非接觸式遠程自動體溫測量儀設計

摘要：基于非接觸式人體體溫測量并且實現(xiàn)遠程監(jiān)測目的，設計了一體溫測量儀，采用SPCE061A單片機控制，光電開關檢測人體信號，控制步進電機調整溫度傳感器的位置，用紅外測溫傳感器測量目標溫度，在液晶上顯示溫度值。數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳至主控機，由主控機顯示溫度值實時遠程監(jiān)測，當測量的溫度值超過設定溫度值時聲光報警。該系統(tǒng)可實現(xiàn)無接觸式人體體溫測量，具有遠程監(jiān)測功能，檢測距離可達100m，避免了測量的交叉影響，具有實際應用價值。
關鍵詞：紅外測溫；無線傳輸；光電傳感器；步進電機

某些傳染病(例如甲流感)危害著人類的健康，其特征是體溫的異常，然而在公共場所，例如車站、學校、賓館以及娛樂場所等檢測人體體溫并不是一件容易的事，一般采用非接觸式測溫計可以減少交叉感染?，F(xiàn)有的紅外電子體溫計只能實現(xiàn)近距離現(xiàn)場體溫測量，且功能單一。本設計研制的紅外體溫測量儀通過測量計算出不同距離情況下紅外接收探頭接收到的熱輻射波的衰減量，能夠較遠距離的實現(xiàn)較精確的溫度測量，真正的實現(xiàn)了非接觸測量。當人站立在該裝置前時，能自動調節(jié)溫度傳感器探頭對準額頭進行測量人體溫度，溫度數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳輸模塊可以傳到100米外的主控機并顯示，當溫度過高時會自動報警。

1 總體方案框圖
非接觸式遠程自動體溫測溫儀總體方案框圖如圖1所示。

2 電路設計
2．1 微控制器電路
凌陽公司的SPCE061A單片機，它是16位微處理器，具有體積小、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低(3．3 V電壓)、結構簡單、中斷處理能力強等特點，內嵌32 k字閃存FLASH，處理速度高，尤其適用于數(shù)字語音播報和識別等應用領域。其最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

2．2 非接觸式測溫電路設計
紅外探頭是一種有熱電偶由多晶硅與鋁構成的光學原件，它可以匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?，利用人體向外不斷輻射紅外線，無需接觸人體，向外發(fā)射的紅外線被吸收膜吸收，吸收膜是～種熱容量小、溫度容易上升的薄膜。在緊靠襯板中央的下部為一空洞結構，這種結構的設計確保了冷端和測溫端的溫度差。熱電偶由多晶硅與鋁構成，兩者串聯(lián)連接。當各個熱電偶測溫端溫度上升時，熱電偶之間就會產(chǎn)生熱電動勢Vn，因此在輸出端就可以獲得它們的電壓之和。紅外測溫電路如圖3所示，紅外探頭輸出電壓經(jīng)過OP07放大電路把電壓信號放大，OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路，具有非常低的輸入失調電壓(最大為25μV)和輸入偏置電流(OP07A為±2 nA)以及開環(huán)增益高(對于OP07A為300 V／mV)的特點。電阻R5、R10的作用是調節(jié)放大倍數(shù)，通過兩級放大將微弱小信號放大到單片機可處理的信號。再由單片機自帶的A／D采樣電路采集電壓信號，把電壓信號轉化成數(shù)字信號，得到人體的溫度的數(shù)字化電壓信號。

2．3 人體檢測電路設計
通過光電開關傳感器檢測測試儀前是否有人體，光電開關傳感器(E3F-DS30C4)是通過把光強度的變化轉化成電信號的變化來實現(xiàn)的，它包括發(fā)射電路和接收電路工作電路如圖4，當無障礙物時接收電路無反射光線輸入而輸出電壓為低電壓，當有障礙物時接收電路有反射光線輸入而輸出高電平。光電開關工作電壓12 V，單片機默認為5 V為高電平，應用LM311比較器實現(xiàn)12 V的高電壓到5 V的高電壓的轉換，轉換電路如圖5所示。

2．4 電機驅動電路設計
L297是步進電機控制器，適用于雙極性兩相步進電機或單極性四相步進電機的控制，可有半步、整步和波狀3種驅動模式。片內PWM斬波電路允許開關式控制繞組電流。該器件的一個顯著特點是僅需時鐘、方向和模式輸入信號。步進電機所需相位由電路內部產(chǎn)生，大大減輕了CPU的負擔。
L298N是內含兩個H橋的高壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動電壓46 V、每相2．5 A及以下的步進電機。每個橋搜具有一個使能輸入端，再不收輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作，每個橋的兩個橋臂低端三極管的發(fā)射極接在一起并引出，用以外接檢測電阻。它設置了一附加電源輸入端是邏輯部分在低電壓下工作。
L298N和L297N相結合控制步進電機準確無誤的檢測到人體的額部進行溫度測量，電機驅動電路如圖6所示。R18和C2組成的RC震蕩器為L297提供時鐘輸入，SEN1和SEN2管腳和L298的E相連接，正常使用時E的輸出為高電平同時使能L297的輸出信號。使用本模組式只需要將L297的片選信號拉低，L297輸入CLK后L297就會自動產(chǎn)生兩相八拍制的數(shù)字信號并輸送給L298以驅動步進電機，時鐘的快慢決定步進電機轉動的速率。

2．5 無線收發(fā)子系統(tǒng)電路設計
采用Nordic公司生產(chǎn)的nRF2401A芯片。該芯片超低功耗(發(fā)送10．5 mA、-5 dBm；接收18 mA)，nRF2401A支持多點間通信，最高傳輸速率超過1 Mbit／s，它采用Soc方法設計，需要極少的外圍電路，且沒有復雜的通信協(xié)議，工作電壓范圍寬(1．9 V到3．6 V)，基于nRF2401A的工作原理，自行設計了無線收發(fā)電路，完全可以達到設計的要求。更為重要的是nRF2401A價格經(jīng)濟，體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。
無線收發(fā)子系統(tǒng)框圖如圖7所示，無線傳輸電路如圖8所示。無線收發(fā)子系統(tǒng)以nRF2401A芯片為核心，輔助以穩(wěn)壓部分、晶振部分、無線部分電路。電壓VDD經(jīng)電容C1、C2、C3處理后為芯片提供工作電壓，晶振部分包括Y1、C9、C10，當晶振設為16 MHz時，通信速率為1 Mbps，天線部分包括L1、L2，用來將nRF2401A芯片的ANT1、ANT2管腳產(chǎn)生的2．4 G電平信號轉換為電磁波信號，或者將電磁波信號轉換為電平信號輸入芯片的ANT1、ANT2管腳。

3 程序設計
程序流程圖如圖9所示。

4 結論
系統(tǒng)以SPCE061A單片機為控制核心，由光電傳感器、紅外測溫傳感器、液晶顯示、無線傳輸模塊電路組成，實現(xiàn)了非接觸式測量人體體溫，并能通過無線傳輸模塊電路將測得的人體體溫數(shù)據(jù)傳輸至100 m外的主控電路并顯示出來，實現(xiàn)了遠距離溫度監(jiān)測，可用于遠距離非接觸式人體體溫測量，并可設定溫度限制，當測量的溫度數(shù)據(jù)超過限定值時聲光報警，能起到有效的隔離與接觸傳染，可廣泛用于醫(yī)院、學校等人員集中地場合，具有廣泛的應用價值。