如何快速设计红外体温检测仪

2万 · 2020-7-14 23:58

体温检测是我们居家，出入社区或工作场所以及出行中的必要监测。红外体温检测仪通过非接触式测温有助于减少接触传染。在这里我们来和大家谈谈这个系统和主要的设计方案。

MSP430系列单片机是德州仪器（TI）公司1996年开始推向市场的一种16位超低功耗RISC混合信号处理器，基于该系列产品开发出来的应用不计其数，数不胜数，尤其是面向传感与检测类终端应用，因其在片上集成有高性能ADC、LCD驱动、串口通讯、PWM输出等模块，成为了红外体温检测仪厂商的不二之选。配合TI提供的丰富的线上软硬件设计资源，使得开发人员可以大大简化设计流程，快速开发红外体温检测仪原型机，同时节省电路板空间从而降低成本。

下图提供了基于MSP430单片机和TI电源管理、放大器及温度传感器器件的红外温度检测仪系统解决方案。

图 1 红外体温检测仪系统框图

MSP430系列单片机作为方案的主控MCU，可为测温仪系统设计方案提供以下功能和特性：

丰富的外设满足测温仪设计需求：

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放大器对模拟型红外温度传感器采集到的高精度信号量进行采样并转换数字温度量，同时可以对电池电压进行实时监控；

2、MSP430片上集成的LCD驱动模块，可以帮助开发人员为测温仪快速实现LCD显示的设计。MSP430FR4133内置的高达 4×36 段或 8×32 段 LCD 驱动模块，更是支持LCD的Segment和COM管脚的灵活配置，可以简化开发人员的PCB设计；

3、I2C串口通讯接口可以满足高精度数字温度传感器或数字型红外温度传感器、数字型接近传感器等辅助传感元件的信号采集和输入；

4、片上集成的定时器模块可以输出多路PWM信号以驱动测温仪指示灯、蜂鸣器等装置；

5、GPIO在超低功耗模式下的中断使能，可以为电池供电的测温仪系统提供待机模式下的快速按键响应。

超低功耗设计助力测温仪的长续航和高使用频次：

MSP430系列单片机从1996年推出至今，一直以超低功耗作为产品的家族基因，为产品的低功耗设计提供丰富的低功耗智能外设。因为高频次使用，红外体温检测仪对设备电池供电的续航和使用频次要求颇高，因此测温仪的低功耗运行便成为系统设计的关键挑战。

丰富的产品系列提供了灵活的内存选择：

MSP430系列单片机提供片上16KB以上存储器可以满足绝大多数测温仪产品的内存需求。该系列丰富的产品家族更是提供高达512KB的多种内存选择，用户选择不同内存大小的同时无需过多的工作量便可以快速迁移现有设计。可为测温仪推荐的产品型号有：

Part Number	Non-volatile Memory (FRAM/Flash)	ADC	LCD	Packages
MSP430FR4133	16KB FRAM	10-bit SAR	4 x 36 or 8 x 32 segments	TSSOP48 TSSOP56 LQFP64
MSP430FR2433	16KB FRAM	10-bit SAR	N/A	VQFN24 DSBGA24
MSP430F42x0	16-32KB Flash	16-bit Sigma-Delta	4 x 14 segments	SSOP48 VQFN48
MSP430I204x	16-32KB Flash	24-bit Sigma-Delta	N/A	TSSOP28 VQFN32
MSP430F6723A	64KB Flash	24-bit Sigma-Delta	320 segments	LQFP80 LQFP100

表1 红外体温仪MCU产品型号推荐

图1的方案中同时包括了TI丰富的电源管理、信号链和传感器产品。

TPS61099 系列芯片是专门针对需要超低功耗应用的升压芯片，首先，静态功耗仅仅为800nA，而且输入电压低至0.7V，可以完美支持单节干电池供电，同时在输入1.5V，输出3.3V/10uA条件下可达到80%的效率。TPS61099x系列芯片提供输出可调版本和输出固定版本两种供客户选择，固定版本支持1.8V～5.0V几乎各种常见输出电压。

TPS62170降压转换器提供低IQ，有助于延长系统的电池寿命，尤其是在不使用系统时。此外，它还支持在 2 MHz 以上的切换频率下实现高效率，以帮助设计人员减少所需电感器的大小，从而减小整个解决方案的大小。

TLV333运放是TI的零温漂运放系列产品，具有高精度低功耗的特点。一方面，该运放的超低输入失调电压（15 µV max）和低温漂（0.02利于最小化温度检测误差，其轨到轨输入/输出性能帮助最大化动态范围。另一方面，低静态电流（28 µA max）、低电压（1.8V to 5.5V）和小尺寸封装（最小SC70封装），加上的工作温度范围，非常适合手持式或电池供电的医疗设备。此外，该运放系列也有双通道（TLV2333）和四通道（TLV4333）的选择。

在某些系统中可能需要更快的建立时间和更低的噪声来帮助加快温度测量。对于这些情况，OPA388是替代TLV333的不错选择。OPA388将提供较低的输入失调电压（最大值为5μV），较低的噪声（7 nV / rt（Hz））和更快的建立时间（2μs），所有这些都将有助于最小化建立时间和所需的平均采样数量达到指定的温度分辨率。

TI具有多种运算放大器，可用于模拟传感元件和ADC之间的信号接口。下表列出了其他可以适用于此设计的放大器，所有放大器均采用双重封装。

TI part number	TLV333	OPA333	OPA330	OPA335	OPA388	[td=54]	LMP2021[/td]
Gain bandwidth (MHz)	0.35	0.35	0.35	2	10	5
VOS max at 25°/C (mV)	0.015	0.01	0.05	0.005	0.005	0.005
Drift (µV/°C)	0.02	0.02	0.02	0.02	0.005	0.004
IQ (mA)	0.017	0.017	0.021	0.285	1.7	0.95
IBIAS (pA)	130	200	500	200	350	100
Package	Small outline integrated circuit (SOIC)/small outline transistor (SOT)-23	SOIC/ SOT-23	SOIC/ SOT-23	SOIC/ SOT-23	SOIC/ SOT-23	SOIC/ SOT-23

表2用于信号接口的运算放大器推荐

TI提供了多种温度传感器，我们的高精度数字传感器TMP117x在-20°C至50°C范围内的精度为±0.1°C。该器件集成了16位分辨率ADC，可通过I2C或SMBus与设计人员的数字控制器进行通信。该器件专为电池供电的系统而设计，因为它在停机时仅具有150nA的Iq消耗，并且每1Hz转换周期只需要3.5µA。对于在MCU中具有集成ADC的系统，TI还提供了模拟温度传感器和热敏电阻。LMT70提供与温度相对应的电压输出，在20°C至42°C之间的最大准确度为±0.13°C。对于成本敏感型系统，TMP61线性热敏电阻提供1%的温度容差并简化了使用传统的NTC的校准过程。对于更具成本敏感性的数字温度感测应用，可以使用TI的TMP1075，它在−25°C至+ 100°C的范围内具有±1°C（最大值）的精度。对于在MCU中集成了ADC的系统，TI还提供了模拟温度传感器, TMP23x提供了广泛的设计灵活性，因为设计人员可以在±0.5°C至±6°C的精度和增益范围内进行选择。

为了给ADC和感应元件供电设计通常需要一个低噪声，灵敏的电压轨。低压差稳压器（LDO）易于使用，并且能够为敏感的模拟电源轨提供干净，低噪声的电源，因此这是一种常见的选择。对于这种特定的需求，TPS7A20的超低噪声（6 µVRMS），高纹波抑制（85db @ 1 kHz）和低静态电流（典型值为6 µA，停机模式下为150nA ）让它成为最佳选择。这为ADC和传感元件提供了所需的低噪声轨（在过滤DC / DC纹波的同时还产生了很小的固有输出噪声），同时还为电池供电的应用提供了低静态电流（延长了电池寿命）。对于电池电源系统，TPS7A02是另一个不错的选择，因为它提供了纳瓦级IQ（25nA，停机模式下为3nA），同时还提供了较高的PSRR，可用于后置DC / DC调节。 TPS7A02还具有出色的瞬态响应，这对于占空比负载至关重要。

市场上有一些高端产品也包括低功耗蓝牙（BLE）通信模块。如果有兴趣将其添加到系统中，CC2640R2F IC或CC2650MODA模块则是非常适合。TI的SimpleLink™ 软件能帮助设计人员尽快的完成开发过程。

为了减少电流的消耗，还可以使用诸如TPS2051x这样的具有集成故障的负载开关，或者具有超低漏电流的TPS22916xx，都可以用于将BLE模块与电池电源或任何其他直流电源断开。这样可以延长产品的电池使用时长，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。