如何快速設(shè)計(jì)紅外體溫檢測(cè)儀？TI來(lái)支招！
體溫檢測(cè)是我們居家，出入社區(qū)或工作場(chǎng)所以及出行中的必要監(jiān)測(cè)。紅外體溫檢測(cè)儀通過(guò)非接觸式測(cè)溫有助于減少接觸傳染。在這里我們來(lái)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(chǎng)的一種16位超低功耗RISC混合信號(hào)處理器，基于該系列產(chǎn)品開發(fā)出來(lái)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(cè)類終端應(yīng)用，因其在片上集成有高性能ADC、LCD驅(qū)動(dòng)、串口通訊、PWM輸出等模塊，成為了紅外體溫檢測(cè)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，快速開發(fā)紅外體溫檢測(cè)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(cè)儀系統(tǒng)解決方案。
圖 1 紅外體溫檢測(cè)儀系統(tǒng)框圖
MSP430 <http://www.ti.com.cn/zh-cn/microcontrollers/msp430-ultra-low-power-mcus/overview.html>系列單片機(jī)作為方案的主控MCU，可為測(cè)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(cè)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(duì)模擬型紅外溫度傳感器采集到的高精度信號(hào)量進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換數(shù)字溫度量，同時(shí)可以對(duì)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(dòng)模塊，可以幫助開發(fā)人員為測(cè)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(dòng)模塊，更是支持LCD的Segment和COM管腳的靈活配置，可以簡(jiǎn)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(hào)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(hào)以驅(qū)動(dòng)測(cè)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(cè)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(cè)溫儀的長(zhǎng)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(cè)儀對(duì)設(shè)備電池供電的續(xù)航和使用頻次要求頗高，因此測(cè)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(chǔ)器可以滿足絕大多數(shù)測(cè)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(wú)需過(guò)多的工作量便可以快速遷移現(xiàn)有設(shè)計(jì)。可為測(cè)溫儀推薦的產(chǎn)品型號(hào)有：
表1紅外體溫儀MCU產(chǎn)品型號(hào)推薦
圖1的方案中同時(shí)包括了TI豐富的電源管理、信號(hào)鏈和傳感器產(chǎn)品。
TPS61099 系列芯片是專門針對(duì)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，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80%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。
TPS62170降壓轉(zhuǎn)換器提供低IQ，有助于延長(zhǎng)系統(tǒng)的電池壽命，尤其是在不使用系統(tǒng)時(shí)。此外，它還支持在 2 MHz 以上的切換頻率下實(shí)現(xiàn)高效率，以幫助設(shè)計(jì)人員減少所需電感器的大小，從而減小整個(gè)解決方案的大小。
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 ?V max）和低溫漂（0.02利于最小化溫度檢測(cè)誤差，其軌到軌輸入/輸出性能幫助最大化動(dòng)態(tài)范圍。另一方面，低靜態(tài)電流（28 ?A 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(lái)幫助加快溫度測(cè)量。對(duì)于這些情況，OPA388是替代TLV333的不錯(cuò)選擇。OPA388將提供較低的輸入失調(diào)電壓（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(hào)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(hào)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(guò)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3.5?A。對(duì)于在MCU中具有集成ADC的系統(tǒng)，TI還提供了模擬溫度傳感器和熱敏電阻。LMT70提供與溫度相對(duì)應(yīng)的電壓輸出，在20°C至42°C之間的最大準(zhǔn)確度為±0.13°C。對(duì)于成本敏感型系統(tǒng)，TMP61線性熱敏電阻提供1%的溫度容差、并簡(jiǎn)化了使用傳統(tǒng)的NTC的校準(zhǔn)過(guò)程。對(duì)于更具成本敏感性的數(shù)字溫度感測(cè)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(duì)于在MCU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(duì)于這種特定的需求，TPS7A20的超低噪聲（6 ?VRMS），高紋波抑制（85db @ 1 kHz）和低靜態(tài)電流（典型值為6 ?A，停機(jī)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噪聲軌（在過(guò)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(zhǎng)了電池壽命）。對(duì)于電池電源系統(tǒng)，TPS7A02是另一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗峁┝思{瓦級(jí)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(duì)于占空比負(fù)載至關(guān)重要。
市場(chǎng)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(guò)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。這樣可以延長(zhǎng)產(chǎn)品的電池使用時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)為用戶增加其他功能。
本文中詳細(xì)介紹的TI器件將助力設(shè)計(jì)人員快速設(shè)計(jì)紅外體溫儀。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，同時(shí)會(huì)持續(xù)提供高質(zhì)量的設(shè)計(jì)幫助和出色的客戶支持。