一、方案概述

華盛昌DT-8806系列非接觸紅外額溫計(jì)是一種以紅外輻射探測原理為基礎(chǔ)的溫度檢測設(shè)備，通過測量人體表面發(fā)射的紅外輻射能量來估算額頭的實(shí)際溫度。該類溫計(jì)具有非接觸、高靈敏、快速響應(yīng)、易使用等顯著優(yōu)勢，特別適用于疫情防控、醫(yī)療門診、家庭健康等場景。產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)依賴于高性能紅外傳感器、低功耗高集成度的MCU、清晰直觀的顯示模塊、可靠的供電與穩(wěn)壓電路，構(gòu)建成一套完整的嵌入式測溫系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

整機(jī)主要由紅外測溫模塊、微控制器模塊、LCD顯示模塊、聲音報(bào)警模塊、電源管理模塊、按鍵控制模塊及外殼結(jié)構(gòu)組成，各模塊之間通過標(biāo)準(zhǔn)總線（如I2C、GPIO、PWM等）進(jìn)行通信，形成高度集成的小型系統(tǒng)。核心電路架構(gòu)圖如下所示。

三、非接觸紅外測溫模塊設(shè)計(jì)

1. 傳感器型號：Melexis MLX90614ESF-DCI

器件作用： 作為核心紅外探測器件，MLX90614能夠感知人體表面輻射的紅外能量，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字溫度信號，輸出對象溫度和環(huán)境溫度兩種值。

選擇理由： MLX90614具有非接觸測溫、寬測溫范圍（-70℃至+380℃）、高精度（誤差低至±0.2℃）、低功耗（僅1.6mA）等特點(diǎn)，并內(nèi)置DSP進(jìn)行信號校正，I2C通信方便與主控單元集成。

功能特點(diǎn)： 支持高達(dá)0.02℃分辨率、帶EEPROM用于參數(shù)保存、抗干擾能力強(qiáng)、溫度補(bǔ)償精準(zhǔn)，適用于醫(yī)療級別的測溫應(yīng)用。

2. 濾波電容：10uF/0603/X7R

器件作用： 對傳感器電源輸入進(jìn)行濾波，去除高頻噪聲，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

選擇理由： X7R電介質(zhì)具有溫度穩(wěn)定性好、容值偏移小的優(yōu)勢，0603封裝便于高密度布板。

功能特點(diǎn)： 保證MLX90614輸入電源質(zhì)量，有效濾除干擾，提高溫度測量穩(wěn)定性。

四、主控處理模塊設(shè)計(jì)

1. 主控MCU型號：STC15W408AS

器件作用： 用于獲取溫度數(shù)據(jù)、進(jìn)行算法處理、驅(qū)動顯示模塊和蜂鳴器等外設(shè)，承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與控制任務(wù)。

選擇理由： STC15W408AS是一款8位增強(qiáng)型8051內(nèi)核單片機(jī)，具有低功耗、Flash可在線編程、內(nèi)建高速ADC與多個(gè)I/O接口的特點(diǎn)，資源充足、價(jià)格低廉，適合消費(fèi)類紅外測溫產(chǎn)品。

功能特點(diǎn)： 支持12位ADC、多個(gè)PWM、UART、SPI、I2C通信接口，內(nèi)含掉電檢測、看門狗、EEPROM等安全機(jī)制，功耗僅為20μA（待機(jī)狀態(tài)），方便實(shí)現(xiàn)便攜式溫計(jì)應(yīng)用。

2. 晶振：12MHz 有源晶振

器件作用： 提供MCU系統(tǒng)時(shí)鐘信號，保證處理器穩(wěn)定運(yùn)行。

選擇理由： 有源晶振自帶振蕩電路，頻率穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，適用于工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備。

功能特點(diǎn)： 提供精準(zhǔn)的系統(tǒng)主頻，使MCU運(yùn)行頻率恒定，保障測溫響應(yīng)速度與通信精度。

五、顯示與用戶交互模塊

1. 顯示模塊型號：128x64 ST7565液晶屏

器件作用： 實(shí)時(shí)顯示測溫結(jié)果、電量狀態(tài)、模式切換信息等用戶界面內(nèi)容。

選擇理由： ST7565液晶模塊采用串行SPI接口，顯示清晰、功耗低、響應(yīng)快，支持圖形化UI設(shè)計(jì)，適合嵌入式產(chǎn)品。

功能特點(diǎn)： 寬工作溫度范圍（-20℃~70℃），對比度高、背光可調(diào)，功耗典型值僅為1mA，便于低功耗系統(tǒng)持續(xù)工作。

2. 控制按鍵：Tact Switch 6x6mm

器件作用： 允許用戶切換測溫模式（如體溫/表面溫度）、調(diào)節(jié)設(shè)置參數(shù)、查看歷史記錄等功能。

選擇理由： 微型按鍵結(jié)構(gòu)簡單、成本低、壽命高（超過10萬次），適用于手持設(shè)備。

功能特點(diǎn)： 響應(yīng)靈敏，配合MCU軟件去抖動處理，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

六、聲音報(bào)警模塊

1. 蜂鳴器型號：PS1240P02BT（壓電式有源蜂鳴器）

器件作用： 當(dāng)測量結(jié)果超過設(shè)定溫度閾值時(shí)發(fā)出聲音提示，提升用戶響應(yīng)效率。

選擇理由： 有源蜂鳴器工作電壓低（3~5V），無需外部驅(qū)動電路，體積小巧，響應(yīng)快，安裝方便。

功能特點(diǎn)： 響應(yīng)時(shí)間短于10ms，音量可達(dá)85dB以上，提示效果明顯，功耗極低。

七、電源管理模塊設(shè)計(jì)

1. 電池供電：兩節(jié)AAA堿性電池

器件作用： 為整機(jī)提供獨(dú)立電源，支持便攜使用。

選擇理由： AAA電池容量適中（每節(jié)約1200mAh），便于更換，市面通用，成本低。

功能特點(diǎn)： 滿電狀態(tài)下可連續(xù)使用超過30小時(shí)，支持休眠模式和喚醒功能。

2. 穩(wěn)壓芯片型號：MIC5504-3.3YC5-TR（3.3V LDO）

器件作用： 將電池供電電壓穩(wěn)定轉(zhuǎn)換為3.3V，為傳感器、MCU、LCD等模塊提供穩(wěn)定電壓。

選擇理由： MIC5504具有超低壓差（0.2V@300mA）、低靜態(tài)電流（33μA）、快速響應(yīng)等特點(diǎn)，專為電池供電設(shè)備設(shè)計(jì)。

功能特點(diǎn)： 輸出噪聲低、具備短路與過熱保護(hù)機(jī)制，保障系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。

3. 濾波電容與保護(hù)元件

輸入濾波電容：22uF/10V/X7R，用于輸入端濾波。

輸出濾波電容：10uF/6.3V/X7R，確保LDO輸出穩(wěn)定。

TVS管型號：SMBJ5.0A，用于防止靜電和電源沖擊損壞系統(tǒng)電路。

八、系統(tǒng)電路框圖展示

為了更清晰地呈現(xiàn)華盛昌DT-8806系列非接觸紅外額溫計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電氣連接關(guān)系，現(xiàn)繪制核心系統(tǒng)電路框圖。該框圖涵蓋了紅外測溫模塊、主控單元、電源管理模塊、顯示與聲音報(bào)警模塊、用戶交互控制模塊等關(guān)鍵子系統(tǒng)。各功能模塊之間通過I2C總線、GPIO控制線、電源供電通路等方式進(jìn)行連接，形成完整的嵌入式紅外測溫系統(tǒng)。

九、軟件功能簡述與控制流程

系統(tǒng)上電后，STM32F103C8T6主控芯片首先完成各外設(shè)的初始化操作，包括I2C通信接口、通用GPIO端口、LCD顯示驅(qū)動模塊、蜂鳴器控制引腳和用戶按鍵中斷配置。在完成初始化之后，程序進(jìn)入主循環(huán)并啟用低功耗延時(shí)機(jī)制，每隔固定周期（如500ms）通過I2C總線向紅外溫度傳感器MLX90614發(fā)起溫度讀取請求，獲取當(dāng)前的目標(biāo)溫度（Object Temperature）和環(huán)境溫度（Ambient Temperature）數(shù)值。在主程序中，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的體溫閾值（如37.3°C）對讀取到的溫度值進(jìn)行判斷，若超過該閾值則觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出短促提示音，并通過LCD顯示屏進(jìn)行顯著警示標(biāo)記，以提醒用戶體溫異常。

此外，軟件設(shè)計(jì)中包含用戶交互邏輯模塊，允許使用者通過按鍵進(jìn)行功能切換，如在體溫模式與物體溫度模式之間切換、單位在攝氏度（℃）與華氏度（℉）之間轉(zhuǎn)換、開啟或關(guān)閉蜂鳴器提示音等。所有按鍵事件均采用中斷喚醒機(jī)制，在系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)下保證超低功耗，在用戶操作時(shí)即刻響應(yīng)，確保操作流暢、功耗最優(yōu)。主控程序還加入了抗抖邏輯和狀態(tài)機(jī)判斷機(jī)制，避免因誤觸或電氣干擾造成的誤操作。

整套軟件流程圍繞“精準(zhǔn)測溫、低功耗運(yùn)行、簡便操作、高效響應(yīng)”的原則進(jìn)行開發(fā)，配合MCU的低功耗休眠與喚醒機(jī)制、MLX90614的數(shù)據(jù)穩(wěn)定濾波邏輯、LCD顯示的分段刷新機(jī)制，以及任務(wù)循環(huán)中對運(yùn)行狀態(tài)的定期評估和看門狗定時(shí)器保護(hù)，確保系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具備良好的可靠性和人機(jī)體驗(yàn)。

十、功耗控制與待機(jī)管理策略

在非接觸紅外額溫計(jì)的設(shè)計(jì)中，整體功耗的優(yōu)化尤為關(guān)鍵，尤其是在電池供電的便攜式應(yīng)用場景中，設(shè)備需要在不頻繁更換電池的前提下維持長時(shí)間待機(jī)與多次測溫操作。為此，本方案在硬件選型和軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)階段即全面考慮了功耗控制策略，力求實(shí)現(xiàn)“高性能測溫、低功耗運(yùn)行、智能待機(jī)喚醒”的整體目標(biāo)。

首先，從硬件角度出發(fā)，主控芯片STM32F103C8T6具備多種低功耗運(yùn)行模式，包括Sleep、Stop與Standby三種狀態(tài)。在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)除在溫度讀取、數(shù)據(jù)顯示或用戶交互操作過程中處于正常運(yùn)行狀態(tài)外，其余大多數(shù)時(shí)間均工作于低功耗Sleep或Stop模式，從而極大降低系統(tǒng)整體功耗。當(dāng)設(shè)備在數(shù)十秒內(nèi)未檢測到用戶操作或紅外信號變化時(shí)，自動轉(zhuǎn)入Stop模式，關(guān)閉所有外設(shè)時(shí)鐘，僅保留用于喚醒的中斷源，如按鍵觸發(fā)或溫度采集定時(shí)器。在需要重新響應(yīng)用戶操作或定時(shí)讀取溫度時(shí)，系統(tǒng)可通過EXTI中斷迅速喚醒并恢復(fù)運(yùn)行。

其次，紅外傳感器MLX90614也具有功耗控制能力。在非測溫周期內(nèi)，主控芯片通過I2C接口將其置于待機(jī)模式，有效降低待機(jī)電流消耗。顯示模塊方面，采用低功耗段碼型LCD，在不更新畫面的情況下幾乎不消耗電流。同時(shí)，LCD背光LED僅在測溫或用戶交互過程中短時(shí)點(diǎn)亮，超過設(shè)定時(shí)間后由主控自動關(guān)閉，避免無效耗電。蜂鳴器的使用也嚴(yán)格受控，僅在警報(bào)或確認(rèn)操作時(shí)開啟數(shù)百毫秒后立即關(guān)閉，以防連續(xù)聲響造成電池電流突增。

軟件層面，系統(tǒng)采用RTOS-Like任務(wù)循環(huán)控制機(jī)制，空閑任務(wù)中嵌入__WFI（Wait For Interrupt）指令，使CPU在非工作狀態(tài)下進(jìn)入睡眠狀態(tài)等待中斷信號；通過系統(tǒng)定時(shí)器（SysTick）控制測溫頻率，避免過高采樣速率造成能源浪費(fèi)；結(jié)合獨(dú)立看門狗（IWDG）確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，也防止因異常程序死循環(huán)而持續(xù)高功耗運(yùn)行。

通過MCU低功耗設(shè)計(jì)、傳感器智能喚醒、LCD背光管理、蜂鳴器周期控制及軟件待機(jī)調(diào)度策略的聯(lián)合應(yīng)用，本非接觸式紅外額溫計(jì)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)低至數(shù)十微安的待機(jī)電流，實(shí)測可支持標(biāo)準(zhǔn)AAA電池使用3個(gè)月以上的工作周期，顯著提升了產(chǎn)品的實(shí)用性與用戶滿意度。

十一、系統(tǒng)調(diào)試與測試驗(yàn)證方法

為了確保華盛昌DT-8806系列非接觸紅外額溫計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的測量精度、響應(yīng)速度、功耗表現(xiàn)以及長期穩(wěn)定性，在系統(tǒng)開發(fā)完成后必須進(jìn)行系統(tǒng)性調(diào)試與多項(xiàng)測試驗(yàn)證，涵蓋硬件電路、嵌入式軟件、紅外測溫性能、功耗表現(xiàn)、用戶交互響應(yīng)及抗干擾能力等關(guān)鍵參數(shù)。調(diào)試和測試過程采用標(biāo)準(zhǔn)化流程，分階段進(jìn)行、各項(xiàng)獨(dú)立驗(yàn)證，確保產(chǎn)品滿足量產(chǎn)交付標(biāo)準(zhǔn)。

第一階段為硬件基礎(chǔ)功能驗(yàn)證。使用示波器和多路萬用表對主控芯片供電電壓、外設(shè)模塊電源輸出、I2C通信總線電平、LCD驅(qū)動信號及蜂鳴器控制波形進(jìn)行逐項(xiàng)測試。確保主控芯片能正常啟動，外設(shè)模塊能穩(wěn)定供電，通信接口無干擾問題，蜂鳴器響應(yīng)及時(shí)、聲響持續(xù)時(shí)間可控。電源模塊重點(diǎn)測試三端穩(wěn)壓器AMS1117-3.3的輸出穩(wěn)定性、電壓紋波幅值及負(fù)載能力，驗(yàn)證系統(tǒng)能在不同溫度與電壓下維持穩(wěn)定供電。

第二階段為軟件功能調(diào)試。在Keil環(huán)境中通過J-Link下載程序并利用SWD調(diào)試接口進(jìn)行斷點(diǎn)觀察，逐步驗(yàn)證系統(tǒng)初始化流程是否完整，外設(shè)驅(qū)動庫是否加載正確。借助串口調(diào)試信息輸出功能，可監(jiān)控I2C通信時(shí)序是否正確，紅外溫度讀取數(shù)據(jù)是否符合MLX90614傳感器輸出規(guī)范。在LCD顯示調(diào)試中，檢查各類信息是否按設(shè)計(jì)格式排布、字體大小是否適配屏幕分辨率、單位切換及警示圖標(biāo)能否正確呈現(xiàn)。用戶交互部分則對按鍵中斷響應(yīng)是否靈敏進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)證，同時(shí)檢查狀態(tài)切換是否有誤觸和抖動問題。

第三階段為精度和一致性測試。將額溫計(jì)對準(zhǔn)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度源（如35°C、37°C、39°C等）并與標(biāo)準(zhǔn)接觸式電子體溫計(jì)進(jìn)行對比，每組測量進(jìn)行多次采樣，統(tǒng)計(jì)誤差范圍和標(biāo)準(zhǔn)偏差。測試數(shù)據(jù)應(yīng)保證在±0.2°C以內(nèi)變化，并且在相同測溫條件下多次測量值的一致性好于0.1°C，符合人體紅外測溫醫(yī)用級別的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。

第四階段為整機(jī)功耗與待機(jī)測試。在各項(xiàng)功能模式下分別測量系統(tǒng)整體電流消耗，包括上電初始化時(shí)、正常測溫循環(huán)時(shí)、按鍵交互切換時(shí)、背光開啟期間、蜂鳴器發(fā)聲期間、系統(tǒng)自動進(jìn)入待機(jī)后等典型場景。采用高精度電子負(fù)載儀配合電源分析軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)捕獲與記錄，并將待機(jī)電流控制在50μA以下，工作電流不超過25mA，符合便攜式產(chǎn)品超低功耗設(shè)計(jì)目標(biāo)。

第五階段為長期穩(wěn)定性與抗干擾測試。通過長時(shí)間運(yùn)行系統(tǒng)（如72小時(shí)不間斷測溫與休眠循環(huán)）監(jiān)測系統(tǒng)是否發(fā)生異常重啟、死機(jī)、數(shù)據(jù)錯(cuò)亂等現(xiàn)象。同時(shí)使用高頻干擾源（如手機(jī)射頻信號、ESD放電槍等）模擬外部電磁干擾，測試主控芯片、電源模塊與I2C通信鏈路在抗干擾能力上的表現(xiàn)，確保產(chǎn)品具備滿足CISPR和EMC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)能力。在高低溫環(huán)境箱中進(jìn)行冷熱循環(huán)測試（如-10°C至+50°C）檢驗(yàn)系統(tǒng)溫漂特性與工作穩(wěn)定性，并記錄不同溫度下傳感器讀數(shù)的修正系數(shù)，為后續(xù)軟件溫度補(bǔ)償功能提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

通過上述多階段調(diào)試與完整測試流程，確保每一臺非接觸紅外額溫計(jì)均具備準(zhǔn)確測溫、穩(wěn)定運(yùn)行、低功耗待機(jī)與良好用戶體驗(yàn)的綜合性能，為大規(guī)模生產(chǎn)和醫(yī)療級別使用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。