红外测温与定位系统设计.pdf

第 卷第期年月计算技术与自动化C o m p u t i n gT e c h n o l o g ya n dA u t o m a t i o nV o l ,N o J u n 收稿日期:基金项目:“天池英才”引进计划资助项目作者简介:赵鹏(),男,陕西合阳人,硕士,副教授,研究方向:数据采集与处理.通信联系人,E m a i l:q q c o m文章编号:()D O I:/j c n k i j s j s y z d h 红外测温与定位系统设计赵鹏,钱美,李帅波(新疆理工学院 机电工程学院,新疆 阿克苏 )摘要:针对传统的非接触式测温系统功能单一,无法实现G P S定位、时间显示等问题,提出了一种以I A P 单片机为控制器,结合红外测温传感器、G P S模块、存储电路、按键电路、O L E D显示电路等,构建的红外测温与G P S定位系统.通过器件选型分析、软硬件设计及调试等各个阶段,完成了设计.该系统具备红外测量人体温度、G P S定位信息及时间显示功能;具备环境温度的测量功能;具备人体温度阈值设置及超限报警功能;具备位置信息的存储功能;具备蓝牙传输功能.实验证明,该系统兼具功能多样化、测量精度高、显示直观、运行稳定等优点,将非接触式测温与定位相结合,对于实时监测不同环境下人体温度及定位测量地点有一定的借鉴.关键词:红外测温;G P S定位;阈值设置;超限报警中图分类号:T N 文献标识码:AD e s i g no f I n f r a r e dT e m p e r a t u r eM e a s u r e m e n ta n dP o s i t i o n i n gS y s t e mZ HAOP e n g,Q I AN M e i,L IS h u a i b o(S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,X i n j i a n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,A k s u,X i n j i a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:F o r t h e t r a d i t i o n a l n o n c o n t a c t t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s y s t e mw i t has i n g l ef u n c t i o n,w h i c hc a n n o t r e a l i z et h e f u n c t i o n so fG P Sp o s i t i o n i n ga n dt i m ed i s p l a y,t h i sd e s i g np r o p o s e sad e s i g ns c h e m ew i t hd i v e r s i f i e df u n c t i o n s T h es c h e m eu s e s I A P m i c r o c o n t r o l l e r a s t h e c o n t r o l l e r,c o m b i n e dw i t h i n f r a r e d t e m p e r a t u r e s e n s o r,G P Sm o d u l e,m e m o r yc i r c u i t,k e y p a dc i r c u i t,O L E Dd i s p l a yc i r c u i ta n do t h e rh a r d w a r et ob u i l dac o m b i n e di n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dG P Sp o s i t i o n i n gs y s t e m T h r o u g ht h ea n a l y s i so fd e v i c es e l e c t i o n,s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g na n dd e b u g g i n g,t h ed e s i g ni sc o m p l e t e d T h es y s t e mh a s t h e f u n c t i o n so f i n f r a r e dm e a s u r e m e n to fh u m a nb o d yt e m p e r a t u r e,G P Sp o s i t i o n i n g i n f o r m a t i o na n dt i m ed i s p l a y;w i t ht h e f u n c t i o no f a m b i e n t t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t;w i t ht h e f u n c t i o no f h u m a nb o d y t e m p e r a t u r et h r e s h o l ds e t t i n ga n do v e rl i m i ta l a r m;w i t ht h ef u n c t i o no fl o c a t i o ni n f o r m a t i o ns t o r a g e;w i t ht h ef u n c t i o no fB l u e t o o t ht r a n s m i s s i o n T h ee x p e r i m e n tp r o v e s t h a t t h es y s t e mh a s t h ea d v a n t a g e so f d i v e r s i f i e df u n c t i o n s,h i g hm e a s u r e m e n t a c c u r a c y,i n t u i t i v ed i s p l a ya n ds t a b l eo p e r a t i o n C o m b i n i n gn o n c o n t a c t t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t a n dp o s i t i o n i n g,t h es y s t e mi sau s e f u l r e f e r e n c e f o r r e a l t i m em o n i t o r i n go f h u m a nb o d y t e m p e r a t u r e i nd i f f e r e n t e n v i r o n m e n t s a n d l o c a t i n ga n ds t o r i n gm e a s u r e m e n t l o c a t i o n s K e yw o r d s:i n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t;G P Sp o s i t i o n i n g;t h r e s h o l ds e t t i n g;o v e r l i m i t a l a r m新冠疫情全球肆虐的今天,通过非接触式测温对人体的实时温度进行测量虽然已经非常普及,但计算技术与自动化 年月在寒冷或炎热等极端的外界环境影响下,温度测量结果必定会受到影响,加之对于非接触式测温人群的筛查一般在人流量较大的公共场合,对于不同地点的多台测温装置如何定位检测地点,如何根据外界环境设置测量温度超限报警的阈值已经不是单一的非接触式测温所能解决的.鉴于此,本设计提出一种兼具感知环境温度、红外检测被测温度及G P S定位于一体的多功能检测、显示、超限报警一体化装置,用以弥补传统的非接触式测温功能单一的问题.系统结构与选型分析 系统结构本设 计 中 使 用 T系 列 增 强 型 单 片 机I A P W K S 为主控芯片,其执行一单位指令需要个时钟周期,而传统 单片机为 T,其执行一单位指令需要 个时钟周期,是传统 单片机速度的 倍;支持 V的电压范围供电,能够兼容更宽的电平范围.结合红外测温传感器、定位模块、存储电路、按键输入与显示电路、报警电路和蓝牙传输模块组成红外测温与定位系统.红外传感器选择以系统管理总线S MB U S传输的G Y 与单片机通信,并且兼具环境温度的检测 功 能;以IC型O L E D为 显 示 终 端;以AT K 为定位模块,其支持G P S和北斗双模定位,通过该模块能够获取时间、经纬度及海拔等信息;AT C 存储电路用于存储经纬度信息;按键电路用于设置红外测温阈值及定位信息的存储和删除功能;报警电路用以实现对红外测温结果的超限报警;蓝牙模块用于向手机A P P传输红外测温数据.具体系统结构如图所示.图系统结构图 设备选型及依据传统单片机只有一个串口且主要用于程序的下载,本设计中定位模块和蓝牙模块均采用串口通信,因此,传统 单片机无法满足其硬件要求,故选择具有个串口的增强型 单片机I A P 系列加以解决.此外,I A P 单片机内部含有高精度I R C时钟和上电复位功能,可通过其提供的下载软件S T C I S P设置时钟频率和选择上电复位功能,节省了硬件成本,降低了P C B布局布线的难度.G Y 红外测温传感器能测量环境温度和物体温度,其分为通用型和医用型,通用型环境温度检测范围为 ,其精度受检测范围及被测物 体 温 度 的 影 响 误 差 最 大 为,在 范围内误差最小为;通用型红外目标检测范围受传感器视场和环境温度的影响,当被检测物体完全覆盖红外传感器的视场时精度有效,其目标检测温度范围为 ,其误差在不同的测量范围及不同的环境温度下不同,误差最大为,在 范 围 内 误 差 最 小 为.对于测温精度要求较高的场合可采用医用型,医用型环境温度检测范围为 ,红外检测目标的温度检测范围为 ,在环境温度为 时,在 的红外目标温度检测的精度可达.本设计中根据被测对象选择医用型红外测温传感器,在通用范围内其测量精度达.显示电路主要有串行显示和并行显示两种,常见的并行显示器有数码管、L C D 、L C D 等,数码管显示硬件连接方面需要加限流电阻,软件设计方面需要延时以消除余晖,存在实时性低、显示字符受限且占用单片机I/O资源等问题;L C D 含有字库,因其分辨率的原因,只能显示数字和字母,其夜间模式需要背光灯,存在体积大占用空间,且需要单片 机位 并 行 口 传 输 数 据 或 指 令 等 问 题;L C D 既可以采用串行也可以采用并行传输,其内部包含字库可以显示图片、汉字、数字及字母等信息,但其存在体积大、夜间模式需要背光灯,汉字显示较为固定,动态性能差且成本较高的问题.O L E D为电流型有机发光器件,主流产品有S P I和IC总线两种,其显示屏幕由不同的像素组成,无需背光源,本设计中选择IC型 分辨率的O L E D为显示终端,通过取模软件可以显示图片、汉字、字母及数字等信息,具有占用空间小、节省单片机I/O资源、显示直观及功耗低等优点.报警电路中的蜂鸣器有有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种,有源蜂鸣器内部有振荡器,通以电流能报警,无源蜂鸣器需要加音频信号才能发出声音,设计中选择控制较为简单的有源蜂鸣器.对于蜂第 卷第期赵鹏,等:红外测温与定位系统设计鸣器驱动电路,常用的驱动有晶体管驱动、达林顿驱动、MO S管驱动及继电器驱动,其中晶体管驱动具有通断频率高、体积小、价格便宜的优点,但其通过的电流较小,因有源蜂鸣器的工作不需要大电流,设计中选择晶体管驱动电路.定 位 模 块 主 流 产 品 有N E O N型 和AT K 型两种,均支持G P S和北斗双模定位,都采用串口通信模式,有后备电池以实现掉电后短时间内数据保持功能,前者串口通信默认的波特率为 ,后者为 ,其选择差异性不大,本设计中为了提高采集定位信息的实时性,选择默认波特率较高的AT K 模块.硬件设计硬件电路是将单片机与各个模块相连,设计中利用A l t i u mD e s i g n e r软件绘制原理图及P C B图.其中,AT K 的定位模块与单片机的串口相连;蓝牙模块采用HC ,其支持蓝牙 数据传输与单片机的串口相连;O L E D、红外测温传感器G Y 及数据存储模块AT C 均采用IC通信,使用单片机的通用I/O模拟IC,实现与各个模块的数据交互;按键采用独立按键,为了提高效率有效利用单片机资源分别接外部中断、和通用I/O识别按键,对于外部中断采用下降沿触发,对于通用I/O上按键的识别采用低电平触发;报警电路采用P N P晶体管驱动有源蜂鸣器实现,P N P型三极管基极为低电平时三极管导通,蜂鸣器触发报警,I A P 单片机系统上电后端口默认为高电平,无需对蜂鸣器初始化;利用外接V电源给系统供电,具体硬件电路如图所示.图硬件电路图软件设计软件设计采用模块化结构的C语言编写,主要包含系统初始化、串口波特率设置、定位模块数据解析及存储模块的操作等.单片机晶振设置为 MH z,蓝牙模块通过AT指令设置为从机模式,该模块通信波特率设置为 ;程序默认读取的是定位模块的信息,通过模式切换按键实现对定位信息和温度采集的实时切换;目标温度阈值上限初值设置为 .软件采用主程序调用子程序的形式实现,其中每个子程序包含一个 h头文件和 c程序文件,其中头文件实现对函数的位定义、宏定义和声明,程序文件通过包含头文件,实现对头文件的具体定义;头文件通过 i f n d e fd e f i n ee n d i f预编译指令实现防重复定义.模块化程序设计的优点在于便于程序移植和排查错误.具体流程图如图所示.系统调试及问题分析 定位模块数据的读取定位模块AT K 输出GN RMC、GNG GA等种帧数 据,本 设 计 是 对GNG GA中 包 含 了G P S定位信息,通过对其数据进行解析,读取时间、经纬度及海拔信息,由于定位模块读取的时间为世界标准时间UT C,转换为北京时间需进行加处理.其经纬度的输出格式采用d d mm mmmm的度分格式,即d d为度,mm mmmm为分.定位模块要置于室外,且满足四颗以上的卫星条件才能精确定位,且G P S定位精确性与卫星、传播途径及接收机有关 .具体定位结果如图所示.计算技术与自动化 年月图流程图图定位信息的读取 红外测温的精度及测量距离采用G Y 医用型红外测温传感器,在不同的环境温度下其测量精度如图所示.在环境温度为 下,红外测温范围为 时的精度为.因采用 T系列单片,红外测温可以在 s内快速检测完成,与传统的接触式测温系统相比明显提升了检测系统的实时性.图红外测温精度与被测温度的关系红外测温的距离根据其选型决定,市面上广泛应用的测量距离在 c m,可根据需求和性价比选择适宜的测量距离的传感器 .调试过程中问题分析()定位与红外测温模式切换异常主要原因在于利用串口和串口实现蓝牙数据的传输和定位信息的读取过程中,由于模式切换导致串口中断过程中无法返回到断点而造成时序混乱.通过主程序中在红外测温模式下利用串口蓝牙传输测温数据时关闭执行串口的定位模块中断,再利用串口读取定位信息的过程中关闭串口蓝牙传输的中断,使两个串口独立工作,有效地解决了定位与红外测温无法正常切换的问题.()定位信息数据解析异常主要原因在于混淆定位模块传输的不同帧的数据,通过判断语句标识头加以区分,其中GNG GA的语句标识头为“GNG GA”,设计中发现类不同的帧数据可以简便地通过第位起始位“”和第位“G”筛选出GNG GA相关数据.()红外测温数据变换较大红外传感器的精度受环境温度、测量距离和覆盖红外传感器的视场范围影响较大,特别是在被测物体由远及近移动时,测量结果波动较大,设计中采用中位值滤波技术,其方法为采样个有效测温数据,利用冒泡法排序,取出中间值作为检测值,测量数据的扰动明显降低,测量结果较为稳定.第 卷第期赵鹏,等:红外测温与定位系统设计()手机无法连接到蓝牙当蓝牙模块通过AT指令设置为主机模式时,手机客户端无法搜索到蓝牙设备,需要将蓝牙模块设置为从机模式;当一个手机客户端连接到蓝牙从机时,另一部手机客户端也无法连接到蓝牙从机.因此,该通信模式下蓝牙与手机客户端采用点对点通信.结论虽然 红 外 测 温 传 感 器G Y 、存 储 芯 片AT C 与O L E D均采用单片机I/O模拟IC总线实现数据的交互,加之红外测温中利用中位值滤波技术,但采用 T的增强型单片机,晶振设置为 MH z,实时性也不受影响.AT K 理想环境下的定位精度为 m C E P,但由于定位精度的外界因素影响较多,本设计中针对NME A 协议中的帧格式为“GNG GA”开始的G P S定位信息解析并确定时间、位置等信息.在后续的设计中可以从大量的测温样本入手,对数据进行多元线性回归,拟合出环境温度、测量距离、额头温度之间的函数,利用单片机解析出具体的更精确的温度是其发展的趋势.将红外测温技术与G P S定位、位置存储、网络监控有机结合,提高了红外测温类仪器功能的多样性.参考文献任晶秋,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,():胡慧,李亮杰,郭洪华,等一种可用于新冠肺炎防控的红外测温枪J湖南工程学院学报(自然科学版),():代少升,吴纪宏环境温度对红外测温精度的影响及补偿方法研究J半导体光学,():王军帅,田军委,张杰,等一种红外测温的误差建模与补偿方法J西安工业大学学报,():刘泽元,尚永红,林博颖,等红外测温设备的空间环境影响及防 护 研 究 J电 子 测 量 与 仪 器 学 报,():刘晓光,余开基于红外热成像的回流焊炉测温仪设计J国外电子测量技术,():张卫庆,王成亮,高爱民,等基于红外测温技术的电力变压器绕组温度自动监测方法J电子设计工程,():胡子峰,金路红外测温误差离线校准方法研究J计量与测试技术,():杨欣人体红外测温系统设计D银川:宁夏大学,何少杰,胡玥,鹿玮,等大流量人体红外测温筛查方法研究J激光与红外,():杨静,王收军基于S T C单片机的G S M、G P S车载定位报警系统的设计J天津理工大学学报,():李建刚,李红慧,柴祥君,等 G P S、B D S、G P SB D S精密单点定位精度评估J测绘通报,():阎雪梅 G P S/B D S双模卫星定位算法研究D哈尔滨:哈尔滨理工大学,李志龙基于红外测温的特高压直流输电阀厅设备机器人巡检系统应用研究J电子设计工程,():黄健琦,许春雨,宋建成,等基于红外测温技术的矿用微波加热控制系统设计J现代电子技术,():卢知非,刘浩宇,陈文亮,等红外人体测温精度补偿方法研究J红外技术,():