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關鍵字：云(yun)南變(bian)頻器維(wei)(wei)修、昆(kun)(kun)明變(bian)頻器維(wei)(wei)修、云(yun)南昆(kun)(kun)明數控系統、高頻電(dian)源維(wei)(wei)修
摘要 ：隨著近幾年新冠疫情的不斷肆虐，因此，人體體溫測量成為了人民
十分關心的一個話(hua)題，而對人體體溫進行實時監測成為了一個急需解決的問(wen)題。
本文提出了一種無線紅外體溫計，該系統通過 STM32 單片機(ji)作為控制核心，利(li)
用 MLX90614 紅外測(ce)溫傳感(gan)器對人體體溫進行實時檢測(ce)，并(bing)且將檢測(ce)得到(dao)的(de)結
果在 OLED 顯示器上實時(shi)顯示，為(wei)了提升(sheng)用戶體驗，還在(zai)系(xi)統中增加(jia)了無(wu)線(xian)藍(lan)
牙模塊，通過軟件(jian)直接將數(shu)據發送至上位機。本文主要做了以下工作：簡述(shu)了本
課題的研究背景以及現狀研究。對硬件電(dian)路進行了硬件電(dian)路設計，主要從單(dan)片機
最(zui)小系統、OLED 顯示電(dian)(dian)路、紅外(wai)溫度采樣電(dian)(dian)路及(ji)無線藍牙(ya)模塊等方面(mian)進行了詳
細闡述；第三部分是軟件程序設(she)計，包括主程序流程圖以及各個功能子模塊流程
圖介紹(shao)，最后進行了硬件(jian)測試(shi)，通過(guo)實驗，證明了系統的正確性與可行性。
關鍵詞 ： STM32 ；紅(hong)外測溫(wen) ；無(wu)線(xian)傳輸
本文主要利用 STM32F103C8T6 單(dan)片機作為控制核心，對人體體溫進行實時
監測，利用 MLX90614 紅外測溫傳感器采樣人體中的體溫，然后，利用 HC-05 主
從(cong)一體(ti)藍牙模塊得到(dao)實時(shi)的(de)數字信號(hao)，之后在(zai)顯示器中(zhong)實時(shi)顯示實時(shi)體(ti)溫值，當(dang)
體溫過高時能夠自動報警。再結合 OLED 顯示(shi)器、激光燈、蜂鳴(ming)器等輔助功能，
以提供更(geng)好(hao)的人機交互服務。該無(wu)線紅外測溫系統具有簡易、可靠、精度較高(gao)、
功(gong)能多、成(cheng)本較低等優點(dian)。
1 研(yan)究綜述
當(dang)前溫度傳(chuan)感(gan)器根據工(gong)作原理的不同(tong)主要劃分為以下幾(ji)種：
（1）熱(re)電偶傳感器(qi)。此種傳感器(qi)的(de)應(ying)用較為廣泛，尤其是在(zai)工業生產(chan)中。
熱電偶傳感器在(zai)各種復雜的(de)工作(zuo)條件下均具有(you)出色的(de)可靠性，測試溫(wen)度的(de)覆(fu)蓋范
圍廣(guang)，數據信號的傳(chuan)輸距(ju)離較長，操(cao)作(zuo)方(fang)法簡單。熱(re)偶傳(chuan)感器能(neng)夠通過內部結構
將溫度信息轉化為電壓信號(hao)，因此便于數據的(de)記錄(lu)和顯示。
（
2）模擬(ni)集(ji)成傳感器。這種傳感器的關鍵應用是(shi)一種半導體(ti)(ti)器件硅(gui)，它是(shi)
根據集成處理(li)技術制造的。這種傳感器的應用(yong)范圍有限，但是(shi)傳感器具(ju)有很高的
測量精度，可以進行遠距離傳輸。集成傳感(gan)器的(de)仿真和(he)仿真相對于(yu)其他(ta)類型的(de)傳
感(gan)器來說體(ti)積小，耗(hao)能低，主要(yao)用于長距離測量(liang)的工況。
（
3）光纖(xian)傳感(gan)器。這種類型(xing)的傳感(gan)器可(ke)以將準(zhun)確測(ce)量的數據信息更(geng)改為關
閉以進行傳輸的光(guang)(guang)信(xin)號燈。光(guang)(guang)纖(xian)線(xian)(xian)傳感(gan)器的信(xin)號分析原理是根據光(guang)(guang)纖(xian)線(xian)(xian)將來(lai)自光(guang)(guang)源的光發送到解調(diao)器，以便要測(ce)量的主要參(can)數(shu)和進入部署區(qu)域的光有效，并且光
線的電子光學(xue)特(te)性將發生變化。此時，修改后的光稱(cheng)為數據信號光。當傳(chuan)感器執
行(xing)精確的測量(liang)時，根據解(jie)(jie)調器的解(jie)(jie)決方案，光被導入，然(ran)后被傳(chuan)輸出(chu)去。在整個
過程(cheng)中(zhong)，光折射的傳輸(shu)特性主要(yao)用于收(shou)集和傳輸(shu)溫度數據信號(hao)。
（
4）半導(dao)體材料(liao)吸(xi)收式熱泵單元光纖線溫度傳感(gan)器(qi)。這種類型的(de)傳感(gan)器(qi)使(shi)
用吸(xi)收和吸(xi)收半導體材料的基本原理進(jin)行溫度(du)檢查(cha)。該傳(chuan)感器是(shi)溫度(du)傳(chuan)感器，可
以在高壓(ya)和(he)強干擾(rao)信(xin)號的(de)自(zi)然環(huan)境(jing)中使(shi)用。該系(xi)統軟(ruan)件介紹了用于參考光源和(he)光
纖通信系統的光電設備(bei)和組件。
2 紅外測溫系統設計
2.1 系統性能目標
系統(tong)設計的被測目標主要是人(ren)體、日常物(wu)品、一般生產設備等，-30℃～
350℃的溫度范圍可以覆蓋大部分被測目標，溫度分辨率要達到 0.02℃，實現低
功耗運行，采用 3.3V 電源。
2.2 系統整(zheng)體設計
2.2.1 系統方(fang)案設計、比較與論證
為了方便實現本設計要求的體溫采樣，設計采用以下兩種方案：
方案 1PT100 電阻檢測法，該方法首先利用 Pt100 感應溫度，然后使用 AD
轉換器，將(jiang)模擬信(xin)號(hao)轉換為數字信(xin)號(hao)，之后(hou)，使之能(neng)夠(gou)在顯(xian)示(shi)屏上進行顯(xian)示(shi)，使
用這種方法可以對測量的體溫信號進行顯示。
方案 2 是采用紅外測溫(wen)元件作為(wei)感溫(wen)元件。MLX90614ESF-DCI 是專用的溫
度傳感器。MLX90614ESF-DCI 投入應用多年，是(shi)工業(ye)現(xian)場最常見的紅外溫(wen)度傳
感(gan)器，其(qi)具有測量精(jing)度(du)高(gao)、測量分(fen)辨率高(gao)的特點。MLX90614ESF-DCI 的溫度測
量范圍較寬(kuan)為-40℃～ 125 ℃，測量誤差在 0.02℃。
方案 2 中使用 MLX90614ESF-DCI 傳感器芯片的(de)測(ce)溫方案(an)，其主要特點是準(zhun)
確度(du)高(gao)、靈敏性好(hao)、測(ce)量速(su)率快、頻(pin)率特性好(hao)、輸入阻(zu)抗(kang)高(gao)、輸出(chu)阻(zu)抗(kang)低、電源(yuan)
范(fan)圍(wei)寬且(qie)功耗低，但(dan)是成本較(jiao)高，而(er)方案一相(xiang)對簡便，且(qie)容易實(shi)現(xian)，其精(jing)度也能
夠滿足略有不足，綜合考慮，本設計決定使用方案 2 進行體(ti)溫采樣。
硬件設計部分如下圖 1 所示，對系(xi)統的硬(ying)件基本結(jie)構進行(xing)了描述，主(zhu)要對硬(ying)
件(jian)電路中的重要電路，如單(dan)片機(ji)最小系統(tong)、按鍵電路、無線(xian)紅外檢測(ce)電路、OLED
液晶顯(xian)示(shi)屏(ping)，藍牙電路以及蜂鳴報(bao)警電路等，從設計思(si)路以及硬件(jian)組成(cheng)上進行了
介紹。其中藍牙電路由 HC-05 模塊為核心構成，單片機則使用的是 STM32 單(dan)片
機，在 PC 端編制對(dui)應程序進行藍牙數據接收(shou)。STM32 單(dan)片機
聲(sheng)光報警電路
OLED 液(ye)晶(jing)顯示
藍牙電路(lu)
鍵(jian)盤輸入電路(lu)
無線紅(hong)外測(ce)溫電路
圖 2-1 系統硬件結構框(kuang)圖
2.3 各子模(mo)塊介紹(shao)
2.3.1 控制模(mo)塊
意(yi)大利意(yi)法半(ban)導體公司為了順應工業控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)現場對(dui)于(yu)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)核心(xin)的性能需求，推(tui)
出了 STM32F103C8T6 單(dan)(dan)片機，該型號單(dan)(dan)片機分為了基本型以及增強型兩(liang)種(zhong)，其
中基本型就能夠滿足工業現場大多數的簡單應用，例如 STM32F103C8T6 其內部
擁有 32K-128K 的 8 位片內 flash，其運行時鐘最高可達可高達 36 兆(zhao)赫茲，內置
6K 大小的 SRAM 以及 3 個 16 位定時器，除此之外，其 IO 引腳達到 37 個，能
夠滿足一些較大的(de)設計需求，其(qi)造(zao)價較低，憑借物美(mei)價廉的(de)優勢，占領了許多市(shi)
場份額，在(zai)工業(ye)控(kong)制(zhi)中，成為當之無愧的第一控(kong)制(zhi)器。STM32F103C8T6 單(dan)片機
的基本參數如下表 2-4 所(suo)示[14]：
表 2-4 STM32F103C8T6 單片機的基(ji)本參數表
額定(ding)電壓
5V
額定頻率
36MHz
SRAM
6K
IO 引腳
37 個
定時(shi)器(qi)
三個 16 位(wei)定時器
ADC
10 通道 12 位 ADC
2.3.2 紅外測溫(wen)模塊(kuai)
紅外測溫傳感器為比利時 Melexis 公司的 MLX90614ESF-DCI 紅外(wai)測溫
傳感器。典型應用 SMBus 連接電路如下圖 2 所示，引腳如下圖 3 所示：
圖 2 MLX90614 SMBus 連接圖 3 MLX90614 的(de)引(yin)腳定義
得益于 MLX90614 良好性能，體(ti)積小、成(cheng)本(ben)低、易集(ji)成(cheng)等，該傳(chuan)感(gan)器應用
廣泛，如空(kong)調溫(wen)(wen)度(du)感件、擋(dang)風玻璃(li)防霧應(ying)用、工業溫(wen)(wen)度(du)控制、家電溫(wen)(wen)度(du)控制、衛(wei)
生保健、家畜(chu)監控等。
2.3.3 無線傳輸模塊(kuai)
HC-05藍牙模塊是一種短距(ju)離(li)無線傳(chuan)輸通信(xin)。基本通訊(xun)距(ju)離(li)在(zai)10米左右。支
持一對多的數據(ju)傳輸和(he)語(yu)音通信。大(da)多數藍牙無線設(she)備不需要將(jiang)發射器設(she)置為使
用 2.4G 頻率(lv)。這意味(wei)著不易引起跳(tiao)頻、諧波、竊聽，并且(qie)具有(you)雙向傳輸、抗干
擾能力強、功耗低等特點。 缺點是傳輸的數據量小，每秒只有 1M 左右。
本系統中(zhong)，一(yi)塊作為發送模塊使(shi)用與單片機串口(kou)連接(jie)，通過對應程序(xu)控制數
據發送 ；另一塊作為接收模塊與計算機 USB 接(jie)口(kou)連接(jie)，由(you)對應(ying)上位機接(jie)收數(shu)
據，從而實現數據無線傳(chuan)輸。
2.3.4 人(ren)機交互模塊
本設計中的人機交互模塊，主要有 OLED 顯示(shi)(shi)屏，激光指(zhi)示(shi)(shi)燈，蜂鳴報警
裝置(zhi)以及鍵(jian)盤輸入(ru)電(dian)路組成(cheng)，系(xi)統中的測溫值、發射率等參數可以實時顯示在(zai)屏
幕上，而激光指示燈主要用(yong)于瞄準；當(dang)溫度超標、工作狀態(tai)異常時，蜂鳴器報(bao)警；
而鍵盤輸入電路則用于(yu)實(shi)現上下溫標調整(zheng)，發射率選取，鏡頭縮(suo)放(fang)等工作(zuo)。
2.4 系統程序設(she)計
整(zheng)個系統以主程序為基(ji)礎，另外附加多個中(zhong)斷響(xiang)應(ying)子(zi)程序，分別(bie)是紅(hong)外測(ce)溫
子程(cheng)序、藍牙傳(chuan)輸子程(cheng)序、按鍵處理子程(cheng)序。其(qi)中主(zhu)程(cheng)序主(zhu)要(yao)分為以下基(ji)本結構，
即：系統的初始化，按(an)(an)(an)鍵(jian)掃描(miao)，檢查是(shi)否有按(an)(an)(an)鍵(jian)按(an)(an)(an)下，若有按(an)(an)(an)鍵(jian)按(an)(an)(an)下則進行按(an)(an)(an)鍵(jian)
事件處理(li)，否(fou)則，以此進行循環，直至有按鍵按下為(wei)止。按鍵按下后(hou)，最后(hou)將
OLED 顯示屏上的結(jie)果進(jin)行更新(xin)，實時輸(shu)出此時的人體溫(wen)度(du)；
對于(yu)按(an)鍵處理子程(cheng)序而言，首先需要對該子程(cheng)序進行初始化，之后判斷(duan)用戶(hu)
按下(xia)的(de)功能，接著再(zai)跳(tiao)轉(zhuan)對應(ying)子(zi)程(cheng)序。
其中需要先對 P0.0 引腳（接于 MLX90614ESF-DCI 溫度傳感器的 DQ 引(yin)腳）
置零，并且在延時 480us-960us 后，再將其置 1，15~60us 后 接收 60-240us 的存在脈沖，這時將 DQ 值保存，若其等于 0 則認(ren)為初始化成(cheng)功，否(fou)則初始化失(shi)敗，
重新進行初始化。初始化完成后，開始發送起始位，然后對 MLX90614ESF-DCI
的數據位進行讀取，分別對低 8 位與高 8 位(wei)進行讀取，之后，對校驗位(wei)進行檢(jian)測，
最后(hou)發送停(ting)止位，當(dang)數(shu)據(ju)正確時(shi)，返回(hui)，否(fou)則重(zhong)新讀(du)取。
藍牙的發送子(zi)程序也較為簡單(dan)，首先進行初始化，然后判斷其是否成功，在
通道空(kong)閑的(de)情況下(xia)，進行數據發送。
3 紅外測(ce)溫系統(tong)測(ce)試
3.1 系統溫度測(ce)量(liang)測(ce)試(shi)
通過紅外測溫系統與 DS18B20 典(dian)型的溫度(du)(du)傳感(gan)器以及水銀溫度(du)(du)計進(jin)行人體
測溫，結果對比(bi)，從(cong)而獲(huo)取該測溫系(xi)統的(de)相關性能(neng)指標，證明其試驗的(de)可靠性。
在進(jin)行(xing)溫度測量的過程(cheng)中，首(shou)先需要。將與體溫無關的一些(xie)變量進(jin)行(xing)剔除，以免
干擾試驗結(jie)果(guo)。這里(li)需要(yao)注意(yi)的(de)是，溫傳(chuan)感器在測試過程中要(yao)靠近人體表面，并(bing)
且接近紅外傳感器，二者所處環境應盡可能接近測量結果如表 1、2、3 所示。
表 1 紅外測溫與 DS18B20 溫度傳感器對水溫進(jin)行(xing)測量(liang)的(de)結果
水溫測量
1
2
3
4
5
6
7
8
平(ping)均
DS18B20 49.38 49.38
49.35
49.13
49.06
49
48.81
48.75
49.12
紅外測溫 49.45 49.47
49.35
49.13
49.06
49
48.81
48.75
49.12
表 2 紅外測溫與 DS18B20 溫(wen)度傳感器(qi)對水溫(wen)進行測(ce)量的結果(guo)
手(shou)肘測溫
1
2
3
4
5
6
7
8
平均
水銀測溫 36.3
36.4
36.5
36.3
36.3
36.2
36.4
36.3
36.34
紅外測溫 36.21 36.45
36.59
36.27
36.04
36.25
36.48
36.17
36.35
表 3 紅外(wai)測溫對額(e)頭(tou)與手面進行測量(liang)的結果
紅外測溫(wen)
1
2
3
4
5
6
7
8
平均
額頭測溫 35.36 35.33
35.44
35.46
35.35
35.38
35.39
35.38
35.39
手面測溫 34.27 34.34
34.27
34.34
34.32
34.37
34.42
34.38
34.34
對(dui)比表一與表二的測量結果(guo)可以看出(chu)，紅(hong)外測溫結果(guo)對(dui)比的平均值約為(wei)
0.01℃，可(ke)見(jian)紅(hong)外測溫(wen)系統的精度相對(dui)較高，測量數據也較為可(ke)靠(kao)。對(dui)比表(biao)二表(biao)
三可以發現人體不同部位(wei)的(de)(de)表面溫度有(you)所不同，通常額頭(tou)的(de)(de)溫度與手(shou)面相比要更
高一(yi)些，尤(you)其對(dui)皮膚表面(mian)溫度(du)的測量(liang)(liang)結(jie)果，對(dui)手軸或腋下溫度(du)測量(liang)(liang)結(jie)果對(dui)比較低，
所以在人員流動過(guo)程(cheng)時對額頭進(jin)行測溫，相較于手面測溫, 更(geng)具代表性。同時在測
量時(shi)可以發現，本系(xi)統的響(xiang)應速(su)度(du)相對(dui)較快，因此在測溫速(su)度(du)上也(ye)有一定的實用
優勢(shi)。
3.2 無線數(shu)據傳輸測(ce)試
通過(guo)不斷(duan)的(de)對手面(mian)溫度進行測量，并且將采集到的(de)數據，通過(guo)藍(lan)牙發送至(zhi)上(shang)
位機，從而可以得到無線傳輸后的結果，顯示在上位機上，如下圖 4 所示(shi)。圖4 上位機接收藍牙數(shu)據結果(guo)
從上位機(ji)接受(shou)的(de)藍(lan)牙數據可以看出(chu)。整(zheng)個以藍(lan)牙為核心的(de)數據收(shou)發(fa)系(xi)統運(yun)行
穩定，測試結果較為(wei)準(zhun)確，能夠(gou)滿(man)足此前提出的(de)系統設計要求(qiu)，同時從繪(hui)制的(de)數
據結果可以看出。手面溫度在 34.5℃左右波動。其最大波動范圍 0.2℃與紅外(wai)測
溫(wen)模塊的設計誤差符合，因此可見測量結果(guo)較(jiao)為精準。
4 結語
伴隨(sui)著半導體技(ji)術(shu)的不斷發展，傳感器技(ji)術(shu)近些年來也隨(sui)之(zhi)不斷迭代(dai)。除了
傳(chuan)(chuan)統(tong)的溫度(du)、濕度(du)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)，如今(jin)溫度(du)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)精度(du)也(ye)是愈發精確，總而言(yan)之，傳(chuan)(chuan)感(gan)
器就是將(jiang)物理量通過(guo)傳感器轉換為數字(zi)量，并將(jiang)該(gai)數字(zi)量通過(guo)統一格式輸(shu)送至微
控制器，從而實現(xian)數字世界與物(wu)理世界的(de)聯系。本文在此基(ji)礎上提出了基(ji)于
STM32F103C8T6 單片機(ji)的人體體溫計。在課(ke)題設計過程中，涉(she)及(ji)本科期(qi)間(jian)學習
的(de)單(dan)片機技(ji)術、自動控制原理、C 語言(yan)設計(ji)、信號(hao)與接口(kou)技術等多(duo)門學(xue)科，能夠
提升(sheng)自己的項目經驗，實現(xian)多門學科知識的融會(hui)貫(guan)通，具有一定(ding)的實際(ji)意義與理
論(lun)意義。
參考(kao)文獻
[1]李金成,劉楠(nan).基于 STM32 的(de)人體(ti)紅(hong)外測溫及火災預(yu)警系統(tong)的(de)設(she)計(ji)[J].工業(ye)
控制(zhi)計(ji)算機,2021,34(09):134-136.
[2]李敏.無線紅外測溫(wen)系統的設計(ji)[J].電子測(ce)試(shi),2020(19):27-28+13.
[3]吳海兄,丁哲文,陳偉(wei)明(ming),杜沄舒,吳倩,蔣一凡,王標.基于 STM32 的(de)無(wu)線紅外
測(ce)溫(wen)系統設計(ji)[J].電子測試,2020(19):18-20+9.
[4]汪(wang)麗燕,阮志煌,蔡東平(ping).無線數(shu)據傳輸的(de)紅外測溫報警系統設計(ji)[J].自動化(hua)
應用,2016(12):97+103
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