基于SPCE061A的遠程自動(dòng)體溫測量?jì)x設計

摘要：基于非接觸式人體體溫測量并且實(shí)現遠程監測目的，設計了一體溫測量?jì)x，采用SPCE061A單片機控制，光電開(kāi)關(guān)檢測人體信號，控制步進(jìn)電機調整溫度傳感器的位置，用紅外測溫傳感器測量目標溫度，在液晶上顯示溫度值。數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊傳至主控機，由主控機顯示溫度值實(shí)時(shí)遠程監測，當測量的溫度值超過(guò)設定溫度值時(shí)聲光報警。該系統可實(shí)現無(wú)接觸式人體體溫測量，具有遠程監測功能，檢測距離可達100m，避免了測量的交叉影響，具有實(shí)際應用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：紅外測溫;無(wú)線(xiàn)傳輸;光電傳感器;步進(jìn)電機

某些傳染病(例如甲流感)危害著(zhù)人類(lèi)的健康，其特征是體溫的異常，然而在公共場(chǎng)所，例如車(chē)站、學(xué)校、賓館以及娛樂(lè )場(chǎng)所等檢測人體體溫并不是一件容易的事，一般采用非接觸式測溫計可以減少交叉感染?，F有的紅外電子體溫計只能實(shí)現近距離現場(chǎng)體溫測量，且功能單一。本設計研制的紅外體溫測量?jì)x通過(guò)測量計算出不同距離情況下紅外接收探頭接收到的熱輻射波的衰減量，能夠較遠距離的實(shí)現較精確的溫度測量，真正的實(shí)現了非接觸測量。當人站立在該裝置前時(shí)，能自動(dòng)調節溫度傳感器探頭對準額頭進(jìn)行測量人體溫度，溫度數據經(jīng)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊可以傳到100米外的主控機并顯示，當溫度過(guò)高時(shí)會(huì )自動(dòng)報警。

1 總體方案框圖

非接觸式遠程自動(dòng)體溫測溫儀總體方案框圖如圖1所示。

2 電路設計

2.1 微控制器電路

凌陽(yáng)公司的SPCE061A單片機，它是16位微處理器，具有體積小、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低(3.3 V電壓)、結構簡(jiǎn)單、中斷處理能力強等特點(diǎn)，內嵌32 k字閃存FLASH，處理速度高，尤其適用于數字語(yǔ)音播報和識別等應用領(lǐng)域。其最小系統電路如圖2所示。

2.2 非接觸式測溫電路設計

紅外探頭是一種有熱電偶由多晶硅與鋁構成的光學(xué)原件，它可以匯聚其視場(chǎng)內的目標紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?，利用人體向外不斷輻射紅外線(xiàn)，無(wú)需接觸人體，向外發(fā)射的紅外線(xiàn)被吸收膜吸收，吸收膜是～種熱容量小、溫度容易上升的薄膜。在緊靠襯板中央的下部為一空洞結構，這種結構的設計確保了冷端和測溫端的溫度差。熱電偶由多晶硅與鋁構成，兩者串聯(lián)連接。當各個(gè)熱電偶測溫端溫度上升時(shí)，熱電偶之間就會(huì )產(chǎn)生熱電動(dòng)勢Vn，因此在輸出端就可以獲得它們的電壓之和。紅外測溫電路如圖3所示，紅外探頭輸出電壓經(jīng)過(guò)OP07放大電路把電壓信號放大，OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路，具有非常低的輸入失調電壓(最大為25μV)和輸入偏置電流(OP07A為±2 nA)以及開(kāi)環(huán)增益高(對于OP07A為300 V/mV)的特點(diǎn)。電阻R5、R10的作用是調節放大倍數，通過(guò)兩級放大將微弱小信號放大到單片機可處理的信號。再由單片機自帶的A/D采樣電路采集電壓信號，把電壓信號轉化成數字信號，得到人體的溫度的數字化電壓信號。

2.3 人體檢測電路設計

通過(guò)光電開(kāi)關(guān)傳感器檢測測試儀前是否有人體，光電開(kāi)關(guān)傳感器(E3F-DS30C4)是通過(guò)把光強度的變化轉化成電信號的變化來(lái)實(shí)現的，它包括發(fā)射電路和接收電路工作電路如圖4，當無(wú)障礙物時(shí)接收電路無(wú)反射光線(xiàn)輸入而輸出電壓為低電壓，當有障礙物時(shí)接收電路有反射光線(xiàn)輸入而輸出高電平。光電開(kāi)關(guān)工作電壓12 V，單片機默認為5 V為高電平，應用LM311比較器實(shí)現12 V的高電壓到5 V的高電壓的轉換，轉換電路如圖5所示。

2.4 電機驅動(dòng)電路設計

L297是步進(jìn)電機控制器，適用于雙極性?xún)上嗖竭M(jìn)電機或單極性四相步進(jìn)電機的控制，可有半步、整步和波狀3種驅動(dòng)模式。片內PWM斬波電路允許開(kāi)關(guān)式控制繞組電流。該器件的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是僅需時(shí)鐘、方向和模式輸入信號。步進(jìn)電機所需相位由電路內部產(chǎn)生，大大減輕了CPU的負擔。

L298N是內含兩個(gè)H橋的高壓大電流雙全橋式驅動(dòng)器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動(dòng)電壓46 V、每相2.5 A及以下的步進(jìn)電機。每個(gè)橋搜具有一個(gè)使能輸入端，再不收輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作，每個(gè)橋的兩個(gè)橋臂低端三極管的發(fā)射極接在一起并引出，用以外接檢測電阻。它設置了一附加電源輸入端是邏輯部分在低電壓下工作。

L298N和L297N相結合控制步進(jìn)電機準確無(wú)誤的檢測到人體的額部進(jìn)行溫度測量，電機驅動(dòng)電路如圖6所示。R18和C2組成的RC震蕩器為L(cháng)297提供時(shí)鐘輸入，SEN1和SEN2管腳和L298的E相連接，正常使用時(shí)E的輸出為高電平同時(shí)使能L297的輸出信號。使用本模組式只需要將L297的片選信號拉低，L297輸入CLK后L297就會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生兩相八拍制的數字信號并輸送給L298以驅動(dòng)步進(jìn)電機，時(shí)鐘的快慢決定步進(jìn)電機轉動(dòng)的速率。

2.5 無(wú)線(xiàn)收發(fā)子系統電路設計

采用Nordic公司生產(chǎn)的nRF2401A芯片。該芯片超低功耗(發(fā)送10.5 mA、-5 dBm;接收18 mA)，nRF2401A支持多點(diǎn)間通信，最高傳輸速率超過(guò)1 Mbit/s，它采用Soc方法設計，需要極少的外圍電路，且沒(méi)有復雜的通信協(xié)議，工作電壓范圍寬(1.9 V到3.6 V)，基于nRF2401A的工作原理，自行設計了無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路，完全可以達到設計的要求。更為重要的是nRF2401A價(jià)格經(jīng)濟，體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統級芯片。

無(wú)線(xiàn)收發(fā)子系統框圖如圖7所示，無(wú)線(xiàn)傳輸電路如圖8所示。無(wú)線(xiàn)收發(fā)子系統以nRF2401A芯片為核心，輔助以穩壓部分、晶振部分、無(wú)線(xiàn)部分電路。電壓VDD經(jīng)電容C1、C2、C3處理后為芯片提供工作電壓，晶振部分包括Y1、C9、C10，當晶振設為16 MHz時(shí)，通信速率為1 Mbps，天線(xiàn)部分包括L1、L2，用來(lái)將nRF2401A芯片的ANT1、ANT2管腳產(chǎn)生的2.4 G電平信號轉換為電磁波信號，或者將電磁波信號轉換為電平信號輸入芯片的ANT1、ANT2管腳。

3 程序設計

程序流程圖如圖9所示。

4 結論

系統以SPCE061A單片機為控制核心，由光電傳感器、紅外測溫傳感器、液晶顯示、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊電路組成，實(shí)現了非接觸式測量人體體溫，并能通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊電路將測得的人體體溫數據傳輸至100 m外的主控電路并顯示出來(lái)，實(shí)現了遠距離溫度監測，可用于遠距離非接觸式人體體溫測量，并可設定溫度限制，當測量的溫度數據超過(guò)限定值時(shí)聲光報警，能起到有效的隔離與接觸傳染，可廣泛用于醫院、學(xué)校等人員集中地場(chǎng)合，具有廣泛的應用價(jià)值。