干货揭秘红外额温枪：技术原理、拆解分析、设计方案、电路方案

⼲货揭秘红外额温枪：技术原理、拆解分析、设计⽅案、电路⽅案红外额温枪新冠肺炎的突然爆发，给全球数个产业链的增长都带来了负⾯影响。但疫情也让平时需求量稳定的防疫物资突然成了紧俏商品，⽐如⼝罩、酒精、消毒⽔。当下，许多城市的企业已经吹起了复⼯的号⾓，额温枪也成为了新的紧俏产品。返岗⽣产很重要，防控措施不能少。除了戴⼝罩之外，体温筛查也成为疫情控制的⼀道重要防线。通过发现体温异常⼈员，采取及时发现、及早隔离等措施，能够有效防⽌疫情的扩散。⽬前⼈流密集的各交通关⼝、车站、医院、住宅⼩区、超市、企事业单位等等场所都在⽤这种红外额温枪进⾏体温测量。体温检测⼯具分类体温检测⼯具分接触式和⾮接触式两类：接触式：（1）玻璃体温计（⽔银体温计）：是最常见的体温计，它可使随体温升⾼的⽔银柱保持原有位置，便于使⽤者随时观测；（2）电⼦体温计：利⽤某些物质的物理参数（如电阻、电压、电流等）与环境温度之间存在的确定关系，将体温以数字的形式显⽰出来。⾮接触式：红外线体温检测仪（额温枪、⽿温枪等）：通过测量⽿朵⿎膜或额头的辐射温度，⾮接触性地实现对⼈体温度的测量。传统的接触式体温计，其测试时间过长、设备需与患者接触，⼤范围适⽤时存在交叉感染的风险，不适⽤于公共场合的快速筛查。额温枪这⼀⾮接触式测温仪器，成为疫情防控的重点物资。和家⾥⽇常⽤的⽔银体温计、电⼦体温计不同，“额温枪”根据⼈体发射的红外线辐射能来测定体温，所以也被称作⼿持红外体温检测仪。红外额温枪拆解分析为了更好的了解红外额温枪的技术原理，⾸先我们来拆解⼀下这种额温枪，了解其内部结构，拆开后我们会发现，其核⼼技术在于红外传感器和主控板部分；红外额温枪结构图：红外额温枪拆解内部结构分析：红外额温枪技术原理⼀切温度⾼于零度（-273.15℃）的物体都在不停地向周围空间发射红外能量。其辐射特性、辐射能量的⼤⼩、波长分布等都与物体表⾯温度密切相关。反过来,通过对物体⾃⾝辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表⾯温度，这就是红外辐射测温的机理。⼈体与其他⽣物体⼀样，⾃⾝也在向四周辐射释放红外能量，其波长⼀般为9-13µm，是处在0.76-100µm的近红外波段。由于该波长范围内的光线不被空⽓所吸收，也就是说，⼈体向外辐射的红外⼤⼩与环境影响⽆关，只是与⼈体含存与释放能量⼤⼩有关，因此，只要通过对⼈体⾃⾝辐射红外能量的测量就能准确地测定⼈体表⾯温度。⼈体红外温度传与释放能量⼤⼩有关，因此，只要通过对⼈体⾃⾝辐射红外能量的测量就能准确地测定⼈体表⾯温度。⼈体红外温度传感器就是根据这⼀原理，设计制作⽽成的。红外温度传感器⽬前市⾯上的红外温度传感器根据能量转换所⽤材料不同，主要有以下⼏种类型：（1）热释电型：硫酸三⽢肽、钽酸锂等（2）热电堆型：N型和P型的多晶硅（3）⼆极管型：单晶或多晶PN结（4）热电容型：双材料薄膜（5）热敏电阻型：氧化钒、⾮晶硅等其实，这些类型都只是在接收红外能量后，转换⽅式和材料能效⽐不同⽽已。⽬前⽿、额温枪采⽤的红外传感器均为热电堆式，基本物理原理是塞贝克效应。热电堆式温度传感器参数指标：测量范围：-50℃-100℃；测量精度：0.1℃以内，±0.1%以内；⼯作温度：-20℃-+85℃；最⼤测量距离：≦0-50mm（加透镜300-500mm）输出电压：0-10mV；热电堆温度传感器最⼤量程范围可以做到-60℃到+1200℃范围红外热电堆传感器成品图主要封装形式有两种：TO46(TO18)/TO39(TO5)；红外额温枪芯⽚红外测温枪额温枪⽅案芯⽚FNK2032：红外温枪核⼼芯⽚主要由ADC芯⽚和控制芯⽚设计组成，可实现按键控制、LCD显⽰、电量检测等功能。红外测温仪的⼯作过程：红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放⼤器及信号处理、显⽰输出等部分组成。光学系统汇集其视场内的⽬标红外辐射能量，视场的⼤⼩由测温仪的光学零件以及位置决定。被测物体辐射的红外⾸先进⼊测温仪的光学系统，再由光学系统汇聚射⼊的红外线，使能量更加集中;聚集后的红外线输⼊到光电探测器中，探测器的关键部件是红外线传感器，它的任务是把光信号转化为电信号;从光电探测器输出的电信号经过放⼤器和信号处理电路按照仪器内部的算法和⽬标发射率校正后转变为被测⽬标的温度值。⼈体额温枪的校准⼈体额温枪的校准分为环境温度与⿊体温度校准环境温度：把传感器置于25.00+/-0.02度⽔槽中，等稳定后按下某个键确认，⼀般耗时30秒。⿊体温度：先把⿊体炉调到37.00+/-0.02度，再把传感器塞⼊到⿊体炉⾥，等稳定后按下某个键确认。⽅案设计和产品⽣产需要准备什么⾸先要有配套的壳、液晶屏、传感器、和产品规格。这样芯⽚⽅案才可以进⾏软硬件开发1.壳有⼏个功能键，分别什么作⽤2.液晶屏需多少个脚3.传感器是数字的还是模拟4.产品规格：什么样的电池供电，家⽤还是医⽤，是否需要校准⽣产测试要求1.是否有⿊体炉?精度0.02-0.05C，⿊体是在测试阶段已经要有2.⼯⼚有恒温房?中⾼低温都可以调3.是否懂弄散热器?结构,光学组件和传感器其中⼀个出了问题引致不断测试修正也是不明确的因数,电⼦设计的⼯程师不⼀定能解决不了此些问题.4.你有临床实验资源?(找医院,他们有⼤中⼩,发烧不发烧的⼈,做⼀段时间测试数据)5.如果做医规，你有国内CFDA医疗资质?国外叫FDA和CEMedical(CFDA最快要⼀年半去审批).红外额温计设计⽅案⽅案简介⾮接触式红外额温计是⼀种利⽤现代传感器测量技术、微电⼦技术等技术⼿段对被测对象进⾏温度测量的新型仪器。当红外额温计对准并靠近被测对象⾄数字接近式传感器检测的有效距离时，按下电源/测量键，并保持若⼲秒，则红外额温计内部的红外传感器模块就会进⾏温度采集，并转化为电信号，随之将电信号转换为数字信号，⽽后通过通信接⼝传输到单⽚机。单⽚机通过数字温度传感器采集当前环境温度对传输的温度数字信号进⾏相应温度补偿处理，并把修正后的温度作为当前记录编号存储，同时判断该温度所处的LCD背光范围，从⽽进⾏相应的背光显⽰：（35.0-37.4℃）体温正常绿⾊背光、（37.5-37.9℃）体温偏⾼黄⾊背光、（38-42.9℃）体温超⾼红⾊背光，若体温异常同时还会进⾏“嘀嘀嘀嘀嘀”报警，最后语⾳播报当前温度。当超过30秒不使⽤，⾃动进⼊低功耗模式省电。⽅案硬件图框本⾮接触式红外额温计⽅案由超低功耗、⾼安全性的MCU:RJM8L151、电源模块、按键模块、红外传感器模块、温度传感器（模块）、数字接近式传感器模块、环境温度传感器、语⾳模块、喇叭及LCD显⽰模块组成，其硬件框图如下所⽰：1.微控制器MCU采⽤RJM8L151系列MCU。该芯⽚具备出⾊的运⾏和待机功耗表现，⽀持4路IO唤醒芯⽚，内部集成了12位⾼精度逐次逼近型ADC、2通道的多功能⽐较器、定时器、实时时钟(RTC)、看门狗定时器(WDT)、电源可编程电压检测（PVD）、中断控制器、硬件真随机数发⽣器、AES/DES/SM4硬件加密引擎及通信接⼝：UATR、SPI、IIC、GPIO、ISO7816、JTAG等模块，具有性价⽐⾼、存储容量⼤、安全性⾼，功耗低、接⼝丰富等特点。芯⽚⽀持采⽤KeiluVision或IAR集成开发环境开发调试应⽤代码。RJM8L151系列安全MCU的硬件框图如下图所⽰：2.电源模块采⽤2节AAA规格的⼲电池供电，利⽤电压转换芯⽚维持电源模块的输出电压，以保证MCU、红外传感器、数字接近型传感器、语⾳芯⽚、LCD屏等模块在电池电压下降的情况下正常稳定⼯作。3.传感器模块3.1体温传感器模块可以选择两种不同的策略：A）采⽤集成红外感应模块，模块包括红外热电堆传感器和专⽤处理芯⽚，优点是电路稳定、接⼝简单、便于调试，不⾜是价格较⾼。传感器信号可选⽤MLX90614、HMSK1C1F5.5以及10TP583T等，其中举例如下：红外传感器MLX90614的红外感应部分为81101热电单元，81101为红外热电堆传感器，其接收⽬标物体的红外辐射信号，然后通过内部DSP信号处理专⽤集成芯⽚MLX90302与17-bitADC进⾏信号放⼤，信号处理等过程，由PWM或SMBus⽅式输出（与标准速度IIC兼容）测量精度可达0.2%，测量速度快，低功耗MLX90614⽀持睡眠模式。数字温度传感器主要⽤于测环境温度，以便红外传感器作温补提升精度，数字接近型传感器⽤来检测测温时的有效距离B）采⽤热电堆传感器+外围电路，优点是成本较低，不⾜是⼩信号放⼤和处理电路、温度补偿电路需要仔细设计和调试，产品设计周期较长。传感器信号可选⽤MTP10-B7F55、RTP678等、其中举例如下：采⽤桑尼奇的MTP10-B7F55，可以实现快速、⾼精度测温，其内置NTC可以实现环境温度测量来进⾏温补以提升精度，其应⽤⽅式可以灵活选择，原理如下：（a）软件温度补偿（b）硬件温度补偿（c）模拟接⼝（d）数字接⼝3.2数字接近型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，例如TMD26721。3.3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。有的环境温度传感器被集成到热电堆传感器中，如MTP10-B7F55。4.按键模块设计包含5个独⽴按键，分别为电源/测量键、SET键、UP键、DOWN键、MODE键，其中前4个键都有休眠唤醒功能。电源/测量键：按下按键进⾏休眠唤醒后MCU执⾏⼀次温度测量，完成后显⽰当前温度SET键：按下按键进⾏休眠唤醒后，进⼊功能设置模式，每按1次依次对应以下功能:F1显⽰单位切换：默认为°C，按下UP键则切换为°F，按下DOWM键则切换为°CF1显⽰单位切换：默认为°C，按下UP键则切换为°F，按下DOWM键则切换为°CF2语⾳播报开关ON/OFF：默认开ON,按下UP键则切换为ON，按下DOWM键则切换为OFFF3删除温度记录UP键：从当前温度记录往上翻，直⾄温度记录32，再翻⼀次转到温度记录1DOWN键：从当前温度记录往下翻，直⾄温度记录1，再翻⼀次转到温度记录32MODE键：⼈体/体表模式切换5.语⾳模块采⽤⽤语⾳芯⽚WTN1010/VC505来存储语⾳⽚段，如‘⼗点’、‘℃’、‘℉’、‘⼀’、‘⼆’、、、‘九’、‘嘀嘀嘀嘀嘀’等，通过选段播放并凑起来形成完整语⾳，驱动喇叭发声6.LCD显⽰模块采⽤RFD-TA20001ZT-11来显⽰当前温度、当前记忆温度、测量模式、电池状态、语⾳开关状态等信息1)测量⽅式：⾮接触式2)测量距离：3~8CM3)测量模式:⼈体模式:32.0-42.9℃(89.6-109.3°F)体表模式:0.0-99.9℃(32.0-211.9°F)4)测量时间：<6s5)测量准确度：±0.2℃(35.0°-42.0℃);±0.3C(其他范围)6)显⽰分辨率:0.1°C或0.1°F7)显⽰单位：℃（摄⽒度）与°F（华⽒度）8)⽀持32组储存记忆9)⽀持三⾊背光显⽰体温正常绿⾊背光（35.0-37.4℃）体温偏⾼黄⾊背光（37.5-37.9℃）体温超⾼红⾊背光（38-42.9℃）10)⽀持电池低压显⽰11)⽀持语⾳播报12)⽀持⾃动关机省电RJM8L151的优势：RJM8L151的优势：1)超低功耗多达6种低功耗管理模式可供选择，其中深度睡眠功耗5nA，外部唤醒⼩于5us并⽀持4路IO唤醒，Halt模式下功耗低⾄0.4uA且RAM数据保持等，可⼤⼤延长电池的使⽤寿命。2)内置PVD可编程电压检测可以对电池升压后的输⼊电压实现快速阶段式检测与管理。3)内置12位⾼精度逐次逼近型ADC可以直接对电池进⾏实时、精确的电压采集以便数字化显⽰及掌握电池的使⽤状态。4)丰富的通信接⼝芯⽚⽀持UATR、SPI、IIC、GPIO、ISO7816等