一种可用于新冠肺炎防控的红外测温枪

2021-03-30李亮杰郭洪华胡宇轩田成明王晓凤

湖南工程学院学报（自然科学版） 2021年1期

关键词：测温按键蓝牙

胡慧，李亮杰，郭洪华，胡宇轩，田成明，徐谦，王晓凤

（1.湖南工程学院电气与信息工程学院，湘潭411104；2.湖南康验医疗科技有限公司，长沙410011）

0 序言

红外测温仪一般用于检测物体温度，而本文设计的红外测温枪，结合了疫情防控的特点，能对人体的体温进行精确测量.根据正常人体体温的动态平衡范围，如果体温高于37.3℃将视为体温异常，应引起高度重视.

自新冠肺炎暴发以来，至2020年8月初，全球确诊超过1800万人［1］.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［2］.

物体如果温度超过绝对零度，能够产生红外线辐射，波长在0.7～30μm波段.基于该特性，采用非接触红外传感技术，可对人体体温进行准确、快速测量［3］.但新冠肺炎传染性强，在隔离区、病房等场所、区域测量体温，存在安全性不高、统计不便等问题.

采用STM 32单片机，设计实现一种红外测温枪，可将测量结果通过蓝牙发送到手机上的微信小程序中，方便统计与管理.为新冠肺炎、感冒、发烧等疾病的早期筛查、预防治疗提供一种有效的技术手段.

1 红外测温枪测温的原理

根据普朗克定律，黑体的光谱辐射功率E(λ,T)与绝对温度T之间的关系.对于实际物体（灰体），还要考虑到物体的光谱发射率X(λ,T).由于被测温度较低，有效波长选在近红外区0.9μm处，由维恩定律简化，可得：

其中，λ为波长，T为热力学温度，参数K=ln[ Cλ-r5X( λr,T )]，M=C2λr.因此，光电信号（电压）的对数与被测温度T的倒数呈线性关系［4］.

2 硬件设计

硬件原理如图1所示，微控制器采用STM 32单片机.硬件系统包括红外数据采集模块、电源模块、按键模块、存储模块、语音模块等，实现温度检测、语音播报、LCD显示等功能.

图1 硬件原理图

（1）红外测温电路

采用的红外测温模块和具体参数如图2所示.

图2 测温模块和具体参数

STM 32单片机通过串行总线与红外数据采集模块进行通信.通信协议采用IIC协议.IIC（Inter-Integrated Circuit）即集成电路总线，是PHILIPS公司设计出来的一种简单、双向、二线制、同步串行总线.IIC总线是一个多向控制总线，多个器件（从机）可以同时挂载到一个主机控制的一条总线上.每个连接在总线上的设备都是通过唯一的地址和其他器件通信，主机和从机的角色可互换.

IIC总线在物理连接上非常简单，分别由SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）及上拉电阻组成.通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生IIC总线协议所需要的信号进行数据传递.在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平.IIC通信方式为半双工，只有一根SDA线，同一时间只能单向通信.（2）电源稳压电路

电源电路采用两个AMS1117-3V3稳压芯片，将外部输入的6 V电压稳压到3.3 V.配置四个电容对电源滤波使电压稳定，通过两个上拉电阻接入两个LED，作为指示灯，如图3所示.

图3 电源稳压电路

（3）按键控制电路

将STM 32单片机3个GPIO端口连接到3个按键，构成按键电路，如图4所示.3个按键分别是开关、设置和记忆功能，其中开关按键控制系统电路通断，设置按键设置单位和开关声音，记忆按键控制EEPROM数据的存储和显示.

图4 按键控制电路

（4）存储记忆电路

将STM 32的两个引脚与EEPROM的时钟线和数据线相连构成存储电路，如图5所示.电路采用滤波电容稳定芯片电压.通过记忆按键实现数据的存储.

图5 存储记忆电路

（5）无线通信电路

采用低功耗HC-08蓝牙模块.通过调用微信小程序中蓝牙连接模块的API实现与手机的数据传输.

设计的硬件电路PCB图如图6所示.

图6 PCB图

3 系统软件设计

软件包括嵌入式系统C语言程序设计和微信小程序设计.嵌入式系统编译平台为Keil.微信小程序采用腾讯官方的微信开发者工具.

（1）红外测温模块

利用AT指令集向红外测温模块发送开始测量、结束测量等指令.利用switch语句，将接收到的数据进行解析封装，再通过蓝牙发送解析后的数据.将体温数据存储到flash上，通过记忆按键，存储、显示体温历史数据.

（2）按键检测算法

通过Key Read按键检测函数，读取键值.函数中调用HAL_GPIO_ReadPin（）函数接口.利用3个if条件语句，循环检测是否有按键按下，利用key_num变量标记键值.

（3）微信小程序

微信小程序基于JavaScript、HTML两种语言以及CSS样式开发.红外测温枪通过HC-08蓝牙和手机进行匹配，然后建立数据连接.微信小程序接收到数据，对数据进行处理，在软件界面进行显示.同时将数据保存到云数据库，便于异地查询和历史数据查询.该程序采用丰富的AT指令，降低项目开发的难度，有利于研发并投放市场.

（4）云端存储

利用微信小程序的云服务，创建数据库.数据采用键值对的格式存储数据，在处理数据页面，将接收数据时的时间赋值给变量，调用云数据库的存储API，将数据存到创建的数据库中.

4 系统测试

4.1 硬件测试

目前已经完成的样机实物图如图7所示.通过电源按键将测温枪打开.接着，将测温头对准待测部位（建议测量耳温）.按下开始按键，测温枪开始测量，测量结果在LCD屏幕上进行显示.为了得到准确、稳定的测量结果，测量过程要求停留5 s左右.同时可通过HC-08蓝牙模块，将测量得到的温度数据发送到手机端进行显示和云端存储.