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紅外測溫儀

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紅外測溫儀

方案介紹

1、概述:

      近幾年來,非接觸紅外人體測溫儀在技術上得到迅速發展,性能不斷完善,功能不斷增強,品種不斷增多,適用范圍也不斷擴大。比起接觸式測溫方法,紅外測溫有著響應時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優點。

      用于測試人體溫度的紅外測溫儀稱為人體紅外測溫儀。但是必須澄清一點,不存在專門的醫用或者工業用的紅外測溫儀之分,因為紅外測溫儀的制造原理都是一致的。只存在高精度,高距離系數比,高性能的紅外測溫儀和低精度,低距離系數比和低性能的紅外測溫儀之分。只要將紅外測溫儀的發射率設置在0.95(人的皮膚發射率一般都是這個值,就算有差異,影響也只在0.3度之內),就是符合人體測溫的要求。本文講述基于杭州晶華微SD8000系列芯片的人體紅外測溫解決方案。



方案特點

2、原理說明:

2.1、紅外波長介紹

      紅外溫度傳感器中的紅外光是人眼看不見的一種光,但實際上它是一種與任何其他光一樣的客觀物質。紅外輻射的物理本質是熱輻射,物體的溫度越高,發射的紅外輻射越多,紅外輻射的能量也就越強。任何溫度高于熱力學零度的物體都會有紅外線輻射到周圍環境。紅外測溫儀的作用就是收集物體發射的紅外線,本身一點也不會發射出任何有害的輻射,所以對人體是完全無害的。有一些人誤解為是紅外測溫儀發射出射線到人體上產生讀數,這種觀念是錯誤的。紅外線是可見光外的光線,因此被稱為紅外線,其波長范圍大致在0.75~100μm內。見下圖:

圖1 紅外線波長頻譜圖



2.2、熱電堆紅外傳感器介紹 

      熱電堆紅外溫度傳感器中的熱電堆是一種溫度測量元件,它一般由兩個介面原件組成,分別為Thermopile和Thermistor組成,元件和元件結構示意圖見如下:

 圖2 熱電堆元件圖

圖3 熱電堆結構示意圖


      熱電堆紅外測溫傳感器直接感應熱輻射,用于測量小的溫差或平均溫度,配合杭州晶華微自主研發的SD8005B或者SD8000W芯片為非接觸溫度測量提供完美的解決方案(本文主要以SD8005B講解為主)。



2.3、控制芯片介紹

      SD8005B是高精度24位ADC的SOC產品,外圍資源豐富:可選的多種穩壓電源輸出,靈活設置的PGIA模塊,升壓模塊,RTC, UART、I2C、SPI、TIMER、PWM/PDM、PFD、CAPTURE輸出模塊,LCD驅動等。功能框圖如下:

圖4 功能框圖


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◆ 高精度ADC,ENOB=18.8bits@8sps,差分2通道或單端4通道

◆ 低噪聲高輸入阻抗前置放大器,1、12.5、50、100、200倍增益可選

◆ 8位RISC超低功耗MCU,在2MHz工作時鐘,MCU部分在3V工作電壓下電流典型值為 300uA;32kHz時鐘待機模式下工作電流1.5uA,休眠模式電流小于1uA

◆ 16k Bytes OTP程序存儲器,512Bytes SRAM數據存儲器

◆ 低壓燒錄功能,可以替代外部EEPROM

◆ 集成多種時鐘振蕩器,靈活多樣的時鐘選擇,選擇外部晶振時,支持停振檢測功能

◆ ADC輸出速率可選擇范圍:8SPS-2kSPS

◆ 24SEG×4COM液晶驅動電路,超低功耗和大驅動能力設計;內含程控升壓模塊,可以在低壓條件下維持高亮顯示,并支持灰度調節

◆ 內有硅溫度傳感器,可單點校準

◆ 輸出1.2V低溫漂基準

◆ 輸出四種可選擇穩壓源:2.4V/2.6V/2.9V/3.3V,提供外部傳感器激勵信號

◆ 靈活的電池檢測功能,檢測范圍2.0V~3.3V

◆ ADC外部基準與內部基準可選,內部集成多種基準選項

◆ RTC模塊,可以提供秒信號輸出

◆ 豐富的外圍資源:UART,I2C,SPI,PWM/PDM,PFD,TIMER,CAPTURE

◆ 掉電檢測電路和上電復位電路

◆ 工作電壓范圍:2.4V~3.6V

◆ 工作溫度范圍:-40℃~ 85℃



3、硬件設計

      整個人體紅外測溫系統由熱電堆紅外傳感器、控制芯片(SD8005B或SD8000W)、顯示、按鍵、電源、蜂鳴器和指示燈等電路組成。電路簡單,外圍器件少及整體功耗低等優點。此方案已提供給多個大型廠商大量穩定的出貨。電路原理圖如下所示:



4、紅外測溫流程介紹

◆ 熱電堆紅外傳感器接收目標物的紅外輻射,產生電壓信號(Thermopile兩端信號),該電壓信號跟目標溫度Tobj和環境溫度Tamb的關系如下:

                       V=K(F(Tobj)-F(Tamb))

    其中K是校正常數;F為函數,跟傳感器有關。

◆ 經SD8005B內置PGIA放大和高精度AD數模轉換后測出該電壓訊號。

◆ SD8005B對NTC的電阻阻值進行采集(Thermistor兩端信號),通過查找溫度-電阻表的方法將環境溫度Tamb確定。

◆ 通過計算或者查表得到目標物溫度Tobj。

◆ 得到目標溫度后通過SD8005B驅動LCD顯示實際溫度,完成紅外測溫到顯示溫度的過程。其他設置溫度高低閾值及報警等功能可根據需求增加。


應用框圖

圖5 SD8005B紅外測溫電路原理圖

圖6 SD8000W紅外測溫電路原理圖


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