一種紅外熱成像測溫系統的設計

湖北久之洋紅外系統股份有限公司 赫少陽

本文出于對人體健康監控所需，設計了能夠快速響應、非接觸、高精度的紅外熱成像測溫裝置。在本次設計中將STM32單片機作為系統核心微處理器，并設計了高精度紅外測溫傳感器、激光燈、顯示屏、蜂鳴器等附件。這樣設計能夠將單片機與計算機，運用主、從一體化的無線藍牙穿透模塊相連接，從而無線傳輸測溫數據信息，方便及時記錄處理。本次系統設計經試驗證實，用于遠程紅外熱成像測溫監控能夠快速測溫，高精準度且對于人員密集流量較大情況下，滿足迅速測溫所需。

自我國爆發新型冠狀病毒疫情至今，體溫監測就作為引起各界廣泛重視的重要問題，怎樣有效且迅速的進行人體測溫，已經作為如今各界研究的熱點問題。現有測溫設備包括了日常使用的電子體溫計、水銀體溫計等，在如今國際間嚴峻的新冠疫情背景下，非接觸式體溫計更是供不應求，雖然現有多種類體溫計，但是在測溫精度上仍有多數不足，所以對判斷人體健康造成很大影響。隨著近年來各項新型技術水平的不斷提升，便攜式紅外線測溫儀已經在工業、醫療、農業等行業領域普遍使用。本文提出一種將STM32單片機作為核心設備，設計紅外熱成像測溫系統的新思路，與MLX90614紅外測溫傳感器還有無線藍牙傳輸模塊搭配設計，達到了遠程紅外熱成像測溫與測溫數據信息的實時傳輸。并與OLED顯示器、蜂鳴器以及激光燈等設備聯合使用，設計了便捷式人機交互、低成本、多功能、高精度且簡易迅速的測溫系統。

1 紅外熱成像測溫理論基礎

無論任何物體溫度在達到（-273.15℃）這個絕對零度以上情況下，都會向外部產生電磁波輻射。物體所釋放的紅外能量會分布波長，密切相關表面溫度，所以測量物體表面輻射紅外能量，可以對表面溫度準確測量。以斯蒂芬-玻爾茲曼理論為依據，在測量輻射溫度時，利用輻射溫度測量法設計了數字傳感器（見圖1），被測量物體釋放的輻射線，經光學系統會在光電轉換系統聚焦后形成電信號，并在電信號放大、濾波、A/D轉換處理后最終獲得溫度數值。

圖1 輻射測溫傳感器原理圖

2 紅外熱成像測溫系統設計

2.1 設計目標

本次設計紅外熱成像測溫系統，主要是為了能夠對日常物品、人體、普通生產設備等目標體進行溫度測量，測溫的目標范圍包括-30℃～350℃，設計了可調節發射率（0.01～1），完成相應物體測量，達到±0.1℃的測溫精度，0.02℃的測溫分辨率，測溫系統設計系數應當符合S:D，也就是測溫設備的探頭和測量目標物體之間，距離和被測目標物體的直徑比為10:1標準。在200ms測溫響應時長內，能夠滿足多數測溫要求，3.3V低功耗系統運行。

2.2 整體設計

在本次系統設計中主要包括四部分（見圖2），將STM32單片機用于系統核心控制模塊，在紅外測溫該功能模塊包括了紅外測溫傳感器與附帶組件，HC-05藍牙應用于無線傳輸模塊，OLED、激光燈和按鍵用于人機交互模塊。經紅外測溫傳感器獲得被測量目標溫度，單片機讀取后經OLED屏顯示具體溫度信息，并經無線藍牙傳輸數據。

圖2 紅外熱成像測溫系統結構圖

3 功能實現

3.1 控制模塊

本次紅外熱成像系統設計在核心控制功能模塊，運用了STM32單片機，該單片機為32位微控制器，包括了電源、晶振、復位、BOOT電路為最小系統組成，能夠運行于2V～3.6V，-40℃～85℃的工作溫度條件。該單片機能夠在運行功耗較低，具備強大功能的嵌入式系統中運行，或是應用于多類通用型可升級系統方案中，在工業、安防、建筑、家電等領域廣泛應用。

3.2 紅外測溫模塊

紅外測溫傳感器功能模塊采用了MLX90614ESFDCI型號紅外測溫傳感器設備，該傳感器能夠在-40℃～125℃溫度條件下運行，完成對-70℃～380℃溫度范圍內的物體測溫，可以達到0.02℃的測量辨析度，在校準距離系數后可得12:1。所以將此紅外溫度傳感器應用于本次系統設計中，運用SMBus輸出模式與單片機相連接，經設計通訊程序完成有關內部參數和參數數據的對應設計。該傳感器在實際運行中因為該型號運行性能良好，低成本、小體積、易集成所以廣泛應用于空調溫度、玻璃防霧、家電溫控、工業監控以及牲畜養殖等各領域。

3.3 無線傳輸模塊

無線傳輸該模塊經HC-05主從一體化藍牙串口實現無線傳輸，2.0藍牙型號2.4GHz天線，外置8Mbit FLASH，3.3V工作低電壓，-25℃～75℃的可運行溫度條件，經AT命令切換至主從機傳輸，可以應用于串口打印機、采集數據等。本次系統設計無線傳輸連接單片機串口，能夠根據系統運行中的設定程序發送數據，并將另一塊作為接收模塊連接USB接口，與上位機接收數據相對應，能夠傳輸無線數據。

3.4 人機交互模塊

人機交互模塊中主要組件分別是OLED顯示器，用于測溫、發射率以及單位、系統測量狀態等；按鍵用于操作功能模塊與發射率；激光燈用于對被測溫目標物體快速測量；蜂鳴器作為測溫過程中的提示功能。

3.5 系統設計程序

在程序設計上基于主程序基礎框架，設計的模塊運行子程序分別是處理按鍵事件、紅外測溫、藍牙傳輸。在主程序設計中首先初始化系統，點擊掃描按鍵等待用戶指令執行子程序后，顯示OLED相關顯示信息；在按鍵事件處理程序中，對用戶按鍵功能進行判斷，之后跳轉相應子程序；在讀取紅外測溫程序，首先對內部參數初始化，獲得停止位后判斷是否可以繼續讀取，發送起始位，之后在從機的地址與發送指令，假若發送后顯示正常即可發送起始位，對低8位、高8位數據讀取后，完成校驗位讀取后成功發送停止位，這樣就表示完成讀取，否則需要測溫數據進行重新讀取；藍牙發送子程序需要初始化函數參數，對連接狀態批判后判斷是否空閑發送有關數據，假若空閑則對數據直接發送，否則需要等待直至空閑重新發送。

4 系統測試

4.1 測試設計

為了證明本次基于STM32的紅外熱成像測溫系統的設計性能，展開和DS18B20溫度傳感器的對照實驗，測量水溫與人體體溫。在測量過程中一定要嚴格控制無關影響變量，在水溫測量過程中，由于紅外測溫主要測量的是表面水溫，所以在使用DS18B20溫度傳感器測量過程中，需要與水體表面相接近。在人體測溫時需要紅外傳感器單獨完成一組手表面溫度和額頭溫度對比測量。

4.2 測試結果

（見表1、表2）為本次對比測量結果，根據結果發現本次設計的紅外測溫系統，達到了較高的測溫精度，獲得了較可靠的測溫數據。并且使用紅外測溫系統測量手表溫度和額頭溫度過程中，額頭溫度要明顯更高，在測量過程中發現本次設計該系統可以迅速溫度相應，相較其他兩種測量方式在測溫速度上擁有絕對優勢。并展開無線傳輸測試與藍牙連接之后，將上位機打開完成無線傳輸溫度數據，發現能夠達到34.36～34.51℃測量范圍，達到0.2℃最大波動值。

表1 紅外測溫系統對比DS18B20溫度傳感器測量水溫

表2 紅外測溫系統測量手表面溫度、額頭溫度結果

結語：總而言之，通過本次提出基于STM32的紅外熱成像測溫系統的設計，分別介紹說明了該系統的設計功能模塊組成，以及系統設計程序，對比DS18B20溫度傳感器試驗結果證實，本次設計用于遠程紅外熱成像測溫監控能夠快速測溫，高精準度且對于人員密集流量較大情況下，滿足迅速測溫所需。