張曉娟，付楊濤，成晉軍

(山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 太原 030619)

人類的體溫是非常重要的一項(xiàng)生理指標(biāo)，體溫的測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式，非接觸式測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)是在進(jìn)行體溫的測(cè)量時(shí)，不容易造成交叉感染、測(cè)溫速度快、不影響物體本身的溫度場(chǎng)等[1]。本文通過大量的實(shí)踐設(shè)計(jì)，目的在于設(shè)計(jì)一種較高精度的同時(shí)具有一定的誤差補(bǔ)償功能的非接觸式的紅外測(cè)溫系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主要流程：紅外測(cè)溫傳感器對(duì)物體紅外波段輻射能進(jìn)行采集，將采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過放大和ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳入微控制器中[2]。紅外傳感器內(nèi)置NTC信號(hào)直接接入STM32內(nèi)置ADC，該紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)受到環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和距離的影響，通過環(huán)境溫度模塊，環(huán)境濕度模塊和激光測(cè)距模塊分別對(duì)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和距離三方面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳入微控制器中，然后對(duì)測(cè)得的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出修正以后的紅外溫度測(cè)量值，在OLED12864中進(jìn)行顯示，通過WiFi模塊進(jìn)行無線傳輸，將溫度數(shù)據(jù)傳送給手機(jī)，通過USB接口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，利用無源蜂鳴器設(shè)計(jì)報(bào)警模塊，當(dāng)溫度高于37.5 ℃進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)測(cè)溫儀正常工作時(shí)顯示綠光，報(bào)警時(shí)顯示紅光，錯(cuò)誤時(shí)顯示藍(lán)光。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器電路電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)的選擇對(duì)于本設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，本次單片機(jī)需要考慮的范圍內(nèi)容包括性能的高低、功耗的大小、通訊的速度、穩(wěn)定性的好壞和封裝的形式。選取最適合本設(shè)計(jì)的單片機(jī)型號(hào)為STM32F103，它具備價(jià)格實(shí)惠、性能強(qiáng)大、資源完備等特點(diǎn)，能夠滿足設(shè)計(jì)所需；功耗有三個(gè)模式分別為：sleep、stop、standby，在standby形式下，只保存?zhèn)浞菁拇嫫骱痛龣C(jī)電流維持任務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗的作用；CPU幾乎不需要等待，非常接近計(jì)算機(jī)，而且更適應(yīng)于手機(jī)等設(shè)備，為后續(xù)的傳輸數(shù)據(jù)提供了更優(yōu)的條件。

STM32F103的工作電壓為2 V～3.6 V，工作溫度為-40 ℃～85 ℃，選用的是LQFP48封裝，系統(tǒng)時(shí)鐘最高可達(dá)72 MHz，通過將其他部分的裝置單元例如傳感器模塊、執(zhí)行單元、傳輸模塊等連接到相應(yīng)的引腳上，實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)具體的功能。

2.2 紅外傳感器電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的紅外傳感器是BM43THA紅外測(cè)溫傳感器，紅外光電傳感器在檢測(cè)是否有人經(jīng)過時(shí)會(huì)向目標(biāo)發(fā)出一束紅外光，當(dāng)有人經(jīng)過時(shí)就會(huì)將這束紅外光遮擋反射給傳感器的接收部分，此時(shí)就會(huì)判斷為有人經(jīng)過[3]。而在與單片機(jī)通信的電路中，紅外光電傳感器模塊在檢測(cè)到人時(shí)，STM32F103C8T6單片機(jī)會(huì)輸出低電平，無人時(shí)輸出高電平，在電路中紅外光電傳感器只需要三個(gè)引腳(電源輸入引腳、接地引腳、信號(hào)輸出引腳)與單片機(jī)通信即可。

圖1 高精度紅外測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.3 激光測(cè)距模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用VL53L0X激光測(cè)距芯片，該傳感器使用940 nm無紅外閃爍激光器，該頻段的激光為不可見光，不會(huì)危害人的眼睛，系統(tǒng)FOV可達(dá)25 ℃，測(cè)距范圍為2 cm～200 cm。正常工作模式下的功率為20 mW，待機(jī)時(shí)的電流僅有5 μA。SCL和SDA為連接MCU的IIC接口，MCU通過這個(gè)IIC接口來控制VL53L0X,XSHUT為芯片的片選引腳，用于MCU使能或者復(fù)位傳感器。而GPIO1引腳為中斷輸出引腳，使用時(shí)需要外部上拉電阻。

2.4 環(huán)境濕度電路傳感器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用DHT11對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)量以實(shí)現(xiàn)誤差修正。DHT11是一款能夠測(cè)量溫濕度的傳感器，其測(cè)量的核心元件是電阻式元件，測(cè)量濕度采用的是濕敏電阻，其相對(duì)濕度精度可達(dá)±5%RH。

本設(shè)計(jì)使用DS18B20溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)一步進(jìn)行補(bǔ)償，以提高紅外線測(cè)溫的精度。DS18B20通過PB12引腳與單片機(jī)連接，同時(shí)還連接了電阻R3，可以控制通信的穩(wěn)定，對(duì)人體體溫的讀取主要是通過兩個(gè)命令，先對(duì)時(shí)序初始化，啟動(dòng)DS18B20，發(fā)送轉(zhuǎn)換命令0x44；第二個(gè)是0xbe存儲(chǔ)命令，得到數(shù)據(jù)，若測(cè)得值為負(fù)值，就使用補(bǔ)碼，再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.5 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

該模塊的作用為顯示測(cè)溫讀數(shù)，采用SSD1306作為OLED驅(qū)動(dòng)芯片，SSD1306有256級(jí)的亮度控制等級(jí)，能夠通過IIC接口來接收MCU傳來的數(shù)據(jù)或者是命令。

2.6 無線通信模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所用無線通信模塊是ESPRESSIF的ESP8266，ESP8266能夠進(jìn)行開發(fā)和寫程序的部分占比更大，還可以連接云端，里面配置了10 bit高精度ADC，ESP8266系列不同的模組之間大部分是封裝上的，以及flash大小不一樣，裝置型號(hào)選擇使用ESP8266-12E。

ESP8266的TXD與芯片PA3引腳連接，RXD和PA2引腳連接，它能夠進(jìn)行信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，在收到串行信號(hào)以后要經(jīng)過轉(zhuǎn)變成無線信號(hào)，再發(fā)送到終端，同樣它也能夠?qū)o線信號(hào)轉(zhuǎn)回至串行信號(hào)發(fā)送給芯片。

3 總體程序設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)的配置以及初始化、檢測(cè)信息的收集、I/O控制、自動(dòng)模式的設(shè)計(jì)等使用開發(fā)設(shè)計(jì)STM32F103C8T6的軟件為Keil uVision5，包括編譯器、調(diào)試器等等，編程語言使用C語言，總體軟件流程圖如圖2所示。

圖2 總體程序流程圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款較高精度的基于紅外技術(shù)的測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體體溫的測(cè)量，并著力降低測(cè)溫距離、測(cè)溫時(shí)的環(huán)境溫度以及測(cè)溫時(shí)環(huán)境濕度對(duì)測(cè)溫精度造成的誤差[4]。設(shè)計(jì)以STM32F103為核心芯片，使用BM43THA紅外測(cè)溫傳感器進(jìn)行人體體溫的測(cè)量，引入VL53L0X激光測(cè)距模塊，DS18B20環(huán)境溫度測(cè)量模塊以及DHT11環(huán)境濕度測(cè)量模塊對(duì)紅外測(cè)溫的數(shù)值進(jìn)行誤差補(bǔ)償。本文所設(shè)計(jì)的紅外測(cè)溫系統(tǒng)通過對(duì)誤差進(jìn)行分析、電路的合理設(shè)計(jì)使得測(cè)溫精度得到了有效地提高。