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手持式紅外測溫槍的設計原理

2020-03-07 16:15 瀏覽:269    評論:0       
核心摘要:手持式紅外測溫槍是通過檢測人體發出的紅外信號,在不接觸人體的情況下測量體溫的測溫裝置。由于其能夠在非接觸的情況下測量體溫,所以非常適用于檢測帶傳染性疾病(比如新型冠狀病毒、SARS病毒等)的人體溫度。一、基于RJM8L151K8的手持式紅外測溫槍方案介紹手持式紅外測溫槍采用電池供電,對系統功耗要求苛刻,瑞納捷電子
 手持式紅外測溫槍是通過檢測人體發出的紅外信號,在不接觸人體的情況下測量體溫的測溫裝置。由于其能夠在非接觸的情況下測量體溫,所以非常適用于檢測帶傳染性疾病(比如新型冠狀病毒、SARS病毒等)的人體溫度。
一、基于RJM8L151K8的手持式紅外測溫槍方案介紹
手持式紅外測溫槍采用電池供電,對系統功耗要求苛刻,瑞納捷電子的RJM8L151K8在低功耗和性能方面表現突出,做為本方案的主控MCU。方案的硬件電路主要包括7部分,如圖1所示,其功能描述如下。
1.紅外溫度傳感器電路,其作用是獲取人體輻射的紅外線,將人體輻射的紅外線轉換成電信號。自然界的所有物體都能向外輻射紅外熱,不同溫度的物體,其釋放的紅外能量的波長是不一樣的,因此紅外波長與溫度的高低是相關的。人體輻射的紅外光波長3~50μm,其中8~14μm占46%,峰值波長在9.5μm。熱釋電紅外傳感器(PIR),它能將波長為8~12um之間的紅外信號變化轉變為電信號,并能對自然界中的白光信號具有抑制作用。因此溫度檢測區域內,當無人體時,熱釋電紅外感應器感應到的只是環境溫度,當人體進人檢測區,熱釋電紅外感應器感應到的是人體溫度與環境溫度的差異信號。因此,紅外探測器的紅外探測原理就是感應人體與環境溫度的差異。
2.環境溫度傳感器,其作用是獲取測量時的環境溫度,以此從紅外溫度傳感器的測量值中剔除環境溫度,得出被測人體溫度,對紅外溫度傳感器做補償。熱敏電阻的測溫范圍可達-55℃~315℃,通常用于儀器儀表線路溫度補償和溫差電偶冷端溫度補償。檢測大氣環境溫度通常用NTC(負溫度系數的熱敏電阻)比較合適,其阻值隨溫度的升高而降低,用MCU的ADC能夠準確分辨其阻值變化大小,從而可計算出對應的溫度值,室溫環境中測溫精度可達±1℃以內。
3.液晶顯示電路,能夠將測量的人體溫度以數碼形式顯示出來,并顯溫度單位(℃/℉)、電量提示符號、背光打開符號、數據保持符號以及工作模式、警示信息等。本方案采用段碼式LCD顯示屏,搭配3色LED導光板,成本低顯示效果好。
4.本方案設計了3個獨立按鍵電路,可分別做為體溫鍵、物溫鍵和記憶鍵,另外還可以設計溫度單位切換按鍵。
5.電源電路可以用2節、3節或4節電池供電,為系統提供3V、4.5V或6V的輸入電源。如果采用2節電池供電可以省略LDO,系統電路的電源都直接由電池提供。采用3節或4節電池供電的情況下,RJM8L151K8是可以直接適用的,因為其工作電壓范圍是1.62~5.5V,但如果其它電路不支持寬電壓工作,就需要增加額外的LDO電路為其它電路供電。
6.接近傳感器用來判斷被測物體與PIR傳感器間的距離,只有在最佳物距比的情況下才啟動測量,保證測量數據的準確性。
7.RJM8L151K8電路做為系統的檢測和控制單元,其主要功能是通過內置的ADC電路檢測經過信號調理電路放大濾波后的熱釋電信號,并參考當前的環境溫度值做相應的修正和補償。經過修正的測量值通過RJM8L151K8的I2C接口送到顯示驅動電路,以直觀的數字顯示出來。熱釋電傳感器測量人體和物體表面溫度的范圍是不同的,所做的修正和補償方案也有所不同,RJM8L151K8的控制電路提供了2個按鍵來選擇不同的測量模式,以達到最佳的測量精度。為了更直觀的表現測量結果,RJM8L151K8的控制電路可以驅動3種不同顏色的LED背光燈以表示不同的溫度區間。同時還可以通過驅動蜂鳴器的“嘀嘀”聲來表示測量狀態和結果。RJM8L151K8內置64KB Flash存儲器,一方面可以存儲系統功能代碼,另一方面可以用于存儲測量數據。
圖1 基于RJM8L151的手持式紅外測溫槍方案框圖
二、RJM8L151系列低功耗MCU
鑒于物聯網終端設備對功耗和安全問題的迫切需求,瑞納捷電子推出了RJM8L151系列是超低功耗安全MCU,非常適用于電池供電的物聯網終端設備。RJM8L151系列不僅具備出色的運行和待機功耗表現,還內置了硬件真隨機數發生器和AES/DES/SM4硬件加密引擎。集成12位高精度逐次逼近型ADC和2通道的多功能比較器,對物聯網傳感器的高精度、實時檢測極為有益。RJM8L151豐富的外圍接口使擴展各種通信模塊、功能模塊更加方便。RJM8L151基于增強型哈佛架構的CPU內核和多級流水線指令系統,相同時鐘頻率的處理性能是傳統8051的3倍,采用Keil UVision或IAR集成開發環境開發調試應用代碼。RJM8L151系列安全MCU的硬件框圖如圖2所示。
RJM8L151的正常工作電壓范圍是1.62V到5.5V,非常適合2節、3節干電池直接供電,省掉額外的LDO電路,另外RJM8L151低至0.35uA的待機電流,既能保持內部RTC的正常計時,又能保持SRAM數據不變,該性能可大大減小系統對電池容量尺寸的要求。RJM8L151具有6種電源管理模式,通過裁剪時鐘樹的方式關閉時鐘來實現不同需求的功耗。一般情況下使用內部低速時鐘就可以完成對外部中斷的響應,同時又可以保持很低的功耗,這是同類MCU無法做到的。另外,RJM8L151從低功耗狀態喚醒小于5us,可以實現快速睡眠快速喚醒低占空比工作,這又極大的降低了系統功耗。
圖2 RJM8L151硬件框圖
RJM8L151有4個時鐘源:內部高速時鐘、內部低速時鐘、外部高速時鐘和外部低速時鐘。RJM8L151的時鐘控制模塊將這幾個時鐘源通過靈活的配置分頻實現不同的功耗和性能需求。輔助系統時鐘可以使用內部低速時鐘或外部低速時鐘實現低功耗的要求,主系統時鐘提供給RJM8L151的CPU,子系統時鐘為外設提供給時鐘源。多樣的時鐘資源可以降低系統消耗,輔助系統時鐘在保持低功耗的同時也可以接受外部中斷,響應外部環境的變化。使用內部高速RC振蕩器作為主系統時鐘,不僅可以省去一個外部的高速晶振,同時可以快速喚醒MCU來降低功耗。
模擬電路方面,RJM8L151有7通道12位逐次逼近型ADC,采樣轉換速率高達1MSPS,支持外部參考電壓輸入。
RJM8L151設計了豐富的定時模塊,包括2個16位基本定時器,1個16位通用定時器支持輸入捕獲/輸出比較/PWM輸出功能。2個16位高級定時器除了支持輸入捕獲/輸出比較/PWM輸出功能,還支持12對互補PWM輸出。1個實時時鐘RTC模塊,產生年、月、日、時、分、秒,并有自動閏年補償功能,采用外部32.768kHz晶振提供時鐘可使計時誤差更小。RJM8L151內嵌15位窗口看門狗定時器,采用系統時鐘計時,溢出時可產生中斷或復位信號,待機模式下停止計數。
RJM8L151單片機的開發環境是Keil uVision。Keil是全球領先的嵌入式系統開發工具供應商,uVision是C/C++編譯器和調試器的集成開發環境(IDE),其中的Keil C51支持RJM8L151的開發調試,該環境集編輯、編譯、仿真于一體,支持匯編和C語言的程序設計。
RJM8L151系列MCU配備了高效的在線仿真器和下載器,既可以方便前期開發調試又為后期生產安裝提供了方便。RJM8L151支持標準JTAG下載和調試,可以不使用仿真器,用離線編程器就可以實現對內存Flash的修改,提高了批量燒錄的效率,也為程序升級維護提供了方便。
三、基于RJM8L151K8的手持式紅外測溫槍方案特點
1. 超低功耗。RJM8L151系列MCU的寬電壓工作特點,多達6種低功耗管理模式,待機功耗低至0.35uA,待機喚醒時間低于5us,使測溫槍采用2節干電池供電變成可能,降低系統成本和產品重量。
2. 接口豐富。RJM8L151系列MCU集成2路I2C主從接口,使外接lcd驅動器和數字型傳感器更加方便。
3. 集成硬件加密模塊。RJM8L151系列MCU內置對稱式分組加密算法AES和SM4,SM4符合國家密碼管理局發布的GM/T 0002-2012《SM4分組密碼算法》標準,適用于物聯網數據傳輸中的數據加解密。
4. 真隨機數發生器。RJM8L151系列內置基于數字振蕩環的8位真隨機數發生器,符合國家密碼管理局《隨機數檢測規范》標準。
5. 大容量存儲器。RJM8L151系列最大內置64KB Flash和8KB SRAM,除了存放程序代碼,還可以做為測溫槍的數據存儲器實時存儲測量溫度。內置的存儲單元還設計了高強度物理防護電路,有效防止惡意代碼竊取和反向分析。
(責任編輯:小編)
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