原標題：非接觸式紅外測溫額溫槍設計方案

非接觸式紅外測溫額溫槍設計方案

一、設計背景與需求分析

非接觸式紅外測溫額溫槍是一種利用紅外熱成像技術進行體溫測量的設備，廣泛應用于公共場所的體溫篩查、醫院的病人監測以及家用體溫測量。與傳統的水銀溫度計和耳溫槍相比，紅外測溫儀具有非接觸、快速、精準、衛生等優點，尤其在新冠疫情期間，得到了廣泛的應用。

紅外測溫儀工作原理基于物體的熱輻射原理，每個物體都會發出與其溫度相關的紅外輻射，測溫儀通過紅外傳感器接收這些輻射，并根據輻射強度計算出物體的表面溫度。

二、設計目標

設計一款非接觸式紅外測溫儀，具有以下主要功能和特點：

1. 精準測溫：測溫精度要求在±0.2℃以內，確保體溫數據的可靠性。

2. 快速響應：儀器啟動后，能夠在1秒內完成測溫并顯示結果。

3. 非接觸測量：確保用戶在測量過程中與設備不接觸，保證衛生和安全。

4. 溫度顯示：顯示屏清晰顯示溫度數據，并具有單位切換（℃/℉）功能。

5. 低功耗設計：保證長時間待機，適合長期使用。

6. 誤差修正功能：考慮到環境溫度等因素對測量結果的影響，設計誤差修正算法，提高測量準確度。

三、系統組成與工作原理

非接觸式紅外測溫額溫槍系統主要由以下幾個部分組成：

1. 紅外傳感器：用于接收被測物體發出的紅外輻射信號。

2. 主控芯片：對接收到的信號進行處理、計算并控制顯示屏和其他外設。

3. 顯示屏：用于顯示測量結果，通常為LCD或OLED屏幕。

4. 按鍵模塊：用于啟動測溫、切換單位、調整設置等。

5. 電源模塊：為整個系統提供穩定的電源，通常采用電池供電。

6. 溫度補償與校準電路：補償環境溫度變化對測量結果的影響，并進行誤差修正。

四、主控芯片的選擇與作用

主控芯片是整個紅外測溫儀系統的核心，承擔信號處理、數據計算、控制操作等任務。在選擇主控芯片時，考慮到紅外傳感器的信號處理、數據運算的復雜性以及系統功耗的要求，通常選擇具備以下特點的芯片：

• 高性能：能夠快速處理傳感器數據，進行溫度計算。

• 低功耗：確保長時間待機使用。

• 豐富的接口：能夠與紅外傳感器、顯示屏、按鍵等外設進行通信。

• 適合嵌入式開發：具備實時操作系統支持和豐富的軟件開發工具。

根據這些要求，以下是幾款常見的主控芯片型號：

1. STM32F103系列

STM32F103系列是STMicroelectronics推出的基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器。其具有較強的計算能力和較低的功耗，廣泛應用于嵌入式系統中。

• 型號：STM32F103C8T6

• 主頻：72 MHz

• 內存：64KB Flash，20KB SRAM

• 特點：

• 集成多種通信接口（SPI、I2C、UART等），方便與紅外傳感器、顯示屏、按鍵等模塊連接。

• 高達12位的ADC，適合精準的模擬信號采集。

• 低功耗模式，適合長期待機使用。

在紅外測溫儀中，STM32F103可用來處理從紅外傳感器獲得的數據，進行溫度計算，并通過SPI接口與LCD顯示屏進行通信。

2. PIC32系列

PIC32系列是Microchip公司推出的一款基于MIPS架構的32位微控制器，具有較強的處理能力和豐富的外設接口。

• 型號：PIC32MX250F128B

• 主頻：40 MHz

• 內存：128KB Flash，32KB SRAM

• 特點：

• 支持高精度的模擬輸入，適合溫度信號的處理。

• 豐富的外設支持，包括SPI、I2C、PWM等。

• 優異的低功耗特性，適合便攜式設備。

PIC32系列在紅外測溫儀中，可以進行溫度信號處理、溫度轉換算法的計算，并控制系統的各個模塊。

3. MSP430系列

MSP430系列是德州儀器（TI）推出的超低功耗16位微控制器，適合對功耗有極高要求的應用場合。

• 型號：MSP430G2553

• 主頻：16 MHz

• 內存：16KB Flash，512B SRAM

• 特點：

• 超低功耗，適合電池供電設備。

• 集成多種低功耗模式，延長電池使用時間。

• 提供高精度ADC，用于紅外傳感器數據的采集。

MSP430在紅外測溫儀中的應用，主要用于低功耗數據處理和控制，確保設備在長時間待機的情況下依然可以正常工作。

4. ESP32系列

ESP32是Espressif公司推出的一款集成Wi-Fi和藍牙功能的雙核32位微控制器，除了常規的控制功能，還可以實現無線數據傳輸。

• 型號：ESP32-WROOM-32

• 主頻：240 MHz

• 內存：4MB Flash，520KB SRAM

• 特點：

• 高性能雙核處理器，能夠快速處理大量數據。

• 支持Wi-Fi和藍牙，可以實現遠程數據傳輸和云端存儲。

• 強大的計算能力，可以支持復雜的溫度計算和補償算法。

在紅外測溫儀中，ESP32不僅可以進行溫度計算和顯示控制，還能支持遠程數據上傳和控制。

五、紅外傳感器的選擇與作用

紅外傳感器是紅外測溫儀的核心組件之一，其主要作用是接收被測物體發出的紅外輻射并轉換為電信號。常用的紅外傳感器有以下幾種：

1. MLX90614：這是常用的非接觸式紅外溫度傳感器，具有高精度和較寬的測溫范圍。該傳感器通過I2C接口與主控芯片連接，能夠提供16位的溫度數據。

2. D6T-1A-01：這是一款陣列型紅外傳感器，可以用于更高精度和多點溫度測量，適合在更復雜的應用場景下使用。

六、溫度計算與誤差補償

紅外傳感器接收到的信號是一個與溫度成正比的電壓信號。主控芯片需要根據傳感器的校準參數，將電壓信號轉換為實際的溫度值。常見的計算公式為：

$$T = (V_{out} - V_{offset}) imes K$$T=(Vout?Voffset)×K

其中，$T$T是溫度，$V_{out}$Vout是傳感器輸出的電壓，$V_{offset}$Voffset是偏置電壓，$K$K是校準常數。

此外，環境溫度的變化也會影響測量的準確性，因此需要設計溫度補償算法，根據當前環境溫度對測量結果進行修正。

七、顯示與用戶交互

為了確保用戶能夠方便地讀取測量結果，紅外測溫儀需要配備一個顯示屏（如LCD或OLED屏）。顯示屏通常用來顯示測量的體溫值，并支持單位切換（℃/℉）。

按鍵模塊用于用戶與設備的交互，允許用戶啟動測溫、調整設置或關閉設備。設計時需要確保按鍵操作簡單、快捷。

八、系統測試與優化

在完成設計之后，需要進行系統測試，包括以下幾個方面：

1. 測量精度：驗證溫度測量的準確性，并通過對比標準溫度計進行校準。

2. 響應時間：測試設備啟動到顯示測量結果的時間，確保響應速度達到設計要求。

3. 環境適應性：在不同的環境條件下（如高溫、低溫、濕度變化等）測試設備的穩定性。

系統優化是提高設備性能的重要環節，通過多次測試和調整，可以確保非接觸式紅外測溫儀在各種實際使用場景中穩定運行。常見的優化方法包括：

1. 溫度補償算法優化：通過更精確的環境溫度監測和補償算法，減小外界環境變化對溫度測量的影響。例如，在設計中引入環境溫度傳感器（如DS18B20）來實時測量環境溫度，并根據這個數據對紅外傳感器的測量結果進行動態修正。

2. 功耗優化：低功耗是移動設備和便攜式設備設計中的一個關鍵要求，特別是在電池供電的情況下。可以通過以下方法進行功耗優化：

• 采用低功耗主控芯片（如MSP430、STM32L系列），確保設備在待機狀態下消耗極少的電量。

• 設計時采用休眠模式，當設備沒有操作時可以自動進入低功耗模式。

• 優化紅外傳感器的工作周期，減少傳感器的工作時間，降低功耗。

3. 提高測量速度：為了提高用戶體驗，可以通過調整紅外傳感器的采樣頻率和數據處理算法，確保測溫過程盡量快速。例如，通過優化計算算法減少不必要的計算步驟，或使用硬件加速模塊加速數據處理。

4. 顯示與交互優化：確保顯示界面簡潔、易讀，并通過界面設計提高用戶操作體驗。例如：

• 提供多種溫度顯示模式（如體溫、環境溫度等）。

• 通過顏色變化、聲音提示等方式，增強用戶反饋，讓用戶一目了然地知道是否測量成功。

5. 傳感器信號處理優化：對于紅外傳感器的信號處理，要確保信號在傳輸過程中不丟失或失真。可采取抗干擾設計、優化濾波電路以及加強信號調理等措施，以提高測量的穩定性和準確性。

九、系統集成與硬件設計

硬件設計部分是非接觸式紅外測溫儀的基礎，涉及電源管理、傳感器接口、顯示與按鍵模塊、外殼設計等方面。以下是主要硬件模塊的詳細設計要求：

1. 電源管理：

• 非接觸式紅外測溫儀通常采用電池供電。常見的電池選擇有3.7V鋰電池或AA電池，根據系統的功耗要求，選擇合適的電池。

• 為了延長電池壽命，采用低功耗設計和高效的電源管理芯片（如TPS61088升壓轉換器）是非常重要的。

2. 傳感器接口：

• 紅外傳感器通常通過I2C或SPI接口與主控芯片連接。設計時要確保接口可靠，并考慮到數據傳輸的穩定性。

• 需要合理布線，避免信號干擾或傳輸延遲。考慮到噪聲的影響，適當加入濾波電路以提高測量精度。

3. 顯示與按鍵模塊：

• 顯示模塊通常選擇LCD或OLED屏幕，選擇時需要考慮分辨率、對比度以及低功耗特性。OLED屏具有更高的對比度，能在低功耗下顯示清晰的圖像，因此較為適合。

• 按鍵模塊用于啟動、復位、設置調整等操作，可以選用物理按鍵或觸摸式按鍵。觸摸式按鍵雖然增加了設計難度，但能提供更高的交互體驗。

4. 外殼設計：

• 外殼的設計需要符合人體工程學原理，便于手持，且要確保紅外傳感器的探測窗口不被遮擋。外殼材質一般選擇ABS塑料或聚碳酸酯，既能保證結構強度，又具有較好的抗沖擊性。

• 為了確保設備的散熱性，外殼可以設計為通風孔或散熱鰭片，以避免設備過熱影響測量精度。

十、軟件開發與調試

在硬件設計完成后，軟件開發成為紅外測溫儀性能實現的關鍵部分。以下是軟件開發的主要內容：

1. 傳感器數據采集：

• 根據紅外傳感器的型號，編寫驅動程序以實現與主控芯片的通信。對于I2C接口的傳感器，首先需要初始化I2C通信，讀取傳感器數據，并轉換為實際的溫度值。

• 為了提高數據采集的穩定性，可以通過對采樣數據進行濾波處理，減少噪聲干擾。

2. 溫度計算與補償：

• 設計溫度計算算法，通過采集到的電壓值轉換為溫度值。通常情況下，紅外傳感器會提供一定的校準參數，這些參數可以用于計算實際溫度。

• 環境溫度對測量結果的影響需要進行補償，設計合適的補償算法，可以有效提高測量的準確性。

3. 顯示與用戶交互：

• 在LCD或OLED屏幕上顯示測量結果。根據需要，可以實現多種顯示模式，例如顯示當前體溫、最高體溫、單位切換等。

• 用戶交互設計方面，需要實現按鍵響應、溫度單位切換、狀態顯示等功能。例如，可以通過按鍵切換顯示單位（℃與℉），或通過按鍵調節設備設置。

4. 功耗管理：

• 為了確保設備在電池供電下能夠長時間使用，需要設計合理的功耗管理策略。主控芯片應具備低功耗模式，在無操作時自動進入休眠或待機狀態。

• 通過定時器控制傳感器采樣頻率、屏幕顯示時間等，以進一步降低系統功耗。

5. 系統調試與優化：

• 在開發過程中，需進行多次調試和測試，確保軟件和硬件的協同工作。調試時需要重點關注溫度測量精度、數據傳輸穩定性、響應時間等方面的表現。

• 通過不斷優化算法、改進數據處理流程，提高系統的響應速度和測量精度。

十一、市場前景與應用

隨著人們對健康的重視，紅外測溫儀的應用越來越廣泛。尤其是在公共健康事件中，如新冠疫情的爆發，非接觸式紅外測溫儀成為了重要的體溫監測工具。在這種背景下，紅外測溫儀不僅在醫院、診所、公共場所等地方得到廣泛應用，也逐漸進入家庭、學校等場景。

此外，隨著技術的不斷發展，紅外測溫儀的功能也在不斷擴展，例如：

• 智能化發展：通過集成Wi-Fi或藍牙模塊，測溫儀可以將數據上傳到云端，進行遠程監控和數據分析。

• 集成化發展：未來的紅外測溫儀可能會與其他健康監測設備（如血壓計、心率監測儀等）集成，成為一個全面的健康監測工具。

十二、總結

非接觸式紅外測溫額溫槍的設計方案涉及多個方面，包括硬件設計、軟件開發、傳感器選擇、主控芯片選型以及系統優化等。通過合理的設計和優化，可以實現一個高精度、低功耗、快速響應的紅外測溫儀，滿足日常健康監測和公共安全需求。隨著技術的進步，未來的紅外測溫儀將不僅限于體溫測量，還將擴展到更多健康監測和智能化應用。