一种红外热成像测温系统的设计

2021-09-27湖北久之洋红外系统股份有限公司赫少阳

电子世界 2021年15期

湖北久之洋红外系统股份有限公司赫少阳

本文出于对人体健康监控所需，设计了能够快速响应、非接触、高精度的红外热成像测温装置。在本次设计中将STM32单片机作为系统核心微处理器，并设计了高精度红外测温传感器、激光灯、显示屏、蜂鸣器等附件。这样设计能够将单片机与计算机，运用主、从一体化的无线蓝牙穿透模块相连接，从而无线传输测温数据信息，方便及时记录处理。本次系统设计经试验证实，用于远程红外热成像测温监控能够快速测温，高精准度且对于人员密集流量较大情况下，满足迅速测温所需。

自我国爆发新型冠状病毒疫情至今，体温监测就作为引起各界广泛重视的重要问题，怎样有效且迅速的进行人体测温，已经作为如今各界研究的热点问题。现有测温设备包括了日常使用的电子体温计、水银体温计等，在如今国际间严峻的新冠疫情背景下，非接触式体温计更是供不应求，虽然现有多种类体温计，但是在测温精度上仍有多数不足，所以对判断人体健康造成很大影响。随着近年来各项新型技术水平的不断提升，便携式红外线测温仪已经在工业、医疗、农业等行业领域普遍使用。本文提出一种将STM32单片机作为核心设备，设计红外热成像测温系统的新思路，与MLX90614红外测温传感器还有无线蓝牙传输模块搭配设计，达到了远程红外热成像测温与测温数据信息的实时传输。并与OLED显示器、蜂鸣器以及激光灯等设备联合使用，设计了便捷式人机交互、低成本、多功能、高精度且简易迅速的测温系统。

1 红外热成像测温理论基础

无论任何物体温度在达到（-273.15℃）这个绝对零度以上情况下，都会向外部产生电磁波辐射。物体所释放的红外能量会分布波长，密切相关表面温度，所以测量物体表面辐射红外能量，可以对表面温度准确测量。以斯蒂芬-玻尔兹曼理论为依据，在测量辐射温度时，利用辐射温度测量法设计了数字传感器（见图1），被测量物体释放的辐射线，经光学系统会在光电转换系统聚焦后形成电信号，并在电信号放大、滤波、A/D转换处理后最终获得温度数值。

图1 辐射测温传感器原理图

2 红外热成像测温系统设计

2.1 设计目标

本次设计红外热成像测温系统，主要是为了能够对日常物品、人体、普通生产设备等目标体进行温度测量，测温的目标范围包括-30℃～350℃，设计了可调节发射率（0.01～1），完成相应物体测量，达到±0.1℃的测温精度，0.02℃的测温分辨率，测温系统设计系数应当符合S:D，也就是测温设备的探头和测量目标物体之间，距离和被测目标物体的直径比为10:1标准。在200ms测温响应时长内，能够满足多数测温要求，3.3V低功耗系统运行。

2.2 整体设计

在本次系统设计中主要包括四部分（见图2），将STM32单片机用于系统核心控制模块，在红外测温该功能模块包括了红外测温传感器与附带组件，HC-05蓝牙应用于无线传输模块，OLED、激光灯和按键用于人机交互模块。经红外测温传感器获得被测量目标温度，单片机读取后经OLED屏显示具体温度信息，并经无线蓝牙传输数据。

图2 红外热成像测温系统结构图

3 功能实现

3.1 控制模块

本次红外热成像系统设计在核心控制功能模块，运用了STM32单片机，该单片机为32位微控制器，包括了电源、晶振、复位、BOOT电路为最小系统组成，能够运行于2V～3.6V，-40℃～85℃的工作温度条件。该单片机能够在运行功耗较低，具备强大功能的嵌入式系统中运行，或是应用于多类通用型可升级系统方案中，在工业、安防、建筑、家电等领域广泛应用。

3.2 红外测温模块

红外测温传感器功能模块采用了MLX90614ESFDCI型号红外测温传感器设备，该传感器能够在-40℃～125℃温度条件下运行，完成对-70℃～380℃温度范围内的物体测温，可以达到0.02℃的测量辨析度，在校准距离系数后可得12:1。所以将此红外温度传感器应用于本次系统设计中，运用SMBus输出模式与单片机相连接，经设计通讯程序完成有关内部参数和参数数据的对应设计。该传感器在实际运行中因为该型号运行性能良好，低成本、小体积、易集成所以广泛应用于空调温度、玻璃防雾、家电温控、工业监控以及牲畜养殖等各领域。

3.3 无线传输模块

无线传输该模块经HC-05主从一体化蓝牙串口实现无线传输，2.0蓝牙型号2.4GHz天线，外置8Mbit FLASH，3.3V工作低电压，-25℃～75℃的可运行温度条件，经AT命令切换至主从机传输，可以应用于串口打印机、采集数据等。本次系统设计无线传输连接单片机串口，能够根据系统运行中的设定程序发送数据，并将另一块作为接收模块连接USB接口，与上位机接收数据相对应，能够传输无线数据。

3.4 人机交互模块

人机交互模块中主要组件分别是OLED显示器，用于测温、发射率以及单位、系统测量状态等；按键用于操作功能模块与发射率；激光灯用于对被测温目标物体快速测量；蜂鸣器作为测温过程中的提示功能。

3.5 系统设计程序

在程序设计上基于主程序基础框架，设计的模块运行子程序分别是处理按键事件、红外测温、蓝牙传输。在主程序设计中首先初始化系统，点击扫描按键等待用户指令执行子程序后，显示OLED相关显示信息；在按键事件处理程序中，对用户按键功能进行判断，之后跳转相应子程序；在读取红外测温程序，首先对内部参数初始化，获得停止位后判断是否可以继续读取，发送起始位，之后在从机的地址与发送指令，假若发送后显示正常即可发送起始位，对低8位、高8位数据读取后，完成校验位读取后成功发送停止位，这样就表示完成读取，否则需要测温数据进行重新读取；蓝牙发送子程序需要初始化函数参数，对连接状态批判后判断是否空闲发送有关数据，假若空闲则对数据直接发送，否则需要等待直至空闲重新发送。

4 系统测试

4.1 测试设计

为了证明本次基于STM32的红外热成像测温系统的设计性能，展开和DS18B20温度传感器的对照实验，测量水温与人体体温。在测量过程中一定要严格控制无关影响变量，在水温测量过程中，由于红外测温主要测量的是表面水温，所以在使用DS18B20温度传感器测量过程中，需要与水体表面相接近。在人体测温时需要红外传感器单独完成一组手表面温度和额头温度对比测量。

4.2 测试结果

（见表1、表2）为本次对比测量结果，根据结果发现本次设计的红外测温系统，达到了较高的测温精度，获得了较可靠的测温数据。并且使用红外测温系统测量手表温度和额头温度过程中，额头温度要明显更高，在测量过程中发现本次设计该系统可以迅速温度相应，相较其他两种测量方式在测温速度上拥有绝对优势。并展开无线传输测试与蓝牙连接之后，将上位机打开完成无线传输温度数据，发现能够达到34.36～34.51℃测量范围，达到0.2℃最大波动值。