原标题：基于STM32红外非接触式额温枪的设计 MLX90614额温枪（原理图+PCB+程序+BOM）

基于STM32红外非接触式额温枪的设计：MLX90614额温枪原理图、PCB、程序与BOM详解

随着公共卫生需求的增长，非接触式红外测温技术因其高效、安全的特性被广泛应用于医疗、安防、工业检测等领域。本文以STM32F103C8T6微控制器为核心，结合MLX90614红外传感器，设计一款具备高精度、低功耗、易操作的额温枪，并详细阐述其硬件选型、电路设计、软件架构及BOM清单。

一、系统总体架构与功能需求

1.1 系统架构

额温枪的核心模块包括：

• STM32F103C8T6微控制器：负责数据采集、处理及外围设备控制。

• MLX90614红外传感器：测量目标物体表面温度。

• OLED显示屏：实时显示温度值及状态信息。

• 蓝牙HC-05模块：实现无线数据传输。

• 蜂鸣器与按键：提供报警提示及参数设置功能。

• 电源管理模块：采用18650锂电池供电，通过IP5306升压芯片实现3.3V/5V双电压输出。

1.2 功能需求

• 测温范围：-40℃~+85℃，精度±0.5℃（人体测温模式）。

• 响应时间：≤150ms。

• 报警功能：支持三段温度区报警（绿、蓝、红区），可自定义阈值。

• 数据传输：通过蓝牙模块将温度数据上传至手机APP。

• 用户交互：按键设置温度上限值，OLED显示实时温度及状态。

二、核心元器件选型与功能解析

2.1 主控芯片：STM32F103C8T6

• 选型理由：

• 资源丰富：内置512KB Flash、64KB RAM，支持I2C、SPI、UART等多种外设接口。

• 低功耗：支持待机、睡眠等多种低功耗模式，延长电池续航时间。

• 开发便捷：STM32CubeIDE提供完善的库函数支持，缩短开发周期。

• 功能作用：

• 通过I2C接口读取MLX90614的温度数据。

• 控制OLED显示屏刷新温度值及状态信息。

• 处理按键输入，实现温度阈值设置及报警逻辑。

• 通过蓝牙模块实现数据无线传输。

2.2 红外传感器：MLX90614

• 选型理由：

• 高精度：内置17位ADC及DSP单元，测温精度±0.5℃。

• 非接触式：避免交叉感染，适用于公共场所。

• 低功耗：典型工作电流≤1.1mA，支持SMBus/PWM双输出模式。

• 功能作用：

• 通过红外热电堆探测器测量目标物体表面温度。

• 将模拟信号转换为数字信号，通过I2C接口传输至STM32。

• 支持出厂校准，简化用户校准流程。

2.3 显示屏：0.96寸OLED

• 选型理由：

• 高对比度：自发光特性，无需背光，适合户外强光环境。

• 低功耗：典型工作电流≤20mA，延长电池续航时间。

• 接口简单：支持I2C/SPI接口，与STM32兼容性良好。

• 功能作用：

• 实时显示温度值、温度阈值及状态信息（如报警、蓝牙连接状态）。

• 支持自定义显示内容，提升用户体验。

2.4 蓝牙模块：HC-05

• 选型理由：

• 兼容性强：支持AT指令集，便于配置参数。

• 传输距离远：空旷环境下传输距离可达10米。

• 功耗低：典型工作电流≤30mA，适合手持设备。

• 功能作用：

• 将温度数据无线传输至手机APP，实现远程监控。

• 支持双向通信，接收手机APP发送的控制指令。

2.5 电源管理模块：IP5306升压芯片

• 选型理由：

• 高效率：转换效率≥90%，减少能量损耗。

• 多电压输出：支持3.3V/5V双电压输出，兼容STM32及外围设备。

• 保护功能：内置过流、过压、短路保护，提升系统可靠性。

• 功能作用：

• 将18650锂电池电压升压至3.3V/5V，为系统供电。

• 监测电池电量，通过OLED显示屏显示剩余电量。

2.6 蜂鸣器与按键

• 蜂鸣器：

• 选型理由：采用无源蜂鸣器，支持PWM调频，实现不同报警音调。

• 功能作用：温度超过阈值时发出报警声，提示用户。

• 按键：

• 选型理由：采用轻触开关，寿命长、响应快。

• 功能作用：设置温度阈值、切换显示模式及开关蓝牙功能。

三、硬件电路设计

3.1 MLX90614与STM32的I2C接口电路

MLX90614通过SMBus（类I2C）协议与STM32通信，电路设计需注意：

• 上拉电阻：SCL/SDA线需串联4.7kΩ上拉电阻，确保信号稳定性。

• 滤波电容：在VCC与GND之间并联0.1μF陶瓷电容，滤除高频噪声。

• ESD保护：在接口处添加TVS二极管，防止静电损坏。

3.2 OLED显示屏接口电路

OLED采用I2C接口，电路设计需注意：

• 电平匹配：STM32的I2C接口电压为3.3V，与OLED兼容。

• 背光控制：通过PWM信号调节背光亮度，降低功耗。

3.3 蓝牙模块接口电路

HC-05模块通过UART接口与STM32通信，电路设计需注意：

• 电平转换：若STM32工作电压为3.3V，需确保HC-05的逻辑电平与之匹配。

• 天线设计：采用PCB天线，减少体积并提升传输效率。

3.4 电源管理电路

IP5306升压芯片电路设计需注意：

• 输入滤波：在锂电池输入端并联10μF电解电容，滤除低频噪声。

• 输出滤波：在3.3V/5V输出端并联0.1μF陶瓷电容，提升电源稳定性。

• 电池保护：集成过充、过放保护电路，延长电池寿命。

四、软件架构与程序实现

4.1 软件架构

软件采用模块化设计，主要模块包括：

• 初始化模块：配置STM32的时钟、I/O端口、I2C/UART接口。

• MLX90614驱动模块：实现温度数据读取及转换。

• OLED显示模块：实现温度值及状态信息的实时显示。

• 蓝牙通信模块：实现温度数据的无线传输。

• 按键处理模块：实现温度阈值设置及功能切换。

• 报警逻辑模块：实现温度超限报警功能。

4.2 关键程序实现

4.2.1 MLX90614初始化与数据读取

#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; // 物体温度寄存器地址
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; // 转换为摄氏度
return temp;
}

4.2.2 OLED显示驱动

#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第一行显示温度
}

4.2.3 蓝牙通信驱动

#include "bluetooth.h"

void Bluetooth_Init(void) {
// 初始化蓝牙模块
// ...
}

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 报警逻辑

#include "buzzer.h"

void Check_Temperature(float temp) {
if (temp >= 38.5) {
Buzzer_Beep(10); // 连续鸣响10次
} else if (temp >= 37.5) {
Buzzer_Beep(5); // 连续鸣响5次
}
}

五、PCB设计与优化

5.1 PCB布局要点

• 信号完整性：将MLX90614的I2C信号线与高速信号线隔离，减少干扰。

• 电源分层：采用双层板设计，顶层为信号层，底层为电源层，提升电源稳定性。

• 散热设计：在STM32及IP5306芯片下方铺设大面积铜皮，提升散热效率。

5.2 抗干扰设计

• EMI滤波：在电源输入端添加磁珠及电容，滤除高频噪声。

• 接地处理：采用单点接地，减少地环路干扰。

• 屏蔽设计：在蓝牙模块周围添加屏蔽罩，减少辐射干扰。

六、BOM清单与成本分析

6.1 BOM清单

6.2 成本分析

• 核心元器件成本：STM32F103C8T6（￥8）、MLX90614（￥15）、OLED显示屏（￥5）、蓝牙模块（￥10）、IP5306（￥3），总计约￥41。

• 辅助元器件成本：电阻、电容、TVS二极管等总计约￥5。

• 总成本：约￥46（不含外壳及电池）。

七、测试与验证

7.1 功能测试

• 测温精度测试：使用标准水银体温计对比，误差≤±0.5℃。

• 响应时间测试：从按键触发到显示温度值，时间≤150ms。

• 报警功能测试：温度超过阈值时，蜂鸣器正常鸣响。

7.2 环境适应性测试

• 温度测试：在-20℃~+50℃环境下，测温精度及响应时间符合要求。

• 湿度测试：在相对湿度90%环境下，系统正常工作。

八、总结与展望

本文设计了一款基于STM32与MLX90614的非接触式额温枪，具备高精度、低功耗、易操作的特点。通过模块化设计及优化，系统在测温精度、响应时间及可靠性方面均达到预期目标。未来可进一步优化以下方面：

• 提升测温速度：采用更高性能的微控制器，缩短数据处理时间。

• 增加多模式功能：支持物体测温、环境测温等多种模式。

• 优化用户体验：增加语音播报、触摸屏等功能，提升操作便捷性。

通过本文的设计与实践，可为非接触式红外测温设备的开发提供参考，推动公共卫生技术的进步。