楊清志，王玉香，徐 宏

〈紅外應(yīng)用〉

便攜式紅外體溫計設(shè)計與溫度補(bǔ)償技術(shù)研究

楊清志，王玉香，徐 宏

（亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能工程系，安徽 亳州 236800）

紅外體溫計因安全衛(wèi)生、測量高效而備受青睞，發(fā)展迅速。但目前市場上的紅外體溫計存在測量誤差大、成本高等缺點(diǎn)，應(yīng)用受到限制。鑒于此，首先分析了影響紅外體溫計測量精度的各種因素，并給出具體影響程度的計算結(jié)果，然后利用STM32F407單片機(jī)作為控制核心，通過MLX90615紅外傳感器、DS18B20集成溫度傳感器、HC-SR04超聲傳感器等獲取信息，設(shè)計了一種面向醫(yī)院、家庭等的廉價、可靠的便攜式紅外體溫計，并給出溫度補(bǔ)償方法，最后通過實(shí)驗測試驗證了系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。測試結(jié)果表明，最大綜合誤差不超過0.15℃，具有一定的實(shí)用價值與參考價值。

紅外體溫計；STM32F407；溫度補(bǔ)償；MLX90615；異常報警

0 引言

通過體溫測量來判斷人體健康狀況是疾病檢查與診斷最常用而有效的手段[1]。目前用于體溫測量的溫度計主要有水銀體溫計、電子體溫計和紅外體溫計。水銀體溫計價格低廉使用簡單，且因其測量準(zhǔn)確而被作為體溫測量的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但水銀體溫計含汞毒存在安全隱患。2013年我國加入《關(guān)于汞的水俁公約》，公約規(guī)定到2020年年底前停止生產(chǎn)、進(jìn)口和出口含汞的體溫計和血壓計等產(chǎn)品。隨著《關(guān)于汞的水俁公約》的生效，水銀體溫計被淘汰已是必然。電子溫度計體積小、功耗低，便于攜帶和使用，但測量時間長，且精度易受自身非線性和自熱影響，其測量精度和長期穩(wěn)定性不好[2]。另外，電子溫度計屬于接觸式溫度計，使用時存在交叉感染的風(fēng)險。紅外體溫計采用紅外傳感器收集人體的溫度信息，使用時無需與病人接觸，安全衛(wèi)生，工作效率高，尤其是能夠在機(jī)場、車站等公共場所對具有發(fā)熱癥狀的人群進(jìn)行快速篩查，對于首發(fā)癥狀為發(fā)熱的流行病檢測與疫情傳播控制有著不可替代的作用。

紅外體溫計因快速高效、安全衛(wèi)生的突出優(yōu)點(diǎn)而受到高度重視，有著廣闊的發(fā)展前途與空間。目前對紅外體溫計的研究熱度非常高，研究內(nèi)容主要是紅外體溫計功能拓展、降低成本、減小干擾以及誤差修正與溫度補(bǔ)償?shù)?。?984年美國的David Philips實(shí)現(xiàn)第一支紅外耳溫計商業(yè)化量產(chǎn)以來，紅外測溫技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，目前已達(dá)較高水平[3-4]，商業(yè)化的紅外溫度計主要有紅外耳溫計、紅外成像儀和紅外額溫計。紅外耳溫計測量體溫時要深入耳道對準(zhǔn)鼓膜，因盡量避免外界干擾而測量相對準(zhǔn)確。但紅外耳溫計測量時仍與患者有接觸，測量時要包上一次性覆膜，操作不方便。紅外成像儀采集人體紅外線分布情況進(jìn)行后期分析處理，精度較高，但價格十分昂貴[5]。紅外額溫計操作最為簡單，便于攜帶和使用，因而受到消費(fèi)者的青睞，市場前景廣闊。但容易受大氣散射、環(huán)境溫度以及測量距離等干擾，測量精度不高，必須對測量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償、校正[6-8]。

2003年非典期間意大利特尼美公司（Tecnimed）針對發(fā)燒病人初步篩選推出非接觸式紅外額溫計Theimofocus，并獲得較高評價。近來又推出一款紅外額溫計Visiofocus 06400，自帶瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，并有自動校準(zhǔn)功能，但價格較高。2016年法國廠商Withings推出非接觸式額溫計Thermo，號稱當(dāng)時“讀數(shù)最快，測量最準(zhǔn)”，它使用16位紅外傳感器陣列，通過測量太陽穴顫動脈，2s就能進(jìn)行4000次以上測量，有專門算法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和補(bǔ)償，但價格昂貴。

在國內(nèi)，清華紫光、高德集團(tuán)等高科技公司也都對紅外測溫有過不遺余力地研究，并取得一定成果，但缺乏突破創(chuàng)新性能，實(shí)質(zhì)性進(jìn)展不大，很多紅外體溫計或配件都依賴進(jìn)口，市場上銷售的便攜式紅外體溫計質(zhì)量良莠不齊，價格差別較大，功能不盡完善。

鑒于以上分析，本文提出一種以STM32F407高性能單片機(jī)作處理核心，用MLX90615紅外傳感器探測人體體溫，并用DS18B20集成溫度傳感器測量環(huán)境溫度，HC-SR04超聲傳感器探測距離進(jìn)行溫度補(bǔ)償計算，用于額溫檢測的便攜式紅外體溫計的設(shè)計，具有一定的參考價值。

1 紅外體溫計原理

紅外線是一種位于無線電波與可見光之間的電磁波，波長在0.76～1000mm之間，任何物體只要溫度在絕對零度以上就能對外發(fā)射紅外線，人體體溫37℃左右，能對外發(fā)出波長10mm左右的遠(yuǎn)紅外線。紅外式溫度計容易受到環(huán)境條件，如環(huán)境溫度、測量距離等的干擾而影響測量結(jié)果，應(yīng)當(dāng)予以考慮并采取相應(yīng)的溫度補(bǔ)償措施，否則會影響測溫精度。

1.1 環(huán)境溫度影響

當(dāng)紅外線輻射到儀器等物體時，會發(fā)生吸收、透射和反射3個過程。它們滿足：

＋＋＝1 (1)

式中：為吸收系數(shù)；為反射率；為透射率。對于不透明物體，＝0，＋＝1。

當(dāng)紅外體溫計測量人體體溫時，實(shí)際接收到的是3個輻射能量，即人體輻射能量、環(huán)境輻射能量和環(huán)境射到人體又反射的能量，如圖1所示。

圖1 紅外體溫計接收輻射能量示意圖

設(shè)人體輻射溫度0，人體發(fā)射率0，環(huán)境溫度u，大氣溫度a，大氣透射率，由能量守恒可得：

由此求得紅外體溫計所得人體溫度：

可見，人體發(fā)射率大氣透射率及環(huán)境溫度等都影響測量精度，應(yīng)對其進(jìn)行研究、修正。

1.2 測量距離的影響

測量距離的變化會造成大氣透射率變化。假設(shè)物體輻射紅外線波長，在空氣中傳播距離后，大氣透射率為：

式中：是波長時的吸收系數(shù)。將(4)式代入(3)式得：

對于距離測量，一般采用激光測距和超聲測距。激光測距較為簡單，只需測量激光發(fā)射到返回時間即可算出距離，但由于激光能量極高，會對皮膚產(chǎn)生刺激，本身也是光輻射，因此會有一定影響。超聲測距原理與激光測距儀相同，也是利用探測聲波傳播時間來計算距離，滿足(6)式。但超聲波不會造成測量干擾。

式中：為一個來回的時間；為聲速。不過聲速不是常量，與氣體性質(zhì)有關(guān)，滿足(7)式：

式中：為介質(zhì)壓強(qiáng)；為介質(zhì)密度；為氣體熱容比。對于標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣，＝1.402，＝1.013×10－5Pa，＝1.293kg/m3，將這些數(shù)據(jù)代入(7)式可求得標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣中聲速為：0＝331.42m/s。當(dāng)溫度變化時，聲速為：

對(8)式用泰勒級數(shù)展開，可得近似公式：

2 硬件選擇與系統(tǒng)設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計采用高性能單片機(jī)作處理核心，通過紅外傳感器收集人體面部輻射信息，溫度傳感器探測環(huán)境溫度，位移傳感器測量距離，通過LCD液晶顯示器顯示測量信息，并將異常信號通過聲光報警器報警提示。為了方便測試和數(shù)據(jù)交換，設(shè)有與PC機(jī)的接口，其架構(gòu)如圖2所示。

2.2 單片機(jī)及外圍電路

本系統(tǒng)設(shè)計需要一款高性能單片機(jī)作處理核心。經(jīng)查閱相關(guān)資料，對比幾款高性能單片機(jī)的技術(shù)參數(shù)、性能特點(diǎn)和成本，綜合考慮性價比，本設(shè)計選用意法半導(dǎo)體的32位高速單片機(jī)STM32F407ZET6。該單片機(jī)采用意法半導(dǎo)體90nm工藝和自適應(yīng)實(shí)時（adaptive real-time, ART）存儲器加速器，1.8～3.6V低電壓供電，238mA/MHz的低電流消耗，工作主頻168MHz，封裝尺寸僅20mm×20mm×1.4mm，是典型的低功耗微型化高性能單片機(jī)，技術(shù)成熟，非常適合便攜式產(chǎn)品設(shè)計使用。單片機(jī)及外圍電路如圖3所示。為了降低設(shè)計難度，增加系統(tǒng)工作可靠性與穩(wěn)定性，本設(shè)計選用的紅外傳感器、溫度傳感器和位移傳感器均采用集成傳感器，各傳感器等外圍器件選型和工作原理如下。

圖2 紅外式體溫計架構(gòu)

圖3 單片機(jī)及其外圍電路

紅外傳感器選擇比利時邁來芯公司（Mrlexis）的MLX90615ESG-DAA數(shù)字式紅外傳感器[9]，該型號的紅外傳感器測溫范圍－40℃～115℃（傳感器溫度范圍－20℃～85℃），能夠根據(jù)環(huán)境溫度自動進(jìn)行溫度補(bǔ)償，分辨率0.02℃。尺寸極小，易于集成化設(shè)計，是醫(yī)療專用的人體體溫測量傳感器，其測溫精度如圖4所示，非常適合本設(shè)計使用。

圖4 MLX90615ESG-DAA基本精度

位移傳感器采用通用的HC-SR04超聲波模塊。該超聲波模塊技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，精確度高，使用方便[10]。工作時單片機(jī)首先通過PG0口給HC-SR04的trig端口發(fā)送一個頻率40kHz的脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）方波觸發(fā)信號讓其產(chǎn)生超聲波，當(dāng)超聲波射到被測物體發(fā)生反射而返回時，echo端口會捕捉到信號，送給單片機(jī)PG1口。單片機(jī)根據(jù)信號觸發(fā)到捕捉回聲的時間即可算出待測距離。HC-SR04量程2cm～4m，最大誤差2%，滿足設(shè)計要求。

溫度傳感器采用美國DALLAS公司的集成數(shù)字溫度計DS18B20。該傳感器集成度高，價格低廉，性能穩(wěn)定。采用單線接口，無需其他外圍器件，設(shè)計簡單。DS18B20的量程－55℃～125℃，精度±0.5℃。本設(shè)計中DS18B20只用于測量環(huán)境溫度以便對體溫測量值進(jìn)行修正，完全滿足設(shè)計要求。

為了能夠?qū)Ξ惓囟燃皶r報警，系統(tǒng)設(shè)計了聲光報警器。一旦發(fā)現(xiàn)測量體溫異常（范圍可設(shè)定，默認(rèn)低于36℃或高于37.3℃為異常），單片機(jī)會通過PG9口發(fā)送一個高電平信號觸發(fā)三極管Q1導(dǎo)通，使發(fā)光二極管D1和蜂鳴器F1開始工作，實(shí)現(xiàn)聲光報警。

此外，單片機(jī)外圍還有復(fù)位電路、串口接口電路等，不再贅述。

2.3 接口電路

為了能使系統(tǒng)進(jìn)行程序下載、調(diào)試，設(shè)計了接口電路，如圖5所示。

2.4 LCD顯示電路

為了能夠顯示測量信息，系統(tǒng)設(shè)計了顯示電路，如圖6所示。為了方便使用和改善顯示品質(zhì)，顯示器采用觸摸屏控制的薄膜晶體管液晶顯示器（thin film transistor liquid crystal display，TFT-LCD），并接到STM32F407單片機(jī)的可變靜態(tài)存儲控制器（flexible static memory controller，F(xiàn)SMC）總線。

2.5 電源電路

本系統(tǒng)設(shè)計中，溫度傳感器DS18B20、超聲傳感器HC-SR04和串口接口使用5.0V工作電壓，紅外傳感器MLX90615、報警器、接口電路和單片機(jī)STM32F407及外圍器件使用3.3V工作電壓，LCD顯示電路同時使用3.3V和5.0V工作電壓。為此，選用了7805模塊和AMS1117-3.3模塊設(shè)計了穩(wěn)壓電路，如圖7所示[11]。

3 溫度補(bǔ)償技術(shù)

3.1 環(huán)境溫度

由于MLX90615紅外傳感器自帶環(huán)境溫度補(bǔ)償與校正，可以不必對測量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但測量值并非人體體溫，原因有二：

圖5 接口電路

1）人體面部發(fā)射率的影響

人體表面皮膚的發(fā)射率為0.95～0.98，且不固定，會因各人的皮膚情況有所不同，而且會隨著環(huán)境溫度變化而變化，環(huán)境溫度高時面部血液循環(huán)加快而溫度升高，反之環(huán)境溫度降低時面部血管收縮血流量減少導(dǎo)致額溫降低。MLX90615紅外傳感器默認(rèn)的發(fā)射率是1，存儲地址為3h，寄存器發(fā)射率公式為dec2hex [round(16384×)]，可以進(jìn)行修改。但因為隨著環(huán)境溫度變化，必須進(jìn)行動態(tài)溫度補(bǔ)償。圖8是實(shí)驗測試的一組額溫隨環(huán)境溫度變化關(guān)系曲線。

由圖8可見，紅外傳感器在20℃～30℃范圍內(nèi)測溫比較準(zhǔn)確，當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃或高于40℃時誤差會急劇增大，必須補(bǔ)償。

2）人體額溫與體溫存在差異

一般來說，人體額溫比體溫要低1℃～2℃。臨床實(shí)驗表明，額溫與體溫對應(yīng)關(guān)系如圖9所示[12]。

圖6 LCD電路

圖7 電源電路

圖8 額溫隨環(huán)境溫度變化關(guān)系

圖9 額溫與體溫對應(yīng)關(guān)系

由圖9可見，額溫與體溫關(guān)系為一組折線，其中兩端的線性度較好。由于折線僅7段，為了計算精確，采用簡單的分段法給出7段擬合直線進(jìn)行補(bǔ)償（兩端線性度較好，采用延長線）。

3.2 探測距離

測量距離對紅外體溫計的影響表現(xiàn)在兩個方面，一方面是距離變化造成大氣透射率變化，另一方面是距離的變化會影響紅外傳感器的光學(xué)分辨率[13]。由于紅外體溫計的測量距離非常近，距離對透射率的影響可忽略，需要討論的是距離變化對光學(xué)分辨率的影響。圖10是在固定環(huán)境溫度25℃（此時環(huán)境溫度基本無影響）時實(shí)驗測試的一組額溫與探測距離的關(guān)系曲線。

由圖10可見，探測距離3cm以內(nèi)紅外傳感器測溫比較準(zhǔn)確，距離超過4cm時測量值急劇下降已不能正常工作。但距離過小也會因為補(bǔ)償過度而誤差增大，實(shí)際使用時測量距離在0.5～3.0cm之間比較準(zhǔn)確。

紅外傳感器的光學(xué)分辨率也稱距離系數(shù)，一般用距離與直徑之比來表示：

式中：為測量距離；為測量目標(biāo)的光斑直徑。查閱MLX90615技術(shù)手冊可知，其視場角為80°，人體額頭直徑約6cm，由圖11可知：

由此可見，其最大探測距離為約3.6cm，計算數(shù)據(jù)與圖10的實(shí)驗結(jié)果一致。為了測量準(zhǔn)確，實(shí)際使用時要小于這個距離。

圖10 額溫與探測距離關(guān)系

圖11 光學(xué)分辨率示意圖

3.3 溫度補(bǔ)償方法

由以上討論可知，紅外體溫計由于受到輻射體、環(huán)境溫度及測量距離等的影響而存在系統(tǒng)誤差，必須對測量結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的誤差修正。對于誤差修正采用的算法主要有最小二乘法、BP（back-propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（radial basis function，RBF）等。最小二乘法采用簡單的數(shù)學(xué)計算，算法最簡單，速度最快，但修正結(jié)果不是太理想。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于最小二乘法發(fā)展起來的一種復(fù)雜的非線性問題算法，其數(shù)學(xué)描述精確、處理過程清晰、自主學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、方法易于實(shí)現(xiàn)。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種高效的前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有最佳逼近性能和全局最優(yōu)特性，但算法復(fù)雜。綜合比較各種算法，本設(shè)計采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[14-16]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即誤差反傳網(wǎng)絡(luò)，它采用分層結(jié)構(gòu)，誤差反傳，其分類和記憶能力較好，運(yùn)算速度快，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖12所示，分為3層，如果輸出層輸出值達(dá)到理想值則直接輸出，如果超出期望值則反向傳播，不斷修改各層權(quán)值直到輸出值達(dá)到設(shè)定值。

圖12 BP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟是：

1）設(shè)定初始權(quán)值。

給輸入層、隱含層和輸出層設(shè)定初始權(quán)值。

2）給定樣本。

設(shè)第組樣本輸入輸出分別為：

3）計算輸出。

節(jié)點(diǎn)在第組樣本輸入時，輸出表達(dá)式為：

式中：Q為組樣本輸入節(jié)點(diǎn)的第個輸入。

4）計算樣本目標(biāo)函數(shù)。

第組樣本輸入時網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)函數(shù)E為：

式中：y()為在第組樣本輸入時經(jīng)次權(quán)值調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)輸出，為輸出層第個節(jié)點(diǎn)。

5）計算總目標(biāo)函數(shù)。

將每組目標(biāo)函數(shù)E疊加得總目標(biāo)函數(shù)：

6）計算偏差。

總目標(biāo)函數(shù)()與選的期望值0進(jìn)行比較。若()≤0不再計算直接輸出；若()＞0則繼續(xù)反向誤差傳遞計算。

7）反向誤差傳遞計算

反向誤差傳遞通過梯度下降法來計算。由輸出層、隱含層到輸入層的順序逐步反向調(diào)整各層權(quán)值，當(dāng)步長為時，由神經(jīng)元到神經(jīng)元之間權(quán)值調(diào)整為：

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是用這種不斷調(diào)整的反向誤差傳遞計算法逐步逼近輸入輸出之間的關(guān)系，直至找到滿意的擬合關(guān)系。本設(shè)計中，根據(jù)環(huán)境溫度和探測距離對測量額溫的影響，以及額溫和體溫差異，需要采集大量數(shù)據(jù)，利用MATLAB編程進(jìn)行擬合計算。

順便指出，體溫測量根據(jù)不同的測量部位分為口溫、腋溫和肛溫。體溫測量部位不同結(jié)果也不同，腋溫最低，肛溫最高，平常所提“體溫”一般指腋溫。為了便于使用，本系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)過溫度補(bǔ)償后最終顯示體溫指腋溫。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，利用C語言對單片機(jī)進(jìn)行了編程，系統(tǒng)工作流程是：

1）讀取程序和參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)開始工作后首先進(jìn)行自檢，如果沒有外部指令輸入，則自動讀取上次測量使用的程序和參數(shù)設(shè)置。如果因故更改程序或參數(shù)設(shè)置，則需通過接口電路讀取。

2）各傳感器讀取測量信息

單片機(jī)STM32F407初始化完成后會發(fā)出指令，命令紅外傳感器MLX90615、溫度傳感器DS18B20和超聲傳感器HC-SR04開始獨(dú)立工作，并將測量信息傳給單片機(jī)。

3）溫度補(bǔ)償計算

溫度補(bǔ)償計算是本設(shè)計的重點(diǎn)內(nèi)容之一，分兩步進(jìn)行，第一步：基本參數(shù)計算。系統(tǒng)首先根據(jù)DS18B20探測到環(huán)境溫度利用(9)式計算波速，再根據(jù)HC-SR04探測的超聲波傳播時間利用(6)式計算探測距離。再加上MLX90615所測量的額溫，溫度補(bǔ)償計算所需要的基本參數(shù)已具備；第二步：溫度補(bǔ)償計算。根據(jù)第一步的計算結(jié)果，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行溫度補(bǔ)償計算。

4）計算結(jié)果處理

系統(tǒng)會通過LCD顯示器顯示測量數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要進(jìn)行存儲（數(shù)據(jù)存儲條數(shù)可設(shè)置），以便調(diào)取、分析。同時根據(jù)程序設(shè)置判斷溫度是否異常，如果溫度異常則啟動聲光報警（系統(tǒng)默認(rèn)低于36℃或高于37.3℃為異常）。

系統(tǒng)主程序流程如圖13所示。

5 實(shí)驗測試

為了驗證本設(shè)計的可靠性，我們進(jìn)行了體溫測量實(shí)驗，分別在不同測量距離、不同環(huán)境溫度下對測試者進(jìn)行體溫測量，以檢驗距離補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償效果。為了真實(shí)反映額溫測量效果，沒有用其他熱源代替，選取A、B、C三人為實(shí)驗對象，其中A是健康成年男性，體溫正常；B為兒童，體溫正常；C為低燒患者。

5.1 距離補(bǔ)償效果測試

為了降低其他因素的干擾，我們選在室內(nèi)進(jìn)行不同測量距離效果測試。測試條件：室溫25℃，空氣清潔，濕度適中，無輻射。用某型號實(shí)驗室用高精度電子溫度計測量測試者的體溫（腋溫）作為標(biāo)準(zhǔn)值，與本系統(tǒng)設(shè)計的紅外體溫計不同測量距離下所測量的體溫（補(bǔ)償后的額溫）進(jìn)行對比，測試結(jié)果如表1所示。

由表1測試結(jié)果可見，對于測試者B的距離補(bǔ)償較為理想，測試者A的距離補(bǔ)償有所不足，而測試者C由于發(fā)燒，距離補(bǔ)償過度。綜合測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，理想測量距離為3.5cm以內(nèi)，超過5cm誤差明顯增大，實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)不超過4.5cm。

5.2 環(huán)境溫度補(bǔ)償測試

測試條件：室內(nèi)，空氣清潔，濕度適中，無輻射，測量距離2～3cm。在不同時段，測試不同環(huán)境溫度下測試者體溫測量效果，測試結(jié)果如表2所示。

圖13 系統(tǒng)主程序流程

由表2測試結(jié)果可見，測量誤差最大為0.1℃，滿足體溫測量要求。其中實(shí)驗對象A測量值總是偏低，可能與其面部皮膚發(fā)射率有關(guān)；測試對象B為兒童，體溫比成年人略高，面部皮膚發(fā)射率大，測量值總體偏高也屬正常。測試結(jié)果表明溫度補(bǔ)償效果較好。

5.3 綜合測試

為檢測系統(tǒng)設(shè)計在室外復(fù)雜環(huán)境下測量精度以及異常報警等功能是否正常，進(jìn)行了綜合測試，測試結(jié)果如表3所示。

由表3測試結(jié)果可見，綜合測試最大誤差為0.15℃，異常報警功能正常。其中光照對測量影響較大。

表1 距離補(bǔ)償測試結(jié)果

表2 環(huán)境溫度補(bǔ)償測試結(jié)果

表3 綜合測試結(jié)果

實(shí)驗測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)設(shè)計和誤差補(bǔ)償方法，能有效提高紅外體溫計的測量精度，測試結(jié)果表明驗證了本設(shè)計的可靠性與實(shí)用性。

6 總結(jié)

本系統(tǒng)設(shè)計采用的溫度補(bǔ)償方法，從理論上算出影響測量結(jié)果的各種因素定量關(guān)系，為實(shí)驗修正提供具體參數(shù)，避免了盲目的校正，對相關(guān)研究具有借鑒和遷移價值。同時，系統(tǒng)設(shè)計采用STM32F407高速單片機(jī)作為處理核心，能夠進(jìn)一步進(jìn)行紅外式溫度計的功能拓展研究，例如病人的遠(yuǎn)程無線監(jiān)護(hù)、利用人體體溫所發(fā)紅外線“導(dǎo)航定位”快速定位目標(biāo)人群、融入物聯(lián)網(wǎng)，在智能家居系統(tǒng)中監(jiān)測人的活動等。雖然紅外測溫在測量精度上還有一定誤差，但隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，測量精度會進(jìn)一步提高，紅外式體溫計的發(fā)展前景十分廣闊[17]。

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Design of Portable Infrared thermometer and Temperature Compensation Technology

YANG Qingzhi，WANG Yuxiang，XU Hong

(,,236800,)

Infrared thermometers are popular because of their safety, hygiene, and high efficiency. However, commercial infrared thermometers have large measurement errors and high cost, so their application is limited. Considering this, this paper first analyzes various factors that affect the measurement accuracy of an infrared thermometer and gives the calculation results of the specific influence degree. Then, using STM32F407 MCU as the control core, an MLX90615 infrared sensor, DS18B20 integrated temperature sensor, and HC-SR04 ultrasonic sensor to obtain information, a cheap and reliable portable infrared thermometer for hospitals and families is designed, and a method of temperature compensation is provided. Finally, the reliability of the system design was verified by testing. The test results show that the maximum comprehensive error is less than 0.15℃, which has definite practical value and reference value.

infrared thermometer, STM32F407, temperature compensation, MLX90615, abnormal alarm

R318.6，TP212.3

A

1001-8891(2021)06-0597-10

2020-10-10；

2021-01-12.

楊清志（1974-），男，副教授，碩士，主要從事自動化與傳感器等方面研究。E-mail：bzyqz@126.com。

安徽省教育廳質(zhì)量工程項目（2020kfkc335）；亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)科研項目（BKY2004）。