FR8016HA紅外測溫方案解析

一、方案概述

體溫是人體生命活動(dòng)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，準(zhǔn)確快速地測量出體溫對疾病診斷和治療有著十分重要的意義。紅外測溫為測量人體體溫提供了快速、非接觸測量手段，與傳統(tǒng)水銀體溫計(jì)相比，該測溫方式具有反應(yīng)速度快、測量時(shí)間短、精度高、使用簡單等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛、有效地用于密集人群的體溫排查。 非接觸紅外測溫計(jì)針對特定人群，比如兒童或老年人，有很好的效果。隨著生活節(jié)奏的變快，父母在忙碌中抽出時(shí)間幫助孩子測體溫是一件非常麻煩的事，而且由于兒童不穩(wěn)定、好動(dòng)，通過非接觸紅外測溫儀就可以快速準(zhǔn)確地測出其體溫；老年人活動(dòng)不便，使用傳統(tǒng)的體溫計(jì)很不方便，而且由于人老眼花，也不能看清體溫計(jì)汞柱的位置，通過非接觸紅外測溫儀就可以很快得到體溫，而且通過語音告知老人，有異常情況可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

本方案是基于 FREQCHIP 的 FR8016HA開發(fā)板為控制核心，采用紅外測溫傳感器BM43THA80C進(jìn)行溫度的測量，通過開發(fā)板上240*240彩屏顯示，測量的溫度以揚(yáng)聲器進(jìn)行播報(bào)。

二、功能框圖

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圖一 FR8016HA測溫槍方案功能框圖

本方案設(shè)計(jì)的測溫槍主要功能如下：按下按鍵后，喚醒FR8016HA，開始對體溫的測量、顯示、播報(bào)。

三、系統(tǒng)總體方案

測溫槍的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2，主要有FR8016HA、BM43THA熱電堆傳感器、放大電路、彩屏顯示、語音播放、按鍵部分、電源部分組成，本方案基于FR8016HA開發(fā)板演示，未達(dá)到產(chǎn)品級方案，所以要做成產(chǎn)品方案，還要進(jìn)一步做二次開發(fā)，例如優(yōu)化功耗、校準(zhǔn)精度、增加模式等等。

FR8016HA的16bit ∑Δ型ADC采樣頻率率最高可以到48KHz，主要負(fù)責(zé)采集傳感器的弱電壓信號放大后的信號，控制溫度的計(jì)算、顯示、播報(bào)。 BM43THA 熱電堆傳感器主要將人體輻射的熱量轉(zhuǎn)化為電壓信號。放大電路主要將傳感器的弱電壓信號放大，按鍵部分主要負(fù)責(zé)根據(jù)喚醒處理器，開啟測量溫度。按鍵部分主要包括由電源鍵和測量鍵。測量鍵負(fù)責(zé)溫度的測量與計(jì)算，顯示，播報(bào)。

四、FR8016HA主控特性

4.1、FR8016HA簡介

FR8016HA是freqchip研發(fā)生產(chǎn)的一款符合BLE5.0標(biāo)準(zhǔn)的SOC芯片，內(nèi)置16位audio codec可以支持模擬音頻輸入輸出，內(nèi)置PMU可以對外部鋰電池提供200mA的充電電流，512kBFlash，48kBRAM。該mcu支持C語言編程易于開發(fā)，支持Keil開發(fā)環(huán)境和Jlink調(diào)試。擁有豐富的外設(shè)接口：GPIO*15、SPI、IIC、UART、ADC、PWM

4.2、16bit ∑Δ型ADC介紹

在FR8010H中有內(nèi)置的audio codec，其中包含有一路16 bits精度，速率可達(dá)到48K的adc通路。該adc屬于Σ-Δ ADC，因此當(dāng)輸入信號電壓小于VMID（大概為AVDD/2）時(shí)，采樣數(shù)據(jù)為負(fù)值，當(dāng)大于VMID時(shí)采樣數(shù)值為正值。經(jīng)測試該ADC具有較好的線性度。在使用時(shí)我們建議通過取多點(diǎn)（若以48K采樣率，可以每16K點(diǎn)進(jìn)行一次統(tǒng)計(jì)），然后取平均值的方式來提高精度。

1. 該ADC有效輸入范圍為采樣范圍的10%~90%AVDD

2. 該ADC的采樣輸出為-24000~24000（該值與實(shí)際電壓對應(yīng)關(guān)系需要校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法在后面介紹）

由于生產(chǎn)工藝差異，會(huì)造成不同的芯片對相同的輸入電壓值轉(zhuǎn)換出不同的結(jié)果，這就需要有個(gè)校準(zhǔn)的過程。因?yàn)锳DC工作在有效范圍內(nèi)為線性輸出，所以需要兩個(gè)點(diǎn)就可以對該ADC進(jìn)行校準(zhǔn)。ADC輸入信號值x與采樣值y的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

y = ax + b

其中a與b為需要通過校正得到的兩個(gè)參數(shù)。以額溫槍為例，參考設(shè)計(jì)如下圖：

其中U4為熱電堆接口，IR_OUT為ADC輸入信號。校正流程如下：

1. 將TO+和TO-短接，那么相當(dāng)于被測信號輸入電壓為0，這時(shí)得到一個(gè)ADC的采樣值為B1，帶入上面公式（B1 = a * 0 + b），可以得出這條轉(zhuǎn)換直線的偏移量b = B1

2. 在已知的環(huán)境溫度下，將熱電堆朝向已知溫度的黑體探測（這時(shí)TO+和TO-之間的電壓通過查表可得為A），這時(shí)得到一個(gè)ADC的采樣值為B2，帶入公式（B2 = a * A + B1），可以得出這條直線的斜率為a = （ B2-B1 ） / A。

3. 以上兩個(gè)過程就可以確定該直線，如果想得到更好的效果，那就是將1步驟換成另外一個(gè)溫度的黑體進(jìn)行2步驟的測量。

注：為了得到較為精確的值，這就要求B2和B1的差值比較大，而B1為0附近的值，因此在測量黑體時(shí)離0點(diǎn)（環(huán)境溫度25度，黑體溫度為25度）越遠(yuǎn)越好。

在實(shí)際使用中通過公式x = （ y – b ） / a來得到實(shí)際的被測電壓，其中b和a通過上面的校準(zhǔn)過程可以得到。

4.3、主控原理圖

為了提高精確度，F(xiàn)R8016HA采用外部LDO_3V3供電，芯片內(nèi)部電源設(shè)置為Bypass模式

五、紅外測溫模塊

放大電路采用高精度集成運(yùn)放TP5591，低失調(diào)電壓20uV，零飄：0.01uV/℃

參考電壓VMID為1/2AVDD

NTC電壓NTC_ADC通過10bitADC采集

熱電堆輸出信號經(jīng)放大后的IR_OUT通過16bit∑Δ型ADC采集

六、音頻播放模塊

音頻輸出接口，外界一個(gè)功放后直接驅(qū)動(dòng)喇叭。FR8016HA可以將測出的體溫，通過音頻輸出接口播放體溫?cái)?shù)值。

七、顯示模塊

FR8016HA開發(fā)板采用了一個(gè)SPI接口的240*240分辨率的全彩顯示屏，用作顯示溫度

八、BLE藍(lán)牙通信（功能拓展）

當(dāng)手機(jī)通過藍(lán)牙與FR8016HA建立連接后，F(xiàn)R8016HA可以將測出的體溫發(fā)送到手機(jī)端。

下圖是采用FR8016HA的DEMO板實(shí)現(xiàn)紅外測溫槍的實(shí)物照片