李浩

摘要：體溫作為反映生命體征的重要指標，是生命體征和臨床疾病判斷的重要依據(jù)。本文基于STM32F103芯片設(shè)計一款具有環(huán)境溫度補償和距離補償功能的紅外測溫儀。首先簡要介紹了紅外測溫儀，給出了本文所設(shè)計紅外測溫儀的結(jié)構(gòu)組成，并介紹了傳感器的選型，然后闡述了STM32F103芯片外圍電路設(shè)計，最后介紹了紅外測溫儀軟件設(shè)計。該紅外測溫儀性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、實用性強。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www. eepw.com.cn/article/164391.htm

關(guān)鍵詞：STM32F103芯片；紅外測溫儀；紅外傳感器；超聲波傳感器

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.012

測量溫度的方法可分為接觸式和非接觸式測溫。傳統(tǒng)的體溫計主要有水銀式體溫計和電子式體溫計兩種，這兩種體溫計不適合大量人群的快速檢測。紅外測溫是目前最主要的非接觸式測溫方式之一，不僅可以測量溫度很高的、有輻射性的、高純度的物體，而且可以測量導(dǎo)熱性差的、小熱容量的、微小的目標，以及固體、液體表面溫度的測量，因而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[1-2]。用于體溫檢測的紅外測溫儀，其測溫范圍應(yīng)在24.0～45.0℃，精度要求為±0.1℃。在24.0～45.0℃的范圍內(nèi)，外界環(huán)境溫度和紅外輻射距離很容易影響紅外測溫儀的測量精度，導(dǎo)致其測量誤差增大，針對此缺點，本文基于STM32F103芯片設(shè)計一款紅外測溫儀，該紅外測溫儀具有環(huán)境溫度補償和距離補償功能。

紅外測溫儀簡介

紅外測溫儀是一種將紅外技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合起來的一種新型測溫儀器，它將被測物體表面發(fā)射的紅外波段輻射能量通過光學(xué)系統(tǒng)匯聚到紅外探測原件上，使其產(chǎn)生一個電壓信號，經(jīng)過放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)處理，最后以數(shù)字形式直接在顯示屏上顯示溫度值。目前，市場上紅外測溫儀種類繁多，測溫范圍可從大約-100℃低溫到6000℃高溫，響應(yīng)時間從1/1000秒到秒。

紅外測溫儀結(jié)構(gòu)組成

數(shù)字紅外傳感器選型

本設(shè)計紅外傳感器選用醫(yī)用高精度數(shù)字紅外傳感器MLX90615ESGDAA[4-5]。它主要由環(huán)境溫度傳感器、紅外熱電堆傳感器、低噪聲放大器、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和數(shù)字信號處理單元組成，在36℃～39℃的人體溫度范圍內(nèi)的精度達到±0.1℃。環(huán)境溫度傳感器將環(huán)境輻射轉(zhuǎn)換為電信號，紅外熱電堆傳感器將紅外輻射轉(zhuǎn)化為微弱電信號，兩者經(jīng)低噪聲放大器差分放大后送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號經(jīng)低通濾波器濾波后送入數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器對其運算處理后輸出測量結(jié)果并保存在MLX90615內(nèi)部RM中，通過SMBus或PWM方式可供STM32F103控制器讀取。數(shù)字紅外傳感器電路如圖2所示，紅外測溫儀的STM32F103控制器帶有兼容SMBus的I2C總線控制器，因此，將I2C總線控制器的數(shù)據(jù)線、時鐘線與數(shù)字紅外傳感器MLX90615的SDA、SCL相連。

超聲波傳感器選型

在紅外測溫時，被測目標尺寸應(yīng)超過傳感器視場的1/2，因此需傳感器與被測目標距離適中。本文紅外測溫儀采用超聲波傳感器測量紅外傳感器與人體之間的距離，以降低距離對紅外傳感器的影響。

超聲波測距主要采用渡越時間法，其原理為：主控單元發(fā)射一定頻率的脈沖，激勵超聲波發(fā)射電路產(chǎn)生超聲波，當超聲波傳播到兩種介質(zhì)的分界面時產(chǎn)生反射波，反射波經(jīng)介質(zhì)傳播返回到超聲波接收電路，主控單元測出超聲波從發(fā)射到接收所用的時間，即可計算出超聲波傳感器與被測物體之間的距離：（） 22tvsd×==，

其中，d為超聲波傳感器與被測物體之間的距離；s為超聲波從發(fā)射到接收所傳播的距離；v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速率；t為超聲波從發(fā)射到接收所用的時間。本文紅外測溫儀中超聲波測距采用渡越時間法。

紅外測溫儀選用超聲波傳感器TCT40-T/R測量紅外傳感器與人體之間的距離，超聲波測距電路原理如圖3所示，包括發(fā)射電路和接收電路。發(fā)射電路主要由超聲波發(fā)射傳感器TCT40-T和反相器74HC04組成；接收電路主要由超聲波接收傳感器TCT40-R和CX20106A芯片組成。超聲波接收傳感器TCT40-R將所接收的反射的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)CX20106A芯片放大、整形后輸出下降沿脈沖給STM32F103控制器的外部中斷端口CSBR。

環(huán)境溫度傳感器選型

電源電路設(shè)計

STM32F103芯片的工作電壓為2.0～3.6V，為了滿足系統(tǒng)要求，該紅外測溫儀采用低壓差電源芯片SPX1117M3-3.3，提供穩(wěn)定的3.3V電壓，最大800mA的輸出電流，該紅外測溫儀的電源電路如圖5所示。SPX1117是Sipex半導(dǎo)體公司推出的低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器，具有高效率、小尺寸、低功耗、可替代等優(yōu)點。

時鐘模塊與復(fù)位模塊設(shè)計

STM32F103芯片的時鐘模塊主要有8MHz系統(tǒng)主時鐘和32.768kHz實時時鐘，當8MHz的系統(tǒng)主時鐘信號送入STM32F103芯片后，就進入時鐘發(fā)生模塊，由鎖相環(huán)進行倍頻和同步處理，得到PCLK、UCLK、FCLK和HCLK時鐘信號。其中，PCLK信號主要供給訪問APB總線的外設(shè)；UCLK主要供給USB模塊需要的48MHz時鐘；FCLK主要供給Cortex-M3內(nèi)核；HCLK供給中斷控制器、USB主機模塊、DMA控制器、存儲器控制器和AHB總線。

該紅外測溫儀復(fù)位模塊采用M A X 7 0 6集成復(fù)位監(jiān)控芯片，MAX706芯片具有高性能、低成本的優(yōu)點，它集成了手動復(fù)位輸入模塊、供電失敗比較器、看門狗和uP復(fù)位模塊，降低了系統(tǒng)電路的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的準確性和可靠性。

人機交互電路設(shè)計

該紅外測溫儀的人機交互電路如圖6所示，包含液晶顯示器、按鍵和蜂鳴器電路。

紅外測溫儀的顯示部分采用通用1602字符型液晶屏OCM2X16A，主要由液晶顯示屏、控制器、驅(qū)動器和偏壓生成電路組成，它是可以顯示兩行的點陣型液晶模塊（每行16個字母、數(shù)字和符號）。OCM2X16A采用標準16位接口，分別是：電源地Vss；電源正極Vdd；對比度調(diào)整端VO；寄存器選擇引腳RS；讀寫控制引腳R/W；使能端E；8個數(shù)據(jù)總線接口DB0～DB7；背光引腳LED+和LED-。OCM2X16A采用4位數(shù)據(jù)傳輸模式，控制端RS、R/W、E分別與STM32F103的PA14、PA15和PB3引腳相連接，高數(shù)據(jù)位DB4～DB7分別與PB4～PB7引腳相連接。

紅外測溫儀軟件設(shè)計

紅外測溫儀采用ARM公司的Real View MDK集成開發(fā)環(huán)境進行軟件設(shè)計，主要采用C語言進行模塊化設(shè)計。紅外測溫儀軟件設(shè)計流程如圖7所示，主要包括初始化模塊、液晶顯示模塊、按鍵掃描模塊、環(huán)境溫度測量模塊、超聲波測距模塊、紅外溫度測量模塊以及蜂鳴提示模塊等。初始化模塊完成定時器、GPIO、I2C、中斷等設(shè)置；按鍵掃描模塊檢測按鍵是否按下，從而觸發(fā)外部中斷，并執(zhí)行紅外溫度測量功能；環(huán)境溫度測量模塊對DS18B20傳感器進行讀寫操作，讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為環(huán)境溫度值，完成超聲波速度的環(huán)境溫度補償；超聲波測距模塊完成發(fā)射、接收超聲波的計時以及計算超聲波傳播距離；紅外溫度測量模塊按照I2C總線方式讀取數(shù)字紅外傳感器MLX90615數(shù)據(jù)；液晶顯示模塊用于在液晶屏上顯示人體溫度值，以便于數(shù)據(jù)讀取。若液晶屏上有溫度值顯示，則蜂鳴提示模塊通過驅(qū)動蜂鳴器鳴叫來提示溫度測量結(jié)束。

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