非接触式远程自动体温测量仪设计

摘要：基于非接触式人体体温测量并且实现远程监测目的，设计了一体温测量仪，采用SPCE061A单片机控制，光电开关检测人体信号，控制步进电机调整温度传感器的位置，用红外测温传感器测量目标温度，在液晶上显示温度值。数据通过无线传输模块传至主控机，由主控机显示温度值实时远程监测，当测量的温度值超过设定温度值时声光报警。该系统可实现无接触式人体体温测量，具有远程监测功能，检测距离可达100m，避免了测量的交叉影响，具有实际应用价值。
关键词：红外测温；无线传输；光电传感器；步进电机

    某些传染病(例如甲流感)危害着人类的健康，其特征是体温的异常，然而在公共场所，例如车站、学校、宾馆以及娱乐场所等检测人体体温并不是一件容易的事，一般采用非接触式测温计可以减少交叉感染。现有的红外电子体温计只能实现近距离现场体温测量，且功能单一。本设计研制的红外体温测量仪通过测量计算出不同距离情况下红外接收探头接收到的热辐射波的衰减量，能够较远距离的实现较精确的温度测量，真正的实现了非接触测量。当人站立在该装置前时，能自动调节温度传感器探头对准额头进行测量人体温度，温度数据经无线传输模块可以传到100米外的主控机并显示，当温度过高时会自动报警。

1 总体方案框图
    非接触式远程自动体温测温仪总体方案框图如图1所示。

2 电路设计
2．1 微控制器电路
    凌阳公司的SPCE061A单片机，它是16位微处理器，具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低(3．3 V电压)、结构简单、中断处理能力强等特点，内嵌32 k字闪存FLASH，处理速度高，尤其适用于数字语音播报和识别等应用领域。其最小系统电路如图2所示。

2．2 非接触式测温电路设计
    红外探头是一种有热电偶由多晶硅与铝构成的光学原件，它可以汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，利用人体向外不断辐射红外线，无需接触人体，向外发射的红外线被吸收膜吸收，吸收膜是～种热容量小、温度容易上升的薄膜。在紧靠衬板中央的下部为一空洞结构，这种结构的设计确保了冷端和测温端的温度差。热电偶由多晶硅与铝构成，两者串联连接。当各个热电偶测温端温度上升时，热电偶之间就会产生热电动势Vn，因此在输出端就可以获得它们的电压之和。红外测温电路如图3所示，红外探头输出电压经过OP07放大电路把电压信号放大，OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，具有非常低的输入失调电压(最大为25μV)和输入偏置电流(OP07A为±2 nA)以及开环增益高(对于OP07A为300 V／mV)的特点。电阻R5、R10的作用是调节放大倍数，通过两级放大将微弱小信号放大到单片机可处理的信号。再由单片机自带的A／D采样电路采集电压信号，把电压信号转化成数字信号，得到人体的温度的数字化电压信号。

2．3 人体检测电路设计
    通过光电开关传感器检测测试仪前是否有人体，光电开关传感器(E3F-DS30C4)是通过把光强度的变化转化成电信号的变化来实现的，它包括发射电路和接收电路工作电路如图4，当无障碍物时接收电路无反射光线输入而输出电压为低电压，当有障碍物时接收电路有反射光线输入而输出高电平。光电开关工作电压12 V，单片机默认为5 V为高电平，应用LM311比较器实现12 V的高电压到5 V的高电压的转换，转换电路如图5所示。

2．4 电机驱动电路设计
    L297是步进电机控制器，适用于双极性两相步进电机或单极性四相步进电机的控制，可有半步、整步和波状3种驱动模式。片内PWM斩波电路允许开关式控制绕组电流。该器件的一个显著特点是仅需时钟、方向和模式输入信号。步进电机所需相位由电路内部产生，大大减轻了CPU的负担。
    L298N是内含两个H桥的高压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动电压46 V、每相2．5 A及以下的步进电机。每个桥搜具有一个使能输入端，再不收输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作，每个桥的两个桥臂低端三极管的发射极接在一起并引出，用以外接检测电阻。它设置了一附加电源输入端是逻辑部分在低电压下工作。
    L298N和L297N相结合控制步进电机准确无误的检测到人体的额部进行温度测量，电机驱动电路如图6所示。R18和C2组成的RC震荡器为L297提供时钟输入，SEN1和SEN2管脚和L298的E相连接，正常使用时E的输出为高电平同时使能L297的输出信号。使用本模组式只需要将L297的片选信号拉低，L297输入CLK后L297就会自动产生两相八拍制的数字信号并输送给L298以驱动步进电机，时钟的快慢决定步进电机转动的速率。

2．5 无线收发子系统电路设计
    采用Nordic公司生产的nRF2401A芯片。该芯片超低功耗(发送10．5 mA、-5 dBm；接收18 mA)，nRF2401A支持多点间通信，最高传输速率超过1 Mbit／s，它采用Soc方法设计，需要极少的外围电路，且没有复杂的通信协议，工作电压范围宽(1．9 V到3．6 V)，基于nRF2401A的工作原理，自行设计了无线收发电路，完全可以达到设计的要求。更为重要的是nRF2401A价格经济，体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。
    无线收发子系统框图如图7所示，无线传输电路如图8所示。无线收发子系统以nRF2401A芯片为核心，辅助以稳压部分、晶振部分、无线部分电路。电压VDD经电容C1、C2、C3处理后为芯片提供工作电压，晶振部分包括Y1、C9、C10，当晶振设为16 MHz时，通信速率为1 Mbps，天线部分包括L1、L2，用来将nRF2401A芯片的ANT1、ANT2管脚产生的2．4 G电平信号转换为电磁波信号，或者将电磁波信号转换为电平信号输入芯片的ANT1、ANT2管脚。

3 程序设计
    程序流程图如图9所示。

4 结论
    系统以SPCE061A单片机为控制核心，由光电传感器、红外测温传感器、液晶显示、无线传输模块电路组成，实现了非接触式测量人体体温，并能通过无线传输模块电路将测得的人体体温数据传输至100 m外的主控电路并显示出来，实现了远距离温度监测，可用于远距离非接触式人体体温测量，并可设定温度限制，当测量的温度数据超过限定值时声光报警，能起到有效的隔离与接触传染，可广泛用于医院、学校等人员集中地场合，具有广泛的应用价值。