基于STM32的紅外熱成像測溫系統(tǒng)的設計

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢430205）

紅外熱成像技術是一種新興的綜合性技術，該技術利用不同物體自發(fā)地向外發(fā)出紅外輻射能量的差值進行成像，具有極強的環(huán)境適應能力，不受外界制約因素如煙霧、亮度的影響。紅外熱成像技術最早應用在軍事領域，現(xiàn)如今逐漸從軍事領域延伸到民用領域，特別是在工業(yè)檢測、安全監(jiān)控、森林防火、醫(yī)療診斷等方面取得了較大的發(fā)展[1]。溫度數(shù)據(jù)采集的速度和精確度直接影響被監(jiān)控對象溫度分布狀況的檢測。本文設計的基于STM32的紅外熱成像測溫系統(tǒng)具有快速且無接觸的優(yōu)勢，在復雜多變的環(huán)境下檢測到熱紅外信息并精確測溫，比如在2020年流行的新型冠狀病毒疫情中，病毒感染者體溫大多維持在38℃以上，利用紅外熱成像測溫系統(tǒng)對人群進行檢測，篩查出發(fā)熱個體并及時采取相應措施，以減少病毒傳播。本文在對紅外熱成像測溫原理以及系統(tǒng)總體設計介紹的基礎上，結合嵌入式ARM的特點，進一步研究了紅外圖像的處理算法。

1 熱成像測溫技術簡介

任何物體只要高于絕對零度（-273.15℃）時，都會不斷地以電磁波的形式向外發(fā)出輻射電磁波，輻射的能量中包含各種波長的電磁波，其中波長在0.76～1000 μm 范圍內為紅外線，熱作用強，又稱為紅外熱輻射。紅外熱成像測溫技術正是利用被測物體的紅外輻射能量和自身溫度的關系來達到測溫的目的，其理論基礎是普朗克輻射定律，該定律揭示了黑體的輻射能量和波長以及熱力學溫度的關系[2]。通過紅外熱像儀傳感器探測物體的紅外輻射，經(jīng)過一系列的信號和數(shù)據(jù)處理，把紅外輻射信號轉化成溫度值和可視化紅外熱圖像。

2 系統(tǒng)硬件設計

紅外熱成像測溫系統(tǒng)主要由STM32 主控制器、紅外熱像儀傳感器模塊、TFTLCD 顯示屏模塊、蜂鳴器模塊組成，本文系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖1所示。紅外熱像儀傳感器將物體紅外輻射轉換成數(shù)字信號，通過IIC 總線與主控制器進行通信，數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32 主控制器運算后，在TFTLCD 屏幕上顯示紅外熱圖像和實時監(jiān)測的溫度信息，溫度過高時伴隨有蜂鳴提示。

2.1 STM32控制器

本系統(tǒng)中采用意法半導體（ST）公司開發(fā)的STM32F103ZET6 芯片作為MCU，其功能十分強大。該芯片是基于ARM Cortex-M3 內核的32 位微控制器，主頻為72 MHz，可實現(xiàn)單周期的乘除法運算[3]；內置高速存儲器 （64 KB SRAM，512 KB FLASH）；還包括3個SPI 接口、2個IIC 接口、5個串口以及112個通用IO 口。這些豐富的接口和資源，可以實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)傳輸方式，從而方便地進行各種外設的開發(fā)。

2.2 AMG8833 熱像儀傳感器

本系統(tǒng)傳感器選用松下Grid-EYE 紅外陣列傳感器AMG8833，采用一體化的緊湊SMD 封裝，是基于先進MEMS 技術的高精度紅外陣列傳感器。通過8×8（64 像素）實現(xiàn)了二維區(qū)域的溫度檢測，根據(jù)被測物體表面的溫度和其周圍溫度之間的差值來計算熱損失，從而識別體感溫度，得知被測物體的溫度分布。該傳感器不僅能夠檢測到移動的人體或物體，還能檢測到靜止物體的發(fā)熱位置和表面溫度，溫度測量范圍為0℃～80℃，精度為±2.5℃，可以從遠達7 m的位置檢測人體。傳感器通過IIC 進行通信，系統(tǒng)中連接到STM32控制器時，正常工作狀態(tài)下將通過IIC 返回一組64個單獨的紅外溫度讀數(shù)，STM32控制器再對得到的數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理。AMG8833 紅外熱像儀傳感器結構緊湊而簡單，便于集成，廣泛應用在多功能電器、安防設備、門禁控制等多個行業(yè)，從而實現(xiàn)設備的智能化。

2.3 TFTLCD 顯示屏

選用3.5 寸TFTLCD 彩屏作為系統(tǒng)的顯示模塊，支持16 BIT RGB 65K 色顯示，顯示色彩豐富，顯示頻率為320×480，可以顯示圖片、漢字、數(shù)字等，采用16 位并行總線傳輸，很大程度上提高了顯示屏的傳輸速度[4]。TFTLCD 顯示屏主要用于顯示系統(tǒng)的一些實時信息，包括紅外熱圖像信息以及被測物體的溫度數(shù)值。

3 系統(tǒng)軟件設計

紅外熱像儀通過采集被測對象輻射出來的紅外信息，在系統(tǒng)中對其溫度進行分析并成像。紅外熱成像測溫系統(tǒng)主要包括3個模塊：第一個模塊是數(shù)據(jù)采集模塊，主要通過AMG8833 傳感器來實現(xiàn)對紅外信息的采集；第二個模塊是數(shù)據(jù)處理模塊，傳感器采集到的溫度信息通過IIC 接口傳遞給STM32 主控制器，主控制器對64個像素點溫度信息進行插值運算；第三個模塊是圖像顯示模塊，通過TFTLCD 屏顯示像素點色塊構成熱圖像。系統(tǒng)程序流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)程序流程Fig.2 Flow chart of system program

3.1 目標溫度信息采集

在AMG8833 初始化函數(shù)中，對傳感器的工作參數(shù)進行配置，比如工作模式、復位方式和設定幀率，初始化成功以后，AMG8833 通過128個Temperature 寄存器一次性讀取64個像素點的紅外溫度，存儲在自定義的數(shù)組中，原始溫度信息如圖3所示。

圖3 AMG8833 采集的原始溫度信息Fig.3 Original temperature information collected by AMG8833

Temperature 寄存器是一個8 位寄存器，紅外點陣測量一個單位像素點的溫度值由一個8 位高地址寄存器和一個8 位低地址寄存器共同表示。此外，傳感器長時間工作可能會受到內能的影響，該模塊自帶熱敏電阻，其溫度值存儲在Thermistor 寄存器，可在程序設計中利用熱敏電阻溫度值來修正測量溫度。

3.2 IIC 總線讀取AMG8833模塊數(shù)據(jù)

AMG8833模塊通過IIC 總線和主控制器進行通信，在快速模式下通信速率可達400 kb/s。IIC 總線是PHLIPS 公司在80年代推出的一種雙線式串行總線，最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。在物理連接上，分別由SDA（串行數(shù)據(jù)線）、SCL（串行時鐘線）及上拉電阻組成。IIC 總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有3種類型信號：SCL為高電平時，SDA 由高電平向低電平跳變表示起始信號，開始傳送數(shù)據(jù)；SCL為高電平時，SDA 由低電平向高電平跳變表示終止信號，結束傳送數(shù)據(jù)；應答信號在第9個時鐘上出現(xiàn)，SDA 輸出低電平為應答信號，輸出高電平則為非應答信號。數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸過程圖Fig.4 Data transfer process diagram

3.3 TFTLCD 軟件設計

TFTLCD 屏采用16 位并行方式與STM32 主控制器連接，初始化程序中設置TFTLCD 接口的IO 引腳，模擬8080 總線來控制屏幕顯示。8080 并口主要包括片選信號CS、復位信號RST、向LCD 寫數(shù)據(jù)控制信號WR、從LCD 讀數(shù)據(jù)控制信號RD、數(shù)據(jù)/指令選擇信號RS 和16 位雙向數(shù)據(jù)線。初始化成功后，通過LCD_Fill 和LCD_ShowNum 函數(shù)將圖像、字符和數(shù)字顯示在屏幕上。這兩個函數(shù)的實現(xiàn)流程基本一致，先設置坐標位置（x，y），然后給LCD 屏發(fā)送寫GRAM 指令，最后再寫入顏色數(shù)據(jù)，重復這個步驟，從而實現(xiàn)圖像和字符的顯示。

4 紅外圖像增強算法

AMG8833模塊的分辨率為8×8，顯示出來即為64個方格的色塊，由于像素過低導致成像不直觀，視覺效果較差。對低分辨率的圖像進行增強處理，有效的方法就是提高圖像的分辨率[5]，因此本系統(tǒng)采用雙三次圖像插值法（bicubic interpolation）來提高圖像的分辨率。該算法考慮了插值像素點四周4×4 范圍內16個鄰近像素的影響，待求像素的像素值計算公式如下：

式中：（x，y）為原圖中的像素坐標；u為列數(shù)偏差；v為行數(shù)偏差；A、B、C 均表示矩陣。設原圖灰度矩陣為Im，則：

其中式（2）和式（4）中的S（x）函數(shù)為

從計算過程來看，雙三次圖像插值法計算復雜度較高，但能創(chuàng)造出更平滑的圖像邊緣，在一定程度上保證了圖像像素值的連續(xù)性。經(jīng)過雙三次插值算法處理后，圖像的平滑過渡性滿足人眼的生理視覺要求，成為目前二維空間中常用的一種圖像插值方法[6]。

5 系統(tǒng)調試結果

紅外熱成像測溫系統(tǒng)運行效果如圖5所示，TFTLCD 屏實時顯示兩部分信息，一是大小為320×320的熱圖像，二是被測物體的最高和最低溫度。

圖5（a）是AMG8833 傳感器采集的原始紅外溫度值未經(jīng)處理顯示的熱圖像，圖5（b）是對原始圖像經(jīng)過雙三次插值法增強處理的熱圖像。實驗結果表明，本系統(tǒng)實現(xiàn)了熱圖像的實時采集和溫度的顯示，并且經(jīng)過兩幅圖對比，圖像插值后顯示效果更佳，保留了圖像的連續(xù)性，同時使得細節(jié)更為突出。

圖5 系統(tǒng)運行效果圖Fig.5 Operation effect of the system

6 結語

本系統(tǒng)采用STM32F103 作為主控制器，驅動紅外熱成像傳感器AMG8833 對被測物體進行測溫，同時將熱圖像和目標溫度實時顯示在TFTLCD 屏幕上。系統(tǒng)在實際運行過程中，熱圖像顯示效果良好，被測溫度在誤差范圍之內，符合設計要求。該設計結構精簡、便于集成、測量速度快、有效測量距離長達7 m，可制作成便攜式紅外熱像儀，具有較為廣泛的應用前景。