基于单片机的疫情防控系统

董旭，马友杰，朱龙飞，张存杰，谢飒

（郑州西亚斯学院 电子信息工程学院，河南 郑州 451150）

0 引 言

2019年底新冠肺炎疫情暴发，短时间内遍及全球，疫情传播迅速，严重危害人们的身体健康。被感染的显著特征就是体温度升高，因此测量体温是否异常，是确认是否被感染的常见方法。不论是工作还是学习，或者进入超市都要出示健康码并进行体温检测。温度检测可以有效地确认是否被感染，以便防止疫情扩散。我国在治理期间，在各个岗口对进出的人员进行体温测量。然而测温必须人人配合，带来诸多不便，而且需要较多人力去落实工作，在人流量比较大的场所工作格外辛苦，所以就需要非接触式的红外体温测量来减少任务量，然而成熟的电子装置价格昂贵，在很多地方并不能普及，因此该项目设计制作一套成本较低的装置，此装置可以安装在图书馆，教室，餐厅等封闭的公共资源环境的门禁上。

1 系统整体框架

如图1所示，该疫情防控系统由MLX90614 红外温度传感器、舵机、LCD1602 显示模块、蜂鸣器模块以及52 单片机组成。

图1 系统整体框图

因为该单片机拥有低功耗的功能，不需要高的电压，正常5 伏电压就可以驱动，所以选用该单片机。MLX90614 红外温度传感器、舵机驱动模块、LCD1602 显示模块均与单片机相连接，经过单片机的处理，输出需要传输的脉冲信号达到控制各个模块的任务，各个模块一起运行就可达到用温度控制门的开闭。

红外温度传感器通过测量人的体温输入到单片机里，通过该芯片的运算与正常温度范围的比较，然后输出脉冲信号给舵机，由舵机来控制门的打开或关闭，这样就可以隔离非正常体温的人群了。

2 系统硬件设计

2.1 STC89C52 单片机

疫情防火墙的设计采用了52 单片机，这款单片机虽然比较老式，但性价比高，应用范围广。单片机的最小系统由4 个模块组成，使系统能够正常运行，内部的下载电路能让设计者进行重复程序下载操作。串行端口的存在使单片机具有良好的通信功能，能进行模块间的数据传输。如图2所示，该模块处理速度相比于同类型单片机具有速度快的优点，解决了许多嵌入式控制问题，易于使用。

图2 STC89C52 单片机

2.2 红外传感器模块

温度传感器有接触式传感器和非接触式传感器。由于接触式传感器必须与仪器和被测物体接触并达到热平衡，以便获取背面物体的温度，并且对环境温度的干扰很敏感；另一方面，此种操作可能会影响疫情的二次传播，非接触式不用与被测物体接触而且响应时间更短，使用起来更安全方便，综合考虑之后选用MLX90614，如图3所示，该模块具有体积小，易集成且精度高的优点。MLX90614 红外温度传感器模块误差稳定在±0.02 ℃，这极大地减小了本次设计的误差，且工作电压为5 V 直接可以和单片机相连。需要注意的是：想测量温度的话，必须使两个物体达到热平衡，这样才能更加准确的测量出它的温度，局部形成的温差也会对测量目标的温度造成影响，因此使用的时候要尽量保证避免这些情况的出现，这样才能得到更加准确的结果。使用该模块不能在过高的环境下使用，这样会损坏该模块。

图3 红外传感器模块

MLX90614 红外测温模块与单片机之间通信的方式有相同之处，跟IIC 通信方式很类似但又不全是IIC，它被叫作SMBus。这种通信方式需要使用两个信号线进行通信，一条是时钟双向信号线，一条是数据线，它允许CPU 与各种外接器件以串行方式进行通信和交换信息。一方面，可以提高传输速度；另一方面，可以减少设备数量，避免其他元器件，长时间访问该模块，以便更高效地处理数据。不论这个接口有没有与单片机进行连接，都不会对模拟效果产生任何影响。采集到的环境温度数据能够存储在006H 地址存储设备中，把采集到的测量目标温度数据存储在007H 地址存储设备中。如果使用存储在RAM 地址中的数据计算下面等式，这样就得到了周围的环境温度和需要测试目标的温度。

Tomax：设定的测量物体温度上限；Tomin：设定的测量物体温度下限；Ta：即环境温度范围。

温度上限的计算方法：

Tomax=100×（Tomax+273.15），将得到的数值存入000H 地址中。

测量温度下限计算方法如下：

Tomin=100×（Tomin+273.15），将得到的数值存入001H 地址中。

2.3 舵机驱动模块

该项目设计通道的打开和关闭采用的是sg90 舵机。如图4所示，Sg90 舵机引出三条不同的线分别是信号线，电源线，接地线。

图4 舵机驱动模块

信号线直接与单片机的P 口连接进行通信。通过20 ms的周期内不同的占空比来控制舵机的运行，该信号一般的脉宽为0.5 ms～ 2.5 ms，对应于从零开始线性变化的方向盘转动直到180°。如果给该舵机设定恒定的脉冲宽度，输出轴保持恒定的角度，无论外部扭矩怎么随意变化，新匹配位置的角度都不会改变，直到接收到不同宽度的脉冲信号才发生变化，才会改变新匹配位置的角度，在舵机的内部有一个产生周期为20 ms，宽度为1.5 ms 基准信号的电路。它和一个将基准信号与外部信号进行比较的比较器进行对比，进而确定转动的方向和幅度，从而产生准确的转动信号。控制电路在信号线上接收相应的PWM 控制信号，进而控制电机转动。发动机驱动一系列齿轮、制动器并传送到输出方向盘。控制位置反馈的电位器与控制舵机输出转动的地方相连，当想让舵机转动的时候，通过调节旋钮可以改变反馈电位器进而会产生控制舵机转动的占空比，舵机的控制部分会根据舵机的状况不同决定它运行的情况。单片机通过定时器及中断产生不同的占空比控制舵机转动的角度，进而控制通道的打开和关闭。当给入不同的占空比时舵机的转动角度也不同，不同占空比时舵机转动的角度如表1所示。

表1 高电平时间对应的舵机转动角度

2.4 显示模块

该设计使用易于使用的LCD1602 模块。如图5所示，该液晶模块比传统的屏幕更轻便，低功耗，与其他显示器相比，LCD1602 的功耗主要消耗在内部电极和驱动上，因此比其他显示器消耗的功率要少得多，可以直接连接到单片机不外加驱动，LCD1602 液晶显示模块最多可显示2 行16 个汉字。

图5 显示模块

2.5 蜂鸣器报警模块

该项目使用蜂鸣器作为报警模块，如图6所示，这款器件在生活中非常常用，在飞机和手机等设备应用广泛。如果要使蜂鸣器发出报警声，那么单片机就需要一个低电平的信号元器件的体积很小，但声音很大，当元器件松动的时候不会使整个系统产生较大的影响。

图6 蜂鸣器报警模块

2.6 按键电路

在单片机最小系统中，其主要部分有按键电路，主要由按键开关所组成，如图7所示，当按键按下的时候，单片机的引脚由高电位变成低电位实现对系统的输入。

图7 按键电路

3 软件部分

如图8所示，红外识别模块初始化后开始检测温度，把温度数据传送给单片机，经过单片机和正常温度的比较和处理，当行人通过且行人的体温正常时舵机保持不变，当行人的体温异常时，舵机转动通道关闭过一段时间，再恢复打开状态。可以定义个角度的变量来控制舵机转动的角度，需要注意的是：该舵机的运行周期不能超过20 ms。

图8 软件流程图

4 调试

当外接显示器时中断会打断舵机的运行，导致单片机无法生成一个周期的波形信号，舵机就没办法正常运转。当时考虑过换用更高速率的单片机，这样处理数据运算的能力肯定会提高，液晶显示器打断舵机的运行时间会变得非常小，甚至可以忽略不计。后来还尝试通过电容滤波，把混乱的频率给过滤掉，都不能达到满意的效果。该项目是当遇到行人的温度过高时关闭通道如果行人温度正常的情况下，舵机可以不用运行，后来改变程序的执行方式，当检测到行人温度异常的时候，才开始舵机的初始化，当通道关闭后，舵机便不再运行，等下次检测到人体温度异常的时候，舵机再次运行。于是先进行了舵机控制信号的调试，发现接上舵机后液晶显示乱码，用示波器测单片机舵机引脚的信号输出，发现信号输出正常，但是接上舵机后发现该引脚信号输出混乱，测量各个部位的信号变化以及电压变化。发现当座机运行的时候，单片机的电压会被整体拉低，这样很明显就因为电压不足导致的，经过测试得出，当输入信号为5 V，0.6 A 的情况下，系统运行正常。经过多次的实验和测试，系统终于可以正常运行了。在系统运行的时候还发现液晶显示模块有背光，但是没有显示。然而在仿真的情况下却一切正常，经过查阅资料，发现是对比度的问题。因为前期的时候并没有对屏幕的亮度进行调节，后来加了个滑动变阻器，控制液晶屏幕的亮度这样就可以清楚地显示出内容了，如图9所示。

图9 调试图片

5 结 论

该项目制作成本较低，此装置可以安装在图书馆，教室，餐厅等封闭的公共资源环境的门禁上。该装置原理是通过红外装置测得人们的体温的，把信号反馈给单片机，单片机对信号做出比较，如果该体温符合人们的正常体温则控制门禁打开。也就是说只有体温正常的人通过，此装置才会打开，人们才可以进入，这样就有效隔离了发热的病人，更好地保证了群众的健康。