低功耗高集成红外测温仪设计参考

随着科学技术的发展，传统的接触式测温方式已不能满足现代一些领域的测温需求，在许多特殊条件下（如高温、强腐蚀、强电磁场条件下或较远距离），对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。

概述

红外测温仪是指通过测量物体发射的红外线所具有的辐射能大小来得出物体本身的温度。目前按照使用对象的不同可分不三大类：

人用红外测温仪。也叫额温计，是一种利用红外接收原理测量人体的测温计。其测量范围较窄，一般为30～42摄氏度。

工业红外测温仪。主要用于工业上的温度采集，测量范围一般为-40～1500摄氏度。

兽用红外测温仪。根据普朗克原理，通过准确测定动物体表特定部位的体表温度，修正体表温度与实际温度的温差，便能准确显示出动物的个体体温。

系统结构

EFM32 32位单片机是由Silicon Labs采用ARM Cortex-M内核设计而来的高性能低功耗32位微控制器。它具有突出的低功耗特性，适用于“三表”（电表、水/热表、气表）、工业控制、警报安全系统、健康与运动应用系统、手持式医疗设备以及智能家居控制等领域。

红外测温仪主要包括供电电源、光学系统、红外传感器、主控处理、交互界面及通讯接口等部分。框图如下：

图1 系统框图

1、供电电源

EFM32的工作电压为1.8~3.8V，工作电压范围比较宽，有利于电压模块的简单设计。因此智能门锁可以选用3.3V的锂电池系统供电，无需前端添加LDO芯片。由于芯片的工作电压比较宽，相对于传统的2.8~3.6V的MCU，它省略了升压芯片、电荷泵等前端芯片。

2、光学系统

如图2，红外测温仪的光学系统是一个滤光和聚光的过程。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度着十分密切的关系。光学系统就是根据不同的测量范围进行滤波，只让所需波长的光进入，再由透镜进行聚光以供红外传感器进行转换。

3、红外传感器

这是红外测温仪中的一个核心器件，通过温差电效应、热释电效应和热敏电阻等，将红外光线的辐射能大小转换成电信号输出。某些带ADC的红外传感器可将红外温度及环境温度的数据通过I2C发送给MCU。

图2 红外采样框图

4、主控制器

根据功能需求可配置不同型号的EFM32芯片作为主控MCU。本应用选用EFM32TG822作为主控，它的封装为QFP48，Flash和RAM资源分别从8~32KB和2~4KB，带有8X11的LCD驱动接口，4路ADC，2个比较器及3个运放。

5、交互与通讯

通过按键控制并将结果由LCD显示，有必要时可将测量结果由UART口或转USB口与PC通讯，将结果由PC显示保存。

方案优势

相对于传统的8位、16位单片机实现的红外测温仪方案，基于EFM32实现的本方案具有以下优势：

1、超低功耗

EFM32是全球最低功耗的32位微控制器，LCD控制器、DMA可运行的EM2模式下，功耗电流仅为900nA，不运行RTC的模式下可低至600nA，而在不保存RAM数据时更是只有20nA。同时，EFM32的LCD可实现简单的动画模式而不需要CPU的参与。片上更是集成了低功耗外设：12bit的ADC在1Msps的速率下，功耗电流仅需350μA；模拟比较器工作仅需100nA；LCD驱动8×36段LCD显示，仅需0.55μA。红外测温仪由电池供电，对功耗有比较高的要求，EFM32非常适合其功耗需求。

2、高集成度

EFM32片上集成LCD驱动器、模拟比较器、运算放大器、AES硬件模块等资源，可减少大部分的外围器件，节省成本。

总结

EFM32具有优异的低功耗特性，非常适合于对于低功耗有要求的红外测温仪的应用。EFM32内核采用目前流行的Cortex-M设计，极大地缩短了开发者的开发时间。EFM32具有丰富的外设，为系统扩展功能及降低成本提供了条件。因此，EFM32非常的适合于红外测温仪的应用。