红外快速检测人体温度装置的设计与研制

2020-01-19赖志耀唐海波杨子彦

中国设备工程 2020年18期

赖志耀，唐海波，杨子彦

（湖南科技大学，湖南湘潭 411201）

目前，在一般的医疗救治中，人体温度测量的方法主要是采用水银体温计、电子温度计或红外体温枪，众所周知，采用水银体温计测量耗时较长，大大减缓了诊治的效率。而现在应用较广泛的是电子体温计，这种仪器测量更加准确，测用时更短，并且成本和价格低，但是，避免不了的是需要人体接触。而拥有非接触式的人体测温技术的是红外测温，这种办法不但测量精度更加准确、速度更快，并且还能运用人工智能算法实现人群体温检测，因此，该技术得到了更多的关注。

1 装置设计框架

（1）硬件设计框架。本设计中该装置主要有两个核心内容，一是红外线接收电路的设计；二是用户界面模块的设计，其中包括数据显示需要用到的OLED 液晶屏，SYN6288 语音播报模块和报警功能涉及的电路等。控制芯片选择的是型号为STC15F2K60S2 的单片机，电源模块由两块LM1596S 芯片组成的电路，分别为STC15F2K60S2 单片机和各个模块提供5V或者3.3V稳定直流电源。红外测温模块采用MLX90614芯片搭建电路，单片机向MLX90614 芯片发送数据，启动人体温度检测，经过内部集成芯片处理，向主控芯片输出数字信号。显示装置选择的是4个引脚的0.96 寸OLED 液晶显示屏，语音播报模块采用SYN6288 芯片和其他电阻电容搭建的电路，这两种模块在通讯方式上分别采用IIC 通讯协议和串口通讯协议，实现在互不干扰的情况下准确控制。总体设计路线是通过红外测温模块采集数据，经过处理后把数字信号传送至STC15F2K60S2 单片机，经过芯片对数据计算和判断，将数据结果经过IIC 通信和串口(UART)通信分别发送至OLED 液晶显示屏和SYN6288 语音播报模块，同时，如果判断出温度不在正常范围以内，则引发蜂鸣器和指示灯报警。

（2）软件设计框架。本设计采用目前学习和设计中用得比较广泛的开发环境——Keil uVision5，Keil uVision5是一个功能多样、库函数齐全、设计版面合理的开发软件。本设计中C 语言程序的设计方案主要为实现各个模块功能为基础，再实现多功能操作，具体需要完成红外测温模块的数据读取以及数据计算、控制OLED 液晶显示屏的精确显示、通过串口发送数据给SYN6288 语音播报模块实现语音提醒和控制LED 及蜂鸣器的高低电平输出。其次，在完成基础功能的前提下，可通过微动开关按钮实现数据记录和工作模式转换等功能。

2 电路设计

（1）电源模块电路连接。电源模块由LM2596 芯片及各种电阻电容等元件组成，输入电源由一组锂电池组成串联后形成的7.4V直流电源，经过该模块后，输出电压降低至5V，同时，可以进行其他电压值的输出控制，宽度为3.25～7.4V。本设计中需要调至5V直流电源，该芯片最大转换效率也是非常高，为92%，完全满足本设计的要求，同时，最大可允许承载的电流高达3A。

（2）红外测温模块电路连接。由MLX90614 组成的红外测温模块由4个引脚，由图3.2 可知，分别是VDD、GND、数据线（SDA）和时钟线（SCL），其中，电源正极（此处电源正极不与主控芯片的电源正极相同，以便保证主控芯片电源稳定）理应与VDD 连接，电源负极也理应与GND 连接，数据线（SDA）和时钟线（SCL）连接STC15F2K60S2 单片机的两个I/O 口分别是P0.0 引脚和P0.1 引脚（在本设计的程序中，时钟线为P0.0 引脚，数据线为P0.1 引脚），为了提高电路的稳定性，在硬件优化方面，这两个管脚需要外接上拉电阻以增强抗干扰性，使通信更为稳定。

（3）SYN6288 语音模块电路连接。SYN6288 芯片经过电路设计呈现独立模块后有7个引脚，分别是VCC、GND、TXD、RXD、BP0、BN0 和BUSY，其中，电源正极（此处电源正极不与主控芯片的电源正极相同，以便保证主控芯片电源稳定）理应与VDD 连接，电源负极也理应连接GND，SYN6288芯片的TXD 与单片机的RXD 连在一起，SYN6288 芯片的RXD组合NPN8050 三极管后与单片机的TXD 连在一起，为了提高电路的稳定性，可在TXD 和RXD 两个接口上分别连接一个上拉电阻，BP0 和BN0 分别连接喇叭两端，或者连接功率放大器，BUSY 可以与单片机的一个I/O 口连接起来，或者可以连接一个LED 灯（该LED 需要与电阻串联），以便用于关于该模块的工作情况。

3 功能测试

（1）电源测试。电源供电由两块锂电池串联组成共7.4V，电源模块由两块LM1596S 芯片组成，与多个电容、电阻、电感和电位器等各元器件的作用下，通过调节PCB 板上的两个电位器，可将7.4V直流电源转换为5V稳定直流电源，最大允许电流可达到3A，足以为单片机和各个模块保证5V稳定供电。

（2）红外测温模块测试。红外测温模块由MLX90614芯片组成，支持SMbus 通信，兼容IIC 总线，因此，在对STC15F2K60S2 单片机进行程序编程的过程中，可通过对两个I/O 口模拟SCL时钟线和SDA 数据线（此处选择的是P0.0 引脚和P0.1 引脚），与MLX90614 完成数据的收发。STC15F2K60S2 单片机从MLX90614 接收到的数据(DataH:DataL)，根据式(3.2) 进行计算处理，通过串口(UART)把数据发送至电脑端，借助串口助手，实现数据可视化。

（3）OLED 液晶显示屏测试。OLED 液晶显示屏同样采用的是IIC 通信方式，因此，同样可以选择STC15F2K60S2 单片机不同的两个I/O 口，其中一个管脚模拟时钟线（SCL），另一个管脚模拟数据线（SDA），实现与该模块进行数据的接收和发送。为了控制程序运行在该模块上的用时，显示屏显示内容只有部分显示程序在大循环中，其他内容将由按键控制。本文设计中的显示装置分辨率为128×64，经过取模软件，把每个汉字的大小设计成为16×16，字符大小设计成为16×8，因此，足以显示出全部内容。

（4）语音播报模块测试。语音播报模块由SYN6288 芯片、各种电容电阻等元器件和0.5W 喇叭组成，该模块采用的是串口(UART)通信方式，本文设计中用到的是串口1，即P3.0 引脚和P3.1 引脚，其中，波特率的选择为9600bps，本设计中只有该模块用到串口通信，因此，只需打开一个串口通道即可。模块的语音合成播放命令主要由3 部分组成，起始位为0xFD，紧接着，是16 位的数据长度，最后一部分是数据区，这里的数据区也是由多部分组成，共有四个组成部分，根据该芯片所最多一次性发送数据的长度范围，长度大小不能超出200个字节。

4 功能优化

（1）电源电量检测。STC15F2K60S2 单片机有多路ADC选择通道，共8个，其引脚分别在P1.0 口-P1.7 口，且最高可达十位采集，采集方式采用的是逐次比较型ADC，逐次比较型A/D 转换在平时应用较多，同时，也具备了采集速度快和消耗低等特点。比较于其他类型的单片机，例如，以往的51 系列型的芯片，STC15F2K60S2 单片机在功能方面更胜一筹，A/D 采集方面就能凸显出他的优越性。

（2）报警功能。报警功能的实现由多个电路共同作用下实现，分别是SYN6288 语音播报模块（主要用于播报温度和低烧或者高烧警告）、蜂鸣器模块（按键提示和低烧或者高烧警告）和LED 指示灯模块（正常体温、低烧和高烧警告分别亮起不同颜色的LED 灯）组成，具体实现如下：本装置的程序设计中，当检测到人体温度为37.3℃以下（包含37.3℃）时为正常人体温度，绿灯亮，同时，播报测量的人体温度；当检测到人体温度为37.3 ～38℃（不包含37.3℃，包含38℃）时为低烧时的人体温度，黄灯亮，蜂鸣器响一秒，同时，语音模块警告温度过高；当检测到人体温度为38℃以上（不包含38℃）时为高烧时的人体温度，红灯亮，蜂鸣器响两秒，同时，语音模块警告温度过高。