【文章內(nèi)容簡介】 關(guān)產(chǎn)品供人們選擇。第三章 總體方案設(shè)計和選擇 設(shè)計任務分析因為本課題是關(guān)于便攜式紅外人體測溫儀的設(shè)計，所以要采用紅外線測溫的原理來測量人體的溫度，并且要考慮系統(tǒng)的便攜性。常見的紅外人體測溫儀主要有兩種：一種是紅外耳溫計，另一種是紅外額溫計；這兩種形式的紅外體溫計各有自己的優(yōu)缺點。其中紅外耳溫計是一種專門用于測量鼓膜溫度的溫度計，通過紅外導波管將主要由鼓膜發(fā)射的紅外輻射能傳送到熱電堆等熱探測器，將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為電能后進行電信號處理得到人體溫度信息。由于鼓膜的溫度穩(wěn)定，且可以直接體現(xiàn)人體內(nèi)部核心溫度，因此當使用方法正確時耳溫計的示數(shù)可以作為醫(yī)學確認。但缺點是由于對使用者提出較高的要求，且使用一次性的探頭蓋，增加了后期的使用成本。它常用于對衛(wèi)生要求比較高的醫(yī)院和家庭里。而紅外額溫計主要是通過測量人體的體表（額頭等）紅外輻射，經(jīng)過處理后從而得到人體的溫度信息。其優(yōu)點是完全無需與人體接觸（真正意義上的無接觸測量），這就意味著無需使用一次性的探頭蓋，從而節(jié)約使用成本和避免人群交叉感染。但由于人體的體表溫度很容易受到各種因素（溫度、濕度、人體體表的潔凈度等）的影響，比如在寒冷的冬天人體的體表溫度比核心溫度要低得多，而在炎熱的夏天則情況相反。這樣測量得出的溫度數(shù)據(jù)不能反映出人體溫度的真實信息，而且這些因素的影響是不確定的，因此難以通過合適的溫度補償來消除誤差。所以在現(xiàn)實應用中，通常紅外額溫計是用于體溫的初步判斷，而真正的診斷還是需要普通的水銀體溫計。這兩種紅外體溫計實際上應用的原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是基本一致的，只是兩者有一些細微的差別而已。但是紅外耳溫計的使用方式使得它具有較高的準確性。同時對于個人使用者來說，體溫測量并不是每天都進行的，所以并不會增加太多的額外成本；而對于醫(yī)院使用者來說，這些使用成本也是在可承受范圍內(nèi)的。綜上所述，本設(shè)計采用測量鼓膜溫度的方案，即設(shè)計一個紅外耳溫計。經(jīng)過初步分析可以得知，整個系統(tǒng)可以劃分為幾個大模塊，紅外測溫模塊、單片機處理模塊、外圍電路（輸入按鍵、LCD等）模塊和電源模塊。其中為了提高系統(tǒng)的便攜性，電源模塊采取電池供電的方式。所要設(shè)計的系統(tǒng)的幾個基本要求和指標如下所示：（1）、利用人體紅外輻射的原理來測量體溫，即采用紅外溫度傳感器；（2）、體溫測量的準確度要高；（3）、系統(tǒng)采用電池供電，且功耗要低；（4）、系統(tǒng)響應速度要快，要在1~2s內(nèi)完成測溫；（5）、要使用簡單，有良好的人機界面；（6）、總體成本（硬件成本、設(shè)計時間成本等）要低?？梢詫崿F(xiàn)該設(shè)計的方案有很多種，但在這里主要考慮其中兩種方案。其中一種方案是采用模擬紅外溫度傳感器來實現(xiàn)設(shè)計，另一種方案是采用數(shù)字紅外溫度傳感器來實現(xiàn)設(shè)計。以下章節(jié)內(nèi)容便是這兩種方案的對比和選擇。 方案對比與選擇方案一： 在該方案里，系統(tǒng)可以分為模擬紅外溫度傳感器（內(nèi)含環(huán)境溫度測量）模塊、放大電路模塊、AD轉(zhuǎn)換電路模塊、MCU主控模塊、按鍵模塊、蜂鳴器模塊、LCD模塊和電源模塊（）。所謂的模擬傳感器就是傳感器的輸出量是模擬量，而不是可以直接進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字量，所以它需要通過信號放大和AD轉(zhuǎn)換等處理后才能傳輸給單片機進行相關(guān)的處理。 方案一的系統(tǒng)框圖首先模擬紅外溫度傳感器接收人體發(fā)出的紅外線，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸出對應的電壓值，傳感器同時通過片上溫度傳感器測量環(huán)境溫度/傳感器溫度。這兩個紅外溫度傳感器的輸出量通過放大電路和AD轉(zhuǎn)換電路的處理后傳輸?shù)組CU模塊進行相關(guān)的處理（軟件濾波、黑體校定等），然后通過LCD模塊顯示相應的人體溫度。方案二： 該方案與第一個方案的最大區(qū)別就是：在本方案中采用數(shù)字紅外溫度傳感器來代替模擬紅外溫度傳感器。由于數(shù)字紅外溫度傳感器（例如MLX90615等）內(nèi)部已經(jīng)集成了運放電路、AD轉(zhuǎn)換電路、濾波電路和數(shù)字信號處理器，所以只需通過傳感器的數(shù)據(jù)接口就可以把傳感器所測量的人體溫度數(shù)據(jù)直接傳輸給MCU模塊處理并顯示。 方案二的系統(tǒng)框圖方案對比和選擇：對于方案一，模擬傳感器的成本相對要低，而且整個系統(tǒng)設(shè)計的自由度相對要高一些，但是也使得系統(tǒng)電路變得更為復雜。例如集成運放電路要用到雙電源供電，這就使得電源模塊的設(shè)計變得復雜、功耗變大和效率變得更低，這對于使用電池供電的便攜式系統(tǒng)是不利的。同時在軟件設(shè)計方面，要涉及到濾波處理、溫度線性校準處理和黑體校定等，這使得設(shè)計工作量大大增加。而且對于開發(fā)者的開發(fā)環(huán)境要求較高，例如要具備黑體校定的設(shè)備等。而雖然在方案二里采用的數(shù)字傳感器的成本相對模擬傳感器要高，但整個系統(tǒng)的設(shè)計相對簡單，數(shù)字紅外溫度傳感器可以與MCU直接相連接（需要接上拉電阻）。由于不需額外的集成運放電路，所以也不需要用到雙電源供電，因而使得電源模塊設(shè)計簡化，電池的利用效能更高。由于該方案的電路簡單且集成度高，所以功耗更低。而且相比第一個方案，無需黑體校正。所以開發(fā)時間也比方案一要少。這也意味著這個方案的總體成本（硬件成本、開發(fā)時間成本等）其實要比方案一要低。綜上所述，方案二是本系統(tǒng)最合適的設(shè)計。 總體方案設(shè)計經(jīng)過論證對比后，本人選擇了方案二的設(shè)計。在該方案里，整個系統(tǒng)從硬件上可以分成六個子模塊：分別是紅外溫度測量模塊、MCU主控模塊、按鍵輸入模塊、聲音提示模塊、LCD顯示模塊和電源模塊（）。其中本系統(tǒng)的紅外測溫傳感器采用邁利芯（Melexis）公司設(shè)計生產(chǎn)的低成本紅外溫度測量數(shù)字傳感器 — MLX90615。MLX90615中的紅外溫度傳感元件是工業(yè)級硅片，它帶有的一個薄型微機械加工隔膜來過濾掉環(huán)境紅外線的影響，環(huán)境溫度由芯片內(nèi)置的熱電偶測得。定制的內(nèi)置信號調(diào)節(jié)芯片放大微小的熱電偶電壓并將其數(shù)字化，通過使用芯片EEPROM存儲器中儲存的生產(chǎn)廠設(shè)定校準參數(shù)，計算出物體的溫度。數(shù)字輸出溫度是完全線性化并對環(huán)境溫度進行過補償?shù)?。通過SMBus或連續(xù)的PWM信號，傳感器將結(jié)果輸送到使用者應用中。整個溫度計系統(tǒng)封裝在一個金屬罐中。對于OEM制造商來說，這些特性提供如下的優(yōu)點：不需要昂貴的外部組件，能夠輕松將傳感器整合到應用電路（PCB）上。這種自容式系統(tǒng)解決了微小電壓信號、環(huán)境影響和電磁兼容性的設(shè)計難題，否則這些因素會導致紅外線溫度測量的很多困難和麻煩。同目前市場上的其它紅外線解決方案相比，高度的集成化使得MLX90615更具價格優(yōu)勢。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：系統(tǒng)設(shè)置（短摁表示背光開啟/關(guān)閉，長摁表示聲音開啟/關(guān)閉）；體溫數(shù)據(jù)查詢，并至少存儲十組數(shù)據(jù)；超出量程提示（H/L）；電源低壓提示；體溫快速測量；系統(tǒng)休眠功能（當測溫儀長時間不使用的時候，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)以減少功耗）；等等。 本章小結(jié)這一章主要分析了課題的設(shè)計要求和基本指標，初步?jīng)Q定紅外耳溫計這個設(shè)計方向。然后對兩種不同的方案進行了對比和分析，最后決定使用第二個方案作為該課題的最終方案。在該方案里，整個系統(tǒng)從硬件上可以分成六個子模塊：分別是IR溫度測量模塊、MCU主控模塊、電源模塊、LCD顯示模塊、按鍵輸入模塊和聲音提示模塊。從軟件上可以分為三個程序子模塊：主控程序模塊（內(nèi)含按鍵掃描等子程序）、LCD驅(qū)動程序模塊和MLX90615程序模塊。詳細設(shè)計見第四章（系統(tǒng)硬件設(shè)計）和第五章（系統(tǒng)軟件設(shè)計），在這里就不一一介紹了。第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 電源模塊 PT1301簡介PT1301是一款最低啟動電壓可低于1V的小尺寸高效率升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，采用自適應電流模式PWM控制環(huán)路。PT1301內(nèi)部包含誤差放大器、斜坡產(chǎn)生器、比較器、功率開關(guān)和驅(qū)動器。PT1301能在較寬的負載電 流范圍內(nèi)穩(wěn)定和高效的工作，并且不需要任何外部補償電路。PT1301的啟動電壓可低于1V，因此可滿足單節(jié)干電池的應用。PT1301內(nèi)部含有2A功率開關(guān)，在使用鋰電池供電時最大輸出電流可達 300mA，同時 PT1301 還提供用于驅(qū)動外部功率器件（NMOS 或 NPN）的驅(qū)動端口，以便在應用需要更大負載電流時，擴展輸出電流。同時500KHz的開關(guān)頻率可縮小外部元件的尺寸。其輸出電壓由兩個外部電阻設(shè)定。最小的低靜態(tài)電流是14μA，再加上高效率，可使電池使用更長時間。其特點如下所示:● 低靜態(tài)（開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)）工作電流：14μA● 低啟動輸入電壓： （典型）● 高供電能力：；一節(jié)鋰電池提供5V/300mA● 關(guān)斷狀態(tài)零工作電流● 高效率：90%● 固定開關(guān)頻率：500KHz● 可選擇內(nèi)部或外部功率管開關(guān)● 封裝形式：SOT26，SOT895（在本設(shè)計中，采用SOT26封裝的PT1301） PT1301引腳排列示意圖 PT1301引腳說明引腳序號（SOT26）符號說明1CE使能端，CE為低電平時，PT1301關(guān)斷2EXT外接功率開關(guān)驅(qū)動輸出端3GND地4LX內(nèi)部功率開關(guān)輸出5VDD電源管腳6FB反饋輸入管腳 PT1301電路框圖（內(nèi)部）PT1301應用設(shè)計指導如下：輸出電壓 參考典型應用電路圖，輸出電壓Vout由電阻R1和R2按以下公式設(shè)定： Vout=（1+ R1/R2）(單位：V) （41）反饋環(huán)路設(shè)計 在典型應用參考電路圖中，電阻R1和R2阻值的選擇，除要符合上述Vout公式外，還須在系統(tǒng)的靜態(tài)電流和抗干擾能力方面做權(quán)衡。 （1）、更高的電阻取值可降低系統(tǒng)的靜態(tài)電流（I＝）。 （2）、較低的電阻取值則可獲得較好的抗噪聲和抗干擾能力，降低對PCB布圖寄生參數(shù)的敏感度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 因此，對于無待機狀態(tài)或懸置狀態(tài)的應用而言，R1和R2取值宜低些，而對于對待機或懸置電流要求很高的應用，R1和R2阻值需要取高，這時候由于反饋回路的阻抗很高，從而對干擾非常敏感，必須非常仔細地進行布圖，并且避免任何對FB端的干擾。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可在FB端與Vout之間接一電容，該電容的經(jīng)驗取值是：當上述電阻為MΩ級時，取值約100pF，當上述電阻取值為幾十至幾百KΩ時，取值在10nF～。PCB布圖指導 為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，在 PCB 布圖時可遵循下述指導： （1）、GND平面不要有縫隙； （2）、5腳（VDD）與3腳（GND）之間的1μF MLCC 噪聲旁路電容，連接要短而寬； （3）、如果Vin輸入不是理想電壓源，就在就近電感L1處加一個Vin到GND的旁路電容； （4）、FB結(jié)點的覆銅面積要盡可能小，并且要遠離干擾源； （5）、減小LX和EXT結(jié)點的寄生電容可降低開關(guān)損耗。 電源模塊電路設(shè)計因為要考慮到系統(tǒng)的便攜性，所以該系統(tǒng)采用電池供電。市面上電池的種類繁多，比如干電池、鋰電池和紐扣電池等。其中干電池幾乎在每個商店都有出售，這就在很大程度上方便了使用者更換電池。所以，本系統(tǒng)決定使用常見的5號干電池作為系統(tǒng)電源。整個系統(tǒng)各模塊的工作電壓都約等于3V，雖然意味著系統(tǒng)可以直接使用兩節(jié)干電池（共3V），但事實上干電池在使用的過程中電壓會不斷地降低，這就很可能導致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。其解決辦法就是使用電壓轉(zhuǎn)換電路：一種是降壓電路，即系統(tǒng)使用三個或以上的干電池供電，然后通過LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）電路穩(wěn)壓后輸出3V的電源電壓；另一種是升壓電路，即使用一個干電池作為供電源，然后通過DC/DC升壓電路轉(zhuǎn)換后輸出3V的電源電壓。以上兩種方法各有優(yōu)缺點：雖然第一種方法簡單可靠，但是也會使得系統(tǒng)得體積和重量有所增加，顯然這不利于系統(tǒng)的便攜性；而第二種方法只使用一個干電池作為供電源，這就使得系統(tǒng)更加緊湊和使用方便。但這種辦法也是有缺點的：DC/DC升壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓的波紋比LDO電路的要大，而且電路相對更復雜。鑒于整個系統(tǒng)并不屬于高速高頻電路，所以輸出電壓的波紋對整個系統(tǒng)影響不大。綜上所述，本人決定采取第二種電路設(shè)計方案，其中DC/DC升壓轉(zhuǎn)換芯片采用PT1301。%，所以整個系統(tǒng)可以有效地利用干電池的電能（）。PT1301的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計比較簡單，只要參考相關(guān)的說明書里的典型應用電路圖即可。根據(jù)式41，我們可得知系統(tǒng)電源模塊的輸出電壓取決于R1和R2的比值。經(jīng)過權(quán)衡系統(tǒng)的靜態(tài)電流和抗干擾能力（R1的阻值越大，靜態(tài)電流就越小，但抗干擾能力就越差），R1和R2的取值分別為33kΩ和22kΩ。即電源模塊的輸出電壓為Vout=（1+ R1/R2）=，其電路設(shè)計圖如下所示。 電源模塊電路圖 紅外測溫模塊 MLX90615簡介MLX90615是一款由Melexis公司設(shè)計生產(chǎn)的低成本紅外溫度測量數(shù)字傳感器。它的輸出數(shù)據(jù)和物體溫度呈線性比例，有較高的精度和分辨率。用戶可以對低發(fā)射率的物體在內(nèi)部進行發(fā)射率校正。MLX90615采用TO46封裝，其低功耗和睡眠模式使其適合于手持移動應用。數(shù)字傳感器接口可以為PWM或是加強的SMBus兼容協(xié)議，系統(tǒng)可以在兩線上連接多達100多個器件。其內(nèi)部有2顆芯片，紅外熱電堆探測器和信號處理ASSP MLX90325，尤其是由Melexis設(shè)計的處理IR傳感器輸出的芯片。由于集成了低噪聲放大器，16位ADC和強大的DSP的MLX90325單元，使得高度集成和高精度的溫度計得以實現(xiàn)。計算所得的物體溫度被存儲在MLX90615的RAM單元，此數(shù)值可通過串行兩線SMBus兼容協(xié)議獲或是器件的10位PWM格式獲得。MLX90615出廠校準的標準溫度范圍為：環(huán)境溫度為40到85176。C，物體溫度為40到115 176。C。作為標準，MLX90615出廠校準的物體發(fā)射率為1。，并且不需要用黑體來做重新校準。同時MLX90615可用電池供電，且封裝中集成了可以濾除可見光和近紅外輻射通量的光學濾波器（可通過長波）以提供日光免疫。~15181。m。MLX90615的特點如下：● 小尺寸，易集成，低成本● 出廠校準設(shè)置寬溫度范圍： 40 to +85 176。C傳感器溫度范圍 40 to +115 176。C物體溫度范圍● 寬溫度范圍的高精度，176。C（TA和TO都為0176。C to +50176。C）● 高精度（醫(yī)用）校準● 176。C● 其輸入/輸出端口為數(shù)字接口（SMBus