紅外快速檢測人體溫度裝置的設計與研制

賴志耀，唐海波，楊子彥

（湖南科技大學，湖南 湘潭 411201）

目前，在一般的醫療救治中，人體溫度測量的方法主要是采用水銀體溫計、電子溫度計或紅外體溫槍，眾所周知，采用水銀體溫計測量耗時較長，大大減緩了診治的效率。而現在應用較廣泛的是電子體溫計，這種儀器測量更加準確，測用時更短，并且成本和價格低，但是，避免不了的是需要人體接觸。而擁有非接觸式的人體測溫技術的是紅外測溫，這種辦法不但測量精度更加準確、速度更快，并且還能運用人工智能算法實現人群體溫檢測，因此，該技術得到了更多的關注。

1 裝置設計框架

（1）硬件設計框架。本設計中該裝置主要有兩個核心內容，一是紅外線接收電路的設計；二是用戶界面模塊的設計，其中包括數據顯示需要用到的OLED 液晶屏，SYN6288 語音播報模塊和報警功能涉及的電路等。控制芯片選擇的是型號為STC15F2K60S2 的單片機，電源模塊由兩塊LM1596S 芯片組成的電路，分別為STC15F2K60S2 單片機和各個模塊提供5V或者3.3V穩定直流電源。紅外測溫模塊采用MLX90614芯片搭建電路，單片機向MLX90614 芯片發送數據，啟動人體溫度檢測，經過內部集成芯片處理，向主控芯片輸出數字信號。顯示裝置選擇的是4個引腳的0.96 寸OLED 液晶顯示屏，語音播報模塊采用SYN6288 芯片和其他電阻電容搭建的電路，這兩種模塊在通訊方式上分別采用IIC 通訊協議和串口通訊協議，實現在互不干擾的情況下準確控制。總體設計路線是通過紅外測溫模塊采集數據，經過處理后把數字信號傳送至STC15F2K60S2 單片機，經過芯片對數據計算和判斷，將數據結果經過IIC 通信和串口(UART)通信分別發送至OLED 液晶顯示屏和SYN6288 語音播報模塊，同時，如果判斷出溫度不在正常范圍以內，則引發蜂鳴器和指示燈報警。

（2）軟件設計框架。本設計采用目前學習和設計中用得比較廣泛的開發環境——Keil uVision5，Keil uVision5是一個功能多樣、庫函數齊全、設計版面合理的開發軟件。本設計中C 語言程序的設計方案主要為實現各個模塊功能為基礎，再實現多功能操作，具體需要完成紅外測溫模塊的數據讀取以及數據計算、控制OLED 液晶顯示屏的精確顯示、通過串口發送數據給SYN6288 語音播報模塊實現語音提醒和控制LED 及蜂鳴器的高低電平輸出。其次，在完成基礎功能的前提下，可通過微動開關按鈕實現數據記錄和工作模式轉換等功能。

2 電路設計

（1）電源模塊電路連接。電源模塊由LM2596 芯片及各種電阻電容等元件組成，輸入電源由一組鋰電池組成串聯后形成的7.4V直流電源，經過該模塊后，輸出電壓降低至5V，同時，可以進行其他電壓值的輸出控制，寬度為3.25～7.4V。本設計中需要調至5V直流電源，該芯片最大轉換效率也是非常高，為92%，完全滿足本設計的要求，同時，最大可允許承載的電流高達3A。

（2）紅外測溫模塊電路連接。由MLX90614 組成的紅外測溫模塊由4個引腳，由圖3.2 可知，分別是VDD、GND、數據線（SDA）和時鐘線（SCL），其中，電源正極（此處電源正極不與主控芯片的電源正極相同，以便保證主控芯片電源穩定）理應與VDD 連接，電源負極也理應與GND 連接，數據線（SDA）和時鐘線（SCL）連接STC15F2K60S2 單片機的兩個I/O 口分別是P0.0 引腳和P0.1 引腳（在本設計的程序中，時鐘線為P0.0 引腳，數據線為P0.1 引腳），為了提高電路的穩定性，在硬件優化方面，這兩個管腳需要外接上拉電阻以增強抗干擾性，使通信更為穩定。

（3）SYN6288 語音模塊電路連接。SYN6288 芯片經過電路設計呈現獨立模塊后有7個引腳，分別是VCC、GND、TXD、RXD、BP0、BN0 和BUSY，其中，電源正極（此處電源正極不與主控芯片的電源正極相同，以便保證主控芯片電源穩定）理應與VDD 連接，電源負極也理應連接GND，SYN6288芯片的TXD 與單片機的RXD 連在一起，SYN6288 芯片的RXD組合NPN8050 三極管后與單片機的TXD 連在一起，為了提高電路的穩定性，可在TXD 和RXD 兩個接口上分別連接一個上拉電阻，BP0 和BN0 分別連接喇叭兩端，或者連接功率放大器，BUSY 可以與單片機的一個I/O 口連接起來，或者可以連接一個LED 燈（該LED 需要與電阻串聯），以便用于關于該模塊的工作情況。

3 功能測試

（1）電源測試。電源供電由兩塊鋰電池串聯組成共7.4V，電源模塊由兩塊LM1596S 芯片組成，與多個電容、電阻、電感和電位器等各元器件的作用下，通過調節PCB 板上的兩個電位器，可將7.4V直流電源轉換為5V穩定直流電源，最大允許電流可達到3A，足以為單片機和各個模塊保證5V穩定供電。

（2）紅外測溫模塊測試。紅外測溫模塊由MLX90614芯片組成，支持SMbus 通信，兼容IIC 總線，因此，在對STC15F2K60S2 單片機進行程序編程的過程中，可通過對兩個I/O 口模擬SCL時鐘線和SDA 數據線（此處選擇的是P0.0 引腳和P0.1 引腳），與MLX90614 完成數據的收發。STC15F2K60S2 單片機從MLX90614 接收到的數據(DataH:DataL)，根據式(3.2) 進行計算處理，通過串口(UART)把數據發送至電腦端，借助串口助手，實現數據可視化。

（3）OLED 液晶顯示屏測試。OLED 液晶顯示屏同樣采用的是IIC 通信方式，因此，同樣可以選擇STC15F2K60S2 單片機不同的兩個I/O 口，其中一個管腳模擬時鐘線（SCL），另一個管腳模擬數據線（SDA），實現與該模塊進行數據的接收和發送。為了控制程序運行在該模塊上的用時，顯示屏顯示內容只有部分顯示程序在大循環中，其他內容將由按鍵控制。本文設計中的顯示裝置分辨率為128×64，經過取模軟件，把每個漢字的大小設計成為16×16，字符大小設計成為16×8，因此，足以顯示出全部內容。

（4）語音播報模塊測試。語音播報模塊由SYN6288 芯片、各種電容電阻等元器件和0.5W 喇叭組成，該模塊采用的是串口(UART)通信方式，本文設計中用到的是串口1，即P3.0 引腳和P3.1 引腳，其中，波特率的選擇為9600bps，本設計中只有該模塊用到串口通信，因此，只需打開一個串口通道即可。模塊的語音合成播放命令主要由3 部分組成，起始位為0xFD，緊接著，是16 位的數據長度，最后一部分是數據區，這里的數據區也是由多部分組成，共有四個組成部分，根據該芯片所最多一次性發送數據的長度范圍，長度大小不能超出200個字節。

4 功能優化

（1）電源電量檢測。STC15F2K60S2 單片機有多路ADC選擇通道，共8個，其引腳分別在P1.0 口-P1.7 口，且最高可達十位采集，采集方式采用的是逐次比較型ADC，逐次比較型A/D 轉換在平時應用較多，同時，也具備了采集速度快和消耗低等特點。比較于其他類型的單片機，例如，以往的51 系列型的芯片，STC15F2K60S2 單片機在功能方面更勝一籌，A/D 采集方面就能凸顯出他的優越性。

（2）報警功能。報警功能的實現由多個電路共同作用下實現，分別是SYN6288 語音播報模塊（主要用于播報溫度和低燒或者高燒警告）、蜂鳴器模塊（按鍵提示和低燒或者高燒警告）和LED 指示燈模塊（正常體溫、低燒和高燒警告分別亮起不同顏色的LED 燈）組成，具體實現如下：本裝置的程序設計中，當檢測到人體溫度為37.3℃以下（包含37.3℃）時為正常人體溫度，綠燈亮，同時，播報測量的人體溫度；當檢測到人體溫度為37.3 ～38℃（不包含37.3℃，包含38℃）時為低燒時的人體溫度，黃燈亮，蜂鳴器響一秒，同時，語音模塊警告溫度過高；當檢測到人體溫度為38℃以上（不包含38℃）時為高燒時的人體溫度，紅燈亮，蜂鳴器響兩秒，同時，語音模塊警告溫度過高。

5 結語

科技在現實生活起到的作用是巨大的，面對危機的襲來，依靠的不能僅僅是廣大工作者，還有這些先進、方便的醫療設備，才能更加有效地把工作效率提高。在未來，隨著科技的進步和經濟的蓬勃發展，人們對工作效率的追求，各種醫療設備也不會隨之更新換代。