耳溫槍應(yīng)用設(shè)計(jì)方案

　　常見(jiàn)的紅外線傳感器應(yīng)用可分為醫(yī)療、工業(yè)、消費(fèi)性用途，如耳溫槍、額溫槍、工業(yè)用溫度儀、紅外線溫度計(jì)…等。在耳溫槍應(yīng)用中，需注意紅外線傳感器進(jìn)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(jì)應(yīng)用中，需注意待測(cè)物距離、透鏡的聚焦距離…等。

一、纮康科技HY11P系列簡(jiǎn)介
　　利用紅外線傳感器(IR sensor)做為溫度訊號(hào)的擷取來(lái)源，轉(zhuǎn)換為電阻與微小電壓訊號(hào)輸出，再經(jīng)由纮康科技的單片機(jī)“HY11P13”量測(cè)訊號(hào)、運(yùn)算、數(shù)位輸出顯示，如圖1，以最少的元件達(dá)成非接觸式紅外線溫度量測(cè)方案。
 
圖 1：模擬與數(shù)字訊號(hào)轉(zhuǎn)換

　　·單片機(jī)簡(jiǎn)介
 

圖 2：HY11P系列8位高性能OTP單片機(jī)(HY11P13)

　　·8位加強(qiáng)型精簡(jiǎn)指令集,共有66個(gè)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(dá)到最佳省電規(guī)劃
　　   運(yùn)行模式 300uA＠2MHz
　　   待機(jī)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(jìn)入死機(jī)模式
　　·18-bit 全差動(dòng)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(hào)放大倍率選擇
　　   內(nèi)置輸入零點(diǎn)調(diào)整, 可針對(duì)不同應(yīng)用增加其量測(cè)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(duì)溫度傳感器
　　·超低輸入噪聲(<1uVpp)運(yùn)算放大器, 可提供高輸出阻抗小訊號(hào)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(dòng)能力，可提供傳感器驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)介
由兩個(gè)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(biāo)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(zhǔn)度。使用于環(huán)溫25℃校正時(shí)絕對(duì)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(cè)量數(shù)值。良好的IR Sensor 其 Thermopile 的數(shù)學(xué)模式如下
 ………….公式(1)
　　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(huì)有以下兩個(gè)特性
　　    Tt=Ta時(shí), 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(lái)監(jiān)視IR sensor內(nèi)部溫度。在此亦稱之為量測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度。建議測(cè)量誤差及重復(fù)性< 0.05°C。
　　Thermistor的數(shù)學(xué)模式如下
 ………….公式(2)
　　R_th(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(hào)量測(cè)
　　·電阻量測(cè)：
　　此量測(cè)電阻共切換四次網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)，在每次切換網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)后，需丟棄兩筆數(shù)據(jù)，并儲(chǔ)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(cè)方式為交替式電阻量測(cè)，第一次量測(cè)參考電阻RF_count(RF-RFZ)，第二次量測(cè)thermistor電阻RS_count(RS-RSZ)。
 ....公式(3)
　　將量測(cè)的RF_count與RS_count代入公式(3)，即可求出Ｒ，再以Ｒ查表?yè)Q算為溫度。
　　小電壓量測(cè)：
　　此量測(cè)電阻共切換二次網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)，在每次切換網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)后，需丟棄兩筆數(shù)據(jù)，并儲(chǔ)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(kāi)關(guān)目的為量測(cè)整個(gè)系統(tǒng)接地后的ADC count，TP網(wǎng)絡(luò)為量測(cè)訊號(hào)(包含系統(tǒng)接地訊號(hào))，TP_count (TP-TPZ)，ＶＲ為校正的電壓值，VR電壓設(shè)定為 [目標(biāo)溫度相對(duì)應(yīng)的電壓] – [環(huán)境溫度相對(duì)應(yīng)的電壓 ]。
 ....公式(4)
　　將TP_count × Gain=小電壓輸出，再去查表，并換算為溫度。

四、參考線路
 

圖 6：紅外線溫度量測(cè)應(yīng)用線路

五、耳溫槍常見(jiàn)校正方式比較表
　

六、參考數(shù)據(jù)
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