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