手持式红外测温枪的设计原理解析

手持式红外测温枪是通过检测人体发出的红外信号，在不接触人体的情况下测量体温的测温装置。由于其能够在非接触的情况下测量体温，所以非常适用于检测带传染性疾病（比如新型冠状病毒、SARS病毒等）的人体温度。

一、基于RJM8L151K8的手持式红外测温枪方案介绍

手持式红外测温枪采用电池供电，对系统功耗要求苛刻，瑞纳捷电子的RJM8L151K8在低功耗和性能方面表现突出，做为本方案的主控MCU。方案的硬件电路主要包括7部分，如图1所示，其功能描述如下。

1.红外温度传感器电路，其作用是获取人体辐射的红外线，将人体辐射的红外线转换成电信号。自然界的所有物体都能向外辐射红外热，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。人体辐射的红外光波长3～50μm，其中8～14μm占46%，峰值波长在9.5μm。热释电红外传感器(PIR)，它能将波长为8～12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。因此温度检测区域内，当无人体时，热释电红外感应器感应到的只是环境温度，当人体进人检测区，热释电红外感应器感应到的是人体温度与环境温度的差异信号。因此，红外探测器的红外探测原理就是感应人体与环境温度的差异。

2.环境温度传感器，其作用是获取测量时的环境温度，以此从红外温度传感器的测量值中剔除环境温度，得出被测人体温度，对红外温度传感器做补偿。热敏电阻的测温范围可达-55℃～315℃，通常用于仪器仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿。检测大气环境温度通常用NTC（负温度系数的热敏电阻）比较合适，其阻值随温度的升高而降低，用MCU的ADC能够准确分辨其阻值变化大小，从而可计算出对应的温度值，室温环境中测温精度可达±1℃以内。

3.液晶显示电路，能够将测量的人体温度以数码形式显示出来，并显温度单位（℃/℉）、电量提示符号、背光打开符号、数据保持符号以及工作模式、警示信息等。本方案采用段码式LCD显示屏，搭配3色LED导光板，成本低显示效果好。

4.本方案设计了3个独立按键电路，可分别做为体温键、物温键和记忆键，另外还可以设计温度单位切换按键。

5.电源电路可以用2节、3节或4节电池供电，为系统提供3V、4.5V或6V的输入电源。如果采用2节电池供电可以省略LDO，系统电路的电源都直接由电池提供。采用3节或4节电池供电的情况下，RJM8L151K8是可以直接适用的，因为其工作电压范围是1.62～5.5V，但如果其它电路不支持宽电压工作，就需要增加额外的LDO电路为其它电路供电。

6.接近传感器用来判断被测物体与PIR传感器间的距离，只有在最佳物距比的情况下才启动测量，保证测量数据的准确性。

7.RJM8L151K8电路做为系统的检测和控制单元，其主要功能是通过内置的ADC电路检测经过信号调理电路放大滤波后的热释电信号，并参考当前的环境温度值做相应的修正和补偿。经过修正的测量值通过RJM8L151K8的I2C接口送到显示驱动电路，以直观的数字显示出来。热释电传感器测量人体和物体表面温度的范围是不同的，所做的修正和补偿方案也有所不同，RJM8L151K8的控制电路提供了2个按键来选择不同的测量模式，以达到最佳的测量精度。为了更直观的表现测量结果，RJM8L151K8的控制电路可以驱动3种不同颜色的LED背光灯以表示不同的温度区间。同时还可以通过驱动蜂鸣器的“嘀嘀”声来表示测量状态和结果。RJM8L151K8内置64KB Flash存储器，一方面可以存储系统功能代码，另一方面可以用于存储测量数据。

图1 基于RJM8L151的手持式红外测温枪方案框图

二、RJM8L151系列低功耗MCU

鉴于物联网终端设备对功耗和安全问题的迫切需求，瑞纳捷电子推出了RJM8L151系列是超低功耗安全MCU，非常适用于电池供电的物联网终端设备。RJM8L151系列不仅具备出色的运行和待机功耗表现，还内置了硬件真随机数发生器和AES/DES/SM4硬件加密引擎。集成12位高精度逐次逼近型ADC和2通道的多功能比较器，对物联网传感器的高精度、实时检测极为有益。RJM8L151丰富的外围接口使扩展各种通信模块、功能模块更加方便。RJM8L151基于增强型哈佛架构的CPU内核和多级流水线指令系统，相同时钟频率的处理性能是传统8051的3倍，采用Keil uVision或IAR集成开发环境开发调试应用代码。RJM8L151系列安全MCU的硬件框图如图2所示。

RJM8L151的正常工作电压范围是1.62V到5.5V,非常适合2节、3节干电池直接供电，省掉额外的LDO电路，另外RJM8L151低至0.35uA的待机电流，既能保持内部RTC的正常计时，又能保持SRAM数据不变，该性能可大大减小系统对电池容量尺寸的要求。RJM8L151具有6种电源管理模式，通过裁剪时钟树的方式关闭时钟来实现不同需求的功耗。一般情况下使用内部低速时钟就可以完成对外部中断的响应，同时又可以保持很低的功耗，这是同类MCU无法做到的。另外，RJM8L151从低功耗状态唤醒小于5us，可以实现快速睡眠快速唤醒低占空比工作，这又极大的降低了系统功耗。

图2 RJM8L151硬件框图

RJM8L151有4个时钟源：内部高速时钟、内部低速时钟、外部高速时钟和外部低速时钟。RJM8L151的时钟控制模块将这几个时钟源通过灵活的配置分频实现不同的功耗和性能需求。辅助系统时钟可以使用内部低速时钟或外部低速时钟实现低功耗的要求，主系统时钟提供给RJM8L151的CPU，子系统时钟为外设提供给时钟源。多样的时钟资源可以降低系统消耗，辅助系统时钟在保持低功耗的同时也可以接受外部中断，响应外部环境的变化。使用内部高速RC振荡器作为主系统时钟，不仅可以省去一个外部的高速晶振，同时可以快速唤醒MCU来降低功耗。

模拟电路方面，RJM8L151有7通道12位逐次逼近型ADC，采样转换速率高达1MSPS，支持外部参考电压输入。

RJM8L151设计了丰富的定时模块，包括2个16位基本定时器，1个16位通用定时器支持输入捕获/输出比较/PWM输出功能。2个16位高级定时器除了支持输入捕获/输出比较/PWM输出功能，还支持12对互补PWM输出。1个实时时钟RTC模块，产生年、月、日、时、分、秒，并有自动闰年补偿功能，采用外部32.768kHz晶振提供时钟可使计时误差更小。RJM8L151内嵌15位窗口看门狗定时器，采用系统时钟计时，溢出时可产生中断或复位信号，待机模式下停止计数。

RJM8L151单片机的开发环境是Keil uVision。Keil是全球领先的嵌入式系统开发工具供应商，uVision是C/C++编译器和调试器的集成开发环境（IDE），其中的Keil C51支持RJM8L151的开发调试，该环境集编辑、编译、仿真于一体，支持汇编和C语言的程序设计。

RJM8L151系列MCU配备了高效的在线仿真器和下载器，既可以方便前期开发调试又为后期生产安装提供了方便。RJM8L151支持标准JTAG下载和调试，可以不使用仿真器，用离线编程器就可以实现对内存Flash的修改，提高了批量烧录的效率，也为程序升级维护提供了方便。

三、基于RJM8L151K8的手持式红外测温枪方案特点

1. 超低功耗。RJM8L151系列MCU的宽电压工作特点，多达6种低功耗管理模式，待机功耗低至0.35uA，待机唤醒时间低于5us，使测温枪采用2节干电池供电变成可能，降低系统成本和产品重量。

2. 接口丰富。RJM8L151系列MCU集成2路I2C主从接口，使外接LCD驱动器和数字型传感器更加方便。

3. 集成硬件加密模块。RJM8L151系列MCU内置对称式分组加密算法AES和SM4,SM4符合国家密码管理局发布的GM/T 0002-2012《SM4分组密码算法》标准，适用于物联网数据传输中的数据加解密。

4. 真随机数发生器。RJM8L151系列内置基于数字振荡环的8位真随机数发生器，符合国家密码管理局《随机数检测规范》标准。

5. 大容量存储器。RJM8L151系列最大内置64KB Flash和8KB SRAM，除了存放程序代码，还可以做为测温枪的数据存储器实时存储测量温度。内置的存储单元还设计了高强度物理防护电路，有效防止恶意代码窃取和反向分析。