便攜式紅外體溫計(jì)設(shè)計(jì)與溫度補(bǔ)償技術(shù)研究

楊清志，王玉香，徐 宏

〈紅外應(yīng)用〉

便攜式紅外體溫計(jì)設(shè)計(jì)與溫度補(bǔ)償技術(shù)研究

楊清志，王玉香，徐 宏

（亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能工程系，安徽 亳州 236800）

紅外體溫計(jì)因安全衛(wèi)生、測(cè)量高效而備受青睞，發(fā)展迅速。但目前市場(chǎng)上的紅外體溫計(jì)存在測(cè)量誤差大、成本高等缺點(diǎn)，應(yīng)用受到限制。鑒于此，首先分析了影響紅外體溫計(jì)測(cè)量精度的各種因素，并給出具體影響程度的計(jì)算結(jié)果，然后利用STM32F407單片機(jī)作為控制核心，通過MLX90615紅外傳感器、DS18B20集成溫度傳感器、HC-SR04超聲傳感器等獲取信息，設(shè)計(jì)了一種面向醫(yī)院、家庭等的廉價(jià)、可靠的便攜式紅外體溫計(jì)，并給出溫度補(bǔ)償方法，最后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。測(cè)試結(jié)果表明，最大綜合誤差不超過0.15℃，具有一定的實(shí)用價(jià)值與參考價(jià)值。

紅外體溫計(jì)；STM32F407；溫度補(bǔ)償；MLX90615；異常報(bào)警

0 引言

通過體溫測(cè)量來判斷人體健康狀況是疾病檢查與診斷最常用而有效的手段[1]。目前用于體溫測(cè)量的溫度計(jì)主要有水銀體溫計(jì)、電子體溫計(jì)和紅外體溫計(jì)。水銀體溫計(jì)價(jià)格低廉使用簡(jiǎn)單，且因其測(cè)量準(zhǔn)確而被作為體溫測(cè)量的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但水銀體溫計(jì)含汞毒存在安全隱患。2013年我國加入《關(guān)于汞的水俁公約》，公約規(guī)定到2020年年底前停止生產(chǎn)、進(jìn)口和出口含汞的體溫計(jì)和血壓計(jì)等產(chǎn)品。隨著《關(guān)于汞的水俁公約》的生效，水銀體溫計(jì)被淘汰已是必然。電子溫度計(jì)體積小、功耗低，便于攜帶和使用，但測(cè)量時(shí)間長，且精度易受自身非線性和自熱影響，其測(cè)量精度和長期穩(wěn)定性不好[2]。另外，電子溫度計(jì)屬于接觸式溫度計(jì)，使用時(shí)存在交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。紅外體溫計(jì)采用紅外傳感器收集人體的溫度信息，使用時(shí)無需與病人接觸，安全衛(wèi)生，工作效率高，尤其是能夠在機(jī)場(chǎng)、車站等公共場(chǎng)所對(duì)具有發(fā)熱癥狀的人群進(jìn)行快速篩查，對(duì)于首發(fā)癥狀為發(fā)熱的流行病檢測(cè)與疫情傳播控制有著不可替代的作用。

紅外體溫計(jì)因快速高效、安全衛(wèi)生的突出優(yōu)點(diǎn)而受到高度重視，有著廣闊的發(fā)展前途與空間。目前對(duì)紅外體溫計(jì)的研究熱度非常高，研究內(nèi)容主要是紅外體溫計(jì)功能拓展、降低成本、減小干擾以及誤差修正與溫度補(bǔ)償?shù)?。?984年美國的David Philips實(shí)現(xiàn)第一支紅外耳溫計(jì)商業(yè)化量產(chǎn)以來，紅外測(cè)溫技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，目前已達(dá)較高水平[3-4]，商業(yè)化的紅外溫度計(jì)主要有紅外耳溫計(jì)、紅外成像儀和紅外額溫計(jì)。紅外耳溫計(jì)測(cè)量體溫時(shí)要深入耳道對(duì)準(zhǔn)鼓膜，因盡量避免外界干擾而測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確。但紅外耳溫計(jì)測(cè)量時(shí)仍與患者有接觸，測(cè)量時(shí)要包上一次性覆膜，操作不方便。紅外成像儀采集人體紅外線分布情況進(jìn)行后期分析處理，精度較高，但價(jià)格十分昂貴[5]。紅外額溫計(jì)操作最為簡(jiǎn)單，便于攜帶和使用，因而受到消費(fèi)者的青睞，市場(chǎng)前景廣闊。但容易受大氣散射、環(huán)境溫度以及測(cè)量距離等干擾，測(cè)量精度不高，必須對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償、校正[6-8]。

2003年非典期間意大利特尼美公司（Tecnimed）針對(duì)發(fā)燒病人初步篩選推出非接觸式紅外額溫計(jì)Theimofocus，并獲得較高評(píng)價(jià)。近來又推出一款紅外額溫計(jì)Visiofocus 06400，自帶瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，并有自動(dòng)校準(zhǔn)功能，但價(jià)格較高。2016年法國廠商Withings推出非接觸式額溫計(jì)Thermo，號(hào)稱當(dāng)時(shí)“讀數(shù)最快，測(cè)量最準(zhǔn)”，它使用16位紅外傳感器陣列，通過測(cè)量太陽穴顫動(dòng)脈，2s就能進(jìn)行4000次以上測(cè)量，有專門算法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和補(bǔ)償，但價(jià)格昂貴。

在國內(nèi)，清華紫光、高德集團(tuán)等高科技公司也都對(duì)紅外測(cè)溫有過不遺余力地研究，并取得一定成果，但缺乏突破創(chuàng)新性能，實(shí)質(zhì)性進(jìn)展不大，很多紅外體溫計(jì)或配件都依賴進(jìn)口，市場(chǎng)上銷售的便攜式紅外體溫計(jì)質(zhì)量良莠不齊，價(jià)格差別較大，功能不盡完善。

鑒于以上分析，本文提出一種以STM32F407高性能單片機(jī)作處理核心，用MLX90615紅外傳感器探測(cè)人體體溫，并用DS18B20集成溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度，HC-SR04超聲傳感器探測(cè)距離進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算，用于額溫檢測(cè)的便攜式紅外體溫計(jì)的設(shè)計(jì)，具有一定的參考價(jià)值。

1 紅外體溫計(jì)原理

紅外線是一種位于無線電波與可見光之間的電磁波，波長在0.76～1000mm之間，任何物體只要溫度在絕對(duì)零度以上就能對(duì)外發(fā)射紅外線，人體體溫37℃左右，能對(duì)外發(fā)出波長10mm左右的遠(yuǎn)紅外線。紅外式溫度計(jì)容易受到環(huán)境條件，如環(huán)境溫度、測(cè)量距離等的干擾而影響測(cè)量結(jié)果，應(yīng)當(dāng)予以考慮并采取相應(yīng)的溫度補(bǔ)償措施，否則會(huì)影響測(cè)溫精度。

1.1 環(huán)境溫度影響

當(dāng)紅外線輻射到儀器等物體時(shí)，會(huì)發(fā)生吸收、透射和反射3個(gè)過程。它們滿足：

＋＋＝1 (1)

式中：為吸收系數(shù)；為反射率；為透射率。對(duì)于不透明物體，＝0，＋＝1。

當(dāng)紅外體溫計(jì)測(cè)量人體體溫時(shí)，實(shí)際接收到的是3個(gè)輻射能量，即人體輻射能量、環(huán)境輻射能量和環(huán)境射到人體又反射的能量，如圖1所示。

圖1 紅外體溫計(jì)接收輻射能量示意圖

設(shè)人體輻射溫度0，人體發(fā)射率0，環(huán)境溫度u，大氣溫度a，大氣透射率，由能量守恒可得：

由此求得紅外體溫計(jì)所得人體溫度：

可見，人體發(fā)射率大氣透射率及環(huán)境溫度等都影響測(cè)量精度，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行研究、修正。

1.2 測(cè)量距離的影響

測(cè)量距離的變化會(huì)造成大氣透射率變化。假設(shè)物體輻射紅外線波長，在空氣中傳播距離后，大氣透射率為：

式中：是波長時(shí)的吸收系數(shù)。將(4)式代入(3)式得：

對(duì)于距離測(cè)量，一般采用激光測(cè)距和超聲測(cè)距。激光測(cè)距較為簡(jiǎn)單，只需測(cè)量激光發(fā)射到返回時(shí)間即可算出距離，但由于激光能量極高，會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生刺激，本身也是光輻射，因此會(huì)有一定影響。超聲測(cè)距原理與激光測(cè)距儀相同，也是利用探測(cè)聲波傳播時(shí)間來計(jì)算距離，滿足(6)式。但超聲波不會(huì)造成測(cè)量干擾。

式中：為一個(gè)來回的時(shí)間；為聲速。不過聲速不是常量，與氣體性質(zhì)有關(guān)，滿足(7)式：

式中：為介質(zhì)壓強(qiáng)；為介質(zhì)密度；為氣體熱容比。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣，＝1.402，＝1.013×10－5Pa，＝1.293kg/m3，將這些數(shù)據(jù)代入(7)式可求得標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣中聲速為：0＝331.42m/s。當(dāng)溫度變化時(shí)，聲速為：

對(duì)(8)式用泰勒級(jí)數(shù)展開，可得近似公式：

2 硬件選擇與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用高性能單片機(jī)作處理核心，通過紅外傳感器收集人體面部輻射信息，溫度傳感器探測(cè)環(huán)境溫度，位移傳感器測(cè)量距離，通過LCD液晶顯示器顯示測(cè)量信息，并將異常信號(hào)通過聲光報(bào)警器報(bào)警提示。為了方便測(cè)試和數(shù)據(jù)交換，設(shè)有與PC機(jī)的接口，其架構(gòu)如圖2所示。

2.2 單片機(jī)及外圍電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要一款高性能單片機(jī)作處理核心。經(jīng)查閱相關(guān)資料，對(duì)比幾款高性能單片機(jī)的技術(shù)參數(shù)、性能特點(diǎn)和成本，綜合考慮性價(jià)比，本設(shè)計(jì)選用意法半導(dǎo)體的32位高速單片機(jī)STM32F407ZET6。該單片機(jī)采用意法半導(dǎo)體90nm工藝和自適應(yīng)實(shí)時(shí)（adaptive real-time, ART）存儲(chǔ)器加速器，1.8～3.6V低電壓供電，238mA/MHz的低電流消耗，工作主頻168MHz，封裝尺寸僅20mm×20mm×1.4mm，是典型的低功耗微型化高性能單片機(jī)，技術(shù)成熟，非常適合便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用。單片機(jī)及外圍電路如圖3所示。為了降低設(shè)計(jì)難度，增加系統(tǒng)工作可靠性與穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)選用的紅外傳感器、溫度傳感器和位移傳感器均采用集成傳感器，各傳感器等外圍器件選型和工作原理如下。

圖2 紅外式體溫計(jì)架構(gòu)

圖3 單片機(jī)及其外圍電路

紅外傳感器選擇比利時(shí)邁來芯公司（Mrlexis）的MLX90615ESG-DAA數(shù)字式紅外傳感器[9]，該型號(hào)的紅外傳感器測(cè)溫范圍－40℃～115℃（傳感器溫度范圍－20℃～85℃），能夠根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，分辨率0.02℃。尺寸極小，易于集成化設(shè)計(jì)，是醫(yī)療專用的人體體溫測(cè)量傳感器，其測(cè)溫精度如圖4所示，非常適合本設(shè)計(jì)使用。

圖4 MLX90615ESG-DAA基本精度

位移傳感器采用通用的HC-SR04超聲波模塊。該超聲波模塊技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，精確度高，使用方便[10]。工作時(shí)單片機(jī)首先通過PG0口給HC-SR04的trig端口發(fā)送一個(gè)頻率40kHz的脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）方波觸發(fā)信號(hào)讓其產(chǎn)生超聲波，當(dāng)超聲波射到被測(cè)物體發(fā)生反射而返回時(shí)，echo端口會(huì)捕捉到信號(hào)，送給單片機(jī)PG1口。單片機(jī)根據(jù)信號(hào)觸發(fā)到捕捉回聲的時(shí)間即可算出待測(cè)距離。HC-SR04量程2cm～4m，最大誤差2%，滿足設(shè)計(jì)要求。

溫度傳感器采用美國DALLAS公司的集成數(shù)字溫度計(jì)DS18B20。該傳感器集成度高，價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定。采用單線接口，無需其他外圍器件，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。DS18B20的量程－55℃～125℃，精度±0.5℃。本設(shè)計(jì)中DS18B20只用于測(cè)量環(huán)境溫度以便對(duì)體溫測(cè)量值進(jìn)行修正，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

為了能夠?qū)Ξ惓囟燃皶r(shí)報(bào)警，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警器。一旦發(fā)現(xiàn)測(cè)量體溫異常（范圍可設(shè)定，默認(rèn)低于36℃或高于37.3℃為異常），單片機(jī)會(huì)通過PG9口發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)觸發(fā)三極管Q1導(dǎo)通，使發(fā)光二極管D1和蜂鳴器F1開始工作，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

此外，單片機(jī)外圍還有復(fù)位電路、串口接口電路等，不再贅述。

2.3 接口電路

為了能使系統(tǒng)進(jìn)行程序下載、調(diào)試，設(shè)計(jì)了接口電路，如圖5所示。

2.4 LCD顯示電路

為了能夠顯示測(cè)量信息，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了顯示電路，如圖6所示。為了方便使用和改善顯示品質(zhì)，顯示器采用觸摸屏控制的薄膜晶體管液晶顯示器（thin film transistor liquid crystal display，TFT-LCD），并接到STM32F407單片機(jī)的可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器（flexible static memory controller，F(xiàn)SMC）總線。

2.5 電源電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，溫度傳感器DS18B20、超聲傳感器HC-SR04和串口接口使用5.0V工作電壓，紅外傳感器MLX90615、報(bào)警器、接口電路和單片機(jī)STM32F407及外圍器件使用3.3V工作電壓，LCD顯示電路同時(shí)使用3.3V和5.0V工作電壓。為此，選用了7805模塊和AMS1117-3.3模塊設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電路，如圖7所示[11]。

3 溫度補(bǔ)償技術(shù)

3.1 環(huán)境溫度

由于MLX90615紅外傳感器自帶環(huán)境溫度補(bǔ)償與校正，可以不必對(duì)測(cè)量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但測(cè)量值并非人體體溫，原因有二：

圖5 接口電路

1）人體面部發(fā)射率的影響

人體表面皮膚的發(fā)射率為0.95～0.98，且不固定，會(huì)因各人的皮膚情況有所不同，而且會(huì)隨著環(huán)境溫度變化而變化，環(huán)境溫度高時(shí)面部血液循環(huán)加快而溫度升高，反之環(huán)境溫度降低時(shí)面部血管收縮血流量減少導(dǎo)致額溫降低。MLX90615紅外傳感器默認(rèn)的發(fā)射率是1，存儲(chǔ)地址為3h，寄存器發(fā)射率公式為dec2hex [round(16384×)]，可以進(jìn)行修改。但因?yàn)殡S著環(huán)境溫度變化，必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)溫度補(bǔ)償。圖8是實(shí)驗(yàn)測(cè)試的一組額溫隨環(huán)境溫度變化關(guān)系曲線。

由圖8可見，紅外傳感器在20℃～30℃范圍內(nèi)測(cè)溫比較準(zhǔn)確，當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃或高于40℃時(shí)誤差會(huì)急劇增大，必須補(bǔ)償。

2）人體額溫與體溫存在差異

一般來說，人體額溫比體溫要低1℃～2℃。臨床實(shí)驗(yàn)表明，額溫與體溫對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖9所示[12]。

圖6 LCD電路

圖7 電源電路

圖8 額溫隨環(huán)境溫度變化關(guān)系

圖9 額溫與體溫對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖9可見，額溫與體溫關(guān)系為一組折線，其中兩端的線性度較好。由于折線僅7段，為了計(jì)算精確，采用簡(jiǎn)單的分段法給出7段擬合直線進(jìn)行補(bǔ)償（兩端線性度較好，采用延長線）。

3.2 探測(cè)距離

測(cè)量距離對(duì)紅外體溫計(jì)的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是距離變化造成大氣透射率變化，另一方面是距離的變化會(huì)影響紅外傳感器的光學(xué)分辨率[13]。由于紅外體溫計(jì)的測(cè)量距離非常近，距離對(duì)透射率的影響可忽略，需要討論的是距離變化對(duì)光學(xué)分辨率的影響。圖10是在固定環(huán)境溫度25℃（此時(shí)環(huán)境溫度基本無影響）時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的一組額溫與探測(cè)距離的關(guān)系曲線。

由圖10可見，探測(cè)距離3cm以內(nèi)紅外傳感器測(cè)溫比較準(zhǔn)確，距離超過4cm時(shí)測(cè)量值急劇下降已不能正常工作。但距離過小也會(huì)因?yàn)檠a(bǔ)償過度而誤差增大，實(shí)際使用時(shí)測(cè)量距離在0.5～3.0cm之間比較準(zhǔn)確。

紅外傳感器的光學(xué)分辨率也稱距離系數(shù)，一般用距離與直徑之比來表示：

式中：為測(cè)量距離；為測(cè)量目標(biāo)的光斑直徑。查閱MLX90615技術(shù)手冊(cè)可知，其視場(chǎng)角為80°，人體額頭直徑約6cm，由圖11可知：

由此可見，其最大探測(cè)距離為約3.6cm，計(jì)算數(shù)據(jù)與圖10的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。為了測(cè)量準(zhǔn)確，實(shí)際使用時(shí)要小于這個(gè)距離。

圖10 額溫與探測(cè)距離關(guān)系

圖11 光學(xué)分辨率示意圖

3.3 溫度補(bǔ)償方法

由以上討論可知，紅外體溫計(jì)由于受到輻射體、環(huán)境溫度及測(cè)量距離等的影響而存在系統(tǒng)誤差，必須對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的誤差修正。對(duì)于誤差修正采用的算法主要有最小二乘法、BP（back-propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（radial basis function，RBF）等。最小二乘法采用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，算法最簡(jiǎn)單，速度最快，但修正結(jié)果不是太理想。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于最小二乘法發(fā)展起來的一種復(fù)雜的非線性問題算法，其數(shù)學(xué)描述精確、處理過程清晰、自主學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、方法易于實(shí)現(xiàn)。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種高效的前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有最佳逼近性能和全局最優(yōu)特性，但算法復(fù)雜。綜合比較各種算法，本設(shè)計(jì)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[14-16]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即誤差反傳網(wǎng)絡(luò)，它采用分層結(jié)構(gòu)，誤差反傳，其分類和記憶能力較好，運(yùn)算速度快，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖12所示，分為3層，如果輸出層輸出值達(dá)到理想值則直接輸出，如果超出期望值則反向傳播，不斷修改各層權(quán)值直到輸出值達(dá)到設(shè)定值。

圖12 BP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟是：

1）設(shè)定初始權(quán)值。

給輸入層、隱含層和輸出層設(shè)定初始權(quán)值。

2）給定樣本。

設(shè)第組樣本輸入輸出分別為：

3）計(jì)算輸出。

節(jié)點(diǎn)在第組樣本輸入時(shí)，輸出表達(dá)式為：

式中：Q為組樣本輸入節(jié)點(diǎn)的第個(gè)輸入。

4）計(jì)算樣本目標(biāo)函數(shù)。

第組樣本輸入時(shí)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)函數(shù)E為：

式中：y()為在第組樣本輸入時(shí)經(jīng)次權(quán)值調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)輸出，為輸出層第個(gè)節(jié)點(diǎn)。

5）計(jì)算總目標(biāo)函數(shù)。

將每組目標(biāo)函數(shù)E疊加得總目標(biāo)函數(shù)：

6）計(jì)算偏差。

總目標(biāo)函數(shù)()與選的期望值0進(jìn)行比較。若()≤0不再計(jì)算直接輸出；若()＞0則繼續(xù)反向誤差傳遞計(jì)算。

7）反向誤差傳遞計(jì)算

反向誤差傳遞通過梯度下降法來計(jì)算。由輸出層、隱含層到輸入層的順序逐步反向調(diào)整各層權(quán)值，當(dāng)步長為時(shí)，由神經(jīng)元到神經(jīng)元之間權(quán)值調(diào)整為：

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是用這種不斷調(diào)整的反向誤差傳遞計(jì)算法逐步逼近輸入輸出之間的關(guān)系，直至找到滿意的擬合關(guān)系。本設(shè)計(jì)中，根據(jù)環(huán)境溫度和探測(cè)距離對(duì)測(cè)量額溫的影響，以及額溫和體溫差異，需要采集大量數(shù)據(jù)，利用MATLAB編程進(jìn)行擬合計(jì)算。

順便指出，體溫測(cè)量根據(jù)不同的測(cè)量部位分為口溫、腋溫和肛溫。體溫測(cè)量部位不同結(jié)果也不同，腋溫最低，肛溫最高，平常所提“體溫”一般指腋溫。為了便于使用，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)過溫度補(bǔ)償后最終顯示體溫指腋溫。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用C語言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行了編程，系統(tǒng)工作流程是：

1）讀取程序和參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)開始工作后首先進(jìn)行自檢，如果沒有外部指令輸入，則自動(dòng)讀取上次測(cè)量使用的程序和參數(shù)設(shè)置。如果因故更改程序或參數(shù)設(shè)置，則需通過接口電路讀取。

2）各傳感器讀取測(cè)量信息

單片機(jī)STM32F407初始化完成后會(huì)發(fā)出指令，命令紅外傳感器MLX90615、溫度傳感器DS18B20和超聲傳感器HC-SR04開始獨(dú)立工作，并將測(cè)量信息傳給單片機(jī)。

3）溫度補(bǔ)償計(jì)算

溫度補(bǔ)償計(jì)算是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容之一，分兩步進(jìn)行，第一步：基本參數(shù)計(jì)算。系統(tǒng)首先根據(jù)DS18B20探測(cè)到環(huán)境溫度利用(9)式計(jì)算波速，再根據(jù)HC-SR04探測(cè)的超聲波傳播時(shí)間利用(6)式計(jì)算探測(cè)距離。再加上MLX90615所測(cè)量的額溫，溫度補(bǔ)償計(jì)算所需要的基本參數(shù)已具備；第二步：溫度補(bǔ)償計(jì)算。根據(jù)第一步的計(jì)算結(jié)果，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算。

4）計(jì)算結(jié)果處理

系統(tǒng)會(huì)通過LCD顯示器顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要進(jìn)行存儲(chǔ)（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)條數(shù)可設(shè)置），以便調(diào)取、分析。同時(shí)根據(jù)程序設(shè)置判斷溫度是否異常，如果溫度異常則啟動(dòng)聲光報(bào)警（系統(tǒng)默認(rèn)低于36℃或高于37.3℃為異常）。

系統(tǒng)主程序流程如圖13所示。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可靠性，我們進(jìn)行了體溫測(cè)量實(shí)驗(yàn)，分別在不同測(cè)量距離、不同環(huán)境溫度下對(duì)測(cè)試者進(jìn)行體溫測(cè)量，以檢驗(yàn)距離補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償效果。為了真實(shí)反映額溫測(cè)量效果，沒有用其他熱源代替，選取A、B、C三人為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其中A是健康成年男性，體溫正常；B為兒童，體溫正常；C為低燒患者。

5.1 距離補(bǔ)償效果測(cè)試

為了降低其他因素的干擾，我們選在室內(nèi)進(jìn)行不同測(cè)量距離效果測(cè)試。測(cè)試條件：室溫25℃，空氣清潔，濕度適中，無輻射。用某型號(hào)實(shí)驗(yàn)室用高精度電子溫度計(jì)測(cè)量測(cè)試者的體溫（腋溫）作為標(biāo)準(zhǔn)值，與本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的紅外體溫計(jì)不同測(cè)量距離下所測(cè)量的體溫（補(bǔ)償后的額溫）進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1測(cè)試結(jié)果可見，對(duì)于測(cè)試者B的距離補(bǔ)償較為理想，測(cè)試者A的距離補(bǔ)償有所不足，而測(cè)試者C由于發(fā)燒，距離補(bǔ)償過度。綜合測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，理想測(cè)量距離為3.5cm以內(nèi)，超過5cm誤差明顯增大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)不超過4.5cm。

5.2 環(huán)境溫度補(bǔ)償測(cè)試

測(cè)試條件：室內(nèi)，空氣清潔，濕度適中，無輻射，測(cè)量距離2～3cm。在不同時(shí)段，測(cè)試不同環(huán)境溫度下測(cè)試者體溫測(cè)量效果，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖13 系統(tǒng)主程序流程

由表2測(cè)試結(jié)果可見，測(cè)量誤差最大為0.1℃，滿足體溫測(cè)量要求。其中實(shí)驗(yàn)對(duì)象A測(cè)量值總是偏低，可能與其面部皮膚發(fā)射率有關(guān)；測(cè)試對(duì)象B為兒童，體溫比成年人略高，面部皮膚發(fā)射率大，測(cè)量值總體偏高也屬正常。測(cè)試結(jié)果表明溫度補(bǔ)償效果較好。

5.3 綜合測(cè)試

為檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在室外復(fù)雜環(huán)境下測(cè)量精度以及異常報(bào)警等功能是否正常，進(jìn)行了綜合測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由表3測(cè)試結(jié)果可見，綜合測(cè)試最大誤差為0.15℃，異常報(bào)警功能正常。其中光照對(duì)測(cè)量影響較大。

表1 距離補(bǔ)償測(cè)試結(jié)果

表2 環(huán)境溫度補(bǔ)償測(cè)試結(jié)果

表3 綜合測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)和誤差補(bǔ)償方法，能有效提高紅外體溫計(jì)的測(cè)量精度，測(cè)試結(jié)果表明驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可靠性與實(shí)用性。

6 總結(jié)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的溫度補(bǔ)償方法，從理論上算出影響測(cè)量結(jié)果的各種因素定量關(guān)系，為實(shí)驗(yàn)修正提供具體參數(shù)，避免了盲目的校正，對(duì)相關(guān)研究具有借鑒和遷移價(jià)值。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STM32F407高速單片機(jī)作為處理核心，能夠進(jìn)一步進(jìn)行紅外式溫度計(jì)的功能拓展研究，例如病人的遠(yuǎn)程無線監(jiān)護(hù)、利用人體體溫所發(fā)紅外線“導(dǎo)航定位”快速定位目標(biāo)人群、融入物聯(lián)網(wǎng)，在智能家居系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)人的活動(dòng)等。雖然紅外測(cè)溫在測(cè)量精度上還有一定誤差，但隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，測(cè)量精度會(huì)進(jìn)一步提高，紅外式體溫計(jì)的發(fā)展前景十分廣闊[17]。

[1] 楊清志, 張喜紅. 基于Si7053的智能數(shù)字體溫計(jì)的設(shè)計(jì)[J]. 黑河學(xué)院學(xué)報(bào), 2016, 7(3): 123-125.

YANG Qingzhi, ZHANG Xihong. Design of a intelligent digital thermometer based on Si7053[J]., 2016, 7(3): 123-125.

[2] 鄭英, 李香菊, 王迷迷, 等. 基于NTC和ZigBee技術(shù)的病房病人體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2016, 39(4): 26-28.

ZHENG Ying, LI Xiangju, WANG Mimi, et al. Design of patients temperature monitoring system based on NTC and ZigBee technology[J]., 2016, 39(4): 26-28.

[3] 趙志剛, 王鑫, 彭廷海, 等. 國外中長波雙波段紅外成像技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 紅外技術(shù), 2020, 42(4): 312-319.

ZHAO Zhigang, WANG Xin, PENG Tinghai, et al. Status Quo and application of middle and long wave dual-band infrared imaging technologies in occident[J]., 2020, 42(4): 312-319.

[4] Sivanandam S, Anburajan M, Venkatraman B, et al. Medical thermography: a diagnostic approach for type 2 diabetes on non-contact infrared thermal imaging[J]., 2012, 42(2): 343-351.

[5] 袁浩期, 李楊, 王俊影, 等. 基于紅外熱像的行人面部溫度高精度檢測(cè)技術(shù)[J]. 紅外技術(shù), 2019, 41(12): 1181-1186.

YUAN Haoqi, LI Yang, WANG Junying, et al. High precision detection technology of pedestrian face temperature based on infrared thermal imaging[J]., 2019, 41(12): 1181-1186.

[6] 丁巖. 紅外體溫測(cè)量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古大學(xué), 2017.

DING Yan. Design of Infrared Temperature Measurement and Management System[D]. Hohhot: Inner Mongolia University, 2017.

[7] 陳昊. 紅外耳溫計(jì)設(shè)計(jì)方案與校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評(píng)定的研究[D]. 保定: 河北大學(xué), 2014.

CHEN Hao. Design of Infrared Ear Thermometer and the Evaluation of the Uncertainty of the Results Calibration[D]. Baoding: Hebei University, 2014.

[8] 孫成, 潘明強(qiáng), 王陽俊, 等. 噪聲對(duì)紅外測(cè)溫性能的影響研究[J]. 紅外技術(shù), 2019, 41(4): 370-376.

SUN Cheng, PAN Mingqiang, WANG Yangjun, et al. Influence of noise on infrared temperature measurement performance[J]., 2019, 41(4): 370-376.

[9] Melexis Co. Digital plug & play infrared thermometer in ultra small TO-Can [EB/OL]https://www.melexis.com/en/product/ MLX90615/ - Digital- Plug-Play-Infrared-Thermometer-Ultra -Small- TO-Can.

[10] 葛澤勛. 醫(yī)用紅外測(cè)溫儀及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長春: 長春理工大學(xué), 2019.

GE Zexun. Research on Medical Infrared Thermometer and the Key Technology[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2019.

[11] 楊清志, 蔣偉, 許春雷. 基于多智能體的交直流混合微電網(wǎng)監(jiān)控設(shè)計(jì)與分層控制研究[J]. 高電壓技術(shù), 2020, 46(7): 2327-2339.

YANG Qingzhi, JIANG Wei, XU Chunlei. Monitoring design and research on hierarchical control of AC/DC hybrid microgrid based on multi-agent [J]., 2020, 46 (7): 2327-2339.

[12] 康慧雯. 基于熱像測(cè)溫原理的體溫篩檢關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2011.

KANG Huiwen. Based on thermal imaging temperature measuring principle body technology screening key technology research[D]. Tianjin: Tianjin University, 2011.

[13] 杜玉璽, 胡振琪, 葛運(yùn)航, 等. 距離對(duì)不同強(qiáng)度熱源紅外測(cè)溫影響及補(bǔ)償[J]. 紅外技術(shù), 2019, 41(10): 976-981.

DU Yuxi, HU Zhenqi, GE Yunhang, et al. Distance influence and compensation of infrared temperature measurement with different intensity heat sources[J]., 2019, 41(10): 976-981.

[14] 席劍輝, 姜瀚. 基于RBF網(wǎng)絡(luò)的紅外多光譜輻射溫[J].紅外技術(shù), 2020, 42(10): 963-968.

XI Jianhui, JIANG Han. Infrared multispectral radiation-temperature measurement based on RBF network[J]., 2019, 41(10): 976-981.

[15] 白友龍.高精度紅外體溫計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 錦州: 遼寧工業(yè)大學(xué), 2014.

BAI Youlong. Design and Implementation of High-precision Infrared Thermometer[D]. Jinzhou: Liaoning University of Technology, 2014.

[16] 魏坦勛. 人體非接觸測(cè)溫綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 杭州: 杭州電子科技大學(xué), 2013.

WEI Tanxun. Research and Implementation of Comprehensive Error Compensation Technology Non-Contact Temperature Measurement [D]. Hangzhou: Hangzhou Dianzi University, 2013.

[17] 蘇建奎, 桂星雨. 醫(yī)用紅外體溫測(cè)量儀的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2016, 37(1): 110-112, 129.

SU Jiankui, GUI Xingyu. Present status and trend of medical infrared temperature measuring instrument[J]., 2016, 37(1): 110-112, 129.

Design of Portable Infrared thermometer and Temperature Compensation Technology

YANG Qingzhi，WANG Yuxiang，XU Hong

(,,236800,)

Infrared thermometers are popular because of their safety, hygiene, and high efficiency. However, commercial infrared thermometers have large measurement errors and high cost, so their application is limited. Considering this, this paper first analyzes various factors that affect the measurement accuracy of an infrared thermometer and gives the calculation results of the specific influence degree. Then, using STM32F407 MCU as the control core, an MLX90615 infrared sensor, DS18B20 integrated temperature sensor, and HC-SR04 ultrasonic sensor to obtain information, a cheap and reliable portable infrared thermometer for hospitals and families is designed, and a method of temperature compensation is provided. Finally, the reliability of the system design was verified by testing. The test results show that the maximum comprehensive error is less than 0.15℃, which has definite practical value and reference value.

infrared thermometer, STM32F407, temperature compensation, MLX90615, abnormal alarm

R318.6，TP212.3

A

1001-8891(2021)06-0597-10

2020-10-10；

2021-01-12.

楊清志（1974-），男，副教授，碩士，主要從事自動(dòng)化與傳感器等方面研究。E-mail：bzyqz@126.com。

安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目（2020kfkc335）；亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)科研項(xiàng)目（BKY2004）。