原標(biāo)題：基于STM32紅外非接觸式額溫槍的設(shè)計 MLX90614額溫槍（原理圖+PCB+程序+BOM）

基于STM32紅外非接觸式額溫槍的設(shè)計：MLX90614額溫槍原理圖、PCB、程序與BOM詳解

隨著公共衛(wèi)生需求的增長，非接觸式紅外測溫技術(shù)因其高效、安全的特性被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、安防、工業(yè)檢測等領(lǐng)域。本文以STM32F103C8T6微控制器為核心，結(jié)合MLX90614紅外傳感器，設(shè)計一款具備高精度、低功耗、易操作的額溫槍，并詳細(xì)闡述其硬件選型、電路設(shè)計、軟件架構(gòu)及BOM清單。

一、系統(tǒng)總體架構(gòu)與功能需求

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

額溫槍的核心模塊包括：

• STM32F103C8T6微控制器：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理及外圍設(shè)備控制。

• MLX90614紅外傳感器：測量目標(biāo)物體表面溫度。

• OLED顯示屏：實時顯示溫度值及狀態(tài)信息。

• 藍(lán)牙HC-05模塊：實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。

• 蜂鳴器與按鍵：提供報警提示及參數(shù)設(shè)置功能。

• 電源管理模塊：采用18650鋰電池供電，通過IP5306升壓芯片實現(xiàn)3.3V/5V雙電壓輸出。

1.2 功能需求

• 測溫范圍：-40℃~+85℃，精度±0.5℃（人體測溫模式）。

• 響應(yīng)時間：≤150ms。

• 報警功能：支持三段溫度區(qū)報警（綠、藍(lán)、紅區(qū)），可自定義閾值。

• 數(shù)據(jù)傳輸：通過藍(lán)牙模塊將溫度數(shù)據(jù)上傳至手機APP。

• 用戶交互：按鍵設(shè)置溫度上限值，OLED顯示實時溫度及狀態(tài)。

二、核心元器件選型與功能解析

2.1 主控芯片：STM32F103C8T6

• 選型理由：

• 資源豐富：內(nèi)置512KB Flash、64KB RAM，支持I2C、SPI、UART等多種外設(shè)接口。

• 低功耗：支持待機、睡眠等多種低功耗模式，延長電池續(xù)航時間。

• 開發(fā)便捷：STM32CubeIDE提供完善的庫函數(shù)支持，縮短開發(fā)周期。

• 功能作用：

• 通過I2C接口讀取MLX90614的溫度數(shù)據(jù)。

• 控制OLED顯示屏刷新溫度值及狀態(tài)信息。

• 處理按鍵輸入，實現(xiàn)溫度閾值設(shè)置及報警邏輯。

• 通過藍(lán)牙模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。

2.2 紅外傳感器：MLX90614

• 選型理由：

• 高精度：內(nèi)置17位ADC及DSP單元，測溫精度±0.5℃。

• 非接觸式：避免交叉感染，適用于公共場所。

• 低功耗：典型工作電流≤1.1mA，支持SMBus/PWM雙輸出模式。

• 功能作用：

• 通過紅外熱電堆探測器測量目標(biāo)物體表面溫度。

• 將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過I2C接口傳輸至STM32。

• 支持出廠校準(zhǔn)，簡化用戶校準(zhǔn)流程。

2.3 顯示屏：0.96寸OLED

• 選型理由：

• 高對比度：自發(fā)光特性，無需背光，適合戶外強光環(huán)境。

• 低功耗：典型工作電流≤20mA，延長電池續(xù)航時間。

• 接口簡單：支持I2C/SPI接口，與STM32兼容性良好。

• 功能作用：

• 實時顯示溫度值、溫度閾值及狀態(tài)信息（如報警、藍(lán)牙連接狀態(tài)）。

• 支持自定義顯示內(nèi)容，提升用戶體驗。

2.4 藍(lán)牙模塊：HC-05

• 選型理由：

• 兼容性強：支持AT指令集，便于配置參數(shù)。

• 傳輸距離遠(yuǎn)：空曠環(huán)境下傳輸距離可達(dá)10米。

• 功耗低：典型工作電流≤30mA，適合手持設(shè)備。

• 功能作用：

• 將溫度數(shù)據(jù)無線傳輸至手機APP，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

• 支持雙向通信，接收手機APP發(fā)送的控制指令。

2.5 電源管理模塊：IP5306升壓芯片

• 選型理由：

• 高效率：轉(zhuǎn)換效率≥90%，減少能量損耗。

• 多電壓輸出：支持3.3V/5V雙電壓輸出，兼容STM32及外圍設(shè)備。

• 保護(hù)功能：內(nèi)置過流、過壓、短路保護(hù)，提升系統(tǒng)可靠性。

• 功能作用：

• 將18650鋰電池電壓升壓至3.3V/5V，為系統(tǒng)供電。

• 監(jiān)測電池電量，通過OLED顯示屏顯示剩余電量。

2.6 蜂鳴器與按鍵

• 蜂鳴器：

• 選型理由：采用無源蜂鳴器，支持PWM調(diào)頻，實現(xiàn)不同報警音調(diào)。

• 功能作用：溫度超過閾值時發(fā)出報警聲，提示用戶。

• 按鍵：

• 選型理由：采用輕觸開關(guān)，壽命長、響應(yīng)快。

• 功能作用：設(shè)置溫度閾值、切換顯示模式及開關(guān)藍(lán)牙功能。

三、硬件電路設(shè)計

3.1 MLX90614與STM32的I2C接口電路

MLX90614通過SMBus（類I2C）協(xié)議與STM32通信，電路設(shè)計需注意：

• 上拉電阻：SCL/SDA線需串聯(lián)4.7kΩ上拉電阻，確保信號穩(wěn)定性。

• 濾波電容：在VCC與GND之間并聯(lián)0.1μF陶瓷電容，濾除高頻噪聲。

• ESD保護(hù)：在接口處添加TVS二極管，防止靜電損壞。

3.2 OLED顯示屏接口電路

OLED采用I2C接口，電路設(shè)計需注意：

• 電平匹配：STM32的I2C接口電壓為3.3V，與OLED兼容。

• 背光控制：通過PWM信號調(diào)節(jié)背光亮度，降低功耗。

3.3 藍(lán)牙模塊接口電路

HC-05模塊通過UART接口與STM32通信，電路設(shè)計需注意：

• 電平轉(zhuǎn)換：若STM32工作電壓為3.3V，需確保HC-05的邏輯電平與之匹配。

• 天線設(shè)計：采用PCB天線，減少體積并提升傳輸效率。

3.4 電源管理電路

IP5306升壓芯片電路設(shè)計需注意：

• 輸入濾波：在鋰電池輸入端并聯(lián)10μF電解電容，濾除低頻噪聲。

• 輸出濾波：在3.3V/5V輸出端并聯(lián)0.1μF陶瓷電容，提升電源穩(wěn)定性。

• 電池保護(hù)：集成過充、過放保護(hù)電路，延長電池壽命。

四、軟件架構(gòu)與程序?qū)崿F(xiàn)

4.1 軟件架構(gòu)

軟件采用模塊化設(shè)計，主要模塊包括：

• 初始化模塊：配置STM32的時鐘、I/O端口、I2C/UART接口。

• MLX90614驅(qū)動模塊：實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)讀取及轉(zhuǎn)換。

• OLED顯示模塊：實現(xiàn)溫度值及狀態(tài)信息的實時顯示。

• 藍(lán)牙通信模塊：實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸。

• 按鍵處理模塊：實現(xiàn)溫度閾值設(shè)置及功能切換。

• 報警邏輯模塊：實現(xiàn)溫度超限報警功能。

4.2 關(guān)鍵程序?qū)崿F(xiàn)

4.2.1 MLX90614初始化與數(shù)據(jù)讀取

#include "stm32f10x.h"
#include "mlx90614.h"

void MLX90614_Init(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {
// 初始化I2C接口
hi2c->Instance = I2C1;
hi2c->Init.ClockSpeed = 100000;
hi2c->Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
hi2c->Init.OwnAddress1 = 0;
hi2c->Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
hi2c->Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
hi2c->Init.OwnAddress2 = 0;
hi2c->Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
hi2c->Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
HAL_I2C_Init(hi2c);
}

float MLX90614_ReadTemperature(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {
uint8_t reg_addr = 0x07; // 物體溫度寄存器地址
uint8_t data[2];
HAL_I2C_Mem_Read(hi2c, MLX90614_ADDR, reg_addr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, 2, HAL_MAX_DELAY);
int16_t temp_raw = (data[0] << 8) | data[1];
float temp = temp_raw * 0.02 - 273.15; // 轉(zhuǎn)換為攝氏度
return temp;
}

4.2.2 OLED顯示驅(qū)動

#include "oled.h"

void OLED_Init(void) {
// 初始化OLED硬件接口
// ...
}

void OLED_DisplayTemperature(float temp) {
char buf[16];
sprintf(buf, "Temp: %.1fC", temp);
OLED_ShowString(0, 0, buf, 16); // 在OLED第一行顯示溫度
}

4.2.3 藍(lán)牙通信驅(qū)動

#include "bluetooth.h"

void Bluetooth_Init(void) {
// 初始化藍(lán)牙模塊
// ...
}

void Bluetooth_SendTemperature(float temp) {
char buf[16];
sprintf(buf, "TEMP:%.1f
", temp);
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buf, strlen(buf), HAL_MAX_DELAY);
}

4.2.4 報警邏輯

#include "buzzer.h"

void Check_Temperature(float temp) {
if (temp >= 38.5) {
Buzzer_Beep(10); // 連續(xù)鳴響10次
} else if (temp >= 37.5) {
Buzzer_Beep(5); // 連續(xù)鳴響5次
}
}

五、PCB設(shè)計與優(yōu)化

5.1 PCB布局要點

• 信號完整性：將MLX90614的I2C信號線與高速信號線隔離，減少干擾。

• 電源分層：采用雙層板設(shè)計，頂層為信號層，底層為電源層，提升電源穩(wěn)定性。

• 散熱設(shè)計：在STM32及IP5306芯片下方鋪設(shè)大面積銅皮，提升散熱效率。

5.2 抗干擾設(shè)計

• EMI濾波：在電源輸入端添加磁珠及電容，濾除高頻噪聲。

• 接地處理：采用單點接地，減少地環(huán)路干擾。

• 屏蔽設(shè)計：在藍(lán)牙模塊周圍添加屏蔽罩，減少輻射干擾。

六、BOM清單與成本分析

6.1 BOM清單

6.2 成本分析

• 核心元器件成本：STM32F103C8T6（￥8）、MLX90614（￥15）、OLED顯示屏（￥5）、藍(lán)牙模塊（￥10）、IP5306（￥3），總計約￥41。

• 輔助元器件成本：電阻、電容、TVS二極管等總計約￥5。

• 總成本：約￥46（不含外殼及電池）。

七、測試與驗證

7.1 功能測試

• 測溫精度測試：使用標(biāo)準(zhǔn)水銀體溫計對比，誤差≤±0.5℃。

• 響應(yīng)時間測試：從按鍵觸發(fā)到顯示溫度值，時間≤150ms。

• 報警功能測試：溫度超過閾值時，蜂鳴器正常鳴響。

7.2 環(huán)境適應(yīng)性測試

• 溫度測試：在-20℃~+50℃環(huán)境下，測溫精度及響應(yīng)時間符合要求。

• 濕度測試：在相對濕度90%環(huán)境下，系統(tǒng)正常工作。

八、總結(jié)與展望

本文設(shè)計了一款基于STM32與MLX90614的非接觸式額溫槍，具備高精度、低功耗、易操作的特點。通過模塊化設(shè)計及優(yōu)化，系統(tǒng)在測溫精度、響應(yīng)時間及可靠性方面均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。未來可進(jìn)一步優(yōu)化以下方面：

• 提升測溫速度：采用更高性能的微控制器，縮短數(shù)據(jù)處理時間。

• 增加多模式功能：支持物體測溫、環(huán)境測溫等多種模式。

• 優(yōu)化用戶體驗：增加語音播報、觸摸屏等功能，提升操作便捷性。

通過本文的設(shè)計與實踐，可為非接觸式紅外測溫設(shè)備的開發(fā)提供參考，推動公共衛(wèi)生技術(shù)的進(jìn)步。