【应用】R7F0C002单片机在非接触式电子体温计的应用

本文介绍了瑞萨电子公司推出的R7F0C002单片机如何使用红外测温模块，采用非接触式的测量方式，准确测量人体温度或环境温度，并利用内置LCD 驱动器显示的应用方法。

非接触式电子体温计介绍

非接触式电子体温计是一种现代、安全的体温测量设备。非接触式电子体温计不用接触皮肤，只要把它靠近额头，在一定距离内，可以准确、快速显示温度。非接触式电子体温计主要利用红外测温模块采集人体表面温度，并转化为电信号，随之将电信号转换为数字信号，再发送到单片机。单片机处理数字信号后，由LCD 显示温度数值。如果被测温度超过37℃，蜂鸣器报警。非接触式电子体温计一键测量，操作简单。采用2 节干电池供电，通过按键切换“测量”模式和“待机”模式，超过30 秒不使用，自动进入“待机”模式非接触式电子体温计系统如“图 1”所示。

图1   非接触式电子体温计

红外测温原理介绍

非接触式电子体温计主要利用红外测温原理，一切温度高于绝对零度（-273.35℃）的物体，由于分子热运动，物体会不停地向外辐射能量。物体辐射能量的大小与它的表面温度有十分密切的关系。因此，通过测量物体辐射的能量，就能够测量出物体的温度。本文非接触式电子体温计就是利用这种测量方法，实现测量人体体温的功能。红外测温模块选用ZyTemp 公司的TN905 红外测温模块，其测温原理应用斯特凡-玻尔兹曼定律和维恩位移定律，是一种集成的红外探测器，内部有温度补偿电路和线性处理电路，TN905 模块数字输出接口为SPI 接口。具有相应速度快、精度高、稳定性好的特点。

测量模式

非接触式电子体温计采用2 节AAA 型干电池供电，供电电压为3V。当安装了2 个AAA 电池后，非接触式电子温度计处于“测量”模式，LCD 显示如“图 2”所示。

图2  “测量”模式

在“测量”模式下，按下“测量”按键，开始温度测量，此时蜂鸣器响，LED 灯点亮。当测量完成后，蜂鸣器关闭，LED 灯熄灭，提示测量完毕。LCD 以数字显示测量的温度数值，单位为摄氏度。温度测量有2 种模式：“体温”模式和“室温”模式，缺省为“体温”模式。“体温”模式测量人体温度，“室温”模式测量周边环境温度。“体温”模式和“室温”模式通过“体温”和“室温”2 个按键进行切换。“体温”测量模式下，LCD 显示如“图 3”所示。

图3 “体温”测量显示例

“室温”测量模式下，LCD 显示如“图 4”所示。

图4 “室温”测量显示例

待机模式

非接触式电子体温计采用电池供电，为了减少电流消耗，增长使用时间，设计了“待机”模式。在“测量”模式下，如果在 30 秒内没有按下“测量”按键按下，自动进入“待机” 模式。在“ 待机” 模式下，R7F0C002 处于 HALT 模式， LCD 关闭显示，蜂鸣器关闭， LED 灯熄灭，从而最大限度减少电量消耗。“开/关”按键可以切换“ 测量”模式和“ 待机” 模式。

设定模式

为了消除非接触式电子体温计的初始测量偏差，设计了“设定”模式。长按“测量”按键3 秒以上，进入“设定”模式，此时LCD 以1Hz 的频率闪烁。按下“室温”按键，偏差校正数字增加。按下“体温”按键，偏差校正数字减小。当设定完成后，再次按下“测量”按键，LCD 停止闪烁，偏差设定数据存入E2PROM 中。偏差校正分为“正校正”和“负校正”，“正校正” 如“图 5”所示。

图5 “正校正”显示例

“负校正” 如“图 6”所示。

图6 “负校正”显示例

在“测量”模式和“校正”模式下，LCD 左下角竖条指示电池电量。4 根竖条代表电池电量满格，随着电池电量的下降，竖条减少，当减少到1 根竖条时，请更换电池。

电路板介绍

去掉LCD 的非接触式电子体温计电路板正面如“图7”所示。

图7 非接触式电子体温计电路板正面（无LCD）

带LCD 的非接触式电子体温计电路板正面如“图8”所示。

图8 非接触式电子体温计电路板正面（带LCD）

非接触式电子体温计电路板背面如“图9”所示。

图9 非接触式电子体温计电路板背面

 硬件结构框图

非接触式电子体温计由主控MCU、按键电路、红外测温模块、E2PROM、蜂鸣器、LED 指示、电池电压采集电路、LCD 显示电路等构成。非接触式电子体温计的硬件结构框图如“图10”所示。

图10  非接触式电子体温计结构框图

主控MCU

非接触式电子体温计使用R7F0C002 作为主控MCU。R7F0C001 的Flash ROM 大小为32KB，RAM 大小为1.5KB。R7F0C002 MCU 主控电路及按键、LED 指示电路由R7F0C002、4 个按键、1 个LED 灯以及XT1 振荡电路，LCD 驱动电压连接电路等构成。KEY2~KEY4 接普通I/O 端口，采用按键扫描方式判断相应的按键按下。KEY1 接INTP0，可以将MCU 从HALT 模式中唤醒。R7F0C002 MCU 主控电路及按键、LED 指示电路如“图11”所示。

图11  MCU 主控及按键、LED 指示电路

红外测温模块接口

红外测温模块选用ZyTemp 公司的TN905 红外测温模块，其测温原理应用斯特凡-玻尔兹曼定律和维恩位移定律，是一种集成的红外探测器，TN905 模块采用3V 供电，数字输出接口为SPI 接口。红外测温模块接口如“图12”所示。

图12  红外测温模块接口

蜂鸣器控制电路

蜂鸣器由带内部偏置电阻的PNP 型三极管DTA114 和限流电阻R12(0~100 欧)来控制。蜂鸣器控制电路如“图13”所示。

图13  蜂鸣器控制电路

电池电压检测电路

非接触式电子体温计使用R7F0C002 的ANI1（BAT_ANI）管脚检测电池电压，用于监控和计算电池的电量。A/D 转换器的正（+）基准电压源由内部基准电压（1.45V）提供。当电池电量<25%时，电池电量指示标志只有一个被点亮“ ”；电池电量在25%~50%之间时，电池电量指示标志有两个被点亮“ ”；电池电量在50%~75%之间时，电池电量指示标志有三个被点亮“ ”；电池电量在75%~100%之间时，电池电量指示标志都被点亮“ ”。电池电压检测电路如“图14”所示。

图14 电池电压检测电路

E2PROM 控制电路

为了消除非接触式电子体温计的初始测量偏差，使用了一个E2PROM 存储设备来保存偏差设定数据。非接触式电子体温计选择了一个IIC 接口的E2PROM 芯片AT24C64A 作为存储芯片。E2PROM 控制电路如“图15”所示。

图15 E2PROM 控制电路

LCD 显示控制电路

显示部分由4 位10 段LCD 完成。R7F0C001 单片机装载有4~8 个COM 引脚，22~26 个SEG 引脚，可以独立完成LCD 的驱动控制。LCD 显示控制电路如“图16”所示。

图16  LCD 显示控制电路