便攜式紅外體溫計設計與溫度補償技術研究

楊清志，王玉香，徐 宏

〈紅外應用〉

便攜式紅外體溫計設計與溫度補償技術研究

楊清志，王玉香，徐 宏

（亳州職業技術學院 智能工程系，安徽 亳州 236800）

紅外體溫計因安全衛生、測量高效而備受青睞，發展迅速。但目前市場上的紅外體溫計存在測量誤差大、成本高等缺點，應用受到限制。鑒于此，首先分析了影響紅外體溫計測量精度的各種因素，并給出具體影響程度的計算結果，然后利用STM32F407單片機作為控制核心，通過MLX90615紅外傳感器、DS18B20集成溫度傳感器、HC-SR04超聲傳感器等獲取信息，設計了一種面向醫院、家庭等的廉價、可靠的便攜式紅外體溫計，并給出溫度補償方法，最后通過實驗測試驗證了系統設計的可靠性。測試結果表明，最大綜合誤差不超過0.15℃，具有一定的實用價值與參考價值。

紅外體溫計；STM32F407；溫度補償；MLX90615；異常報警

0 引言

通過體溫測量來判斷人體健康狀況是疾病檢查與診斷最常用而有效的手段[1]。目前用于體溫測量的溫度計主要有水銀體溫計、電子體溫計和紅外體溫計。水銀體溫計價格低廉使用簡單，且因其測量準確而被作為體溫測量的“金標準”，但水銀體溫計含汞毒存在安全隱患。2013年我國加入《關于汞的水俁公約》，公約規定到2020年年底前停止生產、進口和出口含汞的體溫計和血壓計等產品。隨著《關于汞的水俁公約》的生效，水銀體溫計被淘汰已是必然。電子溫度計體積小、功耗低，便于攜帶和使用，但測量時間長，且精度易受自身非線性和自熱影響，其測量精度和長期穩定性不好[2]。另外，電子溫度計屬于接觸式溫度計，使用時存在交叉感染的風險。紅外體溫計采用紅外傳感器收集人體的溫度信息，使用時無需與病人接觸，安全衛生，工作效率高，尤其是能夠在機場、車站等公共場所對具有發熱癥狀的人群進行快速篩查，對于首發癥狀為發熱的流行病檢測與疫情傳播控制有著不可替代的作用。

紅外體溫計因快速高效、安全衛生的突出優點而受到高度重視，有著廣闊的發展前途與空間。目前對紅外體溫計的研究熱度非常高，研究內容主要是紅外體溫計功能拓展、降低成本、減小干擾以及誤差修正與溫度補償等。自1984年美國的David Philips實現第一支紅外耳溫計商業化量產以來，紅外測溫技術經歷了數十年的發展，目前已達較高水平[3-4]，商業化的紅外溫度計主要有紅外耳溫計、紅外成像儀和紅外額溫計。紅外耳溫計測量體溫時要深入耳道對準鼓膜，因盡量避免外界干擾而測量相對準確。但紅外耳溫計測量時仍與患者有接觸，測量時要包上一次性覆膜，操作不方便。紅外成像儀采集人體紅外線分布情況進行后期分析處理，精度較高，但價格十分昂貴[5]。紅外額溫計操作最為簡單，便于攜帶和使用，因而受到消費者的青睞，市場前景廣闊。但容易受大氣散射、環境溫度以及測量距離等干擾，測量精度不高，必須對測量結果進行溫度補償、校正[6-8]。

2003年非典期間意大利特尼美公司（Tecnimed）針對發燒病人初步篩選推出非接觸式紅外額溫計Theimofocus，并獲得較高評價。近來又推出一款紅外額溫計Visiofocus 06400，自帶瞄準系統，并有自動校準功能，但價格較高。2016年法國廠商Withings推出非接觸式額溫計Thermo，號稱當時“讀數最快，測量最準”，它使用16位紅外傳感器陣列，通過測量太陽穴顫動脈，2s就能進行4000次以上測量，有專門算法對測量數據進行修正和補償，但價格昂貴。

在國內，清華紫光、高德集團等高科技公司也都對紅外測溫有過不遺余力地研究，并取得一定成果，但缺乏突破創新性能，實質性進展不大，很多紅外體溫計或配件都依賴進口，市場上銷售的便攜式紅外體溫計質量良莠不齊，價格差別較大，功能不盡完善。

鑒于以上分析，本文提出一種以STM32F407高性能單片機作處理核心，用MLX90615紅外傳感器探測人體體溫，并用DS18B20集成溫度傳感器測量環境溫度，HC-SR04超聲傳感器探測距離進行溫度補償計算，用于額溫檢測的便攜式紅外體溫計的設計，具有一定的參考價值。

1 紅外體溫計原理

紅外線是一種位于無線電波與可見光之間的電磁波，波長在0.76～1000mm之間，任何物體只要溫度在絕對零度以上就能對外發射紅外線，人體體溫37℃左右，能對外發出波長10mm左右的遠紅外線。紅外式溫度計容易受到環境條件，如環境溫度、測量距離等的干擾而影響測量結果，應當予以考慮并采取相應的溫度補償措施，否則會影響測溫精度。

1.1 環境溫度影響

當紅外線輻射到儀器等物體時，會發生吸收、透射和反射3個過程。它們滿足：

＋＋＝1 (1)

式中：為吸收系數；為反射率；為透射率。對于不透明物體，＝0，＋＝1。

當紅外體溫計測量人體體溫時，實際接收到的是3個輻射能量，即人體輻射能量、環境輻射能量和環境射到人體又反射的能量，如圖1所示。

圖1 紅外體溫計接收輻射能量示意圖

設人體輻射溫度0，人體發射率0，環境溫度u，大氣溫度a，大氣透射率，由能量守恒可得：

由此求得紅外體溫計所得人體溫度：

可見，人體發射率大氣透射率及環境溫度等都影響測量精度，應對其進行研究、修正。

1.2 測量距離的影響

測量距離的變化會造成大氣透射率變化。假設物體輻射紅外線波長，在空氣中傳播距離后，大氣透射率為：

式中：是波長時的吸收系數。將(4)式代入(3)式得：

對于距離測量，一般采用激光測距和超聲測距。激光測距較為簡單，只需測量激光發射到返回時間即可算出距離，但由于激光能量極高，會對皮膚產生刺激，本身也是光輻射，因此會有一定影響。超聲測距原理與激光測距儀相同，也是利用探測聲波傳播時間來計算距離，滿足(6)式。但超聲波不會造成測量干擾。

式中：為一個來回的時間；為聲速。不過聲速不是常量，與氣體性質有關，滿足(7)式：

式中：為介質壓強；為介質密度；為氣體熱容比。對于標準狀況下的空氣，＝1.402，＝1.013×10－5Pa，＝1.293kg/m3，將這些數據代入(7)式可求得標準狀況下空氣中聲速為：0＝331.42m/s。當溫度變化時，聲速為：

對(8)式用泰勒級數展開，可得近似公式：

2 硬件選擇與系統設計

2.1 方案設計

本系統設計采用高性能單片機作處理核心，通過紅外傳感器收集人體面部輻射信息，溫度傳感器探測環境溫度，位移傳感器測量距離，通過LCD液晶顯示器顯示測量信息，并將異常信號通過聲光報警器報警提示。為了方便測試和數據交換，設有與PC機的接口，其架構如圖2所示。

2.2 單片機及外圍電路

本系統設計需要一款高性能單片機作處理核心。經查閱相關資料，對比幾款高性能單片機的技術參數、性能特點和成本，綜合考慮性價比，本設計選用意法半導體的32位高速單片機STM32F407ZET6。該單片機采用意法半導體90nm工藝和自適應實時（adaptive real-time, ART）存儲器加速器，1.8～3.6V低電壓供電，238mA/MHz的低電流消耗，工作主頻168MHz，封裝尺寸僅20mm×20mm×1.4mm，是典型的低功耗微型化高性能單片機，技術成熟，非常適合便攜式產品設計使用。單片機及外圍電路如圖3所示。為了降低設計難度，增加系統工作可靠性與穩定性，本設計選用的紅外傳感器、溫度傳感器和位移傳感器均采用集成傳感器，各傳感器等外圍器件選型和工作原理如下。

圖2 紅外式體溫計架構

圖3 單片機及其外圍電路

紅外傳感器選擇比利時邁來芯公司（Mrlexis）的MLX90615ESG-DAA數字式紅外傳感器[9]，該型號的紅外傳感器測溫范圍－40℃～115℃（傳感器溫度范圍－20℃～85℃），能夠根據環境溫度自動進行溫度補償，分辨率0.02℃。尺寸極小，易于集成化設計，是醫療專用的人體體溫測量傳感器，其測溫精度如圖4所示，非常適合本設計使用。

圖4 MLX90615ESG-DAA基本精度

位移傳感器采用通用的HC-SR04超聲波模塊。該超聲波模塊技術成熟，性能穩定，精確度高，使用方便[10]。工作時單片機首先通過PG0口給HC-SR04的trig端口發送一個頻率40kHz的脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）方波觸發信號讓其產生超聲波，當超聲波射到被測物體發生反射而返回時，echo端口會捕捉到信號，送給單片機PG1口。單片機根據信號觸發到捕捉回聲的時間即可算出待測距離。HC-SR04量程2cm～4m，最大誤差2%，滿足設計要求。

溫度傳感器采用美國DALLAS公司的集成數字溫度計DS18B20。該傳感器集成度高，價格低廉，性能穩定。采用單線接口，無需其他外圍器件，設計簡單。DS18B20的量程－55℃～125℃，精度±0.5℃。本設計中DS18B20只用于測量環境溫度以便對體溫測量值進行修正，完全滿足設計要求。

為了能夠對異常溫度及時報警，系統設計了聲光報警器。一旦發現測量體溫異常（范圍可設定，默認低于36℃或高于37.3℃為異常），單片機會通過PG9口發送一個高電平信號觸發三極管Q1導通，使發光二極管D1和蜂鳴器F1開始工作，實現聲光報警。

此外，單片機外圍還有復位電路、串口接口電路等，不再贅述。

2.3 接口電路

為了能使系統進行程序下載、調試，設計了接口電路，如圖5所示。

2.4 LCD顯示電路

為了能夠顯示測量信息，系統設計了顯示電路，如圖6所示。為了方便使用和改善顯示品質，顯示器采用觸摸屏控制的薄膜晶體管液晶顯示器（thin film transistor liquid crystal display，TFT-LCD），并接到STM32F407單片機的可變靜態存儲控制器（flexible static memory controller，FSMC）總線。

2.5 電源電路

本系統設計中，溫度傳感器DS18B20、超聲傳感器HC-SR04和串口接口使用5.0V工作電壓，紅外傳感器MLX90615、報警器、接口電路和單片機STM32F407及外圍器件使用3.3V工作電壓，LCD顯示電路同時使用3.3V和5.0V工作電壓。為此，選用了7805模塊和AMS1117-3.3模塊設計了穩壓電路，如圖7所示[11]。

3 溫度補償技術

3.1 環境溫度

由于MLX90615紅外傳感器自帶環境溫度補償與校正，可以不必對測量值進行溫度補償，但測量值并非人體體溫，原因有二：

圖5 接口電路

1）人體面部發射率的影響

人體表面皮膚的發射率為0.95～0.98，且不固定，會因各人的皮膚情況有所不同，而且會隨著環境溫度變化而變化，環境溫度高時面部血液循環加快而溫度升高，反之環境溫度降低時面部血管收縮血流量減少導致額溫降低。MLX90615紅外傳感器默認的發射率是1，存儲地址為3h，寄存器發射率公式為dec2hex [round(16384×)]，可以進行修改。但因為隨著環境溫度變化，必須進行動態溫度補償。圖8是實驗測試的一組額溫隨環境溫度變化關系曲線。

由圖8可見，紅外傳感器在20℃～30℃范圍內測溫比較準確，當環境溫度低于10℃或高于40℃時誤差會急劇增大，必須補償。

2）人體額溫與體溫存在差異

一般來說，人體額溫比體溫要低1℃～2℃。臨床實驗表明，額溫與體溫對應關系如圖9所示[12]。

圖6 LCD電路

圖7 電源電路

圖8 額溫隨環境溫度變化關系

圖9 額溫與體溫對應關系

由圖9可見，額溫與體溫關系為一組折線，其中兩端的線性度較好。由于折線僅7段，為了計算精確，采用簡單的分段法給出7段擬合直線進行補償（兩端線性度較好，采用延長線）。

3.2 探測距離

測量距離對紅外體溫計的影響表現在兩個方面，一方面是距離變化造成大氣透射率變化，另一方面是距離的變化會影響紅外傳感器的光學分辨率[13]。由于紅外體溫計的測量距離非常近，距離對透射率的影響可忽略，需要討論的是距離變化對光學分辨率的影響。圖10是在固定環境溫度25℃（此時環境溫度基本無影響）時實驗測試的一組額溫與探測距離的關系曲線。

由圖10可見，探測距離3cm以內紅外傳感器測溫比較準確，距離超過4cm時測量值急劇下降已不能正常工作。但距離過小也會因為補償過度而誤差增大，實際使用時測量距離在0.5～3.0cm之間比較準確。

紅外傳感器的光學分辨率也稱距離系數，一般用距離與直徑之比來表示：

式中：為測量距離；為測量目標的光斑直徑。查閱MLX90615技術手冊可知，其視場角為80°，人體額頭直徑約6cm，由圖11可知：

由此可見，其最大探測距離為約3.6cm，計算數據與圖10的實驗結果一致。為了測量準確，實際使用時要小于這個距離。

圖10 額溫與探測距離關系

圖11 光學分辨率示意圖

3.3 溫度補償方法

由以上討論可知，紅外體溫計由于受到輻射體、環境溫度及測量距離等的影響而存在系統誤差，必須對測量結果進行系統的誤差修正。對于誤差修正采用的算法主要有最小二乘法、BP（back-propagation）神經網絡法及徑向基函數神經網絡法（radial basis function，RBF）等。最小二乘法采用簡單的數學計算，算法最簡單，速度最快，但修正結果不是太理想。BP神經網絡是基于最小二乘法發展起來的一種復雜的非線性問題算法，其數學描述精確、處理過程清晰、自主學習能力強、方法易于實現。RBF神經網絡是一種高效的前饋式神經網絡，具有最佳逼近性能和全局最優特性，但算法復雜。綜合比較各種算法，本設計采用BP神經網絡算法[14-16]。

BP神經網絡即誤差反傳網絡，它采用分層結構，誤差反傳，其分類和記憶能力較好，運算速度快，其拓撲結構如圖12所示，分為3層，如果輸出層輸出值達到理想值則直接輸出，如果超出期望值則反向傳播，不斷修改各層權值直到輸出值達到設定值。

圖12 BP網絡拓撲結構

BP神經網絡算法的具體實現步驟是：

1）設定初始權值。

給輸入層、隱含層和輸出層設定初始權值。

2）給定樣本。

設第組樣本輸入輸出分別為：

3）計算輸出。

節點在第組樣本輸入時，輸出表達式為：

式中：Q為組樣本輸入節點的第個輸入。

4）計算樣本目標函數。

第組樣本輸入時網絡的目標函數E為：

式中：y()為在第組樣本輸入時經次權值調整的網絡輸出，為輸出層第個節點。

5）計算總目標函數。

將每組目標函數E疊加得總目標函數：

6）計算偏差。

總目標函數()與選的期望值0進行比較。若()≤0不再計算直接輸出；若()＞0則繼續反向誤差傳遞計算。

7）反向誤差傳遞計算

反向誤差傳遞通過梯度下降法來計算。由輸出層、隱含層到輸入層的順序逐步反向調整各層權值，當步長為時，由神經元到神經元之間權值調整為：

BP神經網絡就是用這種不斷調整的反向誤差傳遞計算法逐步逼近輸入輸出之間的關系，直至找到滿意的擬合關系。本設計中，根據環境溫度和探測距離對測量額溫的影響，以及額溫和體溫差異，需要采集大量數據，利用MATLAB編程進行擬合計算。

順便指出，體溫測量根據不同的測量部位分為口溫、腋溫和肛溫。體溫測量部位不同結果也不同，腋溫最低，肛溫最高，平常所提“體溫”一般指腋溫。為了便于使用，本系統設計經過溫度補償后最終顯示體溫指腋溫。

4 系統程序設計

根據系統設計，利用C語言對單片機進行了編程，系統工作流程是：

1）讀取程序和參數設置

系統開始工作后首先進行自檢，如果沒有外部指令輸入，則自動讀取上次測量使用的程序和參數設置。如果因故更改程序或參數設置，則需通過接口電路讀取。

2）各傳感器讀取測量信息

單片機STM32F407初始化完成后會發出指令，命令紅外傳感器MLX90615、溫度傳感器DS18B20和超聲傳感器HC-SR04開始獨立工作，并將測量信息傳給單片機。

3）溫度補償計算

溫度補償計算是本設計的重點內容之一，分兩步進行，第一步：基本參數計算。系統首先根據DS18B20探測到環境溫度利用(9)式計算波速，再根據HC-SR04探測的超聲波傳播時間利用(6)式計算探測距離。再加上MLX90615所測量的額溫，溫度補償計算所需要的基本參數已具備；第二步：溫度補償計算。根據第一步的計算結果，采用BP神經網絡算法進行溫度補償計算。

4）計算結果處理

系統會通過LCD顯示器顯示測量數據，并可根據需要進行存儲（數據存儲條數可設置），以便調取、分析。同時根據程序設置判斷溫度是否異常，如果溫度異常則啟動聲光報警（系統默認低于36℃或高于37.3℃為異常）。

系統主程序流程如圖13所示。

5 實驗測試

為了驗證本設計的可靠性，我們進行了體溫測量實驗，分別在不同測量距離、不同環境溫度下對測試者進行體溫測量，以檢驗距離補償和溫度補償效果。為了真實反映額溫測量效果，沒有用其他熱源代替，選取A、B、C三人為實驗對象，其中A是健康成年男性，體溫正常；B為兒童，體溫正常；C為低燒患者。

5.1 距離補償效果測試

為了降低其他因素的干擾，我們選在室內進行不同測量距離效果測試。測試條件：室溫25℃，空氣清潔，濕度適中，無輻射。用某型號實驗室用高精度電子溫度計測量測試者的體溫（腋溫）作為標準值，與本系統設計的紅外體溫計不同測量距離下所測量的體溫（補償后的額溫）進行對比，測試結果如表1所示。

由表1測試結果可見，對于測試者B的距離補償較為理想，測試者A的距離補償有所不足，而測試者C由于發燒，距離補償過度。綜合測試結果可以發現，理想測量距離為3.5cm以內，超過5cm誤差明顯增大，實際應用時應不超過4.5cm。

5.2 環境溫度補償測試

測試條件：室內，空氣清潔，濕度適中，無輻射，測量距離2～3cm。在不同時段，測試不同環境溫度下測試者體溫測量效果，測試結果如表2所示。

圖13 系統主程序流程

由表2測試結果可見，測量誤差最大為0.1℃，滿足體溫測量要求。其中實驗對象A測量值總是偏低，可能與其面部皮膚發射率有關；測試對象B為兒童，體溫比成年人略高，面部皮膚發射率大，測量值總體偏高也屬正常。測試結果表明溫度補償效果較好。

5.3 綜合測試

為檢測系統設計在室外復雜環境下測量精度以及異常報警等功能是否正常，進行了綜合測試，測試結果如表3所示。

由表3測試結果可見，綜合測試最大誤差為0.15℃，異常報警功能正常。其中光照對測量影響較大。

表1 距離補償測試結果

表2 環境溫度補償測試結果

表3 綜合測試結果

實驗測試結果表明，本系統設計和誤差補償方法，能有效提高紅外體溫計的測量精度，測試結果表明驗證了本設計的可靠性與實用性。

6 總結

本系統設計采用的溫度補償方法，從理論上算出影響測量結果的各種因素定量關系，為實驗修正提供具體參數，避免了盲目的校正，對相關研究具有借鑒和遷移價值。同時，系統設計采用STM32F407高速單片機作為處理核心，能夠進一步進行紅外式溫度計的功能拓展研究，例如病人的遠程無線監護、利用人體體溫所發紅外線“導航定位”快速定位目標人群、融入物聯網，在智能家居系統中監測人的活動等。雖然紅外測溫在測量精度上還有一定誤差，但隨著技術的發展與進步，測量精度會進一步提高，紅外式體溫計的發展前景十分廣闊[17]。

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Design of Portable Infrared thermometer and Temperature Compensation Technology

YANG Qingzhi，WANG Yuxiang，XU Hong

(,,236800,)

Infrared thermometers are popular because of their safety, hygiene, and high efficiency. However, commercial infrared thermometers have large measurement errors and high cost, so their application is limited. Considering this, this paper first analyzes various factors that affect the measurement accuracy of an infrared thermometer and gives the calculation results of the specific influence degree. Then, using STM32F407 MCU as the control core, an MLX90615 infrared sensor, DS18B20 integrated temperature sensor, and HC-SR04 ultrasonic sensor to obtain information, a cheap and reliable portable infrared thermometer for hospitals and families is designed, and a method of temperature compensation is provided. Finally, the reliability of the system design was verified by testing. The test results show that the maximum comprehensive error is less than 0.15℃, which has definite practical value and reference value.

infrared thermometer, STM32F407, temperature compensation, MLX90615, abnormal alarm

R318.6，TP212.3

A

1001-8891(2021)06-0597-10

2020-10-10；

2021-01-12.

楊清志（1974-），男，副教授，碩士，主要從事自動化與傳感器等方面研究。E-mail：bzyqz@126.com。

安徽省教育廳質量工程項目（2020kfkc335）；亳州職業技術學院重點科研項目（BKY2004）。