湖南省常德芷蘭實驗學(xué)校 劉宸瑞 王南淞

一、研究背景

在新冠肺炎疫情下，體溫檢測是疫情防控的第一道關(guān)口。目前，紅外體溫檢測儀被應(yīng)用在公共場所，對辨別疑似病例發(fā)揮了重要作用。

但是，紅外體溫檢測儀只能近距離測溫，距離過遠會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，更不便于個人在小范圍內(nèi)快速隱蔽地測量體溫。

于是，我們設(shè)計隱蔽式非接觸體溫偵測與預(yù)警裝置，這種裝置可提醒人們在出行時遠離疑似病例，防止病毒感染。

二、基本思路

利用各種傳感器、Arduino 模塊、振動馬達和電源等組裝裝置，通過程序設(shè)計進行溫度補償，保證裝置測溫與預(yù)警的精準(zhǔn)性，幫助人們辨別新冠肺炎疑似病例，避免與他們接觸。

三、制作過程

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計

隱蔽式非接觸體溫偵測與預(yù)警裝置由三部分構(gòu)成。第一部分是感知系統(tǒng)，由紅外測溫傳感器、激光測距傳感器組成，實現(xiàn)溫度與距離的非接觸監(jiān)測；第二部分是控制系統(tǒng)，由Arduino 模塊與程序構(gòu)成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與處理，并向輸出設(shè)置發(fā)出控制指令；第三部分為警示系統(tǒng)，由振動馬達與電源組成，實現(xiàn)報警與能源供應(yīng)。裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1

工作流程：將隱蔽式非接觸體溫偵測與預(yù)警裝置固定在眼鏡架上，開啟電源，左右擺動頭部快速篩選高溫物體，如有發(fā)現(xiàn)立刻報警。

（二）制作樣機

我們在老師的指導(dǎo)下一起制作隱蔽式非接觸體溫偵測與預(yù)警裝置。

1.3D 打印裝置盒，之后對3D 打印件進行處理，方便安裝紅外模塊（如圖2）。

2.處理Arduino 模塊，以適應(yīng)3D 打印件的空間（如圖3）。

3.刮去漆包線上的漆，為焊接作準(zhǔn)備（如圖4）。

圖2

圖3

圖4

4.將Arduino 模塊、紅外測溫傳感器、激光測距傳感器、振動馬達、3.7V鋰電池和微型開關(guān)等組裝在一起。

（三）程序設(shè)計

程序控制模塊由Arduino 微處理芯片、紅外測溫傳感器和激光測距傳感器組成，可實現(xiàn)遠距離測溫、測距，并通過程序設(shè)計進行溫度補償。

紅外測溫傳感器測得的溫度會隨自身與被測物體的距離變化而變化，與被測物體距離越遠，其顯示的值越小，所需補償?shù)臏囟戎稻驮酱?。我們通過用紅外體溫檢測儀測溫來了解測得的溫度與距離之間的關(guān)系（如圖5）。

然后，我們利用米思齊可視化編程平臺進行程序設(shè)計，程序設(shè)計流程如圖6 所示。

圖5

圖6

四、測試效果

我們把隱蔽式非接觸體溫偵測與預(yù)警裝置裝在眼鏡架上（如圖7），然后進行效果測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，測溫探頭離被測目標(biāo)越遠，讀數(shù)越小，精確度不如水銀體溫計和電子體溫計。

圖7

于是，我們嘗試通過距離對溫度值進行補償。經(jīng)多次試驗驗證紅外測溫傳感器測得的溫度隨距離變化而變化，但這種變化沒有規(guī)律，無法通過距離進行溫度補償。

五、改進設(shè)計

（一）改進思路

隱蔽式非接觸體溫偵測與預(yù)警裝置由紅外測溫傳感器、凸透鏡組、Arduino 模塊、振動馬達和電源組成，利用凸透鏡成像原理，保持遠紅外線在不同距離情況下導(dǎo)入紅外測溫傳感器的光線量一致，降低距離對溫度檢測精度的影響，并通過程序設(shè)計進行溫度補償，保證其精準(zhǔn)性。

（二）凸透鏡光學(xué)溫度補償原理

當(dāng)物距大于2 倍焦距時，像距在1 倍焦距和2 倍焦距之間，成倒立、縮小的實像，此時像距小于物距，像比物小，物像異側(cè)。

被測物體越遠，所成實像越接近1 倍焦距。被測物體越近，所成的實像越接近2 倍焦距。而紅外測溫傳感器感應(yīng)頭位置固定，紅外光線攝入量保持不變，所測得的溫度值也保持不變。

（三）作品構(gòu)造

改進后的隱蔽式非接觸體溫偵測與預(yù)警裝置由三部分構(gòu)成。第一部分是感知系統(tǒng)，由紅外測溫傳感器、凸透鏡組組成，實現(xiàn)溫度與距離的非接觸監(jiān)測；第二部分是控制系統(tǒng)，由Arduino 模塊與程序構(gòu)成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與處理，并向輸出設(shè)置發(fā)出控制指令；第三部分為警示系統(tǒng)，由振動馬達和電源組成，實現(xiàn)報警與能源供應(yīng)。裝置結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8

（四）程序設(shè)計

程序控制模塊由Arduino 微處理芯片、紅外測溫傳感器和振動馬達組成，實現(xiàn)遠距離測溫，并通過程序設(shè)計進行溫度補償。程序設(shè)計流程如圖9 所示。

圖9

改進后的隱蔽式非接觸體溫偵測與預(yù)警裝置如圖10，我們把它固定在眼鏡架的一側(cè)，如圖11。

圖10

圖11

借助這個裝置，我們可以快速地從人群中篩選出那些體溫超過正常值的人，避免病毒感染。

六、創(chuàng)新點

隱蔽式非接觸體溫偵測與預(yù)警裝置小巧，裝在眼鏡架上，能隨頭部擺動測溫，十分便利。

這個裝置利用凸透鏡成像原理自動進行溫度補償，可實現(xiàn)遠距離測溫，解決紅外體溫檢測儀不能遠距離測溫的問題。同時能快速篩選高溫人群，并振動報警，方便使用者不動聲色地遠離疑似體溫異常者。

老師推薦：

作者關(guān)注社會熱點，緊跟時代潮流，利用光學(xué)原理巧妙設(shè)計出隱蔽式非接觸體溫偵測與預(yù)警裝置，方便使用者遠離體溫超過正常值的人，防止病毒交叉感染。他們運用的發(fā)明方法與原理值得中小學(xué)生借鑒。