如何快速設(shè)計紅外體溫檢測儀?TI來支招!
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有助于減少接觸傳染。在這里我們來和大家談?wù)勥@個系統(tǒng)和主要的設(shè)計方案。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202004/411745.htmMSP430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)計資源,使得開發(fā)人員可以大大簡化設(shè)計流程,快速開發(fā)紅外體溫檢測儀原型機(jī),同時節(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。
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,同時可以對電池電壓進(jìn)行實(shí)時監(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。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;
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)存大小的同時無需過多的工作量便可以快速遷移現(xiàn)有設(shè)計。可為測溫儀推薦的產(chǎn)品型號有:
Part Number | Non-volatile Memory (FRAM/Flash) | ADC | LCD | Packages | ||||
16 | KB | FRAM | 10 | -bit | SAR | 4 x 36 or 8 x 32 segments | TSSOP48 TSSOP56 LQFP64 | |
N/A | VQFN24 DSBGA24 | |||||||
16-32 | Flash | 16 | Sigma-Delta | 4 x 14 segments | SSOP48 VQFN48 | |||
24 | N/A | TSSOP28 VQFN32 | ||||||
64 | 320 segments | LQFP80 LQFP100 |
表1紅外體溫儀MCU產(chǎn)品型號推薦
圖1的方案中同時包括了TI豐富的電源管理、信號鏈和傳感器產(chǎn)品。
TPS61099 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 ,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 ,有助于延長系統(tǒng)的電池壽命,尤其是在不使用系統(tǒng)時。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(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 μV/℃)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 -40℃ — +125℃ 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))和更快的建立時間(2μs),所有這些都將有助于最小化建立時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)計的放大器,所有放大器均采用雙重封裝。
TI part number | TLV333 | OPA | LMP2021 | |||
333 | 330 | 335 | 388 | |||
Gain bandwidth (MHz) | 0.35 | 2 | 10 | 5 | ||
VOS max at 25°/C (mV) | 0.015 | 0.01 | 0.05 | 0.005 | ||
Drift (μV/°C) | 0.02 | 0.005 | 0.004 | |||
IQ (mA) | 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 |
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,因?yàn)樗谕C(jī)時僅具有150nA的Iq消耗,并且每1Hz轉(zhuǎn)換周期只需要3.5μA。對于在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、并簡化了使用傳統(tǒng)的NTC的校準(zhǔn)過程。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)計靈活性,因?yàn)樵O(shè)計人員可以在±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)計通常需要一個低噪聲,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,TPS7A20的超低噪聲(6 μVRMS),高紋波抑制(85db @ 1 kHz)和低靜態(tài)電流(典型值為6 μA,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(在過濾DC / DC紋波的同時還產(chǎn)生了很小的固有輸出噪聲),同時還為電池供電的應(yīng)用提供了低靜態(tài)電流(延長了電池壽命)。對于電池電源系統(tǒng),TPS7A02是另一個不錯的選擇,因?yàn)樗峁┝思{瓦級IQ(25nA,停機(jī)模式下為3nA),同時還提供了較高的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。這樣可以延長產(chǎn)品的電池使用時長,同時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)計人員快速設(shè)計紅外體溫儀。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)計和制造這種終端設(shè)備的工作,同時會持續(xù)提供高質(zhì)量的設(shè)計幫助和出色的客戶支持。
評論