基于STM32 单片机的非接触式红外测温系统设计

陈静CHEN Jing；李鑫LⅠXin

（南京理工大学紫金学院，南京 210023）

0 引言

随着新冠疫情的全球性发展，传统接触式测温的测量方法和测量速度都已无法满足需求[1，2]。相比于接触式测温，非接触式红外测温耗时短、灵敏度高、测量范围宽，而且不会对被测物体造成影响，因此非接触式红外测温已成为测量体温的主流方式[3，4]。但目前市面上主要应用的测温系统大多只显示温度，不能直观地显示具体的测量部位，因此本文设计一种能同时显示热像图和具体温度的测温系统。

本文设计的非接触式红外测温系统采用STM32F103MCU 作为主控芯片，采用AMG8833 红外热成像模块作为传感器，实现非接触式快速测温，并能够实时显示热像图，当温度超过设定阈值时能够报警，该系统使用方便快捷，具有一定的实用性。

1 总体方案设计

本系统主要基于STM32F103ZET6 单片机开发平台，获取AMG8833 红外热成像传感器采集的信息，完成信息计算与处理并显示被测物体温度，系统的整体设计方案如图1 所示。

图1 系统整体设计方案

本设计主要实现的功能如下：

①在TFT-LCD 显示屏上显示动态热像图；

②在热像图的右侧显示三个数据（图像中的最大温度、最小温度和中间位置温度）；

③当中间位置温度大于预设值（系统默认预设值为50℃，显示在热像图下方）时，LED 灯亮，蜂鸣器响，表示警报；

④通过按下设置按钮，可增加或减少预设值，每次增加或减少1℃；

⑤按下复位按钮，系统还原到初始状态。

2 系统硬件设计

非接触式红外测温系统的硬件设计分为6 个子模块，分别是AMG8833 红外热成像模块、TFT-LCD 液晶显示模块、复位模块、按键模块、LED 模块和蜂鸣器模块。

AMG8833 红外热成像模块：该模块可测量产生8*8的热像矩阵，通过I2C 通讯将数据传至MCU。在设计时将IIC_SCL 引脚与STM32 的GPIOB6 引脚连接，SDA 引脚与GPIOB7 引脚连接，达到I2C 通讯的目的。

TFT-LCD 液晶显示模块：该模块采用RGB565 编码，接收MCU 通过热像矩阵计算出的RGB 颜色矩阵，并实时显示热像图，同时可显示图像中的最大温度、最小温度和中间位置温度。TFT-LCD 模块采用16 位并行数据通讯与MCU 相连。

复位模块：该模块的RESET 端接到STM32 的NRST引脚，实现单片机的低电平复位。在设计电路时，将TFTLCD 的复位引脚也接到RESET 处，达到在STM32 复位的同时复位TFT-LCD 液晶屏的效果。

按键模块：该模块KEY0 和KEY1 端分别与STM32的GPIOE4、GPIOE3 引脚相连，实现温度预设值的增加或减小。在设计电路时并没有使用上拉电阻，需要使用STM32 自身的上拉电阻，因此在配置IO 口时对应设置为上拉输入模式。

LED 模块：该模块LED0 端与STM32 的GPIOB5 引脚相连，当温度超限时，GPIOB5 引脚输出低电平，LED 灯亮以示告警。

蜂鸣器模块：该模块BEEP 端与STM32 的GPIOB8 引脚相连，当温度超限时，GPIOB8 引脚输出高电平，蜂鸣器发声。

系统整体硬件原理图如图2 所示。

图2 系统整体硬件原理图

3 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。

总体软件设计流程图如图3 所示。

图3 系统软件设计流程图

在上述过程中，采用插值计算进行温度矩阵扩展过程如下：

在TFT-LCD 屏幕上，8*8 共64 个像素点所能提供的视觉效果十分有限，甚至无法看到明显的变化，所以在设计程序时，必须加入合适的插值计算算法，将8*8 的矩阵扩大。本设计的插值计算算法是将原来的8*8 矩阵扩大到59*59，具体操作过程如下：

①将8*8 的矩阵均匀放入57*57 的矩阵中（除去原定59*59 矩阵中的第0 行、第58 行、第0 列、第58 列）。

②完成横向插值。假设矩阵中两个已有温度的点x1、x9之间有7 个待插值的点x2~x8，计算举例，以此类推，横向插值结束后温度点个数变为456 个。

③完成纵向插值。方法与横向类似，纵向插值结束后温度点个数变为3249 个，即57*57。

④完成第0 行、第58 行、第0 列、第58 列的插值。第0 行与第1 行完全相同，第58 行与第57 行完全相同，第0列与第1 列完全相同，第58 行与第57 行完全相同。插值完成后就可以得到一个59*59 的温度矩阵。

要想显示热像图，必须将温度矩阵转换成颜色矩阵。此设计采用的颜色编码对应温度从低到高分别是：黑色、蓝色、紫色、红色、黄色、白色。TFT-LCD 采用RGB565 编码，调节颜色就是改变R、G、B 三个值，最后通过二进制移位的方法生成一个具体的颜色，将这些颜色写入LCD 的GRAM 对应的像素点就会显示为对应的颜色。

4 测温系统实物测试

根据上述软硬件设计原理，完成非接触式红外测温系统如图4 所示。

图4 非接触式红外测温系统实物图

LCD 界面设计显示如图5 所示。它由热像图区域、数据显示区域、报警温度显示区域（对于中心点）和一个颜色条组成。图5 中显示的热像图为人的手势1 所呈现的热像图。从显示结果可以看出测温系统的结果准确度较高，可以用于实时测量人体温度。

图5 LCD 界面显示测试效果

5 结论

本文基于STM32 单片机设计了一套非接触式红外测温系统，结合AMG8833 红外热成像模块、TFT-LCD 液晶显示模块等实现了测温系统的软件设计和各模块的硬件设计，基于设计方案完成了非接触式红外测温系统的实物设计，对实物系统进行测试，验证了测温系统的有效性与可靠性，说明本文设计的系统能够用于实时测量人体温度，同时可以实时显示热像图，具有一定的实用性。