FR8016HA红外测温方案解析

一、方案概述

体温是人体生命活动的关键指标之一，准确快速地测量出体温对疾病诊断和治疗有着十分重要的意义。红外测温为测量人体体温提供了快速、非接触测量手段，与传统水银体温计相比，该测温方式具有反应速度快、测量时间短、精度高、使用简单等优点，可广泛、有效地用于密集人群的体温排查。 非接触红外测温计针对特定人群，比如儿童或老年人，有很好的效果。随着生活节奏的变快，父母在忙碌中抽出时间帮助孩子测体温是一件非常麻烦的事，而且由于儿童不稳定、好动，通过非接触红外测温仪就可以快速准确地测出其体温；老年人活动不便，使用传统的体温计很不方便，而且由于人老眼花，也不能看清体温计汞柱的位置，通过非接触红外测温仪就可以很快得到体温，而且通过语音告知老人，有异常情况可及时发现。

本方案是基于 FREQCHIP 的 FR8016HA开发板为控制核心，采用红外测温传感器BM43THA80C进行温度的测量，通过开发板上240*240彩屏显示，测量的温度以扬声器进行播报。

二、功能框图

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图一 FR8016HA测温枪方案功能框图

本方案设计的测温枪主要功能如下：按下按键后，唤醒FR8016HA，开始对体温的测量、显示、播报。

三、系统总体方案

测温枪的系统结构框图如图2，主要有FR8016HA、BM43THA热电堆传感器、放大电路、彩屏显示、语音播放、按键部分、电源部分组成，本方案基于FR8016HA开发板演示，未达到产品级方案，所以要做成产品方案，还要进一步做二次开发，例如优化功耗、校准精度、增加模式等等。

FR8016HA的16bit ∑Δ型ADC采样频率率最高可以到48KHz，主要负责采集传感器的弱电压信号放大后的信号，控制温度的计算、显示、播报。 BM43THA 热电堆传感器主要将人体辐射的热量转化为电压信号。放大电路主要将传感器的弱电压信号放大，按键部分主要负责根据唤醒处理器，开启测量温度。按键部分主要包括由电源键和测量键。测量键负责温度的测量与计算，显示，播报。

四、FR8016HA主控特性

4.1、FR8016HA简介

FR8016HA是freqchip研发生产的一款符合BLE5.0标准的SOC芯片，内置16位audio codec可以支持模拟音频输入输出，内置PMU可以对外部锂电池提供200mA的充电电流，512kBFlash，48kBRAM。该mcu支持C语言编程易于开发，支持Keil开发环境和Jlink调试。拥有丰富的外设接口：GPIO*15、SPI、IIC、UART、ADC、PWM

4.2、16bit ∑Δ型ADC介绍

在FR8010H中有内置的audio codec，其中包含有一路16 bits精度，速率可达到48K的adc通路。该adc属于Σ-Δ ADC，因此当输入信号电压小于VMID（大概为AVDD/2）时，采样数据为负值，当大于VMID时采样数值为正值。经测试该ADC具有较好的线性度。在使用时我们建议通过取多点（若以48K采样率，可以每16K点进行一次统计），然后取平均值的方式来提高精度。

1. 该ADC有效输入范围为采样范围的10%~90%AVDD

2. 该ADC的采样输出为-24000~24000（该值与实际电压对应关系需要校准，校准方法在后面介绍）

由于生产工艺差异，会造成不同的芯片对相同的输入电压值转换出不同的结果，这就需要有个校准的过程。因为ADC工作在有效范围内为线性输出，所以需要两个点就可以对该ADC进行校准。ADC输入信号值x与采样值y的数学关系如下：

y = ax + b

其中a与b为需要通过校正得到的两个参数。以额温枪为例，参考设计如下图：

其中U4为热电堆接口，IR_OUT为ADC输入信号。校正流程如下：

1. 将TO+和TO-短接，那么相当于被测信号输入电压为0，这时得到一个ADC的采样值为B1，带入上面公式（B1 = a * 0 + b），可以得出这条转换直线的偏移量b = B1

2. 在已知的环境温度下，将热电堆朝向已知温度的黑体探测（这时TO+和TO-之间的电压通过查表可得为A），这时得到一个ADC的采样值为B2，带入公式（B2 = a * A + B1），可以得出这条直线的斜率为a = （ B2-B1 ） / A。

3. 以上两个过程就可以确定该直线，如果想得到更好的效果，那就是将1步骤换成另外一个温度的黑体进行2步骤的测量。

注：为了得到较为精确的值，这就要求B2和B1的差值比较大，而B1为0附近的值，因此在测量黑体时离0点（环境温度25度，黑体温度为25度）越远越好。

在实际使用中通过公式x = （ y – b ） / a来得到实际的被测电压，其中b和a通过上面的校准过程可以得到。

4.3、主控原理图

为了提高精确度，FR8016HA采用外部LDO_3V3供电，芯片内部电源设置为Bypass模式

五、红外测温模块

放大电路采用高精度集成运放TP5591，低失调电压20uV，零飘：0.01uV/℃

参考电压VMID为1/2AVDD

NTC电压NTC_ADC通过10bitADC采集

热电堆输出信号经放大后的IR_OUT通过16bit∑Δ型ADC采集

六、音频播放模块

音频输出接口，外界一个功放后直接驱动喇叭。FR8016HA可以将测出的体温，通过音频输出接口播放体温数值。

七、显示模块

FR8016HA开发板采用了一个SPI接口的240*240分辨率的全彩显示屏，用作显示温度

八、BLE蓝牙通信（功能拓展）

当手机通过蓝牙与FR8016HA建立连接后，FR8016HA可以将测出的体温发送到手机端。

下图是采用FR8016HA的DEMO板实现红外测温枪的实物照片