基于MSP430系列單片機快速開發(fā)紅外體溫檢測儀原型機

MSP430系列單片機是德州儀器（TI）公司1996年開始推向市場的一種16位超低功耗RISC混合信號處理器，基于該系列產(chǎn)品開發(fā)出來的應(yīng)用不計其數(shù)，數(shù)不勝數(shù)，尤其是面向傳感與檢測類終端應(yīng)用，因其在片上集成有高性能ADC、LCD驅(qū)動、串口通訊、PWM輸出等模塊，成為了紅外體溫檢測儀廠商的不二之選。配合TI提供的豐富的線上軟硬件設(shè)計資源，使得開發(fā)人員可以大大簡化設(shè)計流程，快速開發(fā)紅外體溫檢測儀原型機，同時節(jié)省電路板空間從而降低成本。

下圖提供了基于MSP430單片機和TI電源管理、放大器及溫度傳感器器件的紅外溫度檢測儀系統(tǒng)解決方案。

圖 1 紅外體溫檢測儀系統(tǒng)框圖

MSP430系列單片機作為方案的主控MCU，可為測溫儀系統(tǒng)設(shè)計方案提供以下功能和特性：

豐富的外設(shè)滿足測溫儀設(shè)計需求：

1、MSP430片上集成的逐次逼近式SAR ADC或高分辨率Sigma-Delta ADC配合TI的TLV333放大器對模擬型紅外溫度傳感器采集到的高精度信號量進行采樣并轉(zhuǎn)換數(shù)字溫度量，同時可以對電池電壓進行實時監(jiān)控;

2、MSP430片上集成的LCD驅(qū)動模塊，可以幫助開發(fā)人員為測溫儀快速實現(xiàn)LCD顯示的設(shè)計。MSP430FR4133內(nèi)置的高達 4×36 段或 8×32 段 LCD 驅(qū)動模塊，更是支持LCD的Segment和COM管腳的靈活配置，可以簡化開發(fā)人員的PCB設(shè)計;

3、I2C串口通訊接口可以滿足高精度數(shù)字溫度傳感器或數(shù)字型紅外溫度傳感器、數(shù)字型接近傳感器等輔助傳感元件的信號采集和輸入;

4、片上集成的定時器模塊可以輸出多路PWM信號以驅(qū)動測溫儀指示燈、蜂鳴器等裝置;

5、GPIO在超低功耗模式下的中斷使能，可以為電池供電的測溫儀系統(tǒng)提供待機模式下的快速按鍵響應(yīng)。

超低功耗設(shè)計助力測溫儀的長續(xù)航和高使用頻次：

MSP430系列單片機從1996年推出至今，一直以超低功耗作為產(chǎn)品的家族基因，為產(chǎn)品的低功耗設(shè)計提供豐富的低功耗智能外設(shè)。因為高頻次使用，紅外體溫檢測儀對設(shè)備電池供電的續(xù)航和使用頻次要求頗高，因此測溫儀的低功耗運行便成為系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

豐富的產(chǎn)品系列提供了靈活的內(nèi)存選擇：

MSP430系列單片機提供片上16KB以上存儲器可以滿足絕大多數(shù)測溫儀產(chǎn)品的內(nèi)存需求。該系列豐富的產(chǎn)品家族更是提供高達512KB的多種內(nèi)存選擇，用戶選擇不同內(nèi)存大小的同時無需過多的工作量便可以快速遷移現(xiàn)有設(shè)計?？蔀闇y溫儀推薦的產(chǎn)品型號有：

表1 紅外體溫儀MCU產(chǎn)品型號推薦

圖1的方案中同時包括了TI豐富的電源管理（TPS61099， TPS62170， LP5907）、信號鏈（TLV333）和傳感器產(chǎn)品（TMP117）。

TPS61099x系列芯片是專門針對需要超低功耗應(yīng)用的升壓芯片，首先，靜態(tài)功耗僅僅為800nA（一直使能狀態(tài)），這個功耗幾乎和市面上所有的升壓芯片的shutdown功耗一樣，而且輸入電壓低至0．7V，可以完美支持單節(jié)干電池供電，同時在輸入1．5V，輸出3．3V/10uA條件下可達到82%的效率。TPS61099x系列芯片提供輸出可調(diào)版本和輸出固定版本兩種供客戶選擇，固定版本支持1．8V～5．0V幾乎各種常見輸出電壓。目前TPS61099x系列產(chǎn)品支持兩種封裝，WCSP（1．2mm x 0．8mm）和QFN（2mm x 2mm）。

TLV333運放是TI的零溫漂運放系列產(chǎn)品，具有高精度低功耗的特點。一方面，該運放的超低輸入失調(diào)電壓（15 μV max）和低溫漂（0．02利于最小化溫度檢測誤差，其軌到軌輸入/輸出性能幫助最大化動態(tài)范圍。另一方面，低靜態(tài)電流（28 μA max）、低電壓（1．8V to 5．5V）和小尺寸封裝（最小SC70封裝），加上的工作溫度范圍，非常適合手持式或電池供電的醫(yī)療設(shè)備。此外，該運放系列也有雙通道（TLV2333）和四通道（TLV4333）的選擇。

在某些系統(tǒng)中可能需要更快的建立時間和更低的噪聲來幫助加快溫度測量。對于這些情況，OPA388是替代TLV333的不錯選擇。 OPA388將提供較低的失調(diào)（最大值為5μV），較低的噪聲（7 nV / rt（Hz））和更快的建立時間（2μs），所有這些都將有助于最小化建立時間和所需的平均采樣數(shù)量達到指定的溫度分辨率。

TI具有多種運算放大器，可用于模擬傳感元件和ADC之間的信號接口。下表列出了其他可以適用于此設(shè)計的放大器，所有放大器均采用雙重封裝。

表2 用于信號接口的運算放大器推薦

TI提供了多種溫度傳感器，我們的高精度數(shù)字傳感器TMP117x在-20°C至50°C范圍內(nèi)的精度為±0．1°C。該器件集成了16位分辨率ADC，可通過I2C或SMBus與設(shè)計人員的數(shù)字控制器進行通信。該器件專為電池供電的系統(tǒng)而設(shè)計，因為它在停機時僅具有150nA的Iq消耗，并且每1Hz轉(zhuǎn)換周期只需要3．5μA。對于更具成本敏感性的數(shù)字溫度感測應(yīng)用，可以使用TI的TMP1075，它在?25°C至+ 100°C的范圍內(nèi)具有±1°C（最大值）的精度。對于在MCU元件中集成了ADC的系統(tǒng)，TI還提供了模擬溫度傳感器。 TMP23x提供了廣泛的設(shè)計靈活性，因為設(shè)計人員可以在±0．5°C至±6°C的精度和增益范圍內(nèi)進行選擇。

為了給ADC和感應(yīng)元件供電設(shè)計通常需要一個低噪聲，靈敏的電壓軌。低壓差穩(wěn)壓器（LDO）易于使用，并且能夠為敏感的模擬電源軌提供干凈，低噪聲的電源，因此這是一種常見的選擇。對于這種特定的需求，LP5907的超低噪聲（6．5 μVRMS），高紋波抑制（82 db @ 1 kHz）和低靜態(tài)電流（典型值為12μA，停機模式下為200nA ）讓它成為最佳選擇。這為ADC和傳感元件提供了所需的低噪聲軌（在過濾DC / DC紋波的同時還產(chǎn)生了很小的固有輸出噪聲），同時還為電池供電的應(yīng)用提供了低靜態(tài)電流（延長了電池壽命）。對于直接電池電源連接，TPS7A02是另一個不錯的選擇，因為它提供了納瓦級IQ（25nA，停機模式下為3nA），同時還提供了較高的PSRR，可用于后置DC / DC調(diào)節(jié)。 TPS7A02還具有出色的瞬態(tài)響應(yīng)，這對于占空比負載至關(guān)重要。

市場上有一些高端產(chǎn)品也包括低功耗藍牙（BLE）通信模塊。如果有興趣將其添加到系統(tǒng)中，CC2640R2F IC或CC2650MODA模塊則是非常適合。 TI的SimpleLink? 軟件能幫助設(shè)計人員盡快的完成開發(fā)過程。

為了減少電流的消耗，還可以使用諸如TPS2051x這樣的具有集成故障的負載開關(guān)，或者具有超低漏電流的TPS22916xx，都可以用于將BLE模塊與電池電源或任何其他直流電源斷開。這將允許系統(tǒng)延長電池壽命，同時為用戶增加其他功能。

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