一种防疫测温仪的设计与实现...14非接触式红外测温传感器_程智.pdf

138 一种防疫测温仪的设计与实现 基于 MLX90614 非接触式红外测温传感器 程 智（黄冈职业技术学院 电子信息学院，湖北 黄冈 438002）摘 要：摘 要：非接触式红外测温是新冠疫情预防的第一关卡，往往测量人员众多，且要求温度测量准确。MLX90614 红外测温传感器测量通过捕获人体辐射的红外线，达到测量温度的目的。其体积小、非接触方式、测量精度高和响应速度快，广泛的用于医疗测量设备、工业生产、日常家用电器之中。本文重点分析 MLX90614结构及工作原理，围绕该传感器设计了充电电路、显示电路、控制电路等，从而设计出一款便携式红外测温仪。关键词：关键词：MLX90614；充电电路；显示电路；控制电路；测温仪 中图分类号中图分类号：TP732+.2 文献标志码文献标志码：A 文章编号文章编号：1672-1047（2022）06-0138-05 DOI:10.3969/j.issn.1672-1047.2022.06.36 收稿日期：2022-11-03 作者简介：程 智，男，湖北武汉人，硕士，讲师。研究方向：嵌入式技术，人工智能技术。一般来说，测温方式可分为接触式和非接触式1。常见接触式测温：水银计测温，利用水银的热胀冷缩原理；热敏电阻测温，通过半导体阻值与温度关系来实现对温度测量。而新冠在预防中，测温必须采用非接触式测温。如在公众场合如商场、火车站热流量大的地方采用红外热成像摄像头来测温，但测量仪器非常昂贵，在私人场所，如的士、住宅、小区等，更需要一种测量准确、响应迅速、携带方便和价格便宜的非接触式测温仪。1 红外测温仪硬件系统结构 1 红外测温仪硬件系统结构 人体能对外辐射能量，称为红外辐射。人体温度与自身辐射能量的强度、频率（波长）有关。如果能够测量出红外辐射能量强度和波长，就能够推算出人体表面温度，这就称之为红外测温原理。红外测温系统由光电探头、光学系统、信号调理电路及电信号输出四部分组成。如下图 1 所示，为红外非接触式红外测温仪硬件设计框图:图 1 硬件设计框图 图 1 硬件设计框图 1.1 STM32 主控电路 图 2 STM32 主控制电路 图 2 STM32 主控制电路 Vol.24 No.6Dec.2022第 24 卷第 6 期 2022 年 12 月 黄 冈 职 业 技 术 学 院 学 报Journal of Huanggang Polytechnic 139 采用ARM32位Cortex-M3内核的STM32F103C8T6单片机为系统控制器，最高工作频率 72MHz，1.25 DMIPS/MHz，单周期乘法和硬件除法。片上集成256KB 的 Flash 存储器；20KB 的 SRAM 存储器，内部集成了多路 ADC（模数转换器），多路串口控制器。开 发 资 源 丰 富，采 用 图 形 化 开 发 工 具STM32CUBEMX，KEIL 实现软件设计，大大缩减开发周期。主要实现功能如下：控制红外传感器 MLX90614 进行温度测量，并将温度显示在 OLED上。如果温度超过 37.3，通过蜂鸣器和 LED 彩灯进行声光报警。STM32 主控制电路主要由晶体振荡电路、复位电路组成。可外部高速晶振（HSE）和低速晶振（LSE）。其中高速晶振为 8MHZ，低速晶振为32.768KHZ。8M 晶振与电容 C8、C10 构成晶体振荡电路，产生稳定的时钟信号。为单片机提供精准的时钟源。当 NRST 引脚保持低电平一段时间后（2us 以上）会导致 MCU 发生复位，当维持一段时间的低电平后再恢复高电平即可。因为电容的特性是隔直通交，所以，电容只有在上电时候会在两端累计电荷，当稳定后不会在释放电荷。当上电时，电容两端逐渐由电位差为 0，即 NRST 引脚与 GND 等电位，为低电平；随着充电时间推移，电容两端的电位差逐渐达到最大 3.3V，即为高电平。如上图 2 所示。1.2 锂电池供电电路 图 3 锂电池供电电路 图 3 锂电池供电电路 为了提高温度测量便携性，故采用锂电池供电，如上图 3 所示，CN1 为锂电池接口，系统采用 4.2V聚合锂电池，当电量不足时候，通过 USB 对锂电池供电，其中芯片 TC4056A 为充电管理芯片，负责对电池充电。该芯片充电电流由 2 脚串联电阻 R9 决定，电流大小计算公式为：I=Vprog/R9*1200 （1）在电池预充电阶段 Vprog 电压为 0.1V，在恒流充电阶段，Vprog 电压为 1V。GHRG（引脚 7）漏极开路输出的充电状态指示端。当充电器向电池充电时，CHRG 管脚被内部开关拉到低电平，表示充电正在进行；否则 CHRG 管脚处于高阻态。LED2 用于指示充电状态，点亮表示在充电之中，熄灭表示充电完成。1.3 MLX90614 非接触式温度传感器 1.3.1 MLX90614 结构及应用电路 图 4 外观及应用电路 图 4 外观及应用电路 MLX90614 采用 5V 供电，测量温度范围为-40125。温度输出有两种方式：SMBus 和 PWM（脉冲宽带调制信号）。MLX90614 集成了红外热电堆感应器 MLX81101 和用于处理红外感应器信号的专用处理芯片 MLX90302（内含低噪声放大器、17 位 A/D 转换器、数字信号处理单元、脉宽调制及逻辑控制电路）1-2，测量相应速度仅仅 100 多毫秒，测量量辨析度可达到 0.022。如图 4 为该传感器外观图及应用第 6 期 一种防疫测温仪的设计与实现 第 24 卷 140 电路图，表 1 为具体引脚功能。表 1 MLX90614 引脚功能图 表 1 MLX90614 引脚功能图 引脚编号 功能描述 4-VSS 传感器电源负极 1-SCL SMBus 总线的时钟信号 2-SDA/PWM SMBus 总线的数据信号，或者 PWM 温度输出信号 3-VDD 传感器电源正极（通常接 5V）MLX90614 基于 SMBus 总线传输协议。SMBus接口能提供在主设备（MD：Master Device）与从属设备（SD：Slave Device）之间进行数据通讯3。根据手册单个 MLX90614 作为从设备地址为 0 x00，多个MLX90614 默认地址为 0 x5A。主设备 STM32 控制器与从设备 MLX90614，数据传输以字节为单位进行传输，采用握手应答方式来传输信号，及每次发送一个字节数据，等待对方应答 ACK（应答）信号，如果超时没有收到 ACK 信号，从新发送一字节数据，如果多次依然没有接收到 ACK 信号，停止发送，结束通信。数据传输协议如图 5 所示：图 5 SMBus 传输协议 图 5 SMBus 传输协议 图 6 数据读写协议 图 6 数据读写协议 MLX90614 的数据传输每次传送一个字节。每个字节都按照高位（MSB）在前、低位（LSB）在后的格式传输 2 个字节中间的第 9 个时钟是应答时钟4。如图 6 所示，首先来看主设备读取从设备过程：主设备（单片机）首先发送第一帧 9bits 的数据：1 位起始位，7 位从机地址，1 位写命令。等待从机相应 ACK。接着发送第二帧数据 8bits 命令，等待从机相应发出ACK 信号。第三帧由 9bits 数据组成：1 位启始帧，7bit 从机地址，1bit 读命令。从机依次发出 2 字节的回复数据。其次再来看主设备读取写从设备过程：主设备（单片机）首先发送第一帧 9bits 的数据：1 位起始位，7 位从机地址，1 位写命令。等待从机相应ACK。接着发送第二帧数据 8bits 命令，等待从机相应发出 ACK 信号。从机依次接收到 2 字节的数据，每接收到一帧就回复 ACK 应答信号。1.3.2 温度计算 主控制通过 SMBus 总线来读取 MLX90614 内部RAM 中 0 x07 地址里面的温度数据，温度数据由 2 字节组成，低字节(DataL)在前，高字节(DataH)在后。然后根据计算公式 2,计算出最终测试温度（单位：）。T=(DataH8)|DataL*0.02-273.15 （公式二）1.4 声光报警电路 图 7 声光报警电路 图 7 声光报警电路 第 6 期 一种防疫测温仪的设计与实现 第 24 卷 141 如图 7 所示，单片机通过 NPN 型三极管来控制有源蜂鸣器的开、关。当 BUZZ 引脚输出高电平的时候，三极管导通蜂鸣器响，当输出低电平的时候，三极管停止工作，蜂鸣器不响。LED 电路采用红、绿、蓝三色等，分别表示不同的工作状态，其中红灯表示温度异常，绿灯表示温度正常，蓝灯表示正在测量中。2 系统软件设计 2 系统软件设计 2.1 系统设计流程图 系统流程图如图 8 所示，首先完成系统硬件相关初始化，如配置 stm32 单片机时钟、定时器、GPIO等。然后等待按键是否按下，如果按下则进行温度测量，否则一直等待，直到用户按下。当用户按下按键后，单片机与传感器 MLX90614 通过 SMBus 总线协议进行数据传输，如果计算出温度超过 37.3，则显示温度异常蜂鸣器每隔 1S 响一次，同时 RGB 彩灯，显示红色。如果温度正常则从新回到按键检测状态等待下一次按下。图 8 系统流程图 图 8 系统流程图 2.2 温度读取流程图 图 9 温度读取流程图 图 9 温度读取流程图 温度读取过程：单片机首先发送三帧数据，其中第二帧为命令，寄存器为 0 x07，读取传感器内部 RAM温度值。传感器 MLX90614 接收到读命令后，分两帧，依次传输温度低 8 位和温度高 8 位5。核心读写代码如下：uint16_t SMBus_ReadMemory(uint8_t slaveAddress,uint8_t command)uint16_t data;/Data storage(DataH:DataL)uint8_t Pec;/PEC byte storage uint8_t DataL=0;/Low data byte storage uint8_t DataH=0;/High data byte storage uint8_t arr6;/Buffer for the sent bytes uint8_t PecReg;/Calculated PEC byte storage uint8_t ErrorCounter;/Defines the number of the attempts for communication ErrorCounter=0 x00;/Initialising of ErrorCounter slaveAddress=1;/2-7 位表示从机地址 do repeat:SMBus_StopBit();/If slave send NACK stop comunication-ErrorCounter;/Pre-decrement ErrorCounter if(!ErrorCounter)/ErrorCounter=0?break;/Yes,go out from do-while SMBus_StartBit();/Start condition if(SMBus_SendByte(slaveAddress)/Send SlaveAddress 写命令 goto repeat;/Repeat comunication again if(SMBus_SendByte(command)/Send command goto repeat;/Repeat comunication again SMBus_StartBit();/Repeated Start condition if(SMBus_SendByte(slaveAddress+1)/最低位 Rd=1 表示接下来读数据 goto repeat;/Repeat comunication again DataL=SMBus_ReceiveByte(ACK);/Read low data,master must send ACK Da