湖南省常德芷蘭實(shí)驗(yàn)學(xué)校 劉宸瑞 王南淞

一、研究背景

在新冠肺炎疫情下，體溫檢測(cè)是疫情防控的第一道關(guān)口。目前，紅外體溫檢測(cè)儀被應(yīng)用在公共場(chǎng)所，對(duì)辨別疑似病例發(fā)揮了重要作用。

但是，紅外體溫檢測(cè)儀只能近距離測(cè)溫，距離過遠(yuǎn)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，更不便于個(gè)人在小范圍內(nèi)快速隱蔽地測(cè)量體溫。

于是，我們?cè)O(shè)計(jì)隱蔽式非接觸體溫偵測(cè)與預(yù)警裝置，這種裝置可提醒人們?cè)诔鲂袝r(shí)遠(yuǎn)離疑似病例，防止病毒感染。

二、基本思路

利用各種傳感器、Arduino 模塊、振動(dòng)馬達(dá)和電源等組裝裝置，通過程序設(shè)計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，保證裝置測(cè)溫與預(yù)警的精準(zhǔn)性，幫助人們辨別新冠肺炎疑似病例，避免與他們接觸。

三、制作過程

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隱蔽式非接觸體溫偵測(cè)與預(yù)警裝置由三部分構(gòu)成。第一部分是感知系統(tǒng)，由紅外測(cè)溫傳感器、激光測(cè)距傳感器組成，實(shí)現(xiàn)溫度與距離的非接觸監(jiān)測(cè)；第二部分是控制系統(tǒng)，由Arduino 模塊與程序構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與處理，并向輸出設(shè)置發(fā)出控制指令；第三部分為警示系統(tǒng)，由振動(dòng)馬達(dá)與電源組成，實(shí)現(xiàn)報(bào)警與能源供應(yīng)。裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1

工作流程：將隱蔽式非接觸體溫偵測(cè)與預(yù)警裝置固定在眼鏡架上，開啟電源，左右擺動(dòng)頭部快速篩選高溫物體，如有發(fā)現(xiàn)立刻報(bào)警。

（二）制作樣機(jī)

我們?cè)诶蠋煹闹笇?dǎo)下一起制作隱蔽式非接觸體溫偵測(cè)與預(yù)警裝置。

1.3D 打印裝置盒，之后對(duì)3D 打印件進(jìn)行處理，方便安裝紅外模塊（如圖2）。

2.處理Arduino 模塊，以適應(yīng)3D 打印件的空間（如圖3）。

3.刮去漆包線上的漆，為焊接作準(zhǔn)備（如圖4）。

圖2

圖3

圖4

4.將Arduino 模塊、紅外測(cè)溫傳感器、激光測(cè)距傳感器、振動(dòng)馬達(dá)、3.7V鋰電池和微型開關(guān)等組裝在一起。

（三）程序設(shè)計(jì)

程序控制模塊由Arduino 微處理芯片、紅外測(cè)溫傳感器和激光測(cè)距傳感器組成，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)溫、測(cè)距，并通過程序設(shè)計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

紅外測(cè)溫傳感器測(cè)得的溫度會(huì)隨自身與被測(cè)物體的距離變化而變化，與被測(cè)物體距離越遠(yuǎn)，其顯示的值越小，所需補(bǔ)償?shù)臏囟戎稻驮酱?。我們通過用紅外體溫檢測(cè)儀測(cè)溫來了解測(cè)得的溫度與距離之間的關(guān)系（如圖5）。

然后，我們利用米思齊可視化編程平臺(tái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。

圖5

圖6

四、測(cè)試效果

我們把隱蔽式非接觸體溫偵測(cè)與預(yù)警裝置裝在眼鏡架上（如圖7），然后進(jìn)行效果測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，測(cè)溫探頭離被測(cè)目標(biāo)越遠(yuǎn)，讀數(shù)越小，精確度不如水銀體溫計(jì)和電子體溫計(jì)。

圖7

于是，我們嘗試通過距離對(duì)溫度值進(jìn)行補(bǔ)償。經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證紅外測(cè)溫傳感器測(cè)得的溫度隨距離變化而變化，但這種變化沒有規(guī)律，無法通過距離進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

五、改進(jìn)設(shè)計(jì)

（一）改進(jìn)思路

隱蔽式非接觸體溫偵測(cè)與預(yù)警裝置由紅外測(cè)溫傳感器、凸透鏡組、Arduino 模塊、振動(dòng)馬達(dá)和電源組成，利用凸透鏡成像原理，保持遠(yuǎn)紅外線在不同距離情況下導(dǎo)入紅外測(cè)溫傳感器的光線量一致，降低距離對(duì)溫度檢測(cè)精度的影響，并通過程序設(shè)計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，保證其精準(zhǔn)性。

（二）凸透鏡光學(xué)溫度補(bǔ)償原理

當(dāng)物距大于2 倍焦距時(shí)，像距在1 倍焦距和2 倍焦距之間，成倒立、縮小的實(shí)像，此時(shí)像距小于物距，像比物小，物像異側(cè)。

被測(cè)物體越遠(yuǎn)，所成實(shí)像越接近1 倍焦距。被測(cè)物體越近，所成的實(shí)像越接近2 倍焦距。而紅外測(cè)溫傳感器感應(yīng)頭位置固定，紅外光線攝入量保持不變，所測(cè)得的溫度值也保持不變。

（三）作品構(gòu)造

改進(jìn)后的隱蔽式非接觸體溫偵測(cè)與預(yù)警裝置由三部分構(gòu)成。第一部分是感知系統(tǒng)，由紅外測(cè)溫傳感器、凸透鏡組組成，實(shí)現(xiàn)溫度與距離的非接觸監(jiān)測(cè)；第二部分是控制系統(tǒng)，由Arduino 模塊與程序構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與處理，并向輸出設(shè)置發(fā)出控制指令；第三部分為警示系統(tǒng)，由振動(dòng)馬達(dá)和電源組成，實(shí)現(xiàn)報(bào)警與能源供應(yīng)。裝置結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8

（四）程序設(shè)計(jì)

程序控制模塊由Arduino 微處理芯片、紅外測(cè)溫傳感器和振動(dòng)馬達(dá)組成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)溫，并通過程序設(shè)計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。程序設(shè)計(jì)流程如圖9 所示。

圖9

改進(jìn)后的隱蔽式非接觸體溫偵測(cè)與預(yù)警裝置如圖10，我們把它固定在眼鏡架的一側(cè)，如圖11。

圖10

圖11

借助這個(gè)裝置，我們可以快速地從人群中篩選出那些體溫超過正常值的人，避免病毒感染。

六、創(chuàng)新點(diǎn)

隱蔽式非接觸體溫偵測(cè)與預(yù)警裝置小巧，裝在眼鏡架上，能隨頭部擺動(dòng)測(cè)溫，十分便利。

這個(gè)裝置利用凸透鏡成像原理自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)溫，解決紅外體溫檢測(cè)儀不能遠(yuǎn)距離測(cè)溫的問題。同時(shí)能快速篩選高溫人群，并振動(dòng)報(bào)警，方便使用者不動(dòng)聲色地遠(yuǎn)離疑似體溫異常者。

老師推薦：

作者關(guān)注社會(huì)熱點(diǎn)，緊跟時(shí)代潮流，利用光學(xué)原理巧妙設(shè)計(jì)出隱蔽式非接觸體溫偵測(cè)與預(yù)警裝置，方便使用者遠(yuǎn)離體溫超過正常值的人，防止病毒交叉感染。他們運(yùn)用的發(fā)明方法與原理值得中小學(xué)生借鑒。