采用STM32F103芯片的红外测温仪设计

　　摘要：体温作为反映生命体征的重要指标，是生命体征和临床疾病判断的重要依据。本文基于STM32F103芯片设计一款具有环境温度补偿和距离补偿功能的红外测温仪。首先简要介绍了红外测温仪，给出了本文所设计红外测温仪的结构组成，并介绍了传感器的选型，然后阐述了STM32F103芯片外围电路设计，最后介绍了红外测温仪软件设计。该红外测温仪性能稳定、结构简单、测量精度高、实用性强。

　　测量温度的方法可分为接触式和非接触式测温。传统的体温计主要有水银式体温计和电子式体温计两种，这两种体温计不适合大量人群的快速检测。红外测温是目前最主要的非接触式测温方式之一，不仅可以测量温度很高的、有辐射性的、高纯度的物体，而且可以测量导热性差的、小热容量的、微小的目标，以及固体、液体表面温度的测量，因而被广泛应用于各行各业^[1-2]。用于体温检测的红外测温仪，其测温范围应在24.0~45.0℃，精度要求为±0.1℃。在24.0~45.0℃的范围内，外界环境温度和红外辐射距离很容易影响红外测温仪的测量精度，导致其测量误差增大，针对此缺点，本文基于STM32F103芯片设计一款红外测温仪，该红外测温仪具有环境温度补偿和距离补偿功能。

　　红外测温仪简介

　　红外测温仪是一种将红外技术与微电子技术结合起来的一种新型测温仪器，它将被测物体表面发射的红外波段辐射能量通过光学系统汇聚到红外探测原件上，使其产生一个电压信号，经过放大、模/数转换等环节处理，最后以数字形式直接在显示屏上显示温度值。目前，市场上红外测温仪种类繁多，测温范围可从大约-100℃低温到6000℃高温，响应时间从1/1000秒到秒。

　　红外测温仪结构组成

　　红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律。本文所设计的红外测温仪结构组成如图1所示，主要由STM32F103控制器、数字红外传感器、超声波传感器、环境温度传感器以及其他外围部分组成。数字红外传感器将人体额头红外辐射转换成数字信号，输入到STM32F103控制器;超声波传感器利用超声波在空气中传播遇障碍物反射的原理，测量人体额头与数字红外传感器之间的距离;环境温度传感器测量环境温度，并在STM32F103控制器里对超声波传感器进行温度补偿，提高超声波测距精度。经STM32F103控制器运算后，传感器信号在液晶屏上显示出人体温度读数，并伴随有蜂鸣提示。

　　本设计主控制器选用STM32F103芯片，它是一款32位标准RISC(精简指令集)处理器，提供很高的代码效率，其工作频率为72MHz，内置高达128K字节的Flash存储器和20K字节的SRAM，具有丰富的通用I/O端口^[3]。

　　传感器选型

　　数字红外传感器选型

　　本设计红外传感器选用医用高精度数字红外传感器MLX90615ESG-DAA^[4-5]。它主要由环境温度传感器、红外热电堆传感器、低噪声放大器、16位模数转换器、低通滤波器和数字信号处理单元组成，在36℃~39℃的人体温度范围内的精度达到±0.1℃。环境温度传感器将环境辐射转换为电信号，红外热电堆传感器将红外辐射转化为微弱电信号，两者经低噪声放大器差分放大后送给模数转换器;模数转换器输出的数字信号经低通滤波器滤波后送入数字信号处理器，数字信号处理器对其运算处理后输出测量结果并保存在MLX90615内部RAM中，通过SMBus或PWM方式可供STM32F103控制器读取。数字红外传感器电路如图2所示，红外测温仪的STM32F103控制器带有兼容SMBus的I2C总线控制器，因此，将I2C总线控制器的数据线、时钟线与数字红外传感器MLX90615的SDA、SCL相连。

　　超声波传感器选型

　　在红外测温时，被测目标尺寸应超过传感器视场的1/2，因此需传感器与被测目标距离适中。本文红外测温仪采用超声波传感器测量红外传感器与人体之间的距离，以降低距离对红外传感器的影响。

超声波测距主要采用渡越时间法，其原理为：主控单元发射一定频率的脉冲，激励超声波发射电路产生超声波，当超声波传播到两种介质的分界面时产生反射波，反射波经介质传播返回到超声波接收电路，主控单元测出超声波从发射到接收所用的时间，即可计算出超声波传感器与被测物体之间的距离：

其中，d为超声波传感器与被测物体之间的距离; S为超声波从发射到接收所传播的距离;v为超声波在介质中的传播速率;t为超声波从发射到接收所用的时间。本文红外测温仪中超声波测距采用渡越时间法。

　　红外测温仪选用超声波传感器TCT40-T/R测量红外传感器与人体之间的距离，超声波测距电路原理如图3所示，包括发射电路和接收电路。发射电路主要由超声波发射传感器TCT40-T和反相器74HC04组成;接收电路主要由超声波接收传感器TCT40-R和CX20106A芯片组成。超声波接收传感器TCT40-R将所接收的反射的超声波信号转换成电信号，经CX20106A芯片放大、整形后输出下降沿脉冲给STM32F103控制器的外部中断端口CSBR。

　　环境温度传感器选型

为了保证距离测量的精度，首先要保证超声波传播速度稳定准确。造成超声波测距误差的主要原因是温度变化，因此，必须对超声波速度进行温度补偿。根据物理学原理，超声波传播速度与摄氏温度的关系式为：

　　红外测温仪在测量环境温度时选用数字温度传感器DS18B20^[6]。DS18B20是一种智能化数字式温度传感器，全部传感元件及转换电路集成在集成电路内。DS18B20测量温度是采用了片上温度测量专利技术，DS18B20传感器内含两个温敏振荡器，它们的温度系数不同，其中，温敏振荡器1相当于测温元件，而温敏振荡器2相当于标尺，温度值是通过对温敏振荡器进行计数获得的。通过不断地比较两个温敏振荡器的振荡周期，得到两个温敏振荡器在测量温度下的振荡频率比值，根据频率比值和温度的对应曲线，得到相应的温度值。该红外测温仪的DS18B20环境温度测量电路如图4所示，为了实现DS18B20的数据通信，DS18B20的数据端DQ连接到STM32F103控制器的一个GPIO端口，并且DQ端接4.7K的上拉电阻以增加数据通信的稳定性;VCC端外接电源。

　　STM32F103芯片外围电路设计

　　电源电路设计

　　STM32F103芯片的工作电压为2.0~3.6V，为了满足系统要求，该红外测温仪采用低压差电源芯片SPX1117M3-3.3，提供稳定的3.3V电压，最大800mA的输出电流，该红外测温仪的电源电路如图5所示。SPX1117是Sipex半导体公司推出的低功耗正向电压调节器，具有高效率、小尺寸、低功耗、可替代等优点。

　　时钟模块与复位模块设计

　　STM32F103芯片的时钟模块主要有8MHz系统主时钟和32.768kHz实时时钟，当8MHz的系统主时钟信号送入STM32F103芯片后，就进入时钟发生模块，由锁相环进行倍频和同步处理，得到PCLK、UCLK、FCLK和HCLK时钟信号。其中，PCLK信号主要供给访问APB总线的外设;UCLK主要供给USB模块需要的48MHz时钟;FCLK主要供给Cortex-M3内核;HCLK供给中断控制器、USB主机模块、DMA控制器、存储器控制器和AHB总线。

　　该红外测温仪复位模块采用MAX706集成复位监控芯片，MAX706芯片具有高性能、低成本的优点，它集成了手动复位输入模块、供电失败比较器、看门狗和uP复位模块，降低了系统电路的复杂度，提高了系统的准确性和可靠性。

　　人机交互电路设计

　　该红外测温仪的人机交互电路如图6所示，包含液晶显示器、按键和蜂鸣器电路。

　　红外测温仪的显示部分采用通用1602字符型液晶屏OCM2X16A，主要由液晶显示屏、控制器、驱动器和偏压生成电路组成，它是可以显示两行的点阵型液晶模块(每行16个字母、数字和符号)。OCM2X16A采用标准16位接口，分别是：电源地Vss;电源正极Vdd;对比度调整端VO;寄存器选择引脚RS;读写控制引脚R/W;使能端E;8个数据总线接口DB0~DB7;背光引脚LED+和LED-。OCM2X16A采用4位数据传输模式，控制端RS、R/W、E分别与STM32F103的PA14、PA15和PB3引脚相连接，高数据位DB4~DB7分别与PB4~PB7引脚相连接。

　　按键接口可分为独按键接口和矩阵按键接口。独立式按键接口适用于按键数较少的场合;矩阵按键适用于按键数较多的场合。STM32F103芯片有数量较多的GPIO，且需要的按键数较少，因此，该测温仪采用两个独立式按键(开关键和测量键)，每个独立按键各占用一个GPIO，每个GPIO配置为输入上拉模式，当按键被按下时，相应的GPIO由高电平跳变为低电平，因此，要确定按键是否按下，只需判断相应GPIO引脚的电平状态即可。

　　蜂鸣器是一种电子讯响器，广泛应用于电子产品中作发声器件。该红外测温仪采用STM32F103芯片的GPIO驱动有源直流蜂鸣器，通过STM32F103控制器控制GPIO引脚电平的高低来驱动蜂鸣器鸣叫，起提示用户测量结束的作用。

　　红外测温仪软件设计

　　红外测温仪采用ARM公司的Real View MDK集成开发环境进行软件设计，主要采用C语言进行模块化设计。红外测温仪软件设计流程如图7所示，主要包括初始化模块、液晶显示模块、按键扫描模块、环境温度测量模块、超声波测距模块、红外温度测量模块以及蜂鸣提示模块等。初始化模块完成定时器、GPIO、I2C、中断等设置;按键扫描模块检测按键是否按下，从而触发外部中断，并执行红外温度测量功能;环境温度测量模块对DS18B20传感器进行读写操作，读取数据并转化为环境温度值，完成超声波速度的环境温度补偿;超声波测距模块完成发射、接收超声波的计时以及计算超声波传播距离;红外温度测量模块按照I2C总线方式读取数字红外传感器MLX90615数据;液晶显示模块用于在液晶屏上显示人体温度值，以便于数据读取。若液晶屏上有温度值显示，则蜂鸣提示模块通过驱动蜂鸣器鸣叫来提示温度测量结束。

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