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基于 STM32 的無線紅外測溫系統設計

 

關鍵字:云南變頻器維修、昆明變頻器維修、云南昆明數控系統、高頻電源維修


摘要 :隨著近幾年新冠疫情的不斷肆虐,因此,人體體溫測量成為了人民
十分關心的一個話題,而對人體體溫進行實時監測成為了一個急需解決的問題。
本文提出了一種無線紅外體溫計,該系統通過 STM32 單片機作為控制核心,利
 MLX90614 紅外測溫傳感器對人體體溫進行實時檢測,并且將檢測得到的結
果在 OLED 顯示器上實時顯示,為了提升用戶體驗,還在系統中增加了無線藍
牙模塊,通過軟件直接將數據發送至上位機。本文主要做了以下工作:簡述了本
課題的研究背景以及現狀研究。對硬件電路進行了硬件電路設計,主要從單片機
最小系統、OLED 顯示電路、紅外溫度采樣電路及無線藍牙模塊等方面進行了詳
細闡述;第三部分是軟件程序設計,包括主程序流程圖以及各個功能子模塊流程
圖介紹,最后進行了硬件測試,通過實驗,證明了系統的正確性與可行性。
關鍵詞 : STM32 ;紅外測溫 ;無線傳輸
本文主要利用 STM32F103C8T6 單片機作為控制核心,對人體體溫進行實時
監測,利用 MLX90614 紅外測溫傳感器采樣人體中的體溫,然后,利用 HC-05 
從一體藍牙模塊得到實時的數字信號,之后在顯示器中實時顯示實時體溫值,當
體溫過高時能夠自動報警。再結合 OLED 顯示器、激光燈、蜂鳴器等輔助功能,
以提供更好的人機交互服務。該無線紅外測溫系統具有簡易、可靠、精度較高、
功能多、成本較低等優點。
1 研究綜述
當前溫度傳感器根據工作原理的不同主要劃分為以下幾種:
1)熱電偶傳感器。此種傳感器的應用較為廣泛,尤其是在工業生產中。
熱電偶傳感器在各種復雜的工作條件下均具有出色的可靠性,測試溫度的覆蓋范
圍廣,數據信號的傳輸距離較長,操作方法簡單。熱偶傳感器能夠通過內部結構
將溫度信息轉化為電壓信號,因此便于數據的記錄和顯示。
2)模擬集成傳感器。這種傳感器的關鍵應用是一種半導體器件硅,它是
根據集成處理技術制造的。這種傳感器的應用范圍有限,但是傳感器具有很高的
測量精度,可以進行遠距離傳輸。集成傳感器的仿真和仿真相對于其他類型的傳
感器來說體積小,耗能低,主要用于長距離測量的工況。
3)光纖傳感器。這種類型的傳感器可以將準確測量的數據信息更改為關
閉以進行傳輸的光信號燈。光纖線傳感器的信號分析原理是根據光纖線將來自光源的光發送到解調器,以便要測量的主要參數和進入部署區域的光有效,并且光
線的電子光學特性將發生變化。此時,修改后的光稱為數據信號光。當傳感器執
行精確的測量時,根據解調器的解決方案,光被導入,然后被傳輸出去。在整個
過程中,光折射的傳輸特性主要用于收集和傳輸溫度數據信號。
4)半導體材料吸收式熱泵單元光纖線溫度傳感器。這種類型的傳感器使
用吸收和吸收半導體材料的基本原理進行溫度檢查。該傳感器是溫度傳感器,可
以在高壓和強干擾信號的自然環境中使用。該系統軟件介紹了用于參考光源和光
纖通信系統的光電設備和組件。
2 紅外測溫系統設計
2.1 系統性能目標
系統設計的被測目標主要是人體、日常物品、一般生產設備等,-30℃~
350℃的溫度范圍可以覆蓋大部分被測目標,溫度分辨率要達到 0.02℃,實現低
功耗運行,采用 3.3V 電源。
2.2 系統整體設計
2.2.1 系統方案設計、比較與論證
為了方便實現本設計要求的體溫采樣,設計采用以下兩種方案:
方案 1PT100 電阻檢測法,該方法首先利用 Pt100 感應溫度,然后使用 AD
轉換器,將模擬信號轉換為數字信號,之后,使之能夠在顯示屏上進行顯示,使
用這種方法可以對測量的體溫信號進行顯示。
方案 2 是采用紅外測溫元件作為感溫元件。MLX90614ESF-DCI 是專用的溫
度傳感器。MLX90614ESF-DCI 投入應用多年,是工業現場最常見的紅外溫度傳
感器,其具有測量精度高、測量分辨率高的特點。MLX90614ESF-DCI 的溫度測
量范圍較寬為-40℃~ 125 ℃,測量誤差在 0.02℃。
方案 2 中使用 MLX90614ESF-DCI 傳感器芯片的測溫方案,其主要特點是準
確度高、靈敏性好、測量速率快、頻率特性好、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源
范圍寬且功耗低,但是成本較高,而方案一相對簡便,且容易實現,其精度也能
夠滿足略有不足,綜合考慮,本設計決定使用方案 2 進行體溫采樣。
硬件設計部分如下圖 1 所示,對系統的硬件基本結構進行了描述,主要對硬
件電路中的重要電路,如單片機最小系統、按鍵電路、無線紅外檢測電路、OLED
液晶顯示屏,藍牙電路以及蜂鳴報警電路等,從設計思路以及硬件組成上進行了
介紹。其中藍牙電路由 HC-05 模塊為核心構成,單片機則使用的是 STM32 單片
機,在 PC 端編制對應程序進行藍牙數據接收。STM32 單片機
聲光報警電路
OLED 液晶顯示
藍牙電路
鍵盤輸入電路
無線紅外測溫電路
 2-1 系統硬件結構框圖
2.3 各子模塊介紹
2.3.1 控制模塊
意大利意法半導體公司為了順應工業控制現場對于控制核心的性能需求,推
出了 STM32F103C8T6 單片機,該型號單片機分為了基本型以及增強型兩種,其
中基本型就能夠滿足工業現場大多數的簡單應用,例如 STM32F103C8T6 其內部
擁有 32K-128K  8 位片內 flash,其運行時鐘最高可達可高達 36 兆赫茲,內置
6K 大小的 SRAM 以及 3  16 位定時器,除此之外,其 IO 引腳達到 37 個,能
夠滿足一些較大的設計需求,其造價較低,憑借物美價廉的優勢,占領了許多市
場份額,在工業控制中,成為當之無愧的第一控制器。STM32F103C8T6 單片機
的基本參數如下表 2-4 所示[14]
 2-4 STM32F103C8T6 單片機的基本參數表
額定電壓
5V
額定頻率
36MHz
SRAM
6K
IO 引腳
37 
定時器
三個 16 位定時器
ADC
10 通道 12  ADC
2.3.2 紅外測溫模塊
紅外測溫傳感器為比利時 Melexis 公司的 MLX90614ESF-DCI 紅外測溫
傳感器。典型應用 SMBus 連接電路如下圖 2 所示,引腳如下圖 3 所示:
 2 MLX90614 SMBus 連接 3 MLX90614 的引腳定義
得益于 MLX90614 良好性能,體積小、成本低、易集成等,該傳感器應用
廣泛,如空調溫度感件、擋風玻璃防霧應用、工業溫度控制、家電溫度控制、衛
生保健、家畜監控等。
2.3.3 無線傳輸模塊
HC-05藍牙模塊是一種短距離無線傳輸通信;就ㄓ嵕嚯x在10米左右。支
持一對多的數據傳輸和語音通信。大多數藍牙無線設備不需要將發射器設置為使
 2.4G 頻率。這意味著不易引起跳頻、諧波、竊聽,并且具有雙向傳輸、抗干
擾能力強、功耗低等特點。 缺點是傳輸的數據量小,每秒只有 1M 左右。
本系統中,一塊作為發送模塊使用與單片機串口連接,通過對應程序控制數
據發送 ;另一塊作為接收模塊與計算機 USB 接口連接,由對應上位機接收數
據,從而實現數據無線傳輸。
2.3.4 人機交互模塊
本設計中的人機交互模塊,主要有 OLED 顯示屏,激光指示燈,蜂鳴報警
裝置以及鍵盤輸入電路組成,系統中的測溫值、發射率等參數可以實時顯示在屏
幕上,而激光指示燈主要用于瞄準;當溫度超標、工作狀態異常時,蜂鳴器報警;
而鍵盤輸入電路則用于實現上下溫標調整,發射率選取,鏡頭縮放等工作。
2.4 系統程序設計
整個系統以主程序為基礎,另外附加多個中斷響應子程序,分別是紅外測溫
子程序、藍牙傳輸子程序、按鍵處理子程序。其中主程序主要分為以下基本結構,
即:系統的初始化,按鍵掃描,檢查是否有按鍵按下,若有按鍵按下則進行按鍵
事件處理,否則,以此進行循環,直至有按鍵按下為止。按鍵按下后,最后將
OLED 顯示屏上的結果進行更新,實時輸出此時的人體溫度;
對于按鍵處理子程序而言,首先需要對該子程序進行初始化,之后判斷用戶
按下的功能,接著再跳轉對應子程序。
其中需要先對 P0.0 引腳(接于 MLX90614ESF-DCI 溫度傳感器的 DQ 引腳)
置零,并且在延時 480us-960us 后,再將其置 1,15~60us 后 接收 60-240us 的存在脈沖,這時將 DQ 值保存,若其等于 0 則認為初始化成功,否則初始化失敗,
重新進行初始化。初始化完成后,開始發送起始位,然后對 MLX90614ESF-DCI
的數據位進行讀取,分別對低 8 位與高 8 位進行讀取,之后,對校驗位進行檢測,
最后發送停止位,當數據正確時,返回,否則重新讀取。
藍牙的發送子程序也較為簡單,首先進行初始化,然后判斷其是否成功,在
通道空閑的情況下,進行數據發送。
3 紅外測溫系統測試
3.1 系統溫度測量測試
通過紅外測溫系統與 DS18B20 典型的溫度傳感器以及水銀溫度計進行人體
測溫,結果對比,從而獲取該測溫系統的相關性能指標,證明其試驗的可靠性。
在進行溫度測量的過程中,首先需要。將與體溫無關的一些變量進行剔除,以免
干擾試驗結果。這里需要注意的是,溫傳感器在測試過程中要靠近人體表面,并
且接近紅外傳感器,二者所處環境應盡可能接近測量結果如表 1、2、3 所示。
 1 紅外測溫與 DS18B20 溫度傳感器對水溫進行測量的結果
水溫測量
1
2
3
4
5
6
7
8
平均
DS18B20 49.38 49.38
49.35
49.13
49.06
49
48.81
48.75
49.12
紅外測溫 49.45 49.47
49.35
49.13
49.06
49
48.81
48.75
49.12
 2 紅外測溫與 DS18B20 溫度傳感器對水溫進行測量的結果
手肘測溫
1
2
3
4
5
6
7
8
平均
水銀測溫 36.3
36.4
36.5
36.3
36.3
36.2
36.4
36.3
36.34
紅外測溫 36.21 36.45
36.59
36.27
36.04
36.25
36.48
36.17
36.35
 3 紅外測溫對額頭與手面進行測量的結果
紅外測溫
1
2
3
4
5
6
7
8
平均
額頭測溫 35.36 35.33
35.44
35.46
35.35
35.38
35.39
35.38
35.39
手面測溫 34.27 34.34
34.27
34.34
34.32
34.37
34.42
34.38
34.34
對比表一與表二的測量結果可以看出,紅外測溫結果對比的平均值約為
0.01℃,可見紅外測溫系統的精度相對較高,測量數據也較為可靠。對比表二表
三可以發現人體不同部位的表面溫度有所不同,通常額頭的溫度與手面相比要更
高一些,尤其對皮膚表面溫度的測量結果,對手軸或腋下溫度測量結果對比較低,
所以在人員流動過程時對額頭進行測溫,相較于手面測溫, 更具代表性。同時在測
量時可以發現,本系統的響應速度相對較快,因此在測溫速度上也有一定的實用
優勢。
3.2 無線數據傳輸測試
通過不斷的對手面溫度進行測量,并且將采集到的數據,通過藍牙發送至上
位機,從而可以得到無線傳輸后的結果,顯示在上位機上,如下圖 4 所示。4 上位機接收藍牙數據結果
從上位機接受的藍牙數據可以看出。整個以藍牙為核心的數據收發系統運行
穩定,測試結果較為準確,能夠滿足此前提出的系統設計要求,同時從繪制的數
據結果可以看出。手面溫度在 34.5℃左右波動。其最大波動范圍 0.2℃與紅外測
溫模塊的設計誤差符合,因此可見測量結果較為精準。
4 結語
伴隨著半導體技術的不斷發展,傳感器技術近些年來也隨之不斷迭代。除了
傳統的溫度、濕度傳感器,如今溫度傳感器精度也是愈發精確,總而言之,傳感
器就是將物理量通過傳感器轉換為數字量,并將該數字量通過統一格式輸送至微
控制器,從而實現數字世界與物理世界的聯系。本文在此基礎上提出了基于
STM32F103C8T6 單片機的人體體溫計。在課題設計過程中,涉及本科期間學習
的單片機技術、自動控制原理、C 語言設計、信號與接口技術等多門學科,能夠
提升自己的項目經驗,實現多門學科知識的融會貫通,具有一定的實際意義與理
論意義。
參考文獻
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控制計算機,2021,34(09):134-136.
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測溫系統設計[J].電子測試,2020(19):18-20+9.
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發布日期:2022-10-5
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