基于紅外線傳感器的耳溫槍應(yīng)用設(shè)計方案

常見的紅外線傳感器應(yīng)用可分為醫(yī)療、工業(yè)、消費性用途，如耳溫槍、額溫槍、工業(yè)用溫度儀、紅外線溫度計等。在耳溫槍應(yīng)用中，需注意紅外線傳感器進入耳中的升溫效應(yīng)、導(dǎo)波管與傳感器的連接方式等。在紅外線溫度計應(yīng)用中，需注意待測物距離、透鏡的聚焦距離等。

一、纮康科技HY11P系列簡介

利用紅外線傳感器(IR sensor)做為溫度訊號的擷取來源，轉(zhuǎn)換為電阻與微小電壓訊號輸出，再經(jīng)由纮康科技的單片機“HY11P13”量測訊號、運算、數(shù)位輸出顯示，如圖1，以最少的元件達成非接觸式紅外線溫度量測方案。

                              圖 1：模擬與數(shù)字訊號轉(zhuǎn)換

單片機簡介

         圖 2：HY11P系列8位高性能OTP單片機(HY11P13)

•8位加強型精簡指令集,共有66個指令包含硬件乘法指令及查表指令

•2.2V to 3.6V工作電壓范圍，-40℃~85℃工作溫度范圍

•外部石英震蕩器及內(nèi)部高精度RC震蕩器，多種CPU工作頻率切換選擇，可讓使用者達到最佳省電規(guī)劃

運行模式 300uA@ 2MHz

待機模式  3uA@ 32KHz

休眠模式 1uA

•4KWord OTP (One Time Programmable) Type程式記憶體， 256Byte資料記憶體

•Brownout and Watch dog Timer，可防止CPU進入死機模式

•18-bit 全差動輸入ΣΔADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器

內(nèi)置 PGA (Programmable Gain Amplifier) 及可有1/4 ,1/2, 1. …..128倍10種輸入信號放大倍率選擇

內(nèi)置輸入零點調(diào)整, 可針對不同應(yīng)用增加其量測范圍

內(nèi)置高阻抗輸入緩沖器(32以上輸入倍率不適用)

內(nèi)置絕對溫度傳感器

•超低輸入噪聲(<1uVpp)運算放大器, 可提供高輸出阻抗小訊號的放大及小電流的電壓轉(zhuǎn)換

•1.0V低溫飄系數(shù)參考電壓源輸出，具有Push-Pull驅(qū)動能力，可提供傳感器驅(qū)動電壓

•10mA低壓差穩(wěn)壓電源輸出，可有4種不同輸出電壓選擇

•4x20 LCD液晶驅(qū)動器

Static、1/2、1/3、1/4 Duty及1/3 Bias軟件選擇

內(nèi)建Charge Pump穩(wěn)壓線路，提供4種LCD偏壓

•8-bit Timer A

•16-bit Timer B模塊具Capture/Compare 功能

•16-bit Timer C 模塊具PWM/PFD波形產(chǎn)生功能

•串行通訊SPI模塊

二、紅外線傳感器(IR sensor)簡介

由兩個接口組件組成，分別為Thermopile及Thermistor，兩者封裝如圖 3。

圖 3：紅外線溫度傳感器

•Thermopile：

輸出小電壓，其電壓值由目標物溫度及Thermopile所在環(huán)境溫度決定((圖 4))。建議分辨率0.01℃的精準度。使用于環(huán)溫25℃校正時絕對誤差在±0.03℃內(nèi)。其為半導(dǎo)體材料制作而成的傳感器，故容易受溫度而影響其測量數(shù)值。良好的IR Sensor 其 Thermopile 的數(shù)學(xué)模式如下

Vout：Thermopile 輸出電壓

K：Sensitivity of Thermopile

Tt：Target Temperature (℃)

Ta：Ambient Temperature (℃)

圖 4：Thermopile電壓與溫度曲線

Good Thermopile 會有以下兩個特性

Tt=Ta時, Vout=0

K為常數(shù), 不隨環(huán)境溫度而改變

•Thermistor：

隨其所在之溫度改變而有電阻變化(圖 5)，用來監(jiān)視IR sensor內(nèi)部溫度。在此亦稱之為量測時的環(huán)境溫度。建議測量誤差及重復(fù)性< 0.05°C。

Thermistor的數(shù)學(xué)模式如下

Rth(T)：Thermistor 變化電阻值

B：Sensitivity of Thermistor

R25：25℃電阻值

圖 5：Thermistor電阻與溫度曲線

三、訊號量測

•電阻量測：

此量測電阻共切換四次網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，在每次切換網(wǎng)絡(luò)開關(guān)后，需丟棄兩筆數(shù)據(jù)，并儲存四筆數(shù)據(jù)再取平均作為一筆數(shù)據(jù)的輸出。此量測方式為交替式電阻量測，第一次量測參考電阻RF_count(RF-RFZ)，第二次量測thermistor電阻RS_count(RS-RSZ)。

將量測的RF_count與RS_count代入公式(3)，即可求出Ｒ，再以Ｒ查表換算為溫度。

小電壓量測：

此量測電阻共切換二次網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，在每次切換網(wǎng)絡(luò)開關(guān)后，需丟棄兩筆數(shù)據(jù)，并儲存四筆數(shù)據(jù)再取平均作為一筆數(shù)據(jù)的輸出。TPZ網(wǎng)絡(luò)開關(guān)目的為量測整個系統(tǒng)接地后的ADC count，TP網(wǎng)絡(luò)為量測訊號(包含系統(tǒng)接地訊號)，TP_count (TP-TPZ)，ＶＲ為校正的電壓值，VR電壓設(shè)定為 [目標溫度相對應(yīng)的電壓] – [環(huán)境溫度相對應(yīng)的電壓 ]。將TP_count × Gain=小電壓輸出，再去查表，并換算為溫度。

四、參考線路

五、耳溫槍常見校正方式比較表