手持式紅外測(cè)溫槍的設(shè)計(jì)原理解析

手持式紅外測(cè)溫槍是通過(guò)檢測(cè)人體發(fā)出的紅外信號(hào)，在不接觸人體的情況下測(cè)量體溫的測(cè)溫裝置。由于其能夠在非接觸的情況下測(cè)量體溫，所以非常適用于檢測(cè)帶傳染性疾?。ū热缧滦凸跔畈《?、SARS病毒等）的人體溫度。

一、基于RJM8L151K8的手持式紅外測(cè)溫槍方案介紹

手持式紅外測(cè)溫槍采用電池供電，對(duì)系統(tǒng)功耗要求苛刻，瑞納捷電子的RJM8L151K8在低功耗和性能方面表現(xiàn)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(zhuǎn)換成電信號(hào)。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(zhǎng)是不一樣的，因此紅外波長(zhǎng)與溫度的高低是相關(guān)的。人體輻射的紅外光波長(zhǎng)3～50μm，其中8～14μm占46%，峰值波長(zhǎng)在9.5μm。熱釋電紅外傳感器(PIR)，它能將波長(zhǎng)為8～12um之間的紅外信號(hào)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并能對(duì)自然界中的白光信號(hào)具有抑制作用。因此溫度檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)無(wú)人體時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是環(huán)境溫度，當(dāng)人體進(jìn)人檢測(cè)區(qū)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與環(huán)境溫度的差異信號(hào)。因此，紅外探測(cè)器的紅外探測(cè)原理就是感應(yīng)人體與環(huán)境溫度的差異。

2.環(huán)境溫度傳感器，其作用是獲取測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度，以此從紅外溫度傳感器的測(cè)量值中剔除環(huán)境溫度，得出被測(cè)人體溫度，對(duì)紅外溫度傳感器做補(bǔ)償。熱敏電阻的測(cè)溫范圍可達(dá)-55℃～315℃，通常用于儀器儀表線路溫度補(bǔ)償和溫差電偶冷端溫度補(bǔ)償。檢測(cè)大氣環(huán)境溫度通常用NTC（負(fù)溫度系數(shù)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(zhǔn)確分辨其阻值變化大小，從而可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度值，室溫環(huán)境中測(cè)溫精度可達(dá)±1℃以內(nèi)。

3.液晶顯示電路，能夠?qū)y(cè)量的人體溫度以數(shù)碼形式顯示出來(lái)，并顯溫度單位（℃/℉）、電量提示符號(hào)、背光打開符號(hào)、數(shù)據(jù)保持符號(hào)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(dǎo)光板，成本低顯示效果好。

4.本方案設(shè)計(jì)了3個(gè)獨(dú)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(shè)計(jì)溫度單位切換按鍵。

5.電源電路可以用2節(jié)、3節(jié)或4節(jié)電池供電，為系統(tǒng)提供3V、4.5V或6V的輸入電源。如果采用2節(jié)電池供電可以省略LDO，系統(tǒng)電路的電源都直接由電池提供。采用3節(jié)或4節(jié)電池供電的情況下，RJM8L151K8是可以直接適用的，因?yàn)槠涔ぷ麟妷悍秶?.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(lái)判斷被測(cè)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(dòng)測(cè)量，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

7.RJM8L151K8電路做為系統(tǒng)的檢測(cè)和控制單元，其主要功能是通過(guò)內(nèi)置的ADC電路檢測(cè)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路放大濾波后的熱釋電信號(hào)，并參考當(dāng)前的環(huán)境溫度值做相應(yīng)的修正和補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)修正的測(cè)量值通過(guò)RJM8L151K8的I2C接口送到顯示驅(qū)動(dòng)電路，以直觀的數(shù)字顯示出來(lái)。熱釋電傳感器測(cè)量人體和物體表面溫度的范圍是不同的，所做的修正和補(bǔ)償方案也有所不同，RJM8L151K8的控制電路提供了2個(gè)按鍵來(lái)選擇不同的測(cè)量模式，以達(dá)到最佳的測(cè)量精度。為了更直觀的表現(xiàn)測(cè)量結(jié)果，RJM8L151K8的控制電路可以驅(qū)動(dòng)3種不同顏色的LED背光燈以表示不同的溫度區(qū)間。同時(shí)還可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的“嘀嘀”聲來(lái)表示測(cè)量狀態(tài)和結(jié)果。RJM8L151K8內(nèi)置64KB Flash存儲(chǔ)器，一方面可以存儲(chǔ)系統(tǒng)功能代碼，另一方面可以用于存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖1 基于RJM8L151的手持式紅外測(cè)溫槍方案框圖

二、RJM8L151系列低功耗MCU

鑒于物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備對(duì)功耗和安全問(wèn)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(lián)網(wǎng)終端設(shè)備。RJM8L151系列不僅具備出色的運(yùn)行和待機(jī)功耗表現(xiàn)，還內(nèi)置了硬件真隨機(jī)數(shù)發(fā)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(duì)物聯(lián)網(wǎng)傳感器的高精度、實(shí)時(shí)檢測(cè)極為有益。RJM8L151豐富的外圍接口使擴(kuò)展各種通信模塊、功能模塊更加方便。RJM8L151基于增強(qiáng)型哈佛架構(gòu)的CPU內(nèi)核和多級(jí)流水線指令系統(tǒng)，相同時(shí)鐘頻率的處理性能是傳統(tǒng)8051的3倍，采用Keil uVision或IAR集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)調(diào)試應(yīng)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(jié)、3節(jié)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(jī)電流，既能保持內(nèi)部RTC的正常計(jì)時(shí)，又能保持SRAM數(shù)據(jù)不變，該性能可大大減小系統(tǒng)對(duì)電池容量尺寸的要求。RJM8L151具有6種電源管理模式，通過(guò)裁剪時(shí)鐘樹的方式關(guān)閉時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)不同需求的功耗。一般情況下使用內(nèi)部低速時(shí)鐘就可以完成對(duì)外部中斷的響應(yīng)，同時(shí)又可以保持很低的功耗，這是同類MCU無(wú)法做到的。另外，RJM8L151從低功耗狀態(tài)喚醒小于5us，可以實(shí)現(xiàn)快速睡眠快速喚醒低占空比工作，這又極大的降低了系統(tǒng)功耗。

圖2 RJM8L151硬件框圖

RJM8L151有4個(gè)時(shí)鐘源：內(nèi)部高速時(shí)鐘、內(nèi)部低速時(shí)鐘、外部高速時(shí)鐘和外部低速時(shí)鐘。RJM8L151的時(shí)鐘控制模塊將這幾個(gè)時(shí)鐘源通過(guò)靈活的配置分頻實(shí)現(xiàn)不同的功耗和性能需求。輔助系統(tǒng)時(shí)鐘可以使用內(nèi)部低速時(shí)鐘或外部低速時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)低功耗的要求，主系統(tǒng)時(shí)鐘提供給RJM8L151的CPU，子系統(tǒng)時(shí)鐘為外設(shè)提供給時(shí)鐘源。多樣的時(shí)鐘資源可以降低系統(tǒng)消耗，輔助系統(tǒng)時(shí)鐘在保持低功耗的同時(shí)也可以接受外部中斷，響應(yīng)外部環(huán)境的變化。使用內(nèi)部高速RC振蕩器作為主系統(tǒng)時(shí)鐘，不僅可以省去一個(gè)外部的高速晶振，同時(shí)可以快速喚醒MCU來(lái)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(zhuǎn)換速率高達(dá)1MSPS，支持外部參考電壓輸入。

RJM8L151設(shè)計(jì)了豐富的定時(shí)模塊，包括2個(gè)16位基本定時(shí)器，1個(gè)16位通用定時(shí)器支持輸入捕獲/輸出比較/PWM輸出功能。2個(gè)16位高級(jí)定時(shí)器除了支持輸入捕獲/輸出比較/PWM輸出功能，還支持12對(duì)互補(bǔ)PWM輸出。1個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC模塊，產(chǎn)生年、月、日、時(shí)、分、秒，并有自動(dòng)閏年補(bǔ)償功能，采用外部32.768kHz晶振提供時(shí)鐘可使計(jì)時(shí)誤差更小。RJM8L151內(nèi)嵌15位窗口看門狗定時(shí)器，采用系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)時(shí)，溢出時(shí)可產(chǎn)生中斷或復(fù)位信號(hào)，待機(jī)模式下停止計(jì)數(shù)。

RJM8L151單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境是Keil uVision。Keil是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具供應(yīng)商，uVision是C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），其中的Keil C51支持RJM8L151的開發(fā)調(diào)試，該環(huán)境集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編和C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)。

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(fā)調(diào)試又為后期生產(chǎn)安裝提供了方便。RJM8L151支持標(biāo)準(zhǔn)JTAG下載和調(diào)試，可以不使用仿真器，用離線編程器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存Flash的修改，提高了批量燒錄的效率，也為程序升級(jí)維護(hù)提供了方便。

三、基于RJM8L151K8的手持式紅外測(cè)溫槍方案特點(diǎn)

1. 超低功耗。RJM8L151系列MCU的寬電壓工作特點(diǎn)，多達(dá)6種低功耗管理模式，待機(jī)功耗低至0.35uA，待機(jī)喚醒時(shí)間低于5us，使測(cè)溫槍采用2節(jié)干電池供電變成可能，降低系統(tǒng)成本和產(chǎn)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(qū)動(dòng)器和數(shù)字型傳感器更加方便。

3. 集成硬件加密模塊。RJM8L151系列MCU內(nèi)置對(duì)稱式分組加密算法AES和SM4,SM4符合國(guó)家密碼管理局發(fā)布的GM/T 0002-2012《SM4分組密碼算法》標(biāo)準(zhǔn)，適用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)加解密。

4. 真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。RJM8L151系列內(nèi)置基于數(shù)字振蕩環(huán)的8位真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，符合國(guó)家密碼管理局《隨機(jī)數(shù)檢測(cè)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)。

5. 大容量存儲(chǔ)器。RJM8L151系列最大內(nèi)置64KB Flash和8KB SRAM，除了存放程序代碼，還可以做為測(cè)溫槍的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)存儲(chǔ)測(cè)量溫度。內(nèi)置的存儲(chǔ)單元還設(shè)計(jì)了高強(qiáng)度物理防護(hù)電路，有效防止惡意代碼竊取和反向分析。