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作者：德州儀器 體溫檢測是我們居家，出入社區或工作場(chǎng)所以及出行中的必要監測。紅外體溫檢測儀通過(guò)非接觸式測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(kāi)始推向市場(chǎng)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(kāi)發(fā)出來(lái)的應用不計其數，數不勝數，尤其是面向傳感與檢測類(lèi)終端應用，因其在片上集成有高性能ADC、LCD驅動(dòng)、串口通訊、PWM輸出等模塊，成為了紅外體溫檢測儀廠(chǎng)商的不二之選。配合TI提供的豐富的線(xiàn)上軟硬件設計資源，使得開(kāi)發(fā)人員可以大大簡(jiǎn)化設計流程，快速開(kāi)發(fā)紅外體溫檢測儀原型機，同時(shí)節省電路板空間從而降低成本。 下圖提供了基于MSP430單片機和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(mǎn)足測溫儀設計需求： 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)行采樣并轉換數字溫度量，同時(shí)可以對電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監控； 2、MSP430片上集成的LCD驅動(dòng)模塊，可以幫助開(kāi)發(fā)人員為測溫儀快速實(shí)現LCD顯示的設計。MSP430FR4133內置的高達 4×36 段或 8×32 段 LCD 驅動(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(kāi)發(fā)人員的PCB設計； 3、I2C串口通訊接口可以滿(mǎn)足高精度數字溫度傳感器或數字型紅外溫度傳感器、數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(shí)器模塊可以輸出多路PWM信號以驅動(dòng)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響應。 超低功耗設計助力測溫儀的長(cháng)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(chǎn)品的家族基因，為產(chǎn)品的低功耗設計提供豐富的低功耗智能外設。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(guān)鍵挑戰。 豐富的產(chǎn)品系列提供了靈活的內存選擇： MSP430系列單片機提供片上16KB以上存儲器可以滿(mǎn)足絕大多數測溫儀產(chǎn)品的內存需求。該系列豐富的產(chǎn)品家族更是提供高達512KB的多種內存選擇，用戶(hù)選擇不同內存大小的同時(shí)無(wú)需過(guò)多的工作量便可以快速遷移現有設計�？蔀闇y溫儀推薦的產(chǎn)品型號有：
表1紅外體溫儀MCU產(chǎn)品型號推薦 圖1的方案中同時(shí)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(zhuān)門(mén)針對需要超低功耗應用的升壓芯片，首先，靜態(tài)功耗僅僅為800nA，而且輸入電壓低至0.7V，可以完美支持單節干電池供電，同時(shí)在輸入1.5V，輸出3.3V/10uA條件下可達到80%的效率。TPS61099x系列芯片提供輸出可調版本和輸出固定版本兩種供客戶(hù)選擇，固定版本支持1.8V～5.0V幾乎各種常見(jiàn)輸出電壓。 TPS62170降壓轉換器提供低IQ，有助于延長(cháng)系統的電池壽命，尤其是在不使用系統時(shí)。此外，它還支持在 2 MHz 以上的切換頻率下實(shí)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(gè)解決方案的大小。 TLV333運放是TI的零溫漂運放系列產(chǎn)品，具有高精度低功耗的特點(diǎn)。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(dòng)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℃ 至+125℃的工作溫度范圍，非常適合手持式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(shí)間和更低的噪聲來(lái)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量達到指定的溫度分辨率。 TI具有多種運算放大器，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計的放大器，所有放大器均采用雙重封裝。
表2用于信號接口的運算放大器推薦 TI提供了多種溫度傳感器，我們的高精度數字傳感器TMP117x在-20°C至50°C范圍內的精度為±0.1°C。該器件集成了16位分辨率ADC，可通過(guò)I2C或SMBus與設計人員的數字控制器進(jìn)行通信。該器件專(zhuān)為電池供電的系統而設計，因為它在停機時(shí)僅具有150nA的Iq消耗，并且每1Hz轉換周期只需要3.5μA。對于在MCU中具有集成ADC的系統，TI還提供了模擬溫度傳感器和熱敏電阻。LMT70提供與溫度相對應的電壓輸出，在20°C至42°C之間的最大準確度為±0.13°C。對于成本敏感型系統，TMP61線(xiàn)性熱敏電阻提供1%的溫度容差、并簡(jiǎn)化了使用傳統的NTC的校準過(guò)程。對于更具成本敏感性的數字溫度感測應用，可以使用TI的TMP1075，它在−25°C至+ 100°C的范圍內具有±1°C（最大值）的精度。對于在MCU中集成了ADC的系統，TI還提供了模擬溫度傳感器, 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的精度和增益范圍內進(jìn)行選擇。 為了給ADC和感應元件供電設計通常需要一個(gè)低噪聲，靈敏的電壓軌。低壓差穩壓器（LDO）易于使用，并且能夠為敏感的模擬電源軌提供干凈，低噪聲的電源，因此這是一種常見(jiàn)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)還為電池供電的應用提供了低靜態(tài)電流（延長(cháng)了電池壽命）。對于電池電源系統，TPS7A02是另一個(gè)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(shí)還提供了較高的PSRR，可用于后置DC / DC調節。 TPS7A02還具有出色的瞬態(tài)響應，這對于占空比負載至關(guān)重要。 市場(chǎng)上有一些高端產(chǎn)品也包括低功耗藍牙（BLE）通信模塊。如果有興趣將其添加到系統中，CC2640R2F IC或CC2650MODA模塊則是非常適合。TI的SimpleLink™ 軟件能幫助設計人員盡快的完成開(kāi)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載開(kāi)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(kāi)。這樣可以延長(cháng)產(chǎn)品的電池使用時(shí)長(cháng)，同時(shí)為用戶(hù)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(hù)在我們遍布全球的生產(chǎn)基地的支持下設計和制造這種終端設備的工作，同時(shí)會(huì )持續提供高質(zhì)量的設計幫助和出色的客戶(hù)支持。 |
