基于單片機的紅外熱成像體溫檢測儀①

時 昊， 竇艷芳, 崔月瑩

(1.三明學(xué)院機電工程學(xué)院電子系電子信息工程專業(yè)，福建 三明 365004；2.佳木斯大學(xué)，黑龍江 佳木斯 154002)

0 引 言

當(dāng)前，全國疫情防控不斷積極向好態(tài)勢發(fā)展，但疫情仍在全球流行，周邊國家和地區(qū)的疫情持續(xù)蔓延，國內(nèi)疫情也時有發(fā)生。習(xí)近平總書記在中共中央政治局常務(wù)委員會會議上特別強調(diào)，“要認清當(dāng)前形勢，做好較長時間應(yīng)對疫情的思想準備和工作準備?！泵鎸π蝿莸牟环€(wěn)定、不確定，一定要認真研究，科學(xué)、合理、細致、周密的制定好學(xué)校疫情防控，確保復(fù)工復(fù)學(xué)萬無一失。新冠肺炎前期臨床表現(xiàn)又主要包括：發(fā)熱、干咳、乏力。所以，必須對出入密集場所關(guān)口的人員進行體溫測量[1]。目前，大多數(shù)場所一般采用的是手持式紅外測溫儀[2]。該方法不僅增加了工作人員交叉感染的風(fēng)險，而且在人流量密集時效率低。本設(shè)計基于單片機的紅外熱成像人體溫度測量儀，是以STC8A8K64S4A12作為微處理器，搭配紅外非接觸式熱成像測溫傳感器，根據(jù)被測人員的紅外輻射能量來確定其對應(yīng)的體溫值。該測量儀響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，可以在不與被測人員接觸的情況對其進行體溫測量。

1 系統(tǒng)整理架構(gòu)

在經(jīng)過市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，制定紅外熱成像人體溫度監(jiān)測裝置總體方案設(shè)計；根據(jù)裝置對各子模塊的功能要求，選擇最為合適的各類傳感器，并對相關(guān)硬件電路進行了設(shè)計；完成系統(tǒng)的軟件部分程序的編寫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示；通過上千人次的和標準測溫槍進行對比測試，積累數(shù)據(jù)，結(jié)合環(huán)境溫度，完善軟件算法，保證測量精度達到設(shè)計要求；在實驗室環(huán)境下對裝置的軟硬件進行穩(wěn)定性測試；對裝置進行實地調(diào)試，并投入使用。工藝流程如圖1所示：

圖1 紅外熱成像體溫檢測儀設(shè)計工藝流程圖

紅外熱成像體溫檢測儀從功能結(jié)構(gòu)角度來看，主要由紅外溫度檢測模塊、人體檢測模塊、拍照模組、信息處理模塊組成。該系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 紅外熱成像體溫檢測儀架構(gòu)

2 紅外熱成像體溫檢測儀硬件設(shè)計

任何溫度高于絕對零度(熱力學(xué)零度)的物體，就會向外界發(fā)出輻射[3]。被測物自身溫度不發(fā)生改變時，它的溫度輻射值相對穩(wěn)定[4]。本設(shè)計基于單片機的紅外熱成像體溫檢測儀。采用紅外傳感器MLX90621將接收到的光學(xué)量(被測物的溫度輻射)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號，進行放大、濾波等處理，再送入STC8A8K64S4A12內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器得到對應(yīng)的數(shù)字信號，數(shù)字信號送入顯示電路進行顯示。若溫度值不超過設(shè)定值，則顯示電路綠燈亮，同時蜂鳴器提示完成溫度測量；若溫度值超過設(shè)定值，則顯示電路紅燈亮，蜂鳴器發(fā)出報警，同時攝像模組啟動抓拍功能。

2.1 檢測模塊

2.1.1 溫度檢測模塊

紅外傳感器溫度檢測模塊主要負責(zé)采集人體的溫度信號。本設(shè)計選用的紅外溫度傳感器是Melexis公司生產(chǎn)的MLX90621[5]，它是利用紅外輻射熱效應(yīng)測量它吸收到的紅外輻射通量，間接的檢測向其輻射紅外光的物體溫度。

該傳感器是一款熱紅外輻射敏感型全校準16*4像素?zé)峒t外探測器陣列。它采用I2C的方式與微處理器進行通信，通信時長大約5ms左右，適用于快速數(shù)據(jù)傳輸。不僅小尺寸、高性價比，而且每個像素都有高速ADC和低噪聲斬波放大器，其原理圖如圖3所示。

圖3 MLX90621傳感器原理圖

被檢測人員所處環(huán)境不可避免的存在很多其他輻射源，其他輻射源不斷向外界輻射電磁波，這會對體溫檢測儀中紅外傳感器接收到的輻射能量造成不小的影響，導(dǎo)致檢測到的人體體溫不準確。人體輻射的電磁波，主要是波長為9～10μm的紅外光[4]。為了降低該因素對測量結(jié)果的影響，本設(shè)計加入了由菲涅爾透鏡和熱成像鍺質(zhì)紅外5～14μm濾光片組成的光學(xué)系統(tǒng)。由光學(xué)系統(tǒng)對進入MLX90621傳感器的光信號進行帶通濾波、聚焦，從而提高檢測結(jié)果的準確性。

2.1.2 人體檢測模塊

該部分是由超聲波模塊作為核心，圖4為DYP-A02超聲波模塊的示意圖。

圖4 DYP-A02超聲波模塊的示意圖

采用DYP-A02超聲波模塊進行距離檢測，其電源供電電壓為3.3V～5.0V，待機時電流可低于5μA，低功耗；不受檢測物體的顏色、透明度、材質(zhì)的影響，抗干擾能力強；輸出格式包括：UART自動輸出、UART受控輸出、PWM輸出及開關(guān)量輸出；測距探測量程為3～450cm，適合本設(shè)計的要求。表1為DYP-A02超聲波模塊的引腳說明。

表1 DYP-A02超聲波模塊的引腳說明

本設(shè)計中超聲波測距模組通過開關(guān)量格式輸出，與單片機STC8A8K64S4A12進行連接。

人體輻射的紅外線在傳播過程中，傳播距離和輻射能量是成反比的[6]。通過大量實驗得出，在本設(shè)計中當(dāng)測試人員距離測量儀30～50cm時，可以忽略背景溫度為檢測結(jié)果的影響[7]，實驗數(shù)據(jù)最準確，故設(shè)定超聲波測距模組門限值為50cm。令模塊每500ms進行一次測距，當(dāng)檢測到目標的距離值小于設(shè)定的門限值，TX引線輸出高電平，RX引線輸出低電平。由于在室溫條件下，人體溫度一般高于周圍環(huán)境溫度。所以可以通過設(shè)定溫度下限值的方法，濾除檢測到的周圍環(huán)境中除人之外的其他物體距離信息。

2.2 信息處理模塊

STC8A8K64S4A12是我國深圳宏晶科技有限公司(STC)推出的一款單片機[8]。它是在STC15系列基礎(chǔ)上的升級，是不需要外部晶振和外部復(fù)位的單片機，具有1T的分頻功能，系統(tǒng)內(nèi)核兼容51單片機系列，在相同的工作頻率下，比傳統(tǒng)的8051約快12倍，是具有強抗干擾能力、低功耗高性的單片機[9]。設(shè)計采用STC8A8K64S4A12作為微處理器，控制紅外傳感器MLX90621進行溫度測量、超聲波模塊DYP-A02獲取人員檢測信息，微處理器將檢測到的人體溫度信息實時顯示到液晶屏幕上。

2.3 外圍電路

2.3.1 顯示模塊

顯示模塊用來顯示被測量人員的實時體溫值。本設(shè)計選用LED1602，該液晶模塊有20個外接引腳，采用并口方式與單片機連接會占有過多的I/O(輸入/輸出)接口，所以采用SPI串口連接方式。顯示控制芯片使用的是ST7920。

2.3.2 聲光報警模塊

當(dāng)被檢測人員體溫低于37.3℃(報警溫度)且高于35℃時，檢測儀中綠色亮，同時BEEP為1(高電平)，此時三極管處于放大狀態(tài)，蜂鳴器響一聲，提示被檢測人員體溫已檢測完畢。當(dāng)被檢測人員體溫不低于37.3℃(報警溫度)時，檢測儀發(fā)出聲光報警，此時，紅燈亮，BEEP為1(高電平)，蜂鳴器連續(xù)響三聲。

2.3.3 拍照模組

選用雄邁信息技術(shù)有限公司的IVG-85HF30PS-S拍照模組，其實物圖如圖5所示。該模組分辨率高、支持手機監(jiān)測。當(dāng)被檢測人員體溫不低于報警溫度(37.3℃)時，拍照模組自動啟動拍照功能，將被檢測人員的圖像信息保存下來，實現(xiàn)超溫抓拍的功能。利用4G通訊的方式，工作人員可以通過手機端查看超溫抓拍的圖像信息，以便及時、準確地對體溫高于報警溫度的被檢測人員的身體狀況進一步核查。

圖5 拍照模組實物圖

3 紅外熱成像體溫檢測儀軟件設(shè)計

采用Keil開發(fā)環(huán)境來進行軟件設(shè)計，為了提高系統(tǒng)的開發(fā)效率，采用C語言進行程序代碼的編寫。上電后，初始化單片進SCT8A的定時器、中斷、I/O端口等的狀態(tài)；超聲波傳感器檢測門限范圍內(nèi)(<50cm)物體，讀取溫度檢測模塊采集到的人體體溫值；通過LCD顯示檢測到的人體體溫值。

4 體溫檢測儀及實驗數(shù)據(jù)

基于單片機的紅外熱成像體溫檢測儀實物圖如圖6所示。

圖6 紅外熱成像體溫檢測儀實物圖

以精度為0.1℃的水銀溫度計檢測到的人體腋下溫度作為標準溫度。本文設(shè)計的基于單片機的紅外熱成像體溫檢測儀測得的數(shù)據(jù)值，作為測溫數(shù)據(jù)。相同條件下，檢測結(jié)果及誤差如表2所示?？梢钥闯?，與標準溫度相比，紅外熱成像非接觸式體溫檢測儀在對同一輻射源進行測量時，最大溫度誤差沒有超過0.3℃，滿足人體體溫檢測的需求。

表2 體溫檢測儀測量結(jié)果及誤差

5 結(jié) 論

整個系統(tǒng)是基于紅外熱成像傳感器的非接觸式測量被檢測人員的體溫，采用STC8A8K64S4A12單片機和C語言編程，提供了實時人體體溫顯示、聲光提示、超溫圖像采集、存儲和WIFI訪問功能。通過軟件算法設(shè)計，優(yōu)化了人體溫度區(qū)間(35～42℃)內(nèi)的溫度采集數(shù)據(jù)，提高了測量精度，達到體溫檢測要求的0.3℃精度[10-12]。該體溫檢測儀，具備24小時實時人體體溫檢測能力，不僅大大提高了工作人員在體溫檢測過程中的安全保障，還可以降低人群出現(xiàn)交叉感染的風(fēng)險。同時，當(dāng)檢測到異常體溫人員時，可通過圖片信息準備識別出該人員，便于管理人員精準跟蹤及后續(xù)應(yīng)急處置。