董旭，馬友杰，朱龍飛，張存杰，謝颯

（鄭州西亞斯學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451150）

0 引 言

2019年底新冠肺炎疫情暴發(fā)，短時間內(nèi)遍及全球，疫情傳播迅速，嚴(yán)重危害人們的身體健康。被感染的顯著特征就是體溫度升高，因此測量體溫是否異常，是確認(rèn)是否被感染的常見方法。不論是工作還是學(xué)習(xí)，或者進入超市都要出示健康碼并進行體溫檢測。溫度檢測可以有效地確認(rèn)是否被感染，以便防止疫情擴散。我國在治理期間，在各個崗口對進出的人員進行體溫測量。然而測溫必須人人配合，帶來諸多不便，而且需要較多人力去落實工作，在人流量比較大的場所工作格外辛苦，所以就需要非接觸式的紅外體溫測量來減少任務(wù)量，然而成熟的電子裝置價格昂貴，在很多地方并不能普及，因此該項目設(shè)計制作一套成本較低的裝置，此裝置可以安裝在圖書館，教室，餐廳等封閉的公共資源環(huán)境的門禁上。

1 系統(tǒng)整體框架

如圖1所示，該疫情防控系統(tǒng)由MLX90614 紅外溫度傳感器、舵機、LCD1602 顯示模塊、蜂鳴器模塊以及52 單片機組成。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

因為該單片機擁有低功耗的功能，不需要高的電壓，正常5 伏電壓就可以驅(qū)動，所以選用該單片機。MLX90614 紅外溫度傳感器、舵機驅(qū)動模塊、LCD1602 顯示模塊均與單片機相連接，經(jīng)過單片機的處理，輸出需要傳輸?shù)拿}沖信號達到控制各個模塊的任務(wù)，各個模塊一起運行就可達到用溫度控制門的開閉。

紅外溫度傳感器通過測量人的體溫輸入到單片機里，通過該芯片的運算與正常溫度范圍的比較，然后輸出脈沖信號給舵機，由舵機來控制門的打開或關(guān)閉，這樣就可以隔離非正常體溫的人群了。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STC89C52 單片機

疫情防火墻的設(shè)計采用了52 單片機，這款單片機雖然比較老式，但性價比高，應(yīng)用范圍廣。單片機的最小系統(tǒng)由4 個模塊組成，使系統(tǒng)能夠正常運行，內(nèi)部的下載電路能讓設(shè)計者進行重復(fù)程序下載操作。串行端口的存在使單片機具有良好的通信功能，能進行模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。如圖2所示，該模塊處理速度相比于同類型單片機具有速度快的優(yōu)點，解決了許多嵌入式控制問題，易于使用。

圖2 STC89C52 單片機

2.2 紅外傳感器模塊

溫度傳感器有接觸式傳感器和非接觸式傳感器。由于接觸式傳感器必須與儀器和被測物體接觸并達到熱平衡，以便獲取背面物體的溫度，并且對環(huán)境溫度的干擾很敏感；另一方面，此種操作可能會影響疫情的二次傳播，非接觸式不用與被測物體接觸而且響應(yīng)時間更短，使用起來更安全方便，綜合考慮之后選用MLX90614，如圖3所示，該模塊具有體積小，易集成且精度高的優(yōu)點。MLX90614 紅外溫度傳感器模塊誤差穩(wěn)定在±0.02 ℃，這極大地減小了本次設(shè)計的誤差，且工作電壓為5 V 直接可以和單片機相連。需要注意的是：想測量溫度的話，必須使兩個物體達到熱平衡，這樣才能更加準(zhǔn)確的測量出它的溫度，局部形成的溫差也會對測量目標(biāo)的溫度造成影響，因此使用的時候要盡量保證避免這些情況的出現(xiàn)，這樣才能得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。使用該模塊不能在過高的環(huán)境下使用，這樣會損壞該模塊。

圖3 紅外傳感器模塊

MLX90614 紅外測溫模塊與單片機之間通信的方式有相同之處，跟IIC 通信方式很類似但又不全是IIC，它被叫作SMBus。這種通信方式需要使用兩個信號線進行通信，一條是時鐘雙向信號線，一條是數(shù)據(jù)線，它允許CPU 與各種外接器件以串行方式進行通信和交換信息。一方面，可以提高傳輸速度；另一方面，可以減少設(shè)備數(shù)量，避免其他元器件，長時間訪問該模塊，以便更高效地處理數(shù)據(jù)。不論這個接口有沒有與單片機進行連接，都不會對模擬效果產(chǎn)生任何影響。采集到的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)能夠存儲在006H 地址存儲設(shè)備中，把采集到的測量目標(biāo)溫度數(shù)據(jù)存儲在007H 地址存儲設(shè)備中。如果使用存儲在RAM 地址中的數(shù)據(jù)計算下面等式，這樣就得到了周圍的環(huán)境溫度和需要測試目標(biāo)的溫度。

Tomax：設(shè)定的測量物體溫度上限；Tomin：設(shè)定的測量物體溫度下限；Ta：即環(huán)境溫度范圍。

溫度上限的計算方法：

Tomax=100×（Tomax+273.15），將得到的數(shù)值存入000H 地址中。

測量溫度下限計算方法如下：

Tomin=100×（Tomin+273.15），將得到的數(shù)值存入001H 地址中。

2.3 舵機驅(qū)動模塊

該項目設(shè)計通道的打開和關(guān)閉采用的是sg90 舵機。如圖4所示，Sg90 舵機引出三條不同的線分別是信號線，電源線，接地線。

圖4 舵機驅(qū)動模塊

信號線直接與單片機的P 口連接進行通信。通過20 ms的周期內(nèi)不同的占空比來控制舵機的運行，該信號一般的脈寬為0.5 ms～ 2.5 ms，對應(yīng)于從零開始線性變化的方向盤轉(zhuǎn)動直到180°。如果給該舵機設(shè)定恒定的脈沖寬度，輸出軸保持恒定的角度，無論外部扭矩怎么隨意變化，新匹配位置的角度都不會改變，直到接收到不同寬度的脈沖信號才發(fā)生變化，才會改變新匹配位置的角度，在舵機的內(nèi)部有一個產(chǎn)生周期為20 ms，寬度為1.5 ms 基準(zhǔn)信號的電路。它和一個將基準(zhǔn)信號與外部信號進行比較的比較器進行對比，進而確定轉(zhuǎn)動的方向和幅度，從而產(chǎn)生準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動信號。控制電路在信號線上接收相應(yīng)的PWM 控制信號，進而控制電機轉(zhuǎn)動。發(fā)動機驅(qū)動一系列齒輪、制動器并傳送到輸出方向盤?？刂莆恢梅答伒碾娢黄髋c控制舵機輸出轉(zhuǎn)動的地方相連，當(dāng)想讓舵機轉(zhuǎn)動的時候，通過調(diào)節(jié)旋鈕可以改變反饋電位器進而會產(chǎn)生控制舵機轉(zhuǎn)動的占空比，舵機的控制部分會根據(jù)舵機的狀況不同決定它運行的情況。單片機通過定時器及中斷產(chǎn)生不同的占空比控制舵機轉(zhuǎn)動的角度，進而控制通道的打開和關(guān)閉。當(dāng)給入不同的占空比時舵機的轉(zhuǎn)動角度也不同，不同占空比時舵機轉(zhuǎn)動的角度如表1所示。

表1 高電平時間對應(yīng)的舵機轉(zhuǎn)動角度

2.4 顯示模塊

該設(shè)計使用易于使用的LCD1602 模塊。如圖5所示，該液晶模塊比傳統(tǒng)的屏幕更輕便，低功耗，與其他顯示器相比，LCD1602 的功耗主要消耗在內(nèi)部電極和驅(qū)動上，因此比其他顯示器消耗的功率要少得多，可以直接連接到單片機不外加驅(qū)動，LCD1602 液晶顯示模塊最多可顯示2 行16 個漢字。

圖5 顯示模塊

2.5 蜂鳴器報警模塊

該項目使用蜂鳴器作為報警模塊，如圖6所示，這款器件在生活中非常常用，在飛機和手機等設(shè)備應(yīng)用廣泛。如果要使蜂鳴器發(fā)出報警聲，那么單片機就需要一個低電平的信號元器件的體積很小，但聲音很大，當(dāng)元器件松動的時候不會使整個系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。

圖6 蜂鳴器報警模塊

2.6 按鍵電路

在單片機最小系統(tǒng)中，其主要部分有按鍵電路，主要由按鍵開關(guān)所組成，如圖7所示，當(dāng)按鍵按下的時候，單片機的引腳由高電位變成低電位實現(xiàn)對系統(tǒng)的輸入。

圖7 按鍵電路

3 軟件部分

如圖8所示，紅外識別模塊初始化后開始檢測溫度，把溫度數(shù)據(jù)傳送給單片機，經(jīng)過單片機和正常溫度的比較和處理，當(dāng)行人通過且行人的體溫正常時舵機保持不變，當(dāng)行人的體溫異常時，舵機轉(zhuǎn)動通道關(guān)閉過一段時間，再恢復(fù)打開狀態(tài)?？梢远x個角度的變量來控制舵機轉(zhuǎn)動的角度，需要注意的是：該舵機的運行周期不能超過20 ms。

圖8 軟件流程圖

4 調(diào)試

當(dāng)外接顯示器時中斷會打斷舵機的運行，導(dǎo)致單片機無法生成一個周期的波形信號，舵機就沒辦法正常運轉(zhuǎn)。當(dāng)時考慮過換用更高速率的單片機，這樣處理數(shù)據(jù)運算的能力肯定會提高，液晶顯示器打斷舵機的運行時間會變得非常小，甚至可以忽略不計。后來還嘗試通過電容濾波，把混亂的頻率給過濾掉，都不能達到滿意的效果。該項目是當(dāng)遇到行人的溫度過高時關(guān)閉通道如果行人溫度正常的情況下，舵機可以不用運行，后來改變程序的執(zhí)行方式，當(dāng)檢測到行人溫度異常的時候，才開始舵機的初始化，當(dāng)通道關(guān)閉后，舵機便不再運行，等下次檢測到人體溫度異常的時候，舵機再次運行。于是先進行了舵機控制信號的調(diào)試，發(fā)現(xiàn)接上舵機后液晶顯示亂碼，用示波器測單片機舵機引腳的信號輸出，發(fā)現(xiàn)信號輸出正常，但是接上舵機后發(fā)現(xiàn)該引腳信號輸出混亂，測量各個部位的信號變化以及電壓變化。發(fā)現(xiàn)當(dāng)座機運行的時候，單片機的電壓會被整體拉低，這樣很明顯就因為電壓不足導(dǎo)致的，經(jīng)過測試得出，當(dāng)輸入信號為5 V，0.6 A 的情況下，系統(tǒng)運行正常。經(jīng)過多次的實驗和測試，系統(tǒng)終于可以正常運行了。在系統(tǒng)運行的時候還發(fā)現(xiàn)液晶顯示模塊有背光，但是沒有顯示。然而在仿真的情況下卻一切正常，經(jīng)過查閱資料，發(fā)現(xiàn)是對比度的問題。因為前期的時候并沒有對屏幕的亮度進行調(diào)節(jié)，后來加了個滑動變阻器，控制液晶屏幕的亮度這樣就可以清楚地顯示出內(nèi)容了，如圖9所示。

圖9 調(diào)試圖片

5 結(jié) 論

該項目制作成本較低，此裝置可以安裝在圖書館，教室，餐廳等封閉的公共資源環(huán)境的門禁上。該裝置原理是通過紅外裝置測得人們的體溫的，把信號反饋給單片機，單片機對信號做出比較，如果該體溫符合人們的正常體溫則控制門禁打開。也就是說只有體溫正常的人通過，此裝置才會打開，人們才可以進入，這樣就有效隔離了發(fā)熱的病人，更好地保證了群眾的健康。