湖北久之洋紅外系統(tǒng)股份有限公司 赫少陽(yáng)

本文出于對(duì)人體健康監(jiān)控所需，設(shè)計(jì)了能夠快速響應(yīng)、非接觸、高精度的紅外熱成像測(cè)溫裝置。在本次設(shè)計(jì)中將STM32單片機(jī)作為系統(tǒng)核心微處理器，并設(shè)計(jì)了高精度紅外測(cè)溫傳感器、激光燈、顯示屏、蜂鳴器等附件。這樣設(shè)計(jì)能夠?qū)纹瑱C(jī)與計(jì)算機(jī)，運(yùn)用主、從一體化的無(wú)線藍(lán)牙穿透模塊相連接，從而無(wú)線傳輸測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)信息，方便及時(shí)記錄處理。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，用于遠(yuǎn)程紅外熱成像測(cè)溫監(jiān)控能夠快速測(cè)溫，高精準(zhǔn)度且對(duì)于人員密集流量較大情況下，滿足迅速測(cè)溫所需。

自我國(guó)爆發(fā)新型冠狀病毒疫情至今，體溫監(jiān)測(cè)就作為引起各界廣泛重視的重要問(wèn)題，怎樣有效且迅速的進(jìn)行人體測(cè)溫，已經(jīng)作為如今各界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題?，F(xiàn)有測(cè)溫設(shè)備包括了日常使用的電子體溫計(jì)、水銀體溫計(jì)等，在如今國(guó)際間嚴(yán)峻的新冠疫情背景下，非接觸式體溫計(jì)更是供不應(yīng)求，雖然現(xiàn)有多種類體溫計(jì)，但是在測(cè)溫精度上仍有多數(shù)不足，所以對(duì)判斷人體健康造成很大影響。隨著近年來(lái)各項(xiàng)新型技術(shù)水平的不斷提升，便攜式紅外線測(cè)溫儀已經(jīng)在工業(yè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域普遍使用。本文提出一種將STM32單片機(jī)作為核心設(shè)備，設(shè)計(jì)紅外熱成像測(cè)溫系統(tǒng)的新思路，與MLX90614紅外測(cè)溫傳感器還有無(wú)線藍(lán)牙傳輸模塊搭配設(shè)計(jì)，達(dá)到了遠(yuǎn)程紅外熱成像測(cè)溫與測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳輸。并與OLED顯示器、蜂鳴器以及激光燈等設(shè)備聯(lián)合使用，設(shè)計(jì)了便捷式人機(jī)交互、低成本、多功能、高精度且簡(jiǎn)易迅速的測(cè)溫系統(tǒng)。

1 紅外熱成像測(cè)溫理論基礎(chǔ)

無(wú)論任何物體溫度在達(dá)到（-273.15℃）這個(gè)絕對(duì)零度以上情況下，都會(huì)向外部產(chǎn)生電磁波輻射。物體所釋放的紅外能量會(huì)分布波長(zhǎng)，密切相關(guān)表面溫度，所以測(cè)量物體表面輻射紅外能量，可以對(duì)表面溫度準(zhǔn)確測(cè)量。以斯蒂芬-玻爾茲曼理論為依據(jù)，在測(cè)量輻射溫度時(shí)，利用輻射溫度測(cè)量法設(shè)計(jì)了數(shù)字傳感器（見(jiàn)圖1），被測(cè)量物體釋放的輻射線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)在光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)聚焦后形成電信號(hào)，并在電信號(hào)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換處理后最終獲得溫度數(shù)值。

圖1 輻射測(cè)溫傳感器原理圖

2 紅外熱成像測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本次設(shè)計(jì)紅外熱成像測(cè)溫系統(tǒng)，主要是為了能夠?qū)θ粘Ｎ锲?、人體、普通生產(chǎn)設(shè)備等目標(biāo)體進(jìn)行溫度測(cè)量，測(cè)溫的目標(biāo)范圍包括-30℃～350℃，設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)發(fā)射率（0.01～1），完成相應(yīng)物體測(cè)量，達(dá)到±0.1℃的測(cè)溫精度，0.02℃的測(cè)溫分辨率，測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)系數(shù)應(yīng)當(dāng)符合S:D，也就是測(cè)溫設(shè)備的探頭和測(cè)量目標(biāo)物體之間，距離和被測(cè)目標(biāo)物體的直徑比為10:1標(biāo)準(zhǔn)。在200ms測(cè)溫響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，能夠滿足多數(shù)測(cè)溫要求，3.3V低功耗系統(tǒng)運(yùn)行。

2.2 整體設(shè)計(jì)

在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要包括四部分（見(jiàn)圖2），將STM32單片機(jī)用于系統(tǒng)核心控制模塊，在紅外測(cè)溫該功能模塊包括了紅外測(cè)溫傳感器與附帶組件，HC-05藍(lán)牙應(yīng)用于無(wú)線傳輸模塊，OLED、激光燈和按鍵用于人機(jī)交互模塊。經(jīng)紅外測(cè)溫傳感器獲得被測(cè)量目標(biāo)溫度，單片機(jī)讀取后經(jīng)OLED屏顯示具體溫度信息，并經(jīng)無(wú)線藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)。

圖2 紅外熱成像測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 控制模塊

本次紅外熱成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)在核心控制功能模塊，運(yùn)用了STM32單片機(jī)，該單片機(jī)為32位微控制器，包括了電源、晶振、復(fù)位、BOOT電路為最小系統(tǒng)組成，能夠運(yùn)行于2V～3.6V，-40℃～85℃的工作溫度條件。該單片機(jī)能夠在運(yùn)行功耗較低，具備強(qiáng)大功能的嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行，或是應(yīng)用于多類通用型可升級(jí)系統(tǒng)方案中，在工業(yè)、安防、建筑、家電等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

3.2 紅外測(cè)溫模塊

紅外測(cè)溫傳感器功能模塊采用了MLX90614ESFDCI型號(hào)紅外測(cè)溫傳感器設(shè)備，該傳感器能夠在-40℃～125℃溫度條件下運(yùn)行，完成對(duì)-70℃～380℃溫度范圍內(nèi)的物體測(cè)溫，可以達(dá)到0.02℃的測(cè)量辨析度，在校準(zhǔn)距離系數(shù)后可得12:1。所以將此紅外溫度傳感器應(yīng)用于本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用SMBus輸出模式與單片機(jī)相連接，經(jīng)設(shè)計(jì)通訊程序完成有關(guān)內(nèi)部參數(shù)和參數(shù)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)。該傳感器在實(shí)際運(yùn)行中因?yàn)樵撔吞?hào)運(yùn)行性能良好，低成本、小體積、易集成所以廣泛應(yīng)用于空調(diào)溫度、玻璃防霧、家電溫控、工業(yè)監(jiān)控以及牲畜養(yǎng)殖等各領(lǐng)域。

3.3 無(wú)線傳輸模塊

無(wú)線傳輸該模塊經(jīng)HC-05主從一體化藍(lán)牙串口實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，2.0藍(lán)牙型號(hào)2.4GHz天線，外置8Mbit FLASH，3.3V工作低電壓，-25℃～75℃的可運(yùn)行溫度條件，經(jīng)AT命令切換至主從機(jī)傳輸，可以應(yīng)用于串口打印機(jī)、采集數(shù)據(jù)等。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸連接單片機(jī)串口，能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行中的設(shè)定程序發(fā)送數(shù)據(jù)，并將另一塊作為接收模塊連接USB接口，與上位機(jī)接收數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，能夠傳輸無(wú)線數(shù)據(jù)。

3.4 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊中主要組件分別是OLED顯示器，用于測(cè)溫、發(fā)射率以及單位、系統(tǒng)測(cè)量狀態(tài)等；按鍵用于操作功能模塊與發(fā)射率；激光燈用于對(duì)被測(cè)溫目標(biāo)物體快速測(cè)量；蜂鳴器作為測(cè)溫過(guò)程中的提示功能。

3.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序

在程序設(shè)計(jì)上基于主程序基礎(chǔ)框架，設(shè)計(jì)的模塊運(yùn)行子程序分別是處理按鍵事件、紅外測(cè)溫、藍(lán)牙傳輸。在主程序設(shè)計(jì)中首先初始化系統(tǒng)，點(diǎn)擊掃描按鍵等待用戶指令執(zhí)行子程序后，顯示OLED相關(guān)顯示信息；在按鍵事件處理程序中，對(duì)用戶按鍵功能進(jìn)行判斷，之后跳轉(zhuǎn)相應(yīng)子程序；在讀取紅外測(cè)溫程序，首先對(duì)內(nèi)部參數(shù)初始化，獲得停止位后判斷是否可以繼續(xù)讀取，發(fā)送起始位，之后在從機(jī)的地址與發(fā)送指令，假若發(fā)送后顯示正常即可發(fā)送起始位，對(duì)低8位、高8位數(shù)據(jù)讀取后，完成校驗(yàn)位讀取后成功發(fā)送停止位，這樣就表示完成讀取，否則需要測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行重新讀?。凰{(lán)牙發(fā)送子程序需要初始化函數(shù)參數(shù)，對(duì)連接狀態(tài)批判后判斷是否空閑發(fā)送有關(guān)數(shù)據(jù)，假若空閑則對(duì)數(shù)據(jù)直接發(fā)送，否則需要等待直至空閑重新發(fā)送。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試設(shè)計(jì)

為了證明本次基于STM32的紅外熱成像測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能，展開(kāi)和DS18B20溫度傳感器的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，測(cè)量水溫與人體體溫。在測(cè)量過(guò)程中一定要嚴(yán)格控制無(wú)關(guān)影響變量，在水溫測(cè)量過(guò)程中，由于紅外測(cè)溫主要測(cè)量的是表面水溫，所以在使用DS18B20溫度傳感器測(cè)量過(guò)程中，需要與水體表面相接近。在人體測(cè)溫時(shí)需要紅外傳感器單獨(dú)完成一組手表面溫度和額頭溫度對(duì)比測(cè)量。

4.2 測(cè)試結(jié)果

（見(jiàn)表1、表2）為本次對(duì)比測(cè)量結(jié)果，根據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的紅外測(cè)溫系統(tǒng)，達(dá)到了較高的測(cè)溫精度，獲得了較可靠的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。并且使用紅外測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量手表溫度和額頭溫度過(guò)程中，額頭溫度要明顯更高，在測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)該系統(tǒng)可以迅速溫度相應(yīng)，相較其他兩種測(cè)量方式在測(cè)溫速度上擁有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。并展開(kāi)無(wú)線傳輸測(cè)試與藍(lán)牙連接之后，將上位機(jī)打開(kāi)完成無(wú)線傳輸溫度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)能夠達(dá)到34.36～34.51℃測(cè)量范圍，達(dá)到0.2℃最大波動(dòng)值。

表1 紅外測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)比DS18B20溫度傳感器測(cè)量水溫

表2 紅外測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量手表面溫度、額頭溫度結(jié)果

結(jié)語(yǔ)：總而言之，通過(guò)本次提出基于STM32的紅外熱成像測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分別介紹說(shuō)明了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能模塊組成，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序，對(duì)比DS18B20溫度傳感器試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，本次設(shè)計(jì)用于遠(yuǎn)程紅外熱成像測(cè)溫監(jiān)控能夠快速測(cè)溫，高精準(zhǔn)度且對(duì)于人員密集流量較大情況下，滿足迅速測(cè)溫所需。