【文章內(nèi)容簡介】 的電路將該電信號進(jìn)行 處理放大并處理就可以得出要測量的溫度值。 其中 溫差電堆由若干熱電偶串聯(lián)組成 ， 熱電偶傳感器測定溫度與輸出電壓的關(guān)系的測溫點(diǎn)在接收到紅外輻射能量后溫度升高，因?yàn)椤叭惪诵?yīng)”而產(chǎn)生熱電動勢，其輸出電壓和測定點(diǎn)的溫度 近似成正比例關(guān)系 ，這是紅外 溫度傳感器 測 量體 溫所依據(jù)的基礎(chǔ)。 同時(shí) 為減少太陽光等可見光對傳感器的影響，在傳感器的前面要加上濾光片，只讓紅外光通過。濾光片的波長可通過下式計(jì)算： λ=2898/T。式中： λ（ 181。m） 是波長， T（ K） 是絕對溫度。人體的正常溫度取為 37176。C ，則 T =310K； λ=。通常 選用波長為 6 ~ 14 181。m的光學(xué)濾光片，其帶通特性有利于溫度的測量。 （ 1）、遠(yuǎn)距離和非接觸測量：紅外測溫不需要與被測物體接觸，并可遠(yuǎn)距離測量，它特別適合于高速運(yùn)動物體、旋轉(zhuǎn)體、帶電體和高溫高壓下物體的溫度測量。同時(shí)也適合用于人體測溫。 （ 2）、響應(yīng)速度快：紅外測溫不像常規(guī)溫度計(jì)那樣，需要與被測量物體接觸以達(dá)到熱平衡狀態(tài)才能得到正確的溫度數(shù)據(jù)。它只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可測量，其響應(yīng)速度在毫 秒甚至微秒數(shù)量級。 （ 3）、靈敏度高：因?yàn)槲矬w溫度的微小變化會引起輻射功率的較大變化，容易被紅外測溫傳感器探測，所 以紅外測溫的可測溫差很小，可達(dá)零點(diǎn)零幾攝氏度。 （ 4）、準(zhǔn)確度高：紅外測溫是非接觸測量，不破壞物體本身的溫度分布，因此所測溫度相對較為準(zhǔn)確。 （ 5）、測溫范圍廣：測溫范圍可從負(fù)幾十?dāng)z氏度到正幾千攝氏度。 本章小結(jié) 本章主要闡述了紅外線測溫的一些基礎(chǔ)理論和紅外測溫傳感器的結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)。紅外線測溫可以說是人類發(fā)現(xiàn)紅外線后的一個重要應(yīng)用，其中紅外線人體測溫儀更是醫(yī)學(xué)測量上的重要發(fā)明。現(xiàn)在隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外線人體測溫技術(shù)已經(jīng)非常成熟了，市面上也有非常多的相關(guān)產(chǎn)品供人們選擇。 第三章 總體方案設(shè)計(jì) 和 選擇 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 因?yàn)楸菊n題是關(guān)于便攜式紅外人體測溫儀的設(shè)計(jì)，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(jì) ，另一種是 紅外 額 溫計(jì) ； 這兩種形式的紅外體溫計(jì)各有自己的優(yōu)缺點(diǎn) 。 其中 紅外耳溫計(jì) 是 一種專門用于測量鼓膜溫度的溫度計(jì)，通過紅外導(dǎo)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(jìn)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(dāng)使用方法正確時(shí)耳溫計(jì)的示數(shù)可以作為醫(yī)學(xué)確認(rèn)。但 缺點(diǎn) 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(jì) 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(diǎn)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(shí)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(bǔ)償來消除誤差。所以在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，通常 紅外 額 溫計(jì) 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(jì)。 這兩種紅外體溫計(jì)實(shí)際上應(yīng)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(xì)微的差別而已。 但是 紅外耳溫計(jì) 的使用方式使得它具有較高的 準(zhǔn)確性。同時(shí) 對于個人使用者來說，體溫測量并不是每天都進(jìn)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(jì)采用測量鼓膜溫度 的方案，即設(shè)計(jì)一個 紅外耳溫計(jì) 。 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(jī)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(jì)的系統(tǒng)的幾個基本要求和指標(biāo)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(zhǔn)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(yīng)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(jī)界面； （ 6）、總體成本（硬件成本、設(shè)計(jì)時(shí)間成本等）要低。 可以實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，另一種方案是采用數(shù)字紅外溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。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（如圖 所示） 。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(jìn)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(jī)進(jìn)行相關(guān)的處理。 圖 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(yīng)的電壓值，傳感器同時(shí)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)?MCU 模塊進(jìn)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(yīng)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(yùn)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。 圖 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(jì)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(fù)雜。例如集成運(yùn)放電路要用到雙電源供電，這就使得電源模塊的設(shè)計(jì)變得復(fù)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(shí)在軟件設(shè)計(jì)方面，要涉及到濾波處理、溫度線性校準(zhǔn)處理和黑體校定等，這使得設(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)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(jì)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(shí)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(shí)間成本等）其實(shí)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(jì)。 總體 方案 設(shè)計(jì) 經(jīng)過論證對比后，本人選擇了方案二的設(shè)計(jì)。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（如圖 所示）。 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(jì)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(jī)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(zhǔn)參數(shù)，計(jì)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(jìn)行過補(bǔ)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(yīng)用中。整個溫度計(jì)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(diǎn)：不需要昂貴的外部組件， 能夠輕松將傳感器整合到應(yīng)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(jì)難題，否則這些因素會導(dǎo)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(jià)格優(yōu)勢。 本系統(tǒng)主要實(shí)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?cái)?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(dāng)測溫儀長時(shí)間不使用的時(shí)候，系統(tǒng)進(jìn)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(jì)要求和基本指標(biāo)，初步?jīng)Q定 紅外耳溫計(jì) 這個設(shè)計(jì)方向。然后對兩種不同的方案進(jìn)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(xì)設(shè)計(jì)見第四章（系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)）和第五章（系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)），在這里就不一一介紹了。 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 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(yīng)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(fù)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(bǔ)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(yīng)用。 PT1301 內(nèi)部含有 2A 功率開關(guān)，在 使用 鋰電池供電時(shí)最大輸出電流可達(dá) 300mA，同時(shí) 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(yīng)用需要更大負(fù)載電流時(shí)，擴(kuò)展輸出電流。 同時(shí) 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(shí)間。 其特點(diǎn)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 ： 由一節(jié)堿性電池提供 ；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(jì)中，采用 SOT26 封裝的 PT1301） 圖 PT1301 引腳排列示意圖 表 PT1301 引腳說明 引腳序號 （ SOT26） 符號 說明 1 CE 使能端， CE 為低電平時(shí)， PT1301 關(guān)斷 2 EXT 外接功率開關(guān)驅(qū)動輸出端 3 GND 地 4 LX 內(nèi)部功率開關(guān)輸出 5 VDD 電源管腳 6 FB 反饋輸入管腳 圖 PT1301 電路框 圖 （內(nèi)部） PT1301 應(yīng)用設(shè)計(jì)指導(dǎo) 如下 ： 輸出電壓 參考典型應(yīng)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(jì) 在 典型應(yīng)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(jī)狀態(tài)或懸置狀態(tài)的應(yīng)用而言， R1 和 R2 取值宜低些，而對于對待機(jī)或懸置電流要求很高的應(yīng)用， R1 和 R2 阻值需要取高，這時(shí)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(xì)地進(jìn)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(yàn)取值是：當(dāng)上述電阻為 MΩ 級時(shí)，取值約 100pF，當(dāng)上述電阻取值為幾十至幾百 KΩ 時(shí)，取值在 10nF～ 之間。 PCB 布圖指導(dǎo) 為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，在 PCB 布圖時(shí)可遵循下述指導(dǎo)： （ 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