xi)统,TMP61线性(xing)热敏电(dian)阻提(ti)供(gong)(gong)1%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)容差并(bing)简化(hua)了(le)使(shi)用(yong)传(chuan)(chuan)统的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)NTC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)校准过(guo)程。对(dui)(dui)于(yu)更具(ju)成本敏感(gan)(gan)(gan)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)数(shu)字(zi)(zi)温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)感(gan)(gan)(gan)测应用(yong),可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)TI的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)TMP1075,它在(zai)(zai)−25°C至+ 100°C的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)范(fan)围(wei)(wei)内具(ju)有±1°C(最(zui)(zui)大值)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)精(jing)度(du)(du)(du)(du)。对(dui)(dui)于(yu)在(zai)(zai)MCU中集(ji)成了(le)ADC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)系(xi)统,TI还提(ti)供(gong)(gong)了(le)模拟温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器, TMP23x提(ti)供(gong)(gong)了(le)广泛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)设(she)计(ji)灵活性(xing),因(yin)为设(she)计(ji)人员可(ke)以(yi)在(zai)(zai)±0.5°C至±6°C的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)精(jing)度(du)(du)(du)(du)和增益范(fan)围(wei)(wei)内进行选择。
为(wei)(wei)了(le)给ADC和(he)感应(ying)元件供(gong)电(dian)(dian)(dian)设计通常(chang)需(xu)(xu)要一(yi)个低噪声(sheng)(sheng),灵敏的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)轨。低压(ya)差稳压(ya)器(LDO)易(yi)于使用(yong),并且能够为(wei)(wei)敏感的(de)(de)模(mo)拟电(dian)(dian)(dian)源(yuan)轨提(ti)供(gong)干(gan)净(jing),低噪声(sheng)(sheng)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)源(yuan),因(yin)此这(zhei)(zhei)是(shi)一(yi)种常(chang)见(jian)的(de)(de)选择。对于这(zhei)(zhei)种特定的(de)(de)需(xu)(xu)求,TPS7A20的(de)(de)超低噪声(sheng)(sheng)(6 µVRMS),高纹(wen)波抑制(zhi)(85db @ 1 kHz)和(he)低静态(tai)电(dian)(dian)(dian)流(典型值为(wei)(wei)6 µA,停机模(mo)式下为(wei)(wei)150nA )让它(ta)成(cheng)为(wei)(wei)最佳选择。这(zhei)(zhei)为(wei)(wei)ADC和(he)传感元件提(ti)供(gong)了(le)所需(xu)(xu)的(de)(de)低噪声(sheng)(sheng)轨(在过滤DC / DC纹(wen)波的(de)(de)同时还(hai)产(chan)生了(le)很小(xiao)的(de)(de)固有输出噪声(sheng)(sheng)),同时还(hai)为(wei)(wei)电(dian)(dian)(dian)池供(gong)电(dian)(dian)(dian)的(de)(de)应(ying)用(yong)提(ti)供(gong)了(le)低静态(tai)电(dian)(dian)(dian)流(延(yan)长了(le)电(dian)(dian)(dian)池寿命)。对于电(dian)(dian)(dian)池电(dian)(dian)(dian)源(yuan)系统,TPS7A02是(shi)另(ling)一(yi)个不错的(de)(de)选择,因(yin)为(wei)(wei)它(ta)提(ti)供(gong)了(le)纳瓦(wa)级IQ(25nA,停机模(mo)式下为(wei)(wei)3nA),同时还(hai)提(ti)供(gong)了(le)较高的(de)(de)PSRR,可(ke)用(yong)于后置DC / DC调节。TPS7A02还(hai)具有出色(se)的(de)(de)瞬态(tai)响(xiang)应(ying),这(zhei)(zhei)对于占(zhan)空(kong)比负载至关(guan)重要。
市场上有一(yi)些高端产(chan)品也包(bao)括低功耗蓝牙(BLE)通信模(mo)块(kuai)。如果有兴趣将(jiang)其添加到系统中,CC2640R2F IC或CC2650MODA模(mo)块(kuai)则(ze)是非常适合(he)。TI的SimpleLink™ 软件能帮助设计人员尽快的完(wan)成开发过程(cheng)。
为了减(jian)少电(dian)流的(de)(de)消耗,还可以使用诸如(ru)TPS2051x这(zhei)样的(de)(de)具(ju)有(you)集成(cheng)故障的(de)(de)负载(zai)开(kai)关,或(huo)者具(ju)有(you)超低漏电(dian)流的(de)(de)TPS22916xx,都(dou)可以用于将BLE模(mo)块(kuai)与电(dian)池(chi)电(dian)源(yuan)或(huo)任(ren)何(he)其他直流电(dian)源(yuan)断开(kai)。这(zhei)样可以延(yan)长(zhang)产品(pin)的(de)(de)电(dian)池(chi)使用时长(zhang),同时为用户增加其他功能。
本文中详细介绍的TI器件将助力设计人员快速设计红外体温仪。TI高度重视客户在我们遍布全球的生产基地的支持下设计和制造这种终端设备的工作,同时会持续提供高质量的设计帮助和出色的客户支持。
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