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如何快速設計紅外體溫檢測儀?TI來支招!

本文作者:德州儀器       點擊: 2020-04-06 11:20
前言:

體溫檢測是我們居家,出入社區或工作場所以及出行中的必要監測。紅外體溫檢測儀通過非接觸式測溫有助於減少接觸傳染。在這裡我們來和大家談談這個系統和主要的設計方案。

MSP430系列單片機是德州儀器(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,基於該系列產品開發出來的應用不計其數,數不勝數,尤其是面向傳感與檢測類終端應用,因其在片上集成有高性能ADC、LCD驅動、串口通訊、PWM輸出等模組,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體設計資源,使得開發人員可以大大簡化設計流程,快速開發紅外體溫檢測儀原型機,同時節省電路板空間從而降低成本。

下圖提供了基於MSP430單片機和TI電源管理、放大器及溫度感測器器件的紅外溫度檢測儀系統解決方案。 
圖 1  紅外體溫檢測儀系統框圖

MSP430系列單片機作為方案的主控MCU,可為測溫儀系統設計方案提供以下功能和特性:
豐富的外設滿足測溫儀設計需求:
1、MSP430片上集成的逐次逼近式SAR ADC或高解析度Sigma-Delta ADC配合TI的TLV333放大器對類比型紅外溫度感測器採集到的高精度信號量進行採樣並轉換數位溫度量,同時可以對電池電壓進行即時監控;
2、MSP430片上集成的LCD驅動模組,可以説明開發人員為測溫儀快速實現LCD顯示的設計。MSP430FR4133內置的高達 4×36 段或 8×32 段 LCD 驅動模組,更是支援LCD的Segment和COM管腳的靈活配置,可以簡化開發人員的PCB設計;
3、I2C串口通訊介面可以滿足高精度數位溫度感測器或數字型紅外溫度感測器、數字型接近感測器等輔助傳感元件的信號採集和輸入;
4、片上集成的計時器模組可以輸出多路PWM信號以驅動測溫儀指示燈、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提供待機模式下的快速按鍵回應。

超低功耗設計助力測溫儀的長續航和高使用頻次:
MSP430系列單片機從1996年推出至今,一直以超低功耗作為產品的家族基因,為產品的低功耗設計提供豐富的低功耗智慧外設。因為高頻次使用,紅外體溫檢測儀對設備電池供電的續航和使用頻次要求頗高,因此測溫儀的低功耗運行便成為系統設計的關鍵挑戰。

豐富的產品系列提供了靈活的記憶體選擇:
MSP430系列單片機提供片上16KB以上記憶體可以滿足絕大多數測溫儀產品的記憶體需求。該系列豐富的產品家族更是提供高達512KB的多種記憶體選擇,使用者選擇不同記憶體大小的同時無需過多的工作量便可以快速遷移現有設計。可為測溫儀推薦的產品型號有:

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紅外體溫儀MCU產品型號推薦

圖1的方案中同時包括了TI豐富的電源管理、信號鏈和感測器產品。

TPS61099 系列晶片是專門針對需要超低功耗應用的升壓晶片,首先,靜態功耗僅僅為800nA,而且輸入電壓低至0.7V,可以完美支援單節乾電池供電,同時在輸入1.5V,輸出3.3V/10uA條件下可達到80%的效率。TPS61099x系列晶片提供輸出可調版本和輸出固定版本兩種供客戶選擇,固定版本支援1.8V~5.0V幾乎各種常見輸出電壓。

TPS62170降壓轉換器提供低IQ,有助於延長系統的電池壽命,尤其是在不使用系統時。此外,它還支持在 2 MHz 以上的切換頻率下實現高效率,以幫助設計人員減少所需電感器的大小,從而減小整個解決方案的大小。

TLV333運放是TI的零溫漂運放系列產品,具有高精度低功耗的特點。一方面,該運放的超低輸入失調電壓(15 µV max)和低溫漂(0.02μV/℃)利於最小化溫度檢測誤差,其軌到軌輸入/輸出性能説明最大化動態範圍。另一方面,低靜態電流(28 µA max)、低電壓(1.8V to 5.5V)和小尺寸封裝(最小SC70封裝),加上-40℃ 至+125℃的工作溫度範圍,非常適合掌上型或電池供電的醫療設備。此外,該運放系列也有雙通道(TLV2333)和四通道(TLV4333)的選擇。

在某些系統中可能需要更快的建立時間和更低的雜訊來説明加快溫度測量。對於這些情況,OPA388是替代TLV333的不錯選擇。OPA388將提供較低的輸入失調電壓(最大值為5μV),較低的雜訊(7 nV / rt(Hz))和更快的建立時間(2μs),所有這些都將有助於最小化建立時間和所需的平均採樣數量達到指定的溫度解析度。

TI具有多種運算放大器,可用於模擬傳感元件和ADC之間的信號介面。下表列出了其他可以適用於此設計的放大器,所有放大器均採用雙重封裝。

TI part number

TLV333

OPA333

OPA330

OPA335

OPA388

LMP2021

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用於信號介面的運算放大器推薦

TI提供了多種溫度感測器,我們的高精度數字感測器TMP117x在-20°C至50°C範圍內的精度為±0.1°C。該器件集成了16位解析度ADC,可通過I2C或SMBus與設計人員的數位控制器進行通信。該器件專為電池供電的系統而設計,因為它在停機時僅具有150nA的Iq消耗,並且每1Hz轉換週期只需要3.5µA。對於在MCU中具有集成ADC的系統,TI還提供了類比溫度感測器和熱敏電阻。LMT70提供與溫度相對應的電壓輸出,在20°C至42°C之間的最大準確度為±0.13°C。對於成本敏感型系統,TMP61線性熱敏電阻提供1%的溫度容差、並簡化了使用傳統的NTC的校準過程。對於更具成本敏感性的數位溫度感測應用,可以使用TI的TMP1075,它在−25°C至+ 100°C的範圍內具有±1°C(最大值)的精度。對於在MCU中集成了ADC的系統,TI還提供了類比溫度感測器, TMP23x提供了廣泛的設計靈活性,因為設計人員可以在±0.5°C至±6°C的精度和增益範圍內進行選擇。

為了給ADC和感應元件供電設計通常需要一個低雜訊,靈敏的電壓軌。低壓差穩壓器(LDO)易於使用,並且能夠為敏感的模擬電源軌提供乾淨,低雜訊的電源,因此這是一種常見的選擇。對於這種特定的需求,TPS7A20的超低雜訊(6 µVRMS),高紋波抑制(85db @ 1 kHz)和低靜態電流(典型值為6 µA,停機模式下為150nA )讓它成為最佳選擇。這為ADC和傳感元件提供了所需的低雜訊軌(在過濾DC / DC紋波的同時還產生了很小的固有輸出雜訊),同時還為電池供電的應用提供了低靜態電流(延長了電池壽命)。對於電池電源系統,TPS7A02是另一個不錯的選擇,因為它提供了納瓦級IQ(25nA,停機模式下為3nA),同時還提供了較高的PSRR,可用於後置DC / DC調節。 TPS7A02還具有出色的瞬態回應,這對於占空比負載至關重要。

市場上有一些高端產品也包括低功耗藍牙(BLE)通信模組。如果有興趣將其添加到系統中,CC2640R2F IC或CC2650MODA模組則是非常適合。TI的SimpleLink™ 軟體能説明設計人員儘快的完成開發過程。

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載開關,或者具有超低漏電流的TPS22916xx,都可以用於將BLE模組與電池電源或任何其他直流電源斷開。這樣可以延長產品的電池使用時長,同時為用戶增加其他功能。

本文中詳細介紹的TI器件將助力設計人員快速設計紅外體溫儀。TI高度重視客戶在我們遍佈全球的生產基地的支援下設計和製造這種終端設備的工作,同時會持續提供高品質的設計説明和出色的客戶支援。

 

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