采用STM32F103芯片的紅外測溫儀設(shè)計(jì)

　　摘要：體溫作為反映生命體征的重要指標(biāo)，是生命體征和臨床疾病判斷的重要依據(jù)。本文基于STM32F103芯片設(shè)計(jì)一款具有環(huán)境溫度補(bǔ)償和距離補(bǔ)償功能的紅外測溫儀。首先簡要介紹了紅外測溫儀，給出了本文所設(shè)計(jì)紅外測溫儀的結(jié)構(gòu)組成，并介紹了傳感器的選型，然后闡述了STM32F103芯片外圍電路設(shè)計(jì)，最后介紹了紅外測溫儀軟件設(shè)計(jì)。該紅外測溫儀性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、實(shí)用性強(qiáng)。

　　測量溫度的方法可分為接觸式和非接觸式測溫。傳統(tǒng)的體溫計(jì)主要有水銀式體溫計(jì)和電子式體溫計(jì)兩種，這兩種體溫計(jì)不適合大量人群的快速檢測。紅外測溫是目前最主要的非接觸式測溫方式之一，不僅可以測量溫度很高的、有輻射性的、高純度的物體，而且可以測量導(dǎo)熱性差的、小熱容量的、微小的目標(biāo)，以及固體、液體表面溫度的測量，因而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)^[1-2]。用于體溫檢測的紅外測溫儀，其測溫范圍應(yīng)在24.0~45.0℃，精度要求為±0.1℃。在24.0~45.0℃的范圍內(nèi)，外界環(huán)境溫度和紅外輻射距離很容易影響紅外測溫儀的測量精度，導(dǎo)致其測量誤差增大，針對此缺點(diǎn)，本文基于STM32F103芯片設(shè)計(jì)一款紅外測溫儀，該紅外測溫儀具有環(huán)境溫度補(bǔ)償和距離補(bǔ)償功能。

　　紅外測溫儀簡介

　　紅外測溫儀是一種將紅外技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合起來的一種新型測溫儀器，它將被測物體表面發(fā)射的紅外波段輻射能量通過光學(xué)系統(tǒng)匯聚到紅外探測原件上，使其產(chǎn)生一個(gè)電壓信號，經(jīng)過放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)處理，最后以數(shù)字形式直接在顯示屏上顯示溫度值。目前，市場上紅外測溫儀種類繁多，測溫范圍可從大約-100℃低溫到6000℃高溫，響應(yīng)時(shí)間從1/1000秒到秒。

　　紅外測溫儀結(jié)構(gòu)組成

　　紅外測溫儀的測溫原理是黑體輻射定律。本文所設(shè)計(jì)的紅外測溫儀結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由STM32F103控制器、數(shù)字紅外傳感器、超聲波傳感器、環(huán)境溫度傳感器以及其他外圍部分組成。數(shù)字紅外傳感器將人體額頭紅外輻射轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入到STM32F103控制器;超聲波傳感器利用超聲波在空氣中傳播遇障礙物反射的原理，測量人體額頭與數(shù)字紅外傳感器之間的距離;環(huán)境溫度傳感器測量環(huán)境溫度，并在STM32F103控制器里對超聲波傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高超聲波測距精度。經(jīng)STM32F103控制器運(yùn)算后，傳感器信號在液晶屏上顯示出人體溫度讀數(shù)，并伴隨有蜂鳴提示。

　　本設(shè)計(jì)主控制器選用STM32F103芯片，它是一款32位標(biāo)準(zhǔn)RISC(精簡指令集)處理器，提供很高的代碼效率，其工作頻率為72MHz，內(nèi)置高達(dá)128K字節(jié)的Flash存儲器和20K字節(jié)的SRAM，具有豐富的通用I/O端口^[3]。

　　傳感器選型

　　數(shù)字紅外傳感器選型

　　本設(shè)計(jì)紅外傳感器選用醫(yī)用高精度數(shù)字紅外傳感器MLX90615ESG-DAA^[4-5]。它主要由環(huán)境溫度傳感器、紅外熱電堆傳感器、低噪聲放大器、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和數(shù)字信號處理單元組成，在36℃~39℃的人體溫度范圍內(nèi)的精度達(dá)到±0.1℃。環(huán)境溫度傳感器將環(huán)境輻射轉(zhuǎn)換為電信號，紅外熱電堆傳感器將紅外輻射轉(zhuǎn)化為微弱電信號，兩者經(jīng)低噪聲放大器差分放大后送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器;模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號經(jīng)低通濾波器濾波后送入數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器對其運(yùn)算處理后輸出測量結(jié)果并保存在MLX90615內(nèi)部RAM中，通過SMBus或PWM方式可供STM32F103控制器讀取。數(shù)字紅外傳感器電路如圖2所示，紅外測溫儀的STM32F103控制器帶有兼容SMBus的I2C總線控制器，因此，將I2C總線控制器的數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線與數(shù)字紅外傳感器MLX90615的SDA、SCL相連。