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        基于微處理器和外部傳感設備實現(xiàn)的自動人體測溫系統(tǒng)

        2020-06-22 13:11:01萬裕車文博桑祺
        科技創(chuàng)新與應用 2020年18期
        關鍵詞:單片機測量系統(tǒng)

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        摘? 要:新冠病毒具有強大的傳染性,給全世界的醫(yī)療衛(wèi)生組織都帶來了難題。針對其顯著癥狀之一的發(fā)熱,我們設計了一種基于距離傳感器和紅外溫度成像模塊AMG8833等,通過多傳感器數(shù)據(jù)融合技術實現(xiàn)的人體溫度測量反饋系統(tǒng)。文章以STM32F103C8T6與西門子S7-200系列PLC為硬件基礎,圍繞測量、處理、顯示和控制四個模塊給出了簡易的設計模型,可實現(xiàn)較為完善的功能。

        關鍵詞:紅外溫度成像模塊AMG8833;STM32F103C8T6;西門子S7-200系列PLC

        中圖分類號:TN219 文獻標志碼:A? ? ? ? ?文章編號:2095-2945(2020)18-0040-02

        Abstract: Novel coronavirus is highly contagious, which brings problems to medical and health organizations all over the world. Aiming at the fever which is one of the obvious symptoms, we design a human temperature measurement feedback system based on distance sensor and infrared temperature imaging module AMG8833, which is realized by multi-sensor data fusion technology. Based on the hardware of STM32F103C8T6 and Siemens S7-200 series PLC, this paper presents a simple design model around four modules of measurement, processing, display and control, which can realize more perfect functions.

        Keywords: infrared temperature imaging module AMG8833; STM32F103C8T6; Siemens S7-200 series PLC

        引言

        2020年初,新型冠狀病毒引發(fā)的肺炎疫情爆發(fā)。時至今日,全球已有幾百萬人感染,疫情防范刻不容緩。研究表明,對于新冠肺炎,發(fā)熱是其顯著癥狀,傳統(tǒng)方式需要在小區(qū),學校門口安排專人時刻在崗,同紅用紅外測溫儀對進入的車輛行人一一檢測,費時費力,同時增加了站崗人員的染病隱患。為此我們擬設計一個簡易的基于微處理器的人體測溫反饋系統(tǒng),以便于實時監(jiān)控與自動檢測行人體溫。

        本系統(tǒng)的核心為熱成像技術,選用AMG8833熱成像模塊來監(jiān)測周圍溫度,通過非接觸探測紅外熱量,然后內(nèi)部處理轉換為電信號,進而將熱圖像與測得溫度于顯示器上直觀顯示,同時將識別的人體溫度與標準溫度進行比較,判斷該行人是否有發(fā)熱癥狀。硬件方面以STM32F103C8T6與西門子S7-200系列PLC為核心,以紅外成像模塊作為外設,構成了一個簡單的測溫反饋系統(tǒng),著重于對于發(fā)熱與正常溫度行人的區(qū)分以及對于二者完成不同的控制內(nèi)容,來實現(xiàn)更多場景的應用。

        1 系統(tǒng)模塊設計分析

        在本設計中,測量模塊為基本模組,用于外部溫度以及被測人體距離的獲取;處理模塊為核心模塊,選用stm32單片機對采集到的數(shù)據(jù)進行修正處理以及設置顯示模塊成像顏色;控制模塊為實現(xiàn)模組,選用西門子S7-200系列PLC,并使其與單片機建立串行通信系統(tǒng),充分發(fā)揮快速高效的特點。

        1.1 單片機與 PLC 的基本理論

        單片機是典型的嵌入式微控制器,相當于一個微型計算機,可以構成各種各樣的應用系統(tǒng),但想要實現(xiàn)既定的功能,還必須與其它元器件及軟件構成系統(tǒng),在其應用系統(tǒng)中,PLC是一個重要的功能模塊。PLC是微機技術與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術相結合的產(chǎn)物,其開關量控制系統(tǒng)的程序用順序功能圖來描述,具有可靠性高,通用靈活性強的特點,特別是PLC的程序編制,不需要專門的計算機編程語言知識,而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式,使用戶程序編制形象、直觀、方便易學。

        1.2 測量模塊

        在系統(tǒng)中,AMG8833紅外熱成像傳感器通過一個8*8的陣列實現(xiàn)了二維區(qū)域的溫度檢測(如圖1所示),輸出64個紅外測溫讀數(shù),相當于集成了64個紅外溫度傳感器,對比一般的設備,其具備更高的集成度和測量精度;測量范圍小于7m,在0℃-80℃之內(nèi),具有±2.5℃之內(nèi)的誤差,我們可以通過多次測量減小誤差,以達到使用要求。研究表明,距離會對目標溫度產(chǎn)生一定的測量偏差。根據(jù)數(shù)據(jù),使用matlab軟件繪制測量溫度隨距離變化曲線如圖2所示,A為實際溫度,B為紅外測量溫度,可見隨著距離的增加,偏差逐漸增大。為此,我們加入距離溫度補償算法,對測得的溫度進行修正。同時,選用HY-SRF05超聲波測距傳感器測量距離,此模塊自動發(fā)送8個40kHz的方波,并自動監(jiān)測返回信號,識別范圍為2-450cm,精度高達3mm,滿足設計要求。

        1.3 處理模塊與顯示模塊

        STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器,CPU主頻72MHz,具備64kB閃存程序存儲器,20K字節(jié)RAM,37個通用I/O口,以及SPI、IIC、USART等通信模塊,將測量模塊連接至處理模塊,處理完成后將輸出信號送至PLC以完成剩余任務。

        PLC選用西門子S7-200 系列。相比于傳統(tǒng)的PLC,其整體設計緊湊且具有強大的通信功能,在自動化控制領域應用廣泛;其控制系統(tǒng)由基本單元、個人計算機、STEP7-Micro/WIN編程軟件以及通信電纜構成,在需要進行擴展時,還可以增加數(shù)字量/模擬量擴展模塊、通信網(wǎng)絡設備及相應的多種控制軟件。

        對于處理后的結果添加附屬顯示模塊,在此我們選擇使用一塊0.96寸、分辨率為128*64的OLED屏幕作為外設,滿足64個測得溫度數(shù)值的顯示來增強直觀性。在接入屏幕之前,通過連接電腦上位機對于顏色的選取進行調試,處理后得到的8*8個溫度數(shù)據(jù),使上位機顯示出矩陣形式的溫度數(shù)值以供觀察。

        1.4 控制模塊

        在此模塊我們采用STEP7-Micro/WIN編程軟件進行主控PLC的程序設計,該編程軟件是西門子公司為S7-200系列PLC單獨設計的梯形圖編程軟件,可實現(xiàn)實時通信、在線監(jiān)控等功能。梯形圖語言作為PLC最常采用的編程語言,因其與繼電器線路類似而受到廣泛使用。PLC在收到單片機發(fā)送來的信號之后,控制電機使道閘進行抬起、放下或保持不動,同時每當放行一次過后單片機內(nèi)部計數(shù)器加一,便于記錄當日人流量。控制模塊需要實現(xiàn)的功能包括初始化參數(shù)、PLC與單片機通信并控制道閘、顯示人流量等。

        1.5 軟件算法

        為實現(xiàn)目標功能,我們設計有距離補償、溫度顯示與反饋、PLC通信三部分軟件算法。由于距離偏差的增大會降低測溫精度,我們采用距離補償算法來修正。根據(jù)實驗數(shù)據(jù),推導距離-溫度補償公式1,其中x為測量距離,y為紅外測得溫度。[1]溫度修正完成后得到精度較高的測量溫度,將在顯示屏或上位機顯示,我們選取不同顏色來表示不同范圍內(nèi)的溫度數(shù)值,根據(jù)人體標準溫度與環(huán)境通常溫度范圍,選取25-35℃,35-37℃、37-38℃、高于38℃四個范圍用不同顏色模擬熱成像顯示;同時與37.2℃進行比較,若小于此數(shù)值,返回放行信號,否則禁止通行。單片機與PLC之間一般采用異步串行通信方法,單片機的串行端口有數(shù)據(jù)寄存器SBUF,在一定條件下,單片機向SBUF寫入數(shù)據(jù)時啟動發(fā)送過程,向PLC發(fā)送命令幀格式,其包括特殊標志碼、PLC站號以及呼叫字符,結束后PLC立即做出響應,同時向單片機發(fā)出響應幀,然后完成對道閘的控制。[2]當一個道閘抬放周期之后,PLC內(nèi)部人數(shù)計數(shù)器加一,可方便的查看每一日的人流量,便于實施管理。[3]

        2 結論

        本文介紹了一個功能較為完善的自動人體測溫系統(tǒng),并且通過測距模塊對真實溫度進行修正,增加了系統(tǒng)的可用性,大幅提高了系統(tǒng)的精度。同時將STM32嵌入式單片機與西門子S7-200系列PLC相結合,提高了系統(tǒng)的性能,同時增強了系統(tǒng)的應用范圍,可在諸如學校、餐館、辦公樓等人流量較大的環(huán)境中投入使用,節(jié)省了勞動力,避免了交叉感染,同時系統(tǒng)配套設計了外部保護設施,保證了系統(tǒng)能在各種惡劣環(huán)境下運行。

        參考文獻:

        [1]葛澤勛,曹秒,安志勇.基于距離補償?shù)募t外測溫系統(tǒng)設計[J].長春理工大學學報(自然科學版),2019,42(02):57-60+64.

        [2]王琳,李欣,楊靖宇.PLC與單片機之間的串行通信及應用[J].電子測試,2019(14):86-87.

        [3]周柱,孫嬌娜.基于樹莓派和Python的人體隨動測溫系統(tǒng)的設計[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2018,56(10):61~64.

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