耳温枪应用设计方案

耳温枪应用设计方案

常见的红外线传感器应用可分为医疗、工业、消费性用途，如耳温枪、额温枪、工业用温度仪、红外线温度计…等。在耳温枪应用中，需注意红外线传感器进入耳中的升温效应、导波管与传感器的连接方式…等。在红外线温度计应用中，需注意待测物距离、透镜的聚焦距离…等。

一、纮康科技HY11P系列简介
　　利用红外线传感器(IR sensor)做为温度讯号的撷取来源，转换为电阻与微小电压讯号输出，再经由纮康科技的单片机“HY11P13”量测讯号、运算、数字输出显示，如图1，以最少的组件达成非接触式红外线温度量测方案。
 
图 1：模拟与数字讯号转换

　　·单片机简介
 

图 2：HY11P系列8位高性能OTP单片机(HY11P13)

　　·8位加强型精简指令集,共有66个指令包含硬件乘法指令及查表指令
　　·2.2V to 3.6V工作电压范围，-40℃~85℃工作温度范围
　　·外部石英震荡器及内部高精度RC震荡器，多种CPU工作频率切换选择，可让使用者达到最佳省电规划
　　   运行模式 300uA＠2MHz
　　   待机模式 3uA@32KHz
　　   休眠模式 1uA
　　·4KWord OTP (One Time Programmable) Type程序内存， 256Byte数据存储器
　　·Brownout and Watch dog Timer，可防止CPU进入死机模式
　　·18-bit 全差动输入ΣΔADC模拟数字转换器
　　    内置 PGA (Programmable Gain Amplifier) 及可有1/4 ,1/2, 1. …..128倍10种输入信号放大倍率选择
　　   内置输入零点调整, 可针对不同应用增加其量测范围
　　   内置高阻抗输入缓冲器(32以上输入倍率不适用)
　　   内置绝对温度传感器
　　·超低输入噪声(<1uVpp)运算放大器, 可提供高输出阻抗小讯号的放大及小电流的电压转换
　　·1.0V低温飘系数参考电压源输出，具有Push-Pull驱动能力，可提供传感器驱动电压
　　·10mA低压差稳压电源输出，可有4种不同输出电压选择
　　·4x20 LCD液晶驱动器
　　    Static、1/2、1/3、1/4 Duty及1/3 Bias软件选择
　　    内建Charge Pump稳压线路，提供4种LCD偏压
　　·8-bit Timer A
　　·16-bit Timer B模块具Capture/Compare 功能
　　·16-bit Timer C 模块具PWM/PFD波形产生功能
　　·串行通讯SPI模块

二、红外线传感器(IR sensor)简介
由两个接口组件组成，分别为Thermopile及Thermistor，两者封装如图 3。

 
图 3：红外线温度传感器

　　·Thermopile：
　　输出小电压，其电压值由目标物温度及Thermopile所在环境温度决定((图 4))。建议分辨率0.01℃的精准度。使用于环温25℃校正时绝对误差在±0.03℃内。其为半导体材料制作而成的传感器，故容易受温度而影响其测量数值。良好的IR Sensor 其 Thermopile 的数学模式如下
 ………….公式(1)
　　Vout：Thermopile 输出电压
　　K：Sensitivity of Thermopile
　　Tt：Target Temperature (℃)
　　Ta：Ambient Temperature (℃)

 
图 4：Thermopile电压与温度曲线
　　Good Thermopile 会有以下两个特性
　　Tt=Ta时, Vout=0
　　K为常数, 不随环境温度而改变

　　·Thermistor：
　　随其所在之温度改变而有电阻变化(图 5)，用来监视IR sensor内部温度。在此亦称之为量测时的环境温度。建议测量误差及重复性< 0.05°C。
　　Thermistor的数学模式如下
 ………….公式(2)
　　Rth(T)：Thermistor 变化电阻值
　　B：Sensitivity of Thermistor
　　R25：25℃电阻值

 
图 5：Thermistor电阻与温度曲线

三、讯号量测
　　·电阻量测：
　　此量测电阻共切换四次网络开关，在每次切换网络开关后，需丢弃两笔数据，并储存四笔数据再取平均作为一笔数据的输出。此量测方式为交替式电阻量测，第一次量测参考电阻RF_count(RF-RFZ)，第二次量测thermistor电阻RS_count(RS-RSZ)。
 ....公式(3)
　　将量测的RF_count与RS_count代入公式(3)，即可求出Ｒ，再以Ｒ查表换算为温度。
　　小电压量测：
　　此量测电阻共切换二次网络开关，在每次切换网络开关后，需丢弃两笔数据，并储存四笔数据再取平均作为一笔数据的输出。TPZ网络开关目的为量测整个系统接地后的ADC count，TP网络为量测讯号(包含系统接地讯号)，TP_count (TP-TPZ)，ＶＲ为校正的电压值，VR电压设定为 [目标温度相对应的电压] – [环境温度相对应的电压 ]。
 ....公式(4)
　　将TP_count × Gain=小电压输出，再去查表，并换算为温度。

四、参考线路
 

图 6：红外线温度量测应用线路

五、耳温枪常见校正方式比较表
　

六、参考数据
　　http://www.hycontek.com/，纮康科技股份有限公