耳溫槍應用設計方案

　　常見的紅外線傳感器應用可分為醫療、工業、消費性用途，如耳溫槍、額溫槍、工業用溫度儀、紅外線溫度計…等。在耳溫槍應用中，需注意紅外線傳感器進入耳中的升溫效應、導波管與傳感器的連接方式…等。在紅外線溫度計應用中，需注意待測物距離、透鏡的聚焦距離…等。

一、纮康科技HY11P系列簡介
　　利用紅外線傳感器(IR sensor)做為溫度訊號的擷取來源，轉換為電阻與微小電壓訊號輸出，再經由纮康科技的單片機“HY11P13”量測訊號、運算、數位輸出顯示，如圖1，以最少的元件達成非接觸式紅外線溫度量測方案。
 
圖 1：模擬與數字訊號轉換

　　·單片機簡介
 

圖 2：HY11P系列8位高性能OTP單片機(HY11P13)

　　·8位加強型精簡指令集,共有66個指令包含硬件乘法指令及查表指令
　　·2.2V to 3.6V工作電壓范圍，-40℃~85℃工作溫度范圍
　　·外部石英震蕩器及內部高精度RC震蕩器，多種CPU工作頻率切換選擇，可讓使用者達到最佳省電規劃
　　   運行模式 300uA＠2MHz
　　   待機模式 3uA@32KHz
　　   休眠模式 1uA
　　·4KWord OTP (One Time Programmable) Type程式記憶體， 256Byte資料記憶體
　　·Brownout and Watch dog Timer，可防止CPU進入死機模式
　　·18-bit 全差動輸入ΣΔADC模擬數字轉換器
　　    內置 PGA (Programmable Gain Amplifier) 及可有1/4 ,1/2, 1. …..128倍10種輸入信號放大倍率選擇
　　   內置輸入零點調整, 可針對不同應用增加其量測范圍
　　   內置高阻抗輸入緩沖器(32以上輸入倍率不適用)
　　   內置絕對溫度傳感器
　　·超低輸入噪聲(<1uVpp)運算放大器, 可提供高輸出阻抗小訊號的放大及小電流的電壓轉換
　　·1.0V低溫飄系數參考電壓源輸出，具有Push-Pull驅動能力，可提供傳感器驅動電壓
　　·10mA低壓差穩壓電源輸出，可有4種不同輸出電壓選擇
　　·4x20 LCD液晶驅動器
　　    Static、1/2、1/3、1/4 Duty及1/3 Bias軟件選擇
　　    內建Charge Pump穩壓線路，提供4種LCD偏壓
　　·8-bit Timer A
　　·16-bit Timer B模塊具Capture/Compare 功能
　　·16-bit Timer C 模塊具PWM/PFD波形產生功能
　　·串行通訊SPI模塊

二、紅外線傳感器(IR sensor)簡介
由兩個接口組件組成，分別為Thermopile及Thermistor，兩者封裝如圖 3。

 
圖 3：紅外線溫度傳感器

　　·Thermopile：
　　輸出小電壓，其電壓值由目標物溫度及Thermopile所在環境溫度決定((圖 4))。建議分辨率0.01℃的精準度。使用于環溫25℃校正時絕對誤差在±0.03℃內。其為半導體材料制作而成的傳感器，故容易受溫度而影響其測量數值。良好的IR Sensor 其 Thermopile 的數學模式如下
 ………….公式(1)
　　Vout：Thermopile 輸出電壓
　　K：Sensitivity of Thermopile
　　Tt：Target Temperature (℃)
　　Ta：Ambient Temperature (℃)

 
圖 4：Thermopile電壓與溫度曲線
　　Good Thermopile 會有以下兩個特性
　　    Tt=Ta時, Vout=0
　　    K為常數, 不隨環境溫度而改變

　　·Thermistor：
　　隨其所在之溫度改變而有電阻變化(圖 5)，用來監視IR sensor內部溫度。在此亦稱之為量測時的環境溫度。建議測量誤差及重復性< 0.05°C。
　　Thermistor的數學模式如下
 ………….公式(2)
　　R_th(T)：Thermistor 變化電阻值
　　B：Sensitivity of Thermistor
　　R₂₅：25℃電阻值

 
圖 5：Thermistor電阻與溫度曲線

三、訊號量測
　　·電阻量測：
　　此量測電阻共切換四次網絡開關，在每次切換網絡開關后，需丟棄兩筆數據，并儲存四筆數據再取平均作為一筆數據的輸出。此量測方式為交替式電阻量測，第一次量測參考電阻RF_count(RF-RFZ)，第二次量測thermistor電阻RS_count(RS-RSZ)。
 ....公式(3)
　　將量測的RF_count與RS_count代入公式(3)，即可求出Ｒ，再以Ｒ查表換算為溫度。
　　小電壓量測：
　　此量測電阻共切換二次網絡開關，在每次切換網絡開關后，需丟棄兩筆數據，并儲存四筆數據再取平均作為一筆數據的輸出。TPZ網絡開關目的為量測整個系統接地后的ADC count，TP網絡為量測訊號(包含系統接地訊號)，TP_count (TP-TPZ)，ＶＲ為校正的電壓值，VR電壓設定為 [目標溫度相對應的電壓] – [環境溫度相對應的電壓 ]。
 ....公式(4)
　　將TP_count × Gain=小電壓輸出，再去查表，并換算為溫度。

四、參考線路
 

圖 6：紅外線溫度量測應用線路

五、耳溫槍常見校正方式比較表
　

六、參考數據
　　http://www.hycontek.com/，纮康科技股份有限公