基于单片机的智能体温检测系统设计

基于单片机的智能体温检测系统设计

薛莹   ,黄跃娟

哈尔滨华德学院    150025

摘要：由于新冠疫情的爆发给大众的生活带来了巨大变化，为了满足疫情条件下对温度快速测量的需求，采用无接触式测温既有效规避病毒传染风险，又可以第一时间检测疑似病例。在此基础上添加口罩识别功能极大减轻了工作人员人工识别的负担，为防疫工作提供保障。目前市场现有系统存在价格高以及不易携带的问题，并且目前市场应用的大部分装置都是单独的口罩识别或是无接触测温系统。与之相比该系统将两种功能结合在同一系统中，具有体积小、便携、易操作等优点，为操作人员提供了极大便利。此装置适用于学校、工厂、商场等人流密集场所，可以为进出人员提供检测服务。人机交互式装置在疫情防控中发挥重要作用，节省人力物力，并且其效率远高于人工检测。

关键词：单片机；智能体温；检测系统；设计

引言

患新冠肺炎的主要症状是发热，因此体温检测是疫情防控的第一道防线。以当今人流密集场所疫情防控情况为背景，设计并实现了一款基于ＳＴＭ３２单片机的非接触式体温测量与身份识别系统。该系统利用ＯＰＥＮＭＶ对目标人脸进行快速检测，精准识别目标身份信息和口罩佩戴情况，利用ＭＬＸ９０６１４准确测量目标体表温度，实时将测量信息通过显示屏直观地展示并通过蓝牙发送到手机Ａｐｐ上，实现系统逻辑结构的完整性与任务完成的效率最优解。

1系统的组成及其工作原理

1.1系统的组成

以单片机作为系统控制基础，利用传感器测量温度，通过通信和控制技术，形成温度测量控制系统。具体可分为基于MLX90614红外测温传感器的温度检测模块、LCD12864液晶屏显示模块、4X4矩阵键盘模块、电源模块、复位模块、晶振模块、报警模块、继电器控制模块和震动传感器模块。

1.2系统工作原理

该系统基于STC12C5A60S2单片机进行设计，包括电源电路、复位电路、晶振电路、红外测温传感器、震动传感器、LCD显示电路、蜂鸣器报警电路、键盘输入电路和继电器控制电路，通过MLX90614红外温度传感器实现温度数据的处理。在重新处理检测到的温度数据后，将其显示在LCD12864上。当检测温度异常时，报警单元发送报警信号，电磁锁不开锁。MLX90614是一款红外非接触温度计。TO-39金属封装集成了红外导电热力探测器芯片和用于信号处理的集成芯片、支持高精度和高分辨率温度计的低噪音放大器、17位模拟数字转换器和强大的数字信号处理单元。MLX90614集成了热电核心开发生产的两个芯片：MLX81101红外热电反应堆传感器和MLX90302，这是一种专用于处理红外传感器输出信号的特殊集成信号处理芯片。该芯片采用行业标准的TO-39外壳进行封装。MLX90614由低噪音放大器、17位模拟数字转换器和强大的MLX90302数字信号处理芯片集合而成，可实现高精度和高分辨率的温度测量。

2总体设计方案

为了实现非接触式体温测量、身份识别与口罩检测功能，以单片机为核心，结合超声波测距模块、ＭＬＸ９０６１４红外测温模块、ＯＰＥＮＭＶ４ｐｌｕｓ摄像头模块、按键控制模块、蓝牙数据传输模块、摄像头显示模块以及数据结果监测模块等，其中单片机采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６芯片，该芯片采用基ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核，总线宽度为３２位，处理速度为７２ＭＨｚ，ＩＯ口为３７位，程序储存器的容量为６４ＫＢ，充分满足了系统对于处理器的高效运算能力和外部接口丰富的设计需求。超声波测距模块用作系统的距离补偿算法，采集距离信息。超声波测距方式相较于红外测距具有更强的抗干扰性，适用场合更加广泛，因此选用超声波测距模块用于目标距离感知。ＭＬＸ９０６１４红外测温模块相较于普通红外测温模块，具有体积小、精度高，成本低等优点。

在结构上系统设计分为两面，正面从左到右依次放置超声波测距模块、ＭＬＸ９０６１４红外测温模块以及ＯＰＥＮＭＶ４ｐｌｕｓ摄像头模块。背面可分为两部分：上半部从左到右放置ＯＰＥＮＭＶ４ｐｌｕｓ摄像头的显示屏以及报警电路、主控电路和数据结果监测屏，下半部放置电源输入接口及按键电路。放置原理为：（1）为了有效减少接收超声波信号时被障碍阻挡和红外测温传感器由于测量角度偏差所带来的粗大误差所产生的干扰，做到信息采集最优解，故将超声波测距放置于正面最左端，红外传感器放置于正面中心位置。（2）为了便于使用者观察系统的输出结果，故将屏幕放置于背面。（3）为了有效节省电路板的面积，做到布局最优解，故只保留主控芯片、报警灯、复位按键和按键控制电路，将其他电路隐藏于面积最大的两块屏幕下方。系统正常运行时，ＯＰＥＮＭＶ４ｐｌｕｓ摄像头实时采集目标人脸信息，通过提前训练神经网络模型判断目标是否佩戴好口罩，并依据提取到特征值与图片库中的人脸特征进行比对从而输出一个差异度较小的人脸图片，实现口罩识别及人脸识别功能。ＭＬＸ９０６１４红外测温实时测量目标体表温度，辅以超声波测距模块实时测量目标距离，通过距离补偿算法，精准地得到目标体表温度，从而实现非接触式测温功能。

3系统硬件结构

系统硬件结构主要包括四部分：主控模块、口罩识别模块、红外温度传感器模块、用户按键选择模块。

3.1主控模块

主控模块采用32位STM32F103微控制器，此控制器具有计算速度快、功耗低、丰富的库资源、便于开发、功能强大等特点。控制器与摄像头模块、测温模块以及按键模块建立联系，通过操作按键控制摄像头以及测温模块。其中含有模数转换器，可以将采集到温度的模拟信号转换为数字信号，方便用户观察。其中含有串口通信与摄像头建立连接，可以进行数据的收发，将数据在显示屏中显示。

3.2摄像头模块

本系统摄像头采用OpenMV进行口罩识别功能，OpenMV含有SD卡槽，方便存储数据以及数据的提取使用。OpenMV有开源库，功能强大，通过串口协议与主控建立通信，便于用户开发使用，并且具有小巧便携的特点，符合本系统开发使用。

3.3测温模块

测温方式一般分为无接触式和有接触式，本系统采用无接触式GY-906红外温度传感器，根据红外辐射能量来确定温度，通过IIC协议与主控建立通信。具有响应快、分辨率高、稳定性好的特点，在日常生产生活中有着广泛的应用。本系统采用无接触式红外温度传感器不与被测人员接触，而且红外温度测温相比传统测温方式响应更快，测温部位没有局限，更加符合防疫要求。

3.4按键模块

搭载按键外围电路，建立人机交互模式。通过导线将按键与主控处理器建立联系。增加按键，方便用户对功能进行选择操作。

4系统软件设计

系统总体软件设计过程如下：（1）初始化STM32单片机、AMG8833模块和TFT-LCD模块，完成通讯配置，为后续的操作做准备；（2）采用I2C通讯方式与AMG8833红外热成像模块通信，读取采集的8*8温度矩阵；（3）找出温度矩阵中的最大值、最小值和中心点的温度；（4）采用插值计算方法将8*8的温度矩阵扩展为59*59的温度矩阵；（5）将59*59的温度矩阵转换为RGB565格式的图像矩阵，便于生成热像图（6）扫描按键状态，根据中心点温度是否超过设定阈值，选择是否进行声光报警；（7）将温度数值和热像图输出显示至LCD显示屏。

结语

智能式人体红外温度检测技术将会越来越得到关注，是热门的研究话题之一。随着经济的快速发展，人们水平生活的提高以及社会的进步。如果按照以往那样墨守成规采用传统的测温方法，将会大量浪费了人力、物力、财力。而通过非接触式人体红外温度检测应用于门禁的设计，将使得门禁系统的控制变得更加智能化和便捷化。该设计将为社会及社区的安全多提供了一份重要保障。

参考文献

[1]余国卫.基于单片机的非接触式测温系统[J].电脑知识与技术，2017，13（24）：206-207.

[2]刘小飞.红外成像测温系统软件设计[D].武汉：华中科技大学，2017.

[3]匡可涵.红外测温系统设计[J].自动化应用，2021（05）：22-24.

[4]俞联梦.红外测温仪测温系统准确性研究[J].信息技术与信息化，2020（03）：69-71.