一、 額溫槍的開發(fā)背景

新型冠狀病毒肺炎疫情來勢兇猛，自2020年初在全球大規(guī)模爆發(fā)。在疫情防控需求下,抗疫初期紅外測溫槍供應(yīng)嚴(yán)重不足, 額溫槍是一種能夠精準(zhǔn)測量人體溫度的的醫(yī)療設(shè)備，主要是通過人體的幾個(gè)部位來測量，如測量耳朵溫度、測量額頭溫度。這幾個(gè)部位是直接反應(yīng)人身體因?yàn)榧膊〕霈F(xiàn)的發(fā)燒發(fā)熱的現(xiàn)象，額溫槍是在距離患者1到5cm進(jìn)行測量，不會(huì)直接接觸患者，從而杜絕病毒或者細(xì)菌類傳播的疾病。它的基本原理也很簡單：當(dāng)物體的溫度高于“絕對(duì)零度”，即-273℃時(shí)，物體會(huì)向外輻射紅外線。使用紅外線探頭獲得不同物體的紅外光線強(qiáng)度，經(jīng)過放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)化電路，即可將溫度數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示器上。本方案講述一款國產(chǎn)集成24位ADC的SOC芯片SDI5229TS開發(fā)的額溫槍方案，該SOC芯片內(nèi)置3通道24位Sigma-Delta高精度低電壓24位ADC、4COM*20SEG液晶驅(qū)動(dòng)、30K 字節(jié) Flash、768 字節(jié)RAM等外設(shè)，能夠滿足額溫槍方案、紅外測溫方案的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)顯示的要求。

二、 設(shè)計(jì)的原理

1、系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖 

圖1

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由電池、MCU、LCD屏幕和背光板、按鍵、蜂鳴器、傳感器組成DEBUG。

2、硬件設(shè)計(jì)及原理

2.1系統(tǒng)電源

圖2

電源部分由2節(jié)7號(hào)小電池供電，經(jīng)過一個(gè)33uF濾波電容向芯片的模擬部分和數(shù)字部分電路進(jìn)行供電，由此分為兩路，一路經(jīng)過阻容濾波向模擬部分AVDD端口進(jìn)行供電，一部分經(jīng)過電感向SVDD提供電源來進(jìn)行升壓給數(shù)字部分端口進(jìn)行供電。

2.2 MCU

MCU型號(hào)為SDI5229TS，是一款內(nèi)置24位高精度ADC的SOC芯片，可以1.8V的超低電壓工作，是一款功耗的SOC芯片。該芯片廣泛應(yīng)用在電子秤、氣壓計(jì)、血壓計(jì)、額溫計(jì)等微弱信號(hào)測量及工業(yè)控制場景下，其特點(diǎn)如下： 

1、 工作電壓: 1.8V - 5.5V、（休眠功耗通常STOP2模式：< 4uA）

2、 有30K 字節(jié) Flash、768 字節(jié)RAM

3、 9.83MHz 內(nèi)部RC震蕩(可倍頻至19.66MHz) 1T 指令周期

4、 3通道24位Sigma-Delta高精度低電壓ADC

5、 液晶驅(qū)動(dòng)：可配置80點(diǎn)（4*20） 的液晶驅(qū)動(dòng)

6、 內(nèi)置升壓模塊

7、 8通道8位低精度ADC

8、 IO口：35個(gè)通用IO、可配置IO驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度

9、 3個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器

      10、13個(gè)中斷源，3級(jí)優(yōu)先級(jí)：可配置掉電中斷

      11、通訊接口：1組UART、1組I2C接口

      12、看門狗集成：定時(shí)喚醒、計(jì)時(shí)功能

      13、2路16位脈寬調(diào)制（PWM）輸出

      14、內(nèi)置ISP功能（SDA、SCL兩線燒錄）

2.3 LCD屏幕

圖3

SDI5229TS內(nèi)部自帶LCD驅(qū)動(dòng)器，使用時(shí)打開相應(yīng)配置便可完成最大4com*20seg的液晶驅(qū)動(dòng)無需額外增加液晶驅(qū)動(dòng)模塊，且驅(qū)動(dòng)模式可選。

2.4按鍵

圖4

SDI5229TS單片機(jī)IO眾多，除開驅(qū)動(dòng)液晶的IO口，剩下的IO口一些有特殊功能方便用戶拓展，分別是串口、8位AD、PWM、中斷IO足以滿足多數(shù)情況下的拓展應(yīng)用。

2.5蜂鳴器

圖5

如圖5將FMQ接到單片機(jī)pwmIO口便可實(shí)現(xiàn)常用蜂鳴器頻率。

2.6傳感器

圖6

SDI5229TS 帶有3通道24位Sigma-Delta高精度低電壓ADC，如圖6所示，通過R6、R13、R16、R18四個(gè)電阻為熱釋電紅外傳感器的紅外電壓信號(hào)輸入端提供一個(gè)偏置電壓及電流回路，經(jīng)過1nF電容進(jìn)行濾波送入24位ADC一通道進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到TP+對(duì)TP-的電壓。通過R1以及R19兩個(gè)匹配電阻對(duì)熱釋電傳感器的NTC進(jìn)行匹配得到阻值，隨后通過查表計(jì)算得到傳感器所在的環(huán)境溫度。至此完成信號(hào)的采集。此電路適配多數(shù)熱釋電紅外傳感器。用戶只需提供RT表便能實(shí)現(xiàn)傳感器的適配。

2.7 DEBUG

Debug包含SDI5229TS芯片的燒錄口和串口。

三、整體硬件設(shè)計(jì)原理圖

圖7

整體硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖7所示。

四、軟件流程圖

圖8

程序流程圖如圖8所示、上電后初始化單片機(jī)IO口、定時(shí)器、中斷，并讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，初始化完成之后進(jìn)入大循環(huán)。循環(huán)第一步喂狗和增加休眠計(jì)數(shù)器，隨后檢測是否有按鍵按下，如果有按鍵按下則判斷按鍵類型，來進(jìn)行按鍵處理，主要包括測溫、模式切換、記憶查詢、校準(zhǔn)模式進(jìn)入等，如果沒有按鍵按下則判斷休眠計(jì)數(shù)器是否達(dá)到了門限，未達(dá)到則返回喂狗處理和增加休眠計(jì)數(shù)器。達(dá)到了則關(guān)閉耗電外設(shè)并準(zhǔn)備進(jìn)入休眠模式。休眠后可以通過按鍵按下產(chǎn)生的中斷來喚醒單片機(jī)回到大循環(huán)。

五、總結(jié)

SDI5229TS芯片在24位ADC的支持下可以以較高精度來對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，用在額溫槍或者紅外測溫方案上可實(shí)現(xiàn)溫度分辨力0.1℃，在35.0℃-42.0℃溫度顯示范圍內(nèi)，誤差在±0.2℃以內(nèi)。芯片自帶30kflash，可以滿足100組數(shù)據(jù)循環(huán)存儲(chǔ)，同時(shí)芯片內(nèi)部集成LCD驅(qū)動(dòng)模塊來解決測量顯示問題，芯片還可在寬電壓范圍下工作典型值為1.8v~5.5v，其休眠時(shí)電流也可以做到4uA左右，芯片運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，所用外部電路簡單，成本較低，具有很好的應(yīng)用前景。