紅外額溫槍、耳溫槍、體溫計設(shè)計完整方案  |  FROM ZERO TO ONE

紅外額溫槍、耳溫槍、體溫計設(shè)計完整方案

最近網(wǎng)上有個很火的意大利視頻，講的是關(guān)于新冠狀病毒下兩大團伙拋棄原本販賣“k粉”的交易，改為做起了消毒液，

談判過程相當(dāng)搞笑，最終卻因為其中一人咳嗽，大家立馬鳥獸散。新冠肺炎的突然爆發(fā)，給全球數(shù)個產(chǎn)業(yè)鏈的增長都帶

來了負(fù)面影響。但疫情也讓平時需求量穩(wěn)定的防疫物資突然成了緊俏商品，比如口罩、酒精、消毒水。當(dāng)下，許多城市

的企業(yè)已經(jīng)吹起了復(fù)工的號角，額溫槍也成為了新的緊俏產(chǎn)品。

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返崗生產(chǎn)很重要，防控措施不能少。除了戴口罩之外，體溫篩查也成為疫情控制的一道重要防線。通過發(fā)現(xiàn)體溫異常人

員，采取及時發(fā)現(xiàn)、及早隔離等措施，能夠有效防止疫情的擴散。

目前人流密集的各交通關(guān)口、車站、醫(yī)院、住宅小區(qū)、超市、企事業(yè)單位等等場所都在用這種紅外額溫槍進行體溫測量。

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體溫檢測工具分類

體溫檢測工具分接觸式和非接觸式兩類：

接觸式：

（1）玻璃體溫計（水銀體溫計）：是最常見的體溫計，它可使隨體溫升高的水銀柱保持原有位置，便于使用者隨時觀測；

（2）電子體溫計：利用某些物質(zhì)的物理參數(shù)（如電阻、電壓、電流等）與環(huán)境溫度之間存在的確定關(guān)系，將體溫以數(shù)字

的形式顯示出來。

非接觸式：

紅外線體溫檢測儀（額溫槍、耳溫槍等）：通過測量耳朵鼓膜或額頭的輻射溫度，非接觸性地實現(xiàn)對人體溫度的測量。

傳統(tǒng)的接觸式體溫計，其測試時間過長、設(shè)備需與患者接觸，大范圍適用時存在交叉感染的風(fēng)險，不適用于公共場合的快

速篩查。

額溫槍這一非接觸式測溫儀器，成為疫情防控的重點物資。和家里日常用的水銀體溫計、電子體溫計不同，“額溫槍”根

據(jù)人體發(fā)射的紅外線輻射能來測定體溫，所以也被稱作手持紅外體溫檢測儀。

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紅外額溫槍拆解分析

為了更好的了解紅外額溫槍的技術(shù)原理，首先我們來拆解一下這種額溫槍，了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，拆開后我們會發(fā)現(xiàn)，其核心

技術(shù)在于紅外傳感器和主控板部分；

紅外額溫槍結(jié)構(gòu)圖

紅外額溫槍拆解內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

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紅外額溫槍技術(shù)原理

一切溫度高于零度（-273.15℃）的物體都在不停地向周圍空間發(fā)射紅外能量。其輻射特性、輻射能量的大小、波長分布

等都與物體表面溫度密切相關(guān)。反過來,通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是

紅外輻射測溫的機理。

人體與其他生物體一樣，自身也在向四周輻射釋放紅外能量，其波長一般為9-13μm，是處在0.76-100μm 的近紅外波

段。由于該波長范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，也就是說，人體向外輻射的紅外大小與環(huán)境影響無關(guān)，只是與人體含存

與釋放能量大小有關(guān)，因此，只要通過對人體自身輻射紅外能量的測量就能準(zhǔn)確地測定人體表面溫度。人體紅外溫度傳

感器就是根據(jù)這一原理，設(shè)計制作而成的。

① 紅外溫度傳感器

目前市面上的紅外溫度傳感器根據(jù)能量轉(zhuǎn)換所用材料不同，主要有以下幾種類型：

（1）熱釋電型：硫酸三甘肽、鉭酸鋰等

（2）熱電堆型：N型和P型的多晶硅

（3）二極管型：單晶或多晶PN結(jié)

（4）熱電容型：雙材料薄膜

（5）熱敏電阻型：氧化釩、非晶硅等 其實，這些類型都只是在接收紅外能量后，轉(zhuǎn)換方式和材料能效比不同而已。

目前耳、額溫槍采用的紅外傳感器均為熱電堆式，基本物理原理是塞貝克效應(yīng)。

熱電堆式溫度傳感器參數(shù)指標(biāo)：

測量范圍：-50℃-100℃；

測量精度：0.1℃以內(nèi)，±0.1%以內(nèi)；

工作溫度：-20℃-+85℃；

最大測量距離：≦0-50mm（加透鏡300-500mm）

輸出電壓：0-10mV；

熱電堆溫度傳感器最大量程范圍可以做到-60℃到+1200℃范圍

紅外熱電堆傳感器成品圖主要封裝形式有兩種：TO46(TO18)/TO39(TO5)；

② 紅外額溫槍芯片

紅外測溫槍額溫槍方案芯片F(xiàn)NK2032：

紅外溫槍核心芯片主要由ADC芯片和控制芯片設(shè)計組成，可實現(xiàn)按鍵控制、LCD顯示、電量檢測等功能。

紅外測溫儀的工作過程 ：

紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。

被測物體輻射的紅外首先進入測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)，再由光學(xué)系統(tǒng)匯聚射入的紅外線，使能量更加集中;聚集后的紅外線輸入

到光電探測器中，探測器的關(guān)鍵部件是紅外線傳感器，它的任務(wù)是把光信號轉(zhuǎn)化為電信號;從光電探測器輸出的電信號經(jīng)過

放大器和信號處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。

③ 人體額溫槍的校準(zhǔn)

人體額溫槍的校準(zhǔn)分為環(huán)境溫度與黑體溫度校準(zhǔn)

環(huán)境溫度：把傳感器置于25.00 +/-0.02 度水槽中，等穩(wěn)定后按下某個鍵確認(rèn)，一般耗時30秒。

黑體溫度：先把黑體爐調(diào)到37.00 +/-0.02度，再把傳感器塞入到黑體爐里，等穩(wěn)定后按下某個鍵確認(rèn)。一般耗時20

④ 方案設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)需要準(zhǔn)備什么?

首先要有配套的殼、液晶屏、傳感器、和產(chǎn)品規(guī)格。這樣芯片方案才可以進行軟硬件開發(fā)：

1. 殼有幾個功能鍵，分別什么作用

2. 液晶屏需多少個腳

3. 傳感器是數(shù)字的還是模擬

4. 產(chǎn)品規(guī)格：什么樣的電池供電，家用還是醫(yī)用，是否需要校準(zhǔn)

生產(chǎn)測試要求：

1.是否有黑體爐？精度0.02-0.05 C ，黑體是在測試階段已經(jīng)要有

2.工廠有恒溫房？中高低溫都可以調(diào)

3.是否懂弄散熱器? 結(jié)構(gòu), 光學(xué)組件和傳感器其中一個出了問題引致不斷測試修正也是不明確的因數(shù), 電子設(shè)計的工程師不

一定能解決不了此些問題.

4.你有臨床實驗資源?(找醫(yī)院, 他們有大中小, 發(fā)燒不發(fā)燒的人, 做一段時間測試數(shù)據(jù))

5.如果做醫(yī)規(guī)，你有國內(nèi)CFDA醫(yī)療資質(zhì)?國外叫FDA和CE Medical (CFDA最快要一年半去審批).

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紅外額溫計設(shè)計方案

方案簡介

非接觸式紅外額溫計是一種利用現(xiàn)代傳感器測量技術(shù)、微電子技術(shù)等技術(shù)手段對被測對象進行溫度測量的新型儀器。當(dāng)紅

外額溫計對準(zhǔn)并靠近被測對象至數(shù)字接近式傳感器檢測的有效距離時，按下電源/測量鍵，并保持若干秒，則紅外額溫計

內(nèi)部的紅外傳感器模塊就會進行溫度采集，并轉(zhuǎn)化為電信號，隨之將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，而后通過通信接口傳輸?shù)絾?/p>

片機。單片機通過數(shù)字溫度傳感器采集當(dāng)前環(huán)境溫度對傳輸?shù)臏囟葦?shù)字信號進行相應(yīng)溫度補償處理，并把修正后的溫度作

為當(dāng)前記錄編號存儲，同時判斷該溫度所處的LCD背光范圍，從而進行相應(yīng)的背光顯示：（35.0-37.4℃）體溫正常綠色背

光、（37.5-37.9℃）體溫偏高黃色背光、（38-42.9℃）體溫超高紅色背光，若體溫異常同時還會進行“嘀嘀嘀嘀嘀”報

警，最后語音播報當(dāng)前溫度。當(dāng)超過30 秒不使用，自動進入低功耗模式省電。

方案硬件圖框

本非接觸式紅外額溫計方案由超低功耗、高安全性的MCU:RJM8L151、電源模塊、按鍵模塊、紅外傳感器模塊、溫度傳

感器（模塊）、數(shù)字接近式傳感器模塊、環(huán)境溫度傳感器、語音模塊、喇叭及LCD顯示模塊組成，其硬件框圖如下所示：

1.微控制器MCU

采用武漢瑞納捷電子技術(shù)有限公司推出的超低功耗、高安全性的RJM8L151系列MCU。該芯片具備出色的運行和待機功

耗表現(xiàn)，支持4路IO喚醒芯片，內(nèi)部集成了12位高精度逐次逼近型ADC、2通道的多功能比較器、定時器、實時時鐘(RT

C)、看門狗定時器(WDT)、電源可編程電壓檢測（PVD）、中斷控制器、硬件真隨機數(shù)發(fā)生器、AES/DES/SM4硬件加

密引擎及通信接口：UATR、SPI、IIC、GPIO、ISO7816、JTAG等模塊，具有性價比高、存儲容量大、安全性高，功耗

低、接口豐富等特點。芯片支持采用KeiluVision或IAR集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)調(diào)試應(yīng)用代碼。RJM8L151系列安全MCU的硬

件框圖如下圖所示：

2.電源模塊

采用2節(jié)AAA規(guī)格的干電池供電，利用電壓轉(zhuǎn)換芯片維持電源模塊的輸出電壓，以保證MCU、紅外傳感器、數(shù)字接近型傳

感器、語音芯片、LCD屏等模塊在電池電壓下降的情況下正常穩(wěn)定工作。

3.傳感器模塊

3.1 體溫傳感器模塊可以選擇兩種不同的策略：

A）采用集成紅外感應(yīng)模塊，模塊包括紅外熱電堆傳感器和專用處理芯片，優(yōu)點是電路穩(wěn)定、接口簡單、便于調(diào)試，不足

是價格較高。傳感器信號可選用MLX90614、HMS K1C1 F5.5以及10TP583T等，其中舉例如下：

紅外傳感器MLX90614的紅外感應(yīng)部分為81101熱電單元， 81101為紅外熱電堆傳感器，其接收目標(biāo)物體的紅外輻射信

號，然后通過內(nèi)部DSP信號處理專用集成芯片MLX90302與17-bit ADC進行信號放大，信號處理等過程，由 PWM或SM

Bus方式輸出（與標(biāo)準(zhǔn)速度IIC兼容）測量精度可達0.2%，測量速度快，低功耗MLX90614支持睡眠模式。數(shù)字溫度傳感

器主要用于測環(huán)境溫度，以便紅外傳感器作溫補提升精度，數(shù)字接近型傳感器用來檢測測溫時的有效距離。

B）采用熱電堆傳感器+外圍電路，優(yōu)點是成本較低，不足是小信號放大和處理電路、溫度補償電路需要仔細(xì)設(shè)計和調(diào)試，

產(chǎn)品設(shè)計周期較長。傳感器信號可選用MTP10-B7F55、RTP678等、其中舉例如下：

采用桑尼奇的MTP10-B7F55，可以實現(xiàn)快速、高精度測溫，其內(nèi)置NTC可以實現(xiàn)環(huán)境溫度測量來進行溫補以提升精度，

其應(yīng)用方式可以靈活選擇，原理如下：

（a）軟件溫度補償 （b）硬件溫度補償

（c）模擬接口 （d）數(shù)字接口

3.2數(shù)字接近型傳感器

用來判斷被測物體與PIR傳感器間的距離，只有在最佳物距比的情況下才啟動測量，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，

例如TMD26721。

3.3 環(huán)境溫度傳感器

其作用是獲取測量時的環(huán)境溫度，以此從紅外溫度傳感器的測量值中剔除環(huán)境溫度，得出被測人體溫度，對紅外溫度傳

感器做補償。有的環(huán)境溫度傳感器被集成到熱電堆傳感器中，如MTP10-B7F55。

4.按鍵模塊

設(shè)計包含5個獨立按鍵，分別為電源/測量鍵、SET鍵、UP鍵、DOWN鍵、MODE鍵，其中前4個鍵都有休眠喚醒功能。

電源/測量鍵：按下按鍵進行休眠喚醒后MCU執(zhí)行一次溫度測量，完成后顯示當(dāng)前溫度

SET鍵：按下按鍵進行休眠喚醒后，進入功能設(shè)置模式，每按1次依次對應(yīng)以下功能：

F1 顯示單位切換：默認(rèn)為°C，按下UP鍵則切換為°F，按下DOWM鍵則切換為°C；

F2 語音播報開關(guān)ON/OFF：默認(rèn)開ON,按下UP鍵則切換為ON，按下DOWM鍵則切換為OFF；

F3 刪除溫度記錄；

UP鍵：從當(dāng)前溫度記錄往上翻，直至溫度記錄32，再翻一次轉(zhuǎn)到溫度記錄1；

DOWN鍵：從當(dāng)前溫度記錄往下翻，直至溫度記錄1，再翻一次轉(zhuǎn)到溫度記錄32；

MODE鍵：人體/體表模式切換；

5.語音模塊

采用用語音芯片WTN1010/VC505來存儲語音片段，如‘十點’、‘℃’、‘℉’、‘一’、‘二’、、、‘九’、

‘嘀嘀嘀嘀嘀’等，通過選段播放并湊起來形成完整語音，驅(qū)動喇叭發(fā)聲。

6.LCD顯示模塊

采用RFD-TA20001ZT-11來顯示當(dāng)前溫度、當(dāng)前記憶溫度、測量模式、電池狀態(tài)、語音開關(guān)狀態(tài)等信息。

方案功能規(guī)格：

1)測量方式：非接觸式

2)測量距離：3~8CM

3)測量模式：

人體模式:32.0-42.9℃(89.6-109.3°F)

體表模式:0.0-99.9℃(32.0-211.9°F)

4)測量時間：<6s

5)測量準(zhǔn)確度：±0.2℃(35.0°-42.0℃);±0.3C(其他范圍)

6)顯示分辨率:0.1°C或0.1°F

7)顯示單位：℃（攝氏度）與°F（華氏度）

8)支持32組儲存記憶

9)支持三色背光顯示

體溫正常綠色背光（35.0-37.4℃）

體溫偏高黃色背光（37.5-37.9℃）

體溫超高紅色背光（38-42.9℃）

10)支持電池低壓顯示

11)支持語音播報

12)支持自動關(guān)機省電

RJM8L151的優(yōu)勢：

1)超低功耗

多達6種低功耗管理模式可供選擇，其中深度睡眠功耗5nA，外部喚醒小于5us并支持4路IO喚醒，Halt模式下功耗低至

0.4uA且RAM數(shù)據(jù)保持等，可大大延長電池的使用壽命。

2)內(nèi)置PVD可編程電壓檢測

可以對電池升壓后的輸入電壓實現(xiàn)快速階段式檢測與管理。

3)內(nèi)置12位高精度逐次逼近型ADC

可以直接對電池進行實時、精確的電壓采集以便數(shù)字化顯示及掌握電池的使用狀態(tài)。

4)豐富的通信接口

芯片支持UATR、SPI、IIC、GPIO、ISO7816等，對擴展功能而言，外圍設(shè)備可以有更多的通信方式選擇。

5)15位的看門狗定時器

內(nèi)置有1路15位的看門狗定時器，可用來在系統(tǒng)運行異常或死機的狀態(tài)下來復(fù)位系統(tǒng)，將系統(tǒng)回歸正常運行，進一步提

升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6)存儲器安全

對內(nèi)部Flash、SRAM等存儲單元設(shè)計了高強度物理防護電路，有效防止惡意代碼竊取和反向分析。

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耳溫槍數(shù)字電路技術(shù)

數(shù)字處理法原理是將熱敏電阻和熱電堆的信號轉(zhuǎn)換成電信號經(jīng)放大,通過A/D轉(zhuǎn)換由單片機釆集數(shù)據(jù)在內(nèi)部計算處理可以

得到相應(yīng)的溫度值。

完整電路系統(tǒng):

1、測量電路

2、時鐘電路

3、復(fù)位電路

額溫槍的檢測標(biāo)準(zhǔn)

中國

GB/T 21417.1-2008（醫(yī)用紅外體溫計 第1部分：耳腔式）；

GB 9706.1-2007（醫(yī)用電氣設(shè)備第1部分- 安全 通用要求）；

YY 0505-2012（醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分：安全通用要求并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容要求和試驗）；

歐盟CE認(rèn)證

IEC60601-1:2005+A1:2012（醫(yī)用電氣設(shè)備第1部分：基本安全和基本性能的通用要求）；

IEC60601-1-2:2014（醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn):電磁兼容 要求和試驗）；

IEC60601-1-11:2015（醫(yī)療電氣設(shè)備.第1-11部分：基本安全和基本性能的一般要求.并行標(biāo)準(zhǔn):家用醫(yī)療保健環(huán)境使用的

醫(yī)療電氣設(shè)備和醫(yī)療電氣系統(tǒng)的要求）；

ISO80601-2-56:2017（醫(yī)用電氣設(shè)備 第2-56 部分：體溫測量的臨床體溫計基本安全和基本性能的特殊要求）。

美國FDA 510(k)認(rèn)證

IEC60601-1:2005+A1：2012（醫(yī)用電氣設(shè)備第1部分:基本安全和基本性能的通用要求）；

IEC60601-1-2:2014（醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn):電磁兼容 要求和試驗）；

IEC60601-1-11:2015（醫(yī)療電氣設(shè)備.第1-11部分：基本安全和基本性能的一般要求.并行標(biāo)準(zhǔn):家用醫(yī)療保健環(huán)境使用的

醫(yī)療電氣設(shè)備和醫(yī)療電氣系統(tǒng)的要求）；

ISO80601-2-56:2017（醫(yī)用電氣設(shè)備 第2-56 部分：體溫測量的臨床體溫計基本安全和基本性能的特殊要求）。

韓國KFDA或CB轉(zhuǎn)證

ISO80601-2-56:2017（醫(yī)用電氣設(shè)備 第2-56 部分：體溫測量的臨床體溫計基本安全和基本性能的特殊要求）；

IEC60601-1:2005+A1:2012（醫(yī)用電氣設(shè)備第1部分：基本安全和基本性能的通用要求）；

IEC60601-1-2:2014（醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn):電磁兼容 要求和試驗）；

IEC60601-1-11:2015（醫(yī)療電氣設(shè)備.第1-11部分：基本安全和基本性能的一般要求.并行標(biāo)準(zhǔn):家用醫(yī)療保健環(huán)境使用的

醫(yī)療電氣設(shè)備和醫(yī)療電氣系統(tǒng)的要求）；

ISO10993-5:2009（醫(yī)療器械生物學(xué)評價 第5 部分：體外細(xì)胞毒性試驗）；

ISO10993-10:2010（醫(yī)療器械生物學(xué)評價 第10 部分：刺激與皮膚致敏試驗）。