基于STM32单片机和MLX90614传感器的红外测温仪设计.pdf

造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 装备及自动化15基于 STM32 单片机和 MLX90614 传感器的红外测温仪设计郭志庭1，陶军全21.四川工业科技学院，四川 德阳 6185992.成都图翎新能源科技有限公司，四川 成都 610000摘要：随着社会生活水平的提高，人们越来越关注自己的身体健康状态，人体温度是检测人体生命健康状态的基本参数，因此人们需求能够准确快速测出体温的仪器。文章提出以 STM32 单片机最小系统作为主控，传感器 MLX90614 作为红外测温模块，并通过 OLED屏幕显示数据的方式来设计红外测温仪。首先进行了硬件设计、软件设计，并通过面包板进行了仿真验证，最终绘制了电路，焊接形成实物。通过测试，此次设计测温热惯性小，非接触式测量，能够补偿温度数值，精度很高且测温迅速、准确，具备温度报警功能；显示信息全，不需要背光，画面明亮清晰。关键词：STM32 单片机；MLX90614 传感器；红外测温仪；OLED 屏幕分类号：TP368.1；TH811维持人体的正常体温，对于预防疾病至关重要。过高或过低的体温都可能对健康造成不良影响，因此人们需要日常做好体温测量。普通的水银温度计不能满足快速测量温度的要求，且使用不方便，因此文章设计了一款以 STM32 作为主控芯片，传感器MLX90614 作为红外测温模块，并通过 OLED 屏幕显示数据的红外测温仪系统1。1 硬件设计1.1 整体方案该系统设计使用 STM32 最小系统作为主控核心，选用的主控芯片型号为 STM32F103C8T6。系统包括MLX90614 红外温度传感器模块、外接电源模块、主控模块、按键电路模块、报警电路模块及 OLED 显示屏模块。MLX90614 红外温度传感器将被测物体或环境红外辐射值由模拟信号转换为数字信号，并传输给STM32 最小系统，经过 STM32 最小系统对红外测温数据进行温度补偿，经 STM32 最小系统运算后，检测到按下对应按键时，传感器检测到的温度数值通过 OLED显示屏直接显示出环境/物体温度读数，如果温度超过设置的阈值就会触发报警2。系统整体设计方案如图 1 所示。图 1 系统整体方案图1.2 STM32 最小系统此次设计中，核心主控使用 STM32F103C8T6 芯片，它具有 32 位的 RISC 内核，其工作频率为 72 MHz，内置有高速存储器，其中具有 64 KB 的闪存和 20 KB 的内存，几十个增强型 I/O 端口能够使多个外设直接连接到两条 APB 时钟线上3。1.3 MLX90614 红外测温模块该系统设计中测温传感器采用 MLX90614 红外温度传感器。该传感器使用系统管理总线（SMbus）通信方式与单片机通信，并且封装类型为 TO-39 封装形式，共有拥有 4 个外接引脚，分别为 SCL 时钟信号线、作者简介：郭志庭，男，硕士，讲师，研究方向为控制工程、机械电子工程；陶军全，男，本科，工程师，研究方向为嵌入式开发。文章编号：2096-3092（2024）01-0015-03 装备及自动化 2024 年 第 1 期 总第 226 期 造纸装备及材料16SDA 数据信号线、VDD 电源线和 VSS 地线4。传感器的 SCL 和 SDA 管脚分别与 STM32 最小系统的 PA7 和PA6 引脚相连接，为了获得更高的管脚驱动能力并且保证信号的准确与稳定，对传感器 SCL 和 SDA 两个管脚都选择了上拉电源5。MLX90614 红外测温模块电路如图 2 所示。图 2 MLX90614 红外测温模块电路图1.4 按键模块该系统使用了 5 个按键控制测温及页面转换，其中 SW1 SW5 分别与 STM32F103 最小系统的 PB5 PB9 引脚相连。五个按键说明如下。（1）SW1（环境温度查看键/加键）：在主界面，直接按下 SW1 时，显示环境温度；在设置选择界面，按下 SW1 光标上移；在温度/时间设置界面时，按下 SW1进行设置的加操作6。（2）SW2（物体温度查看键/减键）：在主界面，直接按下 SW2 时，显示物体温度；在设置选择界面，按下 SW2 光标下移；在温度/时间设置界面时，按下SW2 进行设置的减操作。（3）SW3（选择键/测温启动键）：在主屏幕模式下，按下 SW3 超过 5 s，进入设置选择界面并清除报警和温度记录；在其他界面下，按下 SW3，表示确认键。（4）SW4（左键）：在温度/时间设置界面，直接按下 SW4 时，光标左移。（5）SW5（右键）：在温度/时间设置界面，直接按下 SW5 时，光标右移7。1.5 显示模块此次设计中的显示模块采用 OLED 显示屏，最多可显示 64128 个字符，即共有 64 行，每行最多显示内容为 128 个字符，如数字、标点符号等，显示内容丰富，且直观8。它的五个控制引脚分别是 SCK、SDA、RES、DC、CS。其中，DC 是芯片内部数据寄存器与指令寄存器的控制引脚；CS 是 OLED 显示屏的使能控制引脚，只有下降沿时输入信号有效；RES 是复位控制引脚；SDA 是数据传输引脚；SCL 是时钟信号引脚。该系统 OLED 的 SCK、SDA、RES、DC、CS 控制引脚可与单片机的 PA0 PA5 端口连接9。1.6 报警模块系统设计默认设置 37 作为人体正常体温数值，后续可通过按键进行调整。当检测到的数据超过正常体温数值时，蜂鸣器就会发出持续的报警声，该系统蜂鸣器的控制引脚与 STM32 主控的 PB10 端口连接10。2 软件设计2.1 主程序设计系统通电后，整个程序初始化，首先扫描按键程序，检测功能按键是否被按下，如果没有按键按下则重新进行按键程序的判断，并在显示屏上显示时间，如果相应测温按键被按下，则开始进入测温程序，开始给MLX90614 传感器发送测温指令，即在 OLED 屏幕上显示出温度数值，反之重新进行按键判断。保持循环，并将温度数据在 OLED 屏幕上对应位置显示11。2.2 测温模块设计首先需要对传感器进行初始化处理。然后向传感器发送写命令指令。在完成写命令后，再写入读命令指令，将从传感器中读取的温度数据转换为摄氏温度。最后读取转换后的温度数据12。2.3 按键模块设计在运行过程中，为了更好地反映室准温度区间，并能够进行多页面的切换，设计用按键来操作，选择测试温度。可以切换界面，并设置温度上限值和时间设置13。3 系统测试3.1 仿真测试此次设计利用 Keil5 编译环境在线仿真，调试代码；利用面包板电路验证电路原理图是否合理。面包板测试电路图如图 3 所示。在选择界面，选择温度设置后，OLED 屏幕显示出温度设置界面。在软件调试过程中，为了将软件与硬件相结合，通过仿真电路来验证软件在硬件电路中造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 装备及自动化17的可行性。通过仿真测试，发现在设置时间时，会出现时间无法修改的情况，通过查询发现后备区需要断电才能写入时间，修改程序后成功修改时间。按键方面，在选择选项时，会出现多按的情况，查看程序发现没有设置收送检测，修改程序后，不再出现多按的情况14。3.2 实物测试完成仿真测试后，根据设计好的电路，完成原理图的绘制，再调整好封装元件位置完成 PCB 图的绘制，然后完成电路板设计，形成最终实物，如图 4 所示。是否选择温度/时间设置否否图 4 实物测试图在温度设置界面下，当按下 SW1 时，就使选择图标向上移。当按 SW3 时，就使选择图标向下移。当选择到需要调整的温度，按下 SW5 就可以向右选择需要调整的数值，再按下 SW1 即为加，按下 SW3 即为减。数值确定好后，按下 SW4，就可以向左选择进行温度选择，设置温度阈值15。4 结束语文章以 STM32 单片机为控制核心，MLX90614 作为传感器，完成了红外测温仪的硬件设计、软件设计，并通过面包板电路完成了仿真测试，最终形成了实物，测试效果良好。该系统成本低，测温方便、快捷，能够有效进行非接触式体温测量，有较好的测温效果。参考文献1 朱力琼.基于STM32单片机的数控机床数据采集系统设计J.造纸装备及材料,2023,52(8):16-18,217.2 夏妤.基于树莓派的非接触式红外测温仪的设计D.青岛:青岛科技大学,2022.3 曹鹤阳.高精度红外测温关键技术及实现D.南京:南京理工大学,2021.4 蔡李靖,周凯来,沈桂竹,等.红外热像仪高精度测温标定技术J.红外与激光工程,2021,50(10):202-209.5 任晶秋,钟攀,张琳,等.人体红外测温枪的温度测量补偿研究J.电子测量技术,2021,44(16):62-67.6 张志强,王萍,赵三军,等.目标距离与角度对红外热成像仪测温精度影响分析J.天津大学学报(自然科学与工程技术版),2021,54(7):763-770.7 付万超,范春利,杨立.非平表面的红外热像测温修正方法研究J.红外技术,2021,43(2):179-185.8 谭伟.红外扫描测温系统的软件设计与开发D.重庆:重庆邮电大学,2019.9 王子权,周小超,林华.轮转调度通用实时热电偶测温序列设计J.仪表技术与传感器,2019(9):23-27.10 邓勇,沙庆康,杨元,等.基于STM32的电力载波高压母线测温系统J.高技术通讯,2018,28(8):728-735.11 郭飞.非接触式红外辐射测温仪的电子学系统研制D.长春:长春理工大学,2023.12 卿涛,陈彬强,李锋军,等.基于STM32单片机的机床数据采集系统设计J.工具技术,2023,57(2):77-80.13 张安莉,石卓勇,范明邦,等.基于LabVIEW的无线运动传感器节点监测系统设计J.国外电子测量技术,2022,41(1):81-86.14 王玮,杜红棉,范锦彪,等.基于红外辐射的爆炸火焰温度补偿测算技术J.爆炸与冲击,2021,41(5):93-104.15 陈伟孟,苏明义.红外测温仪与黑体辐射定律J.物理教师,2021,42(4):72-73,82.图 3 面包板测试电路图