基于SPCE061A的遠(yuǎn)程自動(dòng)體溫測量儀設(shè)計(jì)

摘要：基于非接觸式人體體溫測量并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測目的，設(shè)計(jì)了一體溫測量儀，采用SPCE061A單片機(jī)控制，光電開關(guān)檢測人體信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)整溫度傳感器的位置，用紅外測溫傳感器測量目標(biāo)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(jī)，由主控機(jī)顯示溫度值實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測，當(dāng)測量的溫度值超過設(shè)定溫度值時(shí)聲光報(bào)警。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無接觸式人體體溫測量，具有遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，檢測距離可達(dá)100m，避免了測量的交叉影響，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：紅外測溫;無線傳輸;光電傳感器;步進(jìn)電機(jī)

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(xué)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(jì)可以減少交叉感染?，F(xiàn)有的紅外電子體溫計(jì)只能實(shí)現(xiàn)近距離現(xiàn)場體溫測量，且功能單一。本設(shè)計(jì)研制的紅外體溫測量儀通過測量計(jì)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(yuǎn)距離的實(shí)現(xiàn)較精確的溫度測量，真正的實(shí)現(xiàn)了非接觸測量。當(dāng)人站立在該裝置前時(shí)，能自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度傳感器探頭對準(zhǔn)額頭進(jìn)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(jī)并顯示，當(dāng)溫度過高時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

1 總體方案框圖

非接觸式遠(yuǎn)程自動(dòng)體溫測溫儀總體方案框圖如圖1所示。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制器電路

凌陽公司的SPCE061A單片機(jī)，它是16位微處理器，具有體積小、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低(3.3 V電壓)、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，內(nèi)嵌32 k字閃存FLASH，處理速度高，尤其適用于數(shù)字語音播報(bào)和識(shí)別等應(yīng)用領(lǐng)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(shè)計(jì)

紅外探頭是一種有熱電偶由多晶硅與鋁構(gòu)成的光學(xué)原件，它可以匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，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(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)確保了冷端和測溫端的溫度差。熱電偶由多晶硅與鋁構(gòu)成，兩者串聯(lián)連接。當(dāng)各個(gè)熱電偶測溫端溫度上升時(shí)，熱電偶之間就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)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(hào)放大，OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路，具有非常低的輸入失調(diào)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(diǎn)。電阻R5、R10的作用是調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，通過兩級放大將微弱小信號(hào)放大到單片機(jī)可處理的信號(hào)。再由單片機(jī)自帶的A/D采樣電路采集電壓信號(hào)，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，得到人體的溫度的數(shù)字化電壓信號(hào)。

2.3 人體檢測電路設(shè)計(jì)

通過光電開關(guān)傳感器檢測測試儀前是否有人體，光電開關(guān)傳感器(E3F-DS30C4)是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)的，它包括發(fā)射電路和接收電路工作電路如圖4，當(dāng)無障礙物時(shí)接收電路無反射光線輸入而輸出電壓為低電壓，當(dāng)有障礙物時(shí)接收電路有反射光線輸入而輸出高電平。光電開關(guān)工作電壓12 V，單片機(jī)默認(rèn)為5 V為高電平，應(yīng)用LM311比較器實(shí)現(xiàn)12 V的高電壓到5 V的高電壓的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

L297是步進(jìn)電機(jī)控制器，適用于雙極性兩相步進(jìn)電機(jī)或單極性四相步進(jìn)電機(jī)的控制，可有半步、整步和波狀3種驅(qū)動(dòng)模式。片內(nèi)PWM斬波電路允許開關(guān)式控制繞組電流。該器件的一個(gè)顯著特點(diǎn)是僅需時(shí)鐘、方向和模式輸入信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)所需相位由電路內(nèi)部產(chǎn)生，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。

L298N是內(nèi)含兩個(gè)H橋的高壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)電壓46 V、每相2.5 A及以下的步進(jìn)電機(jī)。每個(gè)橋搜具有一個(gè)使能輸入端，再不收輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作，每個(gè)橋的兩個(gè)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(shè)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(jié)合控制步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確無誤的檢測到人體的額部進(jìn)行溫度測量，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。R18和C2組成的RC震蕩器為L297提供時(shí)鐘輸入，SEN1和SEN2管腳和L298的E相連接，正常使用時(shí)E的輸出為高電平同時(shí)使能L297的輸出信號(hào)。使用本模組式只需要將L297的片選信號(hào)拉低，L297輸入CLK后L297就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生兩相八拍制的數(shù)字信號(hào)并輸送給L298以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，時(shí)鐘的快慢決定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速率。

2.5 無線收發(fā)子系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

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(diǎn)間通信，最高傳輸速率超過1 Mbit/s，它采用Soc方法設(shè)計(jì)，需要極少的外圍電路，且沒有復(fù)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(shè)計(jì)了無線收發(fā)電路，完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。更為重要的是nRF2401A價(jià)格經(jīng)濟(jì)，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(dāng)晶振設(shè)為16 MHz時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)，或者將電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)輸入芯片的ANT1、ANT2管腳。

3 程序設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖9所示。

4 結(jié)論

系統(tǒng)以SPCE061A單片機(jī)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(shí)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?cái)?shù)據(jù)傳輸至100 m外的主控電路并顯示出來，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離溫度監(jiān)測，可用于遠(yuǎn)距離非接觸式人體體溫測量，并可設(shè)定溫度限制，當(dāng)測量的溫度數(shù)據(jù)超過限定值時(shí)聲光報(bào)警，能起到有效的隔離與接觸傳染，可廣泛用于醫(yī)院、學(xué)校等人員集中地場合，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。