时 昊， 窦艳芳, 崔月莹

(1.三明学院机电工程学院电子系电子信息工程专业，福建 三明 365004；2.佳木斯大学，黑龙江 佳木斯 154002)

0 引 言

当前，全国疫情防控不断积极向好态势发展，但疫情仍在全球流行，周边国家和地区的疫情持续蔓延，国内疫情也时有发生。习近平总书记在中共中央政治局常务委员会会议上特别强调，“要认清当前形势，做好较长时间应对疫情的思想准备和工作准备。”面对形势的不稳定、不确定，一定要认真研究，科学、合理、细致、周密的制定好学校疫情防控，确保复工复学万无一失。新冠肺炎前期临床表现又主要包括：发热、干咳、乏力。所以，必须对出入密集场所关口的人员进行体温测量[1]。目前，大多数场所一般采用的是手持式红外测温仪[2]。该方法不仅增加了工作人员交叉感染的风险，而且在人流量密集时效率低。本设计基于单片机的红外热成像人体温度测量仪，是以STC8A8K64S4A12作为微处理器，搭配红外非接触式热成像测温传感器，根据被测人员的红外辐射能量来确定其对应的体温值。该测量仪响应速度快，稳定性好，可以在不与被测人员接触的情况对其进行体温测量。

1 系统整理架构

在经过市场调研的基础上，制定红外热成像人体温度监测装置总体方案设计；根据装置对各子模块的功能要求，选择最为合适的各类传感器，并对相关硬件电路进行了设计；完成系统的软件部分程序的编写，实现数据的实时显示；通过上千人次的和标准测温枪进行对比测试，积累数据，结合环境温度，完善软件算法，保证测量精度达到设计要求；在实验室环境下对装置的软硬件进行稳定性测试；对装置进行实地调试，并投入使用。工艺流程如图1所示：

图1 红外热成像体温检测仪设计工艺流程图

红外热成像体温检测仪从功能结构角度来看，主要由红外温度检测模块、人体检测模块、拍照模组、信息处理模块组成。该系统整体架构如图2所示。

图2 红外热成像体温检测仪架构

2 红外热成像体温检测仪硬件设计

任何温度高于绝对零度(热力学零度)的物体，就会向外界发出辐射[3]。被测物自身温度不发生改变时，它的温度辐射值相对稳定[4]。本设计基于单片机的红外热成像体温检测仪。采用红外传感器MLX90621将接收到的光学量(被测物的温度辐射)转换为对应的电信号，进行放大、滤波等处理，再送入STC8A8K64S4A12内部的12位A/D转换器得到对应的数字信号，数字信号送入显示电路进行显示。若温度值不超过设定值，则显示电路绿灯亮，同时蜂鸣器提示完成温度测量；若温度值超过设定值，则显示电路红灯亮，蜂鸣器发出报警，同时摄像模组启动抓拍功能。

2.1 检测模块

2.1.1 温度检测模块

红外传感器温度检测模块主要负责采集人体的温度信号。本设计选用的红外温度传感器是Melexis公司生产的MLX90621[5]，它是利用红外辐射热效应测量它吸收到的红外辐射通量，间接的检测向其辐射红外光的物体温度。

该传感器是一款热红外辐射敏感型全校准16*4像素热红外探测器阵列。它采用I2C的方式与微处理器进行通信，通信时长大约5ms左右，适用于快速数据传输。不仅小尺寸、高性价比，而且每个像素都有高速ADC和低噪声斩波放大器，其原理图如图3所示。

图3 MLX90621传感器原理图

被检测人员所处环境不可避免的存在很多其他辐射源，其他辐射源不断向外界辐射电磁波，这会对体温检测仪中红外传感器接收到的辐射能量造成不小的影响，导致检测到的人体体温不准确。人体辐射的电磁波，主要是波长为9～10μm的红外光[4]。为了降低该因素对测量结果的影响，本设计加入了由菲涅尔透镜和热成像锗质红外5～14μm滤光片组成的光学系统。由光学系统对进入MLX90621传感器的光信号进行带通滤波、聚焦，从而提高检测结果的准确性。

2.1.2 人体检测模块

该部分是由超声波模块作为核心，图4为DYP-A02超声波模块的示意图。

图4 DYP-A02超声波模块的示意图

采用DYP-A02超声波模块进行距离检测，其电源供电电压为3.3V～5.0V，待机时电流可低于5μA，低功耗；不受检测物体的颜色、透明度、材质的影响，抗干扰能力强；输出格式包括：UART自动输出、UART受控输出、PWM输出及开关量输出；测距探测量程为3～450cm，适合本设计的要求。表1为DYP-A02超声波模块的引脚说明。

表1 DYP-A02超声波模块的引脚说明

本设计中超声波测距模组通过开关量格式输出，与单片机STC8A8K64S4A12进行连接。

人体辐射的红外线在传播过程中，传播距离和辐射能量是成反比的[6]。通过大量实验得出，在本设计中当测试人员距离测量仪30～50cm时，可以忽略背景温度为检测结果的影响[7]，实验数据最准确，故设定超声波测距模组门限值为50cm。令模块每500ms进行一次测距，当检测到目标的距离值小于设定的门限值，TX引线输出高电平，RX引线输出低电平。由于在室温条件下，人体温度一般高于周围环境温度。所以可以通过设定温度下限值的方法，滤除检测到的周围环境中除人之外的其他物体距离信息。

2.2 信息处理模块

STC8A8K64S4A12是我国深圳宏晶科技有限公司(STC)推出的一款单片机[8]。它是在STC15系列基础上的升级，是不需要外部晶振和外部复位的单片机，具有1T的分频功能，系统内核兼容51单片机系列，在相同的工作频率下，比传统的8051约快12倍，是具有强抗干扰能力、低功耗高性的单片机[9]。设计采用STC8A8K64S4A12作为微处理器，控制红外传感器MLX90621进行温度测量、超声波模块DYP-A02获取人员检测信息，微处理器将检测到的人体温度信息实时显示到液晶屏幕上。

2.3 外围电路

2.3.1 显示模块

显示模块用来显示被测量人员的实时体温值。本设计选用LED1602，该液晶模块有20个外接引脚，采用并口方式与单片机连接会占有过多的I/O(输入/输出)接口，所以采用SPI串口连接方式。显示控制芯片使用的是ST7920。

2.3.2 声光报警模块

当被检测人员体温低于37.3℃(报警温度)且高于35℃时，检测仪中绿色亮，同时BEEP为1(高电平)，此时三极管处于放大状态，蜂鸣器响一声，提示被检测人员体温已检测完毕。当被检测人员体温不低于37.3℃(报警温度)时，检测仪发出声光报警，此时，红灯亮，BEEP为1(高电平)，蜂鸣器连续响三声。

2.3.3 拍照模组

选用雄迈信息技术有限公司的IVG-85HF30PS-S拍照模组，其实物图如图5所示。该模组分辨率高、支持手机监测。当被检测人员体温不低于报警温度(37.3℃)时，拍照模组自动启动拍照功能，将被检测人员的图像信息保存下来，实现超温抓拍的功能。利用4G通讯的方式，工作人员可以通过手机端查看超温抓拍的图像信息，以便及时、准确地对体温高于报警温度的被检测人员的身体状况进一步核查。

图5 拍照模组实物图

3 红外热成像体温检测仪软件设计

采用Keil开发环境来进行软件设计，为了提高系统的开发效率，采用C语言进行程序代码的编写。上电后，初始化单片进SCT8A的定时器、中断、I/O端口等的状态；超声波传感器检测门限范围内(<50cm)物体，读取温度检测模块采集到的人体体温值；通过LCD显示检测到的人体体温值。

4 体温检测仪及实验数据

基于单片机的红外热成像体温检测仪实物图如图6所示。

图6 红外热成像体温检测仪实物图

以精度为0.1℃的水银温度计检测到的人体腋下温度作为标准温度。本文设计的基于单片机的红外热成像体温检测仪测得的数据值，作为测温数据。相同条件下，检测结果及误差如表2所示。可以看出，与标准温度相比，红外热成像非接触式体温检测仪在对同一辐射源进行测量时，最大温度误差没有超过0.3℃，满足人体体温检测的需求。

表2 体温检测仪测量结果及误差

5 结 论

整个系统是基于红外热成像传感器的非接触式测量被检测人员的体温，采用STC8A8K64S4A12单片机和C语言编程，提供了实时人体体温显示、声光提示、超温图像采集、存储和WIFI访问功能。通过软件算法设计，优化了人体温度区间(35～42℃)内的温度采集数据，提高了测量精度，达到体温检测要求的0.3℃精度[10-12]。该体温检测仪，具备24小时实时人体体温检测能力，不仅大大提高了工作人员在体温检测过程中的安全保障，还可以降低人群出现交叉感染的风险。同时，当检测到异常体温人员时，可通过图片信息准备识别出该人员，便于管理人员精准跟踪及后续应急处置。