【《基于单片机的一种红外测温仪的结构设计》8700字】

［摘要］体温作为人体健康的一个重要指标,体温过高或过低均对人体健康带来影响。随着新冠病毒在全世界的肆意流行，体温是判断身体是否异常的一个最直观的指标。目前人们对测温仪的精度、可靠性和智能型要求越来越高。当前市场上的非接触式测温仪虽种类繁多，但存在精度不足、显示不稳定和价格相对昂贵等缺点。本文将结合性能稳定、成本低的STM32F103C8T6单片机和精度高、灵敏性强的MLX90614非接触式红外传感器，通过了解实际使用需求，结合硬件设计及运行程序编辑，设计与制造一套精度高，使用简便，成本较低的红外测温仪。最后通过验证，结果表明本设计的红外测温仪精度高达±0.02℃，性能稳定，符合预设目标。［关键词］红外测温；单片机；STM32F103C8T6；MLX906141前言1.1课题研究背景及意义目前，常用的人体测温有水银体温计、电子体温计等设备,而电子体温计有接触式体温计和非接触式体温计[1]。目前，随着科技进步，医疗技术随之迅速发展，其中医疗诊治最基础的体温测量方法方式也有了改变，传统的接触式测温技术已无法满足当前医疗需要，如今年爆发的新冠肺炎病毒一个很重要的指标就是体温，然而新冠肺炎病毒传染性极强，如果为检测体温而需要进行接触式测温，存在交叉传染的风险，若为避免测温环节出现交叉感染，则需要经常消毒接触式测温计或每人配备单独测温计，成本高且实现难度大。因此非接触式测温优势得到了体现，且得到了医疗系统的广泛应用，但市面上非接触式测温仪种类繁多，且基本都存在测量精度不够，不稳定的缺陷，直接影响温度测量的结果[2]。为此，本课题研究主要针对目前国内外医用测温仪的现状，提出并设计一种非接触式、高精度、高稳定性和检测迅速的红外测温仪。本文提出的基于STM32F103C8T6单片机的MLX90614非接触红外测温仪系统，具有非常重要的意义。该系统打破了传统水银体温计的测温方式，非接触式红外测温仪使用便捷，无需繁琐的测试程序，可迅速检测出人体温度，提升体温检测的效率，实现稳定性强、精度高和测温范围广的性能。本课题设计的红外温度检测仪自动化、智能化水平高，符合医用等公共场所的需求，具有良好的实用价值。1.2国内外研究现状经过国外多年来的研究，外国红外线温度测定技术达到了较高技术水平。但是，国内红外温度测定技术起步比较晚，与外国红外测温技术还有一定距离。现阶段国外红外线测定技术水平要高国内，但国内，在市场及实际使用需求的推动下，经过国家政策的支持及研发技术人员的努力，国内红外温度测定技术水平正在不断提高。生产的红外测温仪性能越来越好，测量精度不断提升，功能越来越多样化，逐步实现了LCD显示、语音播报等多种功能。在科技高速发展的时代，红外测温技术正朝着高精度性、高稳定性、功能多样，价格低廉的发展方向。外国医疗器械制造企业生产的医疗用的红外温度计的特点是感知检测速度快，准确度高、使用简便，受到众多国内厂家的青睐。国内学者杨志巍和张朝龙在《基于单片机的红外测温装置设计》文中提出，国外医疗器械公司意大利特尼美公司（Tecnimed）生产的Thermofocus非接触式体温计，精度和检测速度均获得了国际认可，可迅速筛选出大人群中体温过高的病人，大大节省了人力。最近些年来该公司又设计、生产了具有数字显示功能的红外线温度计Visisfocus06400，同时具有手动校准和自动校准两种功能，较好的提升了目标测量位置自主选择。同时，该款红外体温计可应用于人体各个不同部位，如口腔、腋下等，使用范围广。Visisfocus06400红外测温仪虽功能强大，但其售价在国内约为500元，价格相对昂贵[3]。在国内，很多高新技术型企业已开始投入资源研究，开发红外测温技术，现阶段虽已有进展，但仍然与国外的红外测温技术存在着一定的距离。因此，研发中国自主设计与制造的红外测温仪意义重大。白春丽、沈慧南和韩旭波在《基于单片机的智能红外测温系统》文中提出，国内研发的红外测温仪缺乏新颖的功能，并且感知检测速度慢，精准度较低。在国内青岛路博建业环保科技有限公司生产的LB-107门式热成像测温仪,在市面上得到了市场的广泛应用，在一些人流量大的学校、海关和机场等场所均有见到该仪器的身影。该款红外测温仪主要通过检测人体额头的红外辐射来实现测温，并装配了自动报警功能，当检测到温度过高时自动发出报警，提醒当事人及时就医。此款测温仪价格昂贵，售价近五万元，不适用于普通家庭使用[4]。综上所述，研发一款精度高、检测迅速和成本低廉的红外测温仪，具有极为重要的意义。选用价格相对较低的控制元件和测量元件，通过优化和提高红外线温度探测控制算法以达到降低制造成本，提高测量精度的效果，是目前红外测温仪技术的研发方向。单片机作为核心控制器，控制功能强大，逻辑编程能力强，在多年发展下技术成熟，性价比高，在电子设备生产制造中占据着越来越重要的位置。结合多篇论文的研究，STM32F103嵌入式单片机相对于51/52等其他类型的单片机，功能更加强大，系统更加稳定，价格相对低廉，该芯片在测温系统中应用广泛[5]。对比现在市场上的测温模块和依据确保避免交叉感染，得到结论，即Melexis公司所生产的MLX90614型号的非接触测温模块是最符合要求的测温模块芯片，测量时只需在其距离范围内就可以测量，且避免了交叉感染，精确度高，外围电路简单，是一款性能好、价格低的红外测温传感器[6]。因此，本课题以STM32F103单片机为控制元件，以MLX90614非接触式测温传感器为温度检测元件，设计一款具有高稳定性、高精度和低成本的红外测温仪。1.3课题研究目标及内容本课题将结合性能稳定、成本低的单片机和精度高、灵敏性强的非接触式红外传感器，设计与制作一套低成本、精度高的红外测温仪。主要研究内容如下：（1）研究市场上非接触式红外测温仪的基本情况非接触式红外检测仪朝着智能化的方向发展，从刚开始仅有温度检测与显示的单一功能，逐渐发展为自动语音播报和报警的多样化功能。市场上的红外测温仪虽种类繁多，但质量参差不齐。温度检测迅速、精度高和稳定性强的红外测温仪，往往价格昂贵，高达几千甚至上万元。而价格低廉的红外测温仪，往往温度检测不准确，影响人们健康体温的判断。（2）研究单片机和非接触式温度传感器的原理及电路设计根据资料查阅，分析单片机和温度传感器各个端口的接线原理。基于AlitumDesigner、ProtelDXP等设计电路的软件，研究STM32F103系列的单片机红外测温系统的电源供电电路、时钟电路、温度检测电路、显示电路、复位电路和报警电路的连接及电路设计。（3）研究红外测温系统的软件程序设计的原理根据红外测温系统的功能，基于KeiluVision4单片机编程软件，研究系统子程序模块、测温模块、显示模块、报警模块等各个部分的软件编程设计。（4）研究红外测温仪的软件仿真和实物焊接及调试技术根据红外测温仪电路原理图，基于proteus仿真软件，进行红外测温系统的仿真，实现仿真系统的功能。结合红外测温仪pcb设计图，研究红外测温仪实物焊接的技术要点。实物焊接完毕后，进行相应的功能调试，检验温度检测的精度和报警功能。2系统硬件部分的设计2.1系统方案的选取与分析2.1.1单片机的选取方案1：STC89C52单片机STC89C52单片机是一款CMOS8位的微小型控制芯片，常用于功能较为简单、I/O点数要求低的控制系统。该款单片机的性能比较稳定，可靠性高、价格低廉、功耗低，具有可编程的Flash存储器，内存数据容量为8K。STC89C52单片机因其廉价性和稳定性强的优点，常用于大学生电子设计实训中。该款单片机嵌入式功能低，仅仅适用于功能简单的系统，处理复杂的数据往往会出现卡顿、发热的现象。方案2：STM32F103C8T6单片机STM32系列是专门为要求性能优越、成本低廉、功耗较低的嵌入式应用设计的ARMCortex-M3内核，广泛适用于实现复杂功能的工业电子电路中。STM32F103C8T6是STM32中的增强型系列，功能更为稳定，嵌入式功能更强大。其中改进的增强型系列时钟频率达到72MHz，是同级产品中性能表现最好的，从闪存执行代码，功耗为36mA，是32位市场上功耗表现最低的产品，相当于0.5mA/MHz。综合比较以上两种方案，STM32F103C8T6单片机相对于STC89C52单片机，系统更稳定，实现的功能更强大，符合复杂系统的需求。因此，选取STM32F103C8T6单片机作为本设计的控制芯片。2.1.2选取显示屏方案1：LCD1602液晶显示屏1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块(显示数字和字符)。方案2：LED显示屏LED数码管显示是要采用七段发光二极管封装在一起组成"8"字型来实现数字的显示的，需要结合驱动电路来实现。价格可能比较廉价，但是其功耗较高，清晰度相对显示效果也较低。LED数码管显示屏展示一个数字需要的编程较多，使用较为复杂，往往适用于显示功能要求较为简单的系统。综合比较以上两种方案，LCD1602液晶显示屏相对于LED数码管显示屏，能耗较低，能耗是LED的1/10。且LCD1602液晶显示屏显示功能更加强大，编程更简单。故选择方案1中的LCD1602液晶显示屏作为本设计的显示屏。2.1.3温度传感器的选取方案1：热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器是根据周围环境温度变化而改变自身电阻温度的温度传感器，依次在电阻两端施加电压和电阻传送电流，通过A/D转换模块把模拟电压和电流转换成数字值，再由微控制器传送。若使用由10条线路组成的温度感应模块，则需要增加A/D转换模块，且因为热敏电阻的电阻与温度之间的关系是高度分线性的，所以精度不高，仅为±0.2℃。热敏电阻需要人体触碰才能检测出温度，不符合公共场合使用。为实现热敏电阻的精准测温，需要增加PID控制，设计将变得较为复杂。方案2：MLX90614温度传感器MLX90614温度传感器是一款非接触式的红外测温传感器，直接输出数字信号，精度高，能达到0.02℃，测温范围广，在-20℃~120℃范围内。MLX90614温度传感器是Melexis公司生产的髙精度测温芯片，精确度高，外围电路简单，是一款性能好、价格低的红外测温传感器。该款温度传感器不需要人体接触即可测量出体温，反应迅速，广泛使用于各大公共场所中。综合比较以上两种方案，MLX90614温度传感器相比热敏电阻，具有非接触测温的功能，连接较为简单，无需复杂的数模转换。因此，选取MLX90614温度传感器作为本设计的测温传感器。2.1.4系统结构的设计在本系统的设计中，需要实现以下功能：人体在靠近测温传感器1~5cm范围内，能够准确测量出人体的温度，精度达到0.02℃；当检测出人体温度高于上限或低于下限值时，测温仪会发出声光报警；能够手动设置温度报警的上限值和下限值。根据以上功能，设计红外测温仪的结构框架图如下图2.1所示：STM32F103C8T6单片机按键设置报警上限/下限LCD1602显STM32F103C8T6单片机按键设置报警上限/下限LCD1602显示当前体温MLX9061MLX9061温度传感器声光报警声光报警图2.1系统结构框架图2.2主控电路部分的设计在本系统的设计中，以STM32F103C8T6单片机为主控芯片。接下来根据STM32F103C8T6单片机各个引脚的功能，连接电源电路、按键电路、显示电路、数据采集电路和报警电路等。如下图2.2所示为STM32F103C8T6单片机各引脚连接图。硬件电路设计图详见附件A。图2.2STM32F103C8T6单片机结构图如图2.2所示，STM32F103C8T6单片机各个引脚将连接不同的电路，实现以下功能：C13：连接报警电路8550三极管的基极，控制报警电路的导通；A1~A3：连接三个按键S1、S2、S3，按键分别实现报警值调增、调减和保持设置的功能；B0~B1：连接MLX90614温度传感器电路，实现温度的采集；3.3V：连接电源3.3VDC；GND：系统接地；B5~B8：连接LCD1602液晶显示屏的D5、D6、D7、D4，实现温度数值和报警值的显示；B12：连接LCD1602液晶显示屏的RS端，实现指令数据的传输；B13：连接LCD1602液晶显示屏的WR端，实现读写选择；B14：连接LCD1602液晶显示屏的WR端，实现使能输入；2.3电源电路部分的设计电源电路部分的作用与功能是给整个系统供应电源。系统的电源供应模式决定电源的设计（例如，一种电源或多种电源方案）以及整个系统的功耗水平。在本文的系统中，选择的单片机、传感器、报警电路、LCD显示电路所需电压均为3.3VDC。因此，电源电路只要能达到提供3.3VDC电压即可。为简化电源电路的设计，采用外接3.3VDC电压的方法实现电源的供应，3.3VDC电源电压可通过普通的手机充电器（电源适配器）即可实现。本系统的电源设计主要设计简单的外接电源基座，如下图2.3所示。图2.3电源电路部分设计图2.4测温电路部分的设计在本系统的设计中，测温模块采用MLX90614温度传感器。该款传感器拥有四个引脚，引脚俯视图如下图2.4所示。图2.4MLX90614温度传感器引脚图。MLX90614温度传感器各个引脚的功能如下表2.1所示。表2.1MLX90614温度传感器引脚功能表引脚名称引脚定义SCL/VzSMBus串行时钟输入端PWM/SDA数字输入端口/数字输出端，在模式正常运行下，此引脚也作为负责测量温度输出脉宽调制（PWM）的输出端；在SMBus模式下，此引脚则是作为自动设置为集电极开路模式。VDD接地端VSS电源输入端根据表2.1中各个引脚的功能，设计测温电路如下图2.5所示。P3为MLX90614温度传感器引脚基座，1为VSS，连接3.3VDC；2为VDD，接地；3为SCL/Vz，连接单片机的B0端；4为PWM/SDA，连接单片机的B1端。图2.5测温电路设计图2.5按键电路部分的设计在本系统的设计中，共设置了三个按键，按键电路如下图2.6所示。其中，S1为报警值的调增设置，S2为报警值的调减设置，S3为报警值的完成设置。图2.6按键电路设计图2.6报警电路部分的设计本文所设计系统的报警电路部分设计图如下图2.7所示。通过在程序中设定的温度的上下限，把温度测量的实际结果和程序中设定的上下限进行对比，进而控制STM32F103C8T6单片机C13端口的高低电平。将C13端口与三极管（8550）的基极连接，进而控制HSD华声蜂鸣器。当检测到测量的温度实际结果大于设定的最高温度时，C13端口输出的高电平变成低电平，使三极管连通，使蜂鸣器开始启动工作，发出报警声并随着光闪警示；反之则三极管不连通电流，蜂鸣器不能启动工作，不发出声光报警警示。图2.7报警电路部分的设计图2.7显示电路部分的设计在本文设计的系统中，显示模块选用的是LCD1602液晶显示屏。LCD1602液晶显示屏的引脚对应功能。液晶显示屏LCD1602的各引脚对应功能，如下表2.2所示。表2.2液晶显示LCD1602的各引脚功能表引脚号引脚名称引脚定义1GND接地2VCC接电源，3.3VDC3VO对比度调节4RS指令数据通道5WR读写选择6E使能输入7~14D0~D7数据线15A背光正极16K背光负极根据表2.2所示LCD1602液晶显示屏各个引脚的功能，设计显示电路图如下图2.8所示。其中RS、WR、E端分别连接单片机的B12、B13、B14端，D4、D5、D6、D7端分别连接单片机B8、B5、B6、B7端。图2.8显示电路部分设计图3系统软件部分设计智能系统由硬件与软件组成，要使得智能系统成功运行，需完善多种功能，在基本的硬件结构之外，还需要软件也就是驱动器，要整合硬件和软件结构的全面统筹运行，本文设计的系统是根据硬件回路结构的体温检测、按键设置信号，利用软件驱动程序，输出体温显示、声光报警的功能。软件是用C语言编程，程序完成后，计算机只能识别机器语言，因此经过编译软件后，C语言将变为机器可辨识语言。该软件可通过模块式编程的方法制作成C语言，以便于接下来进行相应各个系统的程序设计。3.1系统主程序部分流程图在本文设计系统中的主程序设计须满足温度检测及报警的所有要求，系统主程序设计的流程，如下图3.1所示。第一，设置系统的温度上限值和下限值，第二，接收测温传感器采集的温度数据，第三，将采集的实际温度数据与上限值和下限值分析比较。若温度传感器采集到的实际温度数据高于一开始设置的温度上限值或低于一开始设置的温度下限值，系统均发出声光报警。开始开始开始开始保护现场保护现场串口初始化串口初始化中断开口清零中断开口清零NN液晶初始化中断接收数据标志位液晶初始化中断接收数据标志位打开终端开关打开终端开关YY液晶显示液晶显示主循环恢复现场主循环恢复现场结束结束结束结束图3.1主程序部分的主流程图3.2系统读出温度部分程序的设计图3.2为系统读出温度显示部分的程序流程图。在这个程序中，使用MLX90614传感器感知温度，主要感应温度感知能力集中在RAM中，字节将会在RAM随机存储器中读取出来。9个字节能存储并读取该字节的温度信息，CRC检测后读取温度数值。读取MLX90614的内部数据时时间要求严格遵守MLX90614。第一，将MLX90614重放，便于读取温度。接到指令信号后，MLX90614立即利用单片机将装有温度信息的字节利用STM32F103芯片传送出去，使用高位状态的传输方式，是12字节的整数，其中包括7个整数和4个质数。最后，MCU整合分析并处理这些数据，将在LCD1602液晶显示屏界面显示检测的温度数值。图3.2系统读出温度显示部分的程序流程图3.3系统按键控制部分程序的设计如图3.3所示为系统按键控制部分程序流程图。按键程序设计是为了实现用户与检测设备相互沟通，通过检测设备的按键操作，实现用户对检测设备温度上限值和下限值的设置，满足使用功能。在按键程序流程中，第一是在定时器界面上实时扫描“设置”S3按键。使得只要按下“设置”S3按键，定时器立即能感应到；如果不按“设置”S3按键，检测设备系统将处于正常温度测量模式和模式0。如果按下“设置”S3按键，检测设备系统将会以设定模式1和温度上限的状态启动，然后再按“Set”键。进入设定模式2和低温下限设定状态，再按“配置”按钮就会恢复正常状态。当按下“+”键时，与“+”键连接的单片机IO端口将会全部关闭。这一状态下单片机就决定了这一模式的设置。系统按键在程序流程图中，通过上述的设计，使按键能够实现以下功能：每点击一次“+”，实现温度设置值增加0.01℃；每点击一次“-”，实现温度设置值减少0.01℃。图3.3系统按键设置子程序流程图3.4系统液晶显示部分程序的设计在本文系统设计中，液晶显示屏显示部分的程序流程图如下图3.4所示。液晶显示屏LCD1602的通信协议采用8位并联通信协议。第一个是初始化(LCD1602)，将温度信号数据填写，发出指示命令，紧接着再设定一个能索引本文设计系统中检测到的温度的整个字体的标示坐标，调用对应文字的代码，再在标示画面中显示该文字。如果第一个字符被标记出来，将按照同样的提示原则显示出来，当下一个字符被标记为全部文字时，停止显示。图3.4系统液晶显示子程序流程图3.5系统温度报警部分程序的设计在本系统设计中，温度报警部分程序设计流程图如下图3.5所示。系统对接收到温度传感器采集的温度数据，与设置的温度上限值及下限值相比较。若温度传感器采集到的温度高于一开始设置的温度上限值或低于一开始设置的温度下限值，则输出声光报警。图3.5系统温度调控程序流程图4系统的制作与调试本文设计的基于单片机的红外测温系统，经过前期设计、模块的选取、通过焊接制作后，以实物的形式如下图4.1所示。实物焊接完成后，将进行系统目标功能调试。实物的系统目标功能调试中，主要分为硬件结构部分调试、软件驱动部分调试和功能实验调试。图4.1红外测温仪实物图4.1实物上电调试硬件结构部分调试调试分为2步，分别为供电观察和静态测试。第一步是供电观察，给线路提供电源，检查硬件结构是否有冒烟、烧损、异味等不正常的现象，一旦出现不正常现象则立即切断电源，等到故障问题解决时再打开电源继续观察。第二步是静态测试，在信号输入中添加了固定等级的信号，进行DC测试，并使用万用表测验各个地点的电位，然后与理论推测值相比较，与电路分析原理相结合，确保电路DC正常工作，对发现的受损电路组件及时更换组件，使得电路启动时能满足整个设计的要求。通过以上硬件结构部分的调试步骤，各步骤均能满足要求。在上电观察中，电源能够正常供电，未有烟雾、异味等异常情况；在静态调试中，用万用表测得的各个地点的电位均与理论推测值一致，满足设计要求。实物的软件驱动部分调试时，将编译的程序应用到硬件结构前测试，通过手动或编译程序进行事前测试，以便于修改语法和逻辑错误。在软件驱动部分调试时，主要分为以下步骤：第一步：根据本系统设计的要求，编制影响的程序，检查主程序有无语法等错误时，若有则及时修改，若无语法错误则把程序烧录到已经焊接完毕的单片机芯片中。第二步：根据实际使用的功能要求，利用软件模拟不同的温度信号，查看单片机程序是否能够做出相应的动作。经过以上步骤的软件驱动调试，未发现因软件编辑问题