红外测温校准模型研究_袁尚.pdf

红外测温校准模型研究袁尚，李熙铭，张佳兴，徐践（北京农学院，北京102206）摘要：型号为MLX90614的传感器是红外测温传感器中的一种，常作为测量体温设备的核心部件。在应用此传感器测温的时候，测得的体温值存在误差，需要对该传感器测温进行校准处理。设计了一款基于STM32F103ZET6芯片的测温校准实验设备，包括红外测温模块、OLED显示屏模块、按键模块和DS18b20测温模块等模块。根据协方差公式，结合实际的使用场景，提出了一种测温校准模型，以提高测温的准确性。关键词：红外测温传感器；测温校准；校准模型中图分类号：TN 216文献标志码：A文章编号：1672-5468（2022）01-0047-04doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2022.01.010Study on Calibration Model of Infrared TemperatureMeasurementYUAN Shang，LI Ximing，ZHANG Jiaxing，XU Jian（Beijing Agricultural College，Beijing 102206，China）Abstract：MLX90614 is a kind of infrared temperature sensor，which is often used as the corepart of temperature measurement equipment.When the temperature is measured by this sensor，the temperature value measured has errors，so it is necessary to calibrate the temperature of thissensor.AtemperaturemeasurementcalibrationexperimentaldevicebasedonSTM21F1032ET6 chip is designed，including infrared temperature measurement module，OLEDdisplay module，button module，DS18b20 temperature measurement module and other modules.According to the covariance formula and actual use scenarios，a temperature measurement cal-ibration model is proposed to improve the accuracy of temperature measurement.Keywords：infrared temperature sensor；temperature calibration；calibration model基金项目：粮经作物产业技术体系北京市创新团队项目（BAIC092021）资助。收稿日期：2021-07-16修回日期：2021-11-16作者简介：袁尚（1998），男，北京人，北京农学院硕士研究生，研究方向为农业工程与信息技术。通信作者：徐践（1966），男，北京人，北京农学院计算机与信息工程学院院长，博士，从事农业信息化和精准农业方面的教学与研究工作。电 子 产 品 可 靠 性 与 环 境 试 验ELECTRONIC PRODUCT RELIABILITY AND ENVIRONMENTAL TESTING计量与测试技术2022年2月第40卷 第1期Vol40 No1 Feb.，20220引言红外测温模块MLX90164被广泛地应用于各种测温设备中，常见的如体温计。其出厂批次的不同影响着该型传感器的测温校准。对于红外测温模块的校准，最好的校准方法是使用黑体，在理想的实验环境下，黑体是能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体1，通过黑体对红外测温传感器进行校准是最准确的，市面上的红外校准仪，也被称作为高精度黑体炉，此类仪器价格昂贵，如果不经常使用，则很难有很高的使用价值。实验使用一台笔者自己设计的以STM32F103ZET6为芯片的红外测温校准设备，将多次测量的温度值DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN47电子产品可靠性与环境试验DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN电子产品可靠性与环境试验2022年显示在LCD显示屏上，以方便数据的记录，配备DS18b20感知实验环境温度，通过按键控制，将记录的数据清除，便于重新测量新的数据。最后通过温度校准模型，进行MLX90614的测温校准。经过实验证明，校准过的红外测温传感器与未经过校准的相比，可以更加准确地测量出被测物体的温度值。1总体设计本 模 型 主 要 是 基 于STM32F103ZET6和MLX90614，再加上一部分外设作为辅助来实现红外测温校准设备的设计。红外测温传感器的原理是红外温度传感器通过物体发出的红外辐射能量的大小来确定物体的温度2。然而，红外测温传感器的测温误差的最主要原因是最初未校准或者校准精确度不够，在初次使用时，开始测量的温度值与实际的温度值存在不可忽略的差距。在此之前，有学者提出了一种因环境温度和传感器封装而造成的误差的校准方法。本文提出了一种针对MLX90614测温的校准模型对该型传感器进行温度校准。实验设备的功能模块如图1所示。2硬件设计以下将从主要硬件模块的选型方面介绍硬件设计过程。2.1芯片选型STM32系列芯片采用ARM Cortex-M3内核，如图2所示。ARM处理器以其优异的性能、低廉的价格和简单的软件编程在很多相关行业中得到了最广泛的应用，在控制领域尤为突出3，使用Cortex内核的SOC被广泛地应用于工业的方方面面，该内核包含“A”“R”“M”3个系列。其中，“A”系列常见的应用场景之一是作为手机芯片；“R”系列主要应用于实时系统中；“M”系列大多作为单片机这类微控制器使用。CPU运行频率为72 MHz，具有多种控制外设并具有在系统编程ISP和 在线调试编程JTAG功能；可以使用寄存器编程，也可以使用官方提供的库函数编程，这样既方便编程，也方便移植。2.2红外测温模块MLX90614选型实验选用的红外测温模块是MELEXIS公司的MLX90614ESF-DCC，具有体积小、精度高和测温范围宽等优点4。该传感器测量物体的温度范围为-70382.2，包含模数转换器和性能强劲的DSP组件，可完成高准确性的温度测量任务。测得的温度值可以达到0.01 的解析度，为适应医疗的需要，MLX90614还可提供在人体温度范围内的高精度（0.1）测温。传感器使用IIC通讯协议，利 于 连 接STM32F103ZET6这 枚SOC。MLX90614引脚图如图3所示。2.3环境温度模块DS18b20选型DS18b20温度传感器使用一根信号线就可以实现数据的双向传输，采集人体所在的环境温度5。该模块向芯片传输数字信号，体积极小，功耗也很图3MLX90614引脚定义图1设备功能模块图测温校准设备IIC通讯I/O口10.9 cm（4.3寸）显示屏MLX90614红外测温模块按键模块DS18b20环境温度测量模块Cortex-M3芯片Cortex-M3内核调试系统由ARM设计内部总线外设存储器时钟和复位I/O由芯片制造商设计开发图2Cortex-M3架构图2-PWM/SDA1-SCL/Vz3-VDD4-VSS俯视48DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN第1期低，一般的干扰对该模块没有影响，具有测量的精度范围高等特点。同时，该型传感器可以感知55+125 范围内的温度，超过这个范围会使传感器不能正常工作。工作电源为33.5 V。2.4LCD显示屏模块选型TFTLCD是ALIENTEK生产的一款电容触摸屏，其屏幕尺寸大小为10.9 cm（4.3寸）。TFTLCD具有800480的分辨率，16位真彩显示，模块具有访问管理与地址控制的功能，不需要添加额外的驱动设备，所以，方便连接到各种SOC微控制器中。在同一时刻，模块最多支持5点操作，屏幕反应灵敏。3软件的设计3.1测温校准模型环境因素是测温环节必须要考虑到的，尤其是对红外测温有一定的影响，因此应该考虑环境因素对校准模型的影响。使用未经校准的MLX90614测得的初始温度为Tm，一个物体其表面的温度为T测，DS18b20的环境温度为Ttemp，最终的校准结果为T实，使用协方差公式计算Tm和Ttemp与MLX90614的封装温度的总体误差，笔者在这里经过多次实验发现，MLX90614封装温度对实验的影响可以忽略不计。首先是使用MLX90614测得的温度为Tm和最终的校准结果为T实之间存在差值kb，kb也就是校准值。即：T实=Tm+kb（1）差值b是将多次测量的MLX90614温度值Ti求和求平均值，然后将待测物体的表面温度T测与平均值相减得来。即：b=T测-ni=1Tin（2）b前的系数k可使用协方差公式分别计算Tm、Ttemp与MLX90614的封装温度T封的总体误差Tm-Ttemp和Tm-T封得到，这里不考虑封装温度，令T封=0，即：k=Tm2Tm2+（Tm-Ttemp）2（3）最后，将公式进行整合，得到测温校准设备的校准模型，即：T实=Tm+Tm2Tm2+（Tm-Ttemp）2（T测-ni=1Tmin）（4）3.2硬件程序设计编程软件采用Keil5，编程语言使用C语言，除 主 程 序 之 外，还 有MLX90614的 驱 动 程 序，DS18b20的驱动程序，LCD显示屏的驱动、显示和按键程序。程序的工作流程为：首先，激活实验设备的芯片和外设驱动程序，进入等待校验的状态；其 次，界 面 实 时 地 显 示 环 境 温 度，测 得 当MLX90614的温度时，将测量数据记录到数组中；然后，通过定时器进行定时，一秒钟测一次，每测一次，将测得的温度值显示在LCD屏上，一共测10次，超过10次，会在某个区域显示实时测得的温度值，但是不做记录；最后，通过按键进行界面的刷新，进入下一轮校准测温。程序流程图如图4所示。3.3测温校准模型的实验3.3.1实验测温部位的选择在新冠肺炎的症状中，典型表现有体温升高等。为做好疫情防控防治，需要设计安全的体温计以筛查发热病人6。由于MLX90614具有良好的性能，很多厂家将其作为体温枪的核心部件。过去图4硬件程序流程图开始硬件驱动程序初始化进入待测界面测温是否超过10次是否不记录记录显示数据校准结束袁尚等：红外测温校准模型研究49电子产品可靠性与环境试验DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN电子产品可靠性与环境试验2022年一年多的时候，全世界还处在新冠肺炎的阴霾中，预防这种传染性极强的疾病传播过程中，通过对体温的监测，可以初步判断一个人是否感染新冠病毒，体温作为最简单、检测速度最快且最重要的一项检测指标7，这也使出行在外测量体温成为一件非常普遍的事，因此，测量体温的正确性直接关乎新冠肺炎的诊断和治疗。当人们出行在外的时候，要考虑体温检测的便捷性，使用体温枪检查身体哪个部位的体温成为了一个问题。在众多的身体部位中，常用于测量体温的部位有：前额、口腔、腋下、肛门和耳8。考虑到便捷性，就可以排除口腔、腋下和肛门这些不利于测量或隐私性极强的部位。相比于红外体温计，专门用于测耳温的体温枪，使用时需要将耳温枪的探测头伸入耳道，这种接触式的测温设备不适用于新冠肺炎这类传染性强的体温检测。体温枪测量额头温度的时候，需要将体温枪对准被检测人的额头，有的人较为介意这一动作，因此，现在外出在外，凡是使用体温枪监测体温的场所，已经不再监测额头体温了。除上述部位之外，还可以测量内关穴皮肤表面的温度作为判断身体温度异常的指标