紅外額溫槍、耳溫槍、體溫計(jì)設(shè)計(jì)完整方案

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

談判過(guò)程相當(dāng)搞笑，最終卻因?yàn)槠渲幸蝗丝人裕蠹伊ⅠR鳥獸散。新冠肺炎的突然爆發(fā)，給全球數(shù)個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的增長(zhǎng)都帶

來(lái)了負(fù)面影響。但疫情也讓平時(shí)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(hào)角，額溫槍也成為了新的緊俏產(chǎn)品。

01

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(guò)發(fā)現(xiàn)體溫異常人

員，采取及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及早隔離等措施，能夠有效防止疫情的擴(kuò)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(chǎng)所都在用這種紅外額溫槍進(jìn)行體溫測(cè)量。

02

體溫檢測(cè)工具分類

體溫檢測(cè)工具分接觸式和非接觸式兩類：

接觸式：

（1）玻璃體溫計(jì)（水銀體溫計(jì)）：是最常見的體溫計(jì)，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(shí)觀測(cè)；

（2）電子體溫計(jì)：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(lái)。

非接觸式：

紅外線體溫檢測(cè)儀（額溫槍、耳溫槍等）：通過(guò)測(cè)量耳朵鼓膜或額頭的輻射溫度，非接觸性地實(shí)現(xiàn)對(duì)人體溫度的測(cè)量。

傳統(tǒng)的接觸式體溫計(jì)，其測(cè)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、設(shè)備需與患者接觸，大范圍適用時(shí)存在交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，不適用于公共場(chǎng)合的快

速篩查。

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

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

03

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(lái)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(huì)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

04

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(zhǎng)分布

等都與物體表面溫度密切相關(guān)。反過(guò)來(lái),通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是

紅外輻射測(cè)溫的機(jī)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(zhǎng)一般為9-13μm，是處在0.76-100μm 的近紅外波

段。由于該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，也就是說(shuō)，人體向外輻射的紅外大小與環(huán)境影響無(wú)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(guò)對(duì)人體自身輻射紅外能量的測(cè)量就能準(zhǔn)確地測(cè)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(jì)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：?jiǎn)尉Щ蚨嗑N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(shí)，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(cè)量范圍：-50℃-100℃；

測(cè)量精度：0.1℃以內(nèi)，±0.1%以內(nèi)；

工作溫度：-20℃-+85℃；

最大測(cè)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(cè)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(jì)組成，可實(shí)現(xiàn)按鍵控制、LCD顯示、電量檢測(cè)等功能。

紅外測(cè)溫儀的工作過(guò)程 ：

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

被測(cè)物體輻射的紅外首先進(jìn)入測(cè)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(cè)器中，探測(cè)器的關(guān)鍵部件是紅外線傳感器，它的任務(wù)是把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào);從光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)

放大器和信號(hào)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(cè)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(gè)鍵確認(rèn)，一般耗時(shí)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(gè)鍵確認(rèn)。一般耗時(shí)20

④ 方案設(shè)計(jì)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(jìn)行軟硬件開發(fā)：

1. 殼有幾個(gè)功能鍵，分別什么作用

2. 液晶屏需多少個(gè)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(cè)試要求：

1.是否有黑體爐？精度0.02-0.05 C ，黑體是在測(cè)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(gè)出了問(wèn)題引致不斷測(cè)試修正也是不明確的因數(shù), 電子設(shè)計(jì)的工程師不

一定能解決不了此些問(wèn)題.

4.你有臨床實(shí)驗(yàn)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(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù))

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

05

紅外額溫計(jì)設(shè)計(jì)方案

方案簡(jiǎn)介

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

外額溫計(jì)對(duì)準(zhǔn)并靠近被測(cè)對(duì)象至數(shù)字接近式傳感器檢測(cè)的有效距離時(shí)，按下電源/測(cè)量鍵，并保持若干秒，則紅外額溫計(jì)

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

片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)數(shù)字溫度傳感器采集當(dāng)前環(huán)境溫度對(duì)傳輸?shù)臏囟葦?shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)溫度補(bǔ)償處理，并把修正后的溫度作

為當(dāng)前記錄編號(hào)存儲(chǔ)，同時(shí)判斷該溫度所處的LCD背光范圍，從而進(jìn)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(shí)還會(huì)進(jìn)行“嘀嘀嘀嘀嘀”報(bào)

警，最后語(yǔ)音播報(bào)當(dāng)前溫度。當(dāng)超過(guò)30 秒不使用，自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式省電。

方案硬件圖框

本非接觸式紅外額溫計(jì)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(yǔ)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(yùn)行和待機(jī)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(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RT

C)、看門狗定時(shí)器(WDT)、電源可編程電壓檢測(cè)（PVD）、中斷控制器、硬件真隨機(jī)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(jià)比高、存儲(chǔ)容量大、安全性高，功耗

低、接口豐富等特點(diǎn)。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(yǔ)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(diǎn)是電路穩(wěn)定、接口簡(jiǎn)單、便于調(diào)試，不足

是價(jià)格較高。傳感器信號(hào)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(hào)，然后通過(guò)內(nèi)部DSP信號(hào)處理專用集成芯片MLX90302與17-bit ADC進(jìn)行信號(hào)放大，信號(hào)處理等過(guò)程，由 PWM或SM

Bus方式輸出（與標(biāo)準(zhǔn)速度IIC兼容）測(cè)量精度可達(dá)0.2%，測(cè)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(cè)環(huán)境溫度，以便紅外傳感器作溫補(bǔ)提升精度，數(shù)字接近型傳感器用來(lái)檢測(cè)測(cè)溫時(shí)的有效距離。

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

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

采用桑尼奇的MTP10-B7F55，可以實(shí)現(xiàn)快速、高精度測(cè)溫，其內(nèi)置NTC可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度測(cè)量來(lái)進(jìn)行溫補(bǔ)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(bǔ)償 （b）硬件溫度補(bǔ)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(lái)判斷被測(cè)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(dòng)測(cè)量，保證測(cè)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(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度，以此從紅外溫度傳感器的測(cè)量值中剔除環(huán)境溫度，得出被測(cè)人體溫度，對(duì)紅外溫度傳

感器做補(bǔ)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(jì)包含5個(gè)獨(dú)立按鍵，分別為電源/測(cè)量鍵、SET鍵、UP鍵、DOWN鍵、MODE鍵，其中前4個(gè)鍵都有休眠喚醒功能。

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

SET鍵：按下按鍵進(jìn)行休眠喚醒后，進(jìn)入功能設(shè)置模式，每按1次依次對(duì)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(yǔ)音播報(bào)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(yǔ)音模塊

采用用語(yǔ)音芯片WTN1010/VC505來(lái)存儲(chǔ)語(yǔ)音片段，如‘十點(diǎn)’、‘℃’、‘℉’、‘一’、‘二’、、、‘九’、

‘嘀嘀嘀嘀嘀’等，通過(guò)選段播放并湊起來(lái)形成完整語(yǔ)音，驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲。

6.LCD顯示模塊

采用RFD-TA20001ZT-11來(lái)顯示當(dāng)前溫度、當(dāng)前記憶溫度、測(cè)量模式、電池狀態(tài)、語(yǔ)音開關(guān)狀態(tài)等信息。

方案功能規(guī)格：

1)測(cè)量方式：非接觸式

2)測(cè)量距離：3~8CM

3)測(cè)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(cè)量時(shí)間：<6s

5)測(cè)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(chǔ)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(yǔ)音播報(bào)

12)支持自動(dòng)關(guān)機(jī)省電

RJM8L151的優(yōu)勢(shì)：

1)超低功耗

多達(dá)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(zhǎng)電池的使用壽命。

2)內(nèi)置PVD可編程電壓檢測(cè)

可以對(duì)電池升壓后的輸入電壓實(shí)現(xiàn)快速階段式檢測(cè)與管理。

3)內(nèi)置12位高精度逐次逼近型ADC

可以直接對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)、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(duì)擴(kuò)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(shí)器

內(nèi)置有1路15位的看門狗定時(shí)器，可用來(lái)在系統(tǒng)運(yùn)行異常或死機(jī)的狀態(tài)下來(lái)復(fù)位系統(tǒng)，將系統(tǒng)回歸正常運(yùn)行，進(jìn)一步提

升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6)存儲(chǔ)器安全

對(duì)內(nèi)部Flash、SRAM等存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)了高強(qiáng)度物理防護(hù)電路，有效防止惡意代碼竊取和反向分析。

06

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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)放大,通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換由單片機(jī)釆集數(shù)據(jù)在內(nèi)部計(jì)算處理可以

得到相應(yīng)的溫度值。

完整電路系統(tǒng):

1、測(cè)量電路

2、時(shí)鐘電路

3、復(fù)位電路

額溫槍的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)

GB/T 21417.1-2008（醫(yī)用紅外體溫計(jì) 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(yàn)）；

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(yàn)）；

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(cè)量的臨床體溫計(jì)基本安全和基本性能的特殊要求）。

美國(guó)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(yàn)）；

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(cè)量的臨床體溫計(jì)基本安全和基本性能的特殊要求）。

韓國(guó)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(cè)量的臨床體溫計(jì)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(yàn)）；

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(píng)價(jià) 第5 部分：體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)）；

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