全國高級中等學校專業群科109年專題製作競賽專題組-校園額溫槍

全國高級中等學校專業群科

109 年

專題及創意製作競賽

「專題組」作品說明書封面

群別：電機與電子群

作品名稱：校園額溫槍

關鍵詞：額溫槍、紅外溫度感測器

說明：

1.應遵守電機與電子群競賽作品說明書複賽規格製作，請參照本範

例。

2.封面僅可包含群別、參賽作品名稱及關鍵詞。

3.除規定文字外，參賽學生可自行設計說明書封面。

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-目錄-

壹、摘要………2

貳、研究動機………2

参、主題與課程之相關性或教學單元之說明………2

肆、 研究方法與過程

(1)、控制流程圖………3

(2)、採用零件清單………3

(3)、研究原理介紹………3

(4)、硬體架構電路………7

(5)、程式說明………11

伍、研究結果………13

陸、討論………14

柒、結論………15

捌、參考資料及其他………15

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壹、摘要

本產品名稱是「校園額溫槍」，利用醫療用測溫集成輻射紅外探頭溫度 感測器MLX90615 作為主要元件的專題製作。利用二年級單晶片課程、程 式專題實習實作經驗，設計具數字顯示、聲音警示、開關功能切換、利用 ATMega328 IC 簡化電路與包裝設計，參考老師建議以醫療用感測元件作 為主要元件，經實際校正後檢測，量測誤差介於正負 0.5 度間，可以作為 學校或班級因為體溫計不足之初步快篩，如果體溫超過37.5 度，盡快送至 健康中心作最後檢測。

貳、 研究動機

我們這個研究是因為 2019 冠狀病毒病(COVID-19 武漢肺炎)疫情擴散， 台灣許多醫療用品都供不應求，例如：口罩、酒精、消毒水、額溫槍等… 此情況導致我們國人健康受到嚴重的影響。而額溫槍之所以常用的原因是 因為它非接觸、方便快速、衛生，特別適合快速檢測體溫的時候使用。因 為進入學校都要量測體溫因此發想設計。

參、主題與課程之相關性或教學單元之說明

隨著感測元件多元發展、Arduino 應用普及，對於感測元件所測得數據 越來越精準，利用課堂老師所講授各種感測元件原理，運用 Arduino 去控 制某一項物品做某件事等實際案例操作經驗。結合高二單晶片實習、程式 設計專題實習與務聯網實習課程，組員們分工合作，由學長領導3 位學弟 在討論主題時想到溫溼度感測器，運用 Arduino 所學與電子學濾波與開關 控制、數字顯示與聲音警示電路，經由老師糾正指導，由麵包版初步製作， 到電路設計確定，完成電路雕刻與包裝設計。配合專題製作的課程，我們 將研習所學與上課課程結合，專題製作這堂課上教了 Arduino 物聯網進階 技術與ATMega328 電路設計，將所學過的知識藉由這個作品串聯起來。

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肆、研究方法與過程

一、控制流程

二、採用零件清單

元件 數量 元件 數量 小型雙切開關 2 330Ω(1/4W)限流電阻 8 3 號電池盒*3 1 1KΩ(1/4W) 1 Buzzer 有源蜂鳴器 1 10KΩ(1/4W) 4 9013 電晶體 1 100KΩ 可調電阻 1 MLX90615 溫度感測器 1 按鈕開關 1 石英晶體 16MHz 1 ATMEGA328P IC 1 20p 陶瓷電容 2 共陰 4 位元七段顯示器(小) 1 0.1uF 陶瓷電容 1 排針 2

三、研究原理介紹

(一)、

MLX90615 原理： 1. MLX90615 又稱為醫療用測溫集成輻射紅外探頭溫度感測器，基於 傳統紅外輻射熱釋電方法集成模數轉換數字控制與輸出，為I2C(積 體電路匯流排)串列通訊界面，將複雜的校準修正算法融入積體電 路，使得傳統模擬電荷輸出的熱釋電感測器，具備了數字讀取的非 接觸測溫功能。而通過校準後的感測器，可測量範圍內在－20 至 115 度，解析度可達到 0.02 度。MLX90615 更在人體溫度 30-40 度 範圍保證高於0.1 度的精度，具備精準醫療測溫能力。

- 4 - 2. 熱釋電(Pyroelectric)原理：熱釋電效應為極化強度隨溫度改變而表 現出的電荷釋放現象，也就是溫度的改變是在材料的兩端出現電壓 或產生電流。熱釋電效應與壓電效應類似，熱釋電效應是晶體的一 種自然物理效應。對於具有自發式極化的晶體，當晶體受熱或冷卻 後，由於溫度的變化(△T)而導致自發式極化強度變化(△Ps)，從而 在晶體某一定方向產生表面極化電荷的現象稱為熱釋電效應。關係 為：△Ps=P△T △Ps：自髮式極化強度變化量 △T：溫度變化 P：熱釋電係數 3. 熱釋電體，又稱熱電元件，如果在熱電元件兩端並聯上電阻，當元 件受熱時，則電阻上就有電流流過，在電阻兩端也能得到電壓信號。 熱釋電效應在近 10 年被用於熱釋電紅外探測器中，廣泛地用於輻 射和非接觸式溫度測量、紅外光譜測量、雷射參數測量、工業自動 控制、空間技術、紅外攝像中。 4. MLX90615 紅外測溫晶片，簡化模擬前端電路設計無需再增加額外 的運算放大器及ADC 模數轉換器，憑藉 MLX90615 內部集成積體 電路的低噪聲放大器、高解析度 16 位元 ADC 和功能強大的 DSP 單元，可直接將數位訊號送入微控制器(Arduino)，通過雙線制串列 SMBus 兼容協議（解析度為 0.02°C）或 10 位元 PWM（脈波寬度 調變）信號進行處理，整個監測裝置的設計得到了極大的簡化，更 方便設計。 圖1 MLX90615 元件連接圖

(二)、ATMEGA328P-PU 微控制器介紹：

這是一顆八位元AVR 精簡指令型微控制器，擁有 32KB ISP 具備寫入 同時讀取能力的快閃記憶體 FlashROM。1KB 的電氣可抹除唯讀記憶體 EEPROM。2KB 隨機存取記憶體 SRAM。23 個通用輸出輸入線。32 個通

- 5 - 用工作暫存器。三個具備比對能力的計時計數器。內部與外部中斷。可程 式化的通用非同步收發串列介面(UART)。一組位元組導向的兩線式 I2_{C 串} 列介面。一組SPI 串列埠。6 通道 10 位元類比數位轉換器(TQFP 及 QFN/MLF 包裝中只有8 通道)。一組具有內部震盪器的可程式化看門狗計時器。五組 可選擇的功率節約模式。這個單晶片的工作電壓運作在 1.8V-5.5V 之間。 這個單晶片運作效能達到每百萬赫茲(Hz)有 1 MIPS。ATmega328P-PU 為 低功率消耗元件。常做為Arduino Uno 板的微控制器。

圖 2 ATMEGA328P 與 Arduino Uno 板接腳對應

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(三)、ATMEGA328P-PU ISP 燒錄：

一般市售 ATmega328P-PU 晶片，裡頭空空的，需要定義腳位，沒有 Arduino 的 bootloader 也沒有任何 sketch。所以必須利用 Arduino Uno 板， 讓它化身成一台 ISP 燒錄器；把 ATmega328P-PU 放上麵包板，燒錄電路 如圖 4，便可從主機電腦透過 Arduino Uno 板、將 bootloader 或 sketch 燒錄 到麵包板的ATmega328P-PU 晶片裡。

圖 4 ATMEGA328P ISP 燒錄電路圖與市售燒錄器

本實作若用 Arduino Uno 完成，缺點是成本較高且體積較大，解決方 式就僅利用 Arduino Uno 的核心 ATmega328P-PU 晶片，沒有 Arduino 的 bootloader 啟動載入，bootloader 是定義韌體腳位與程式碼開始執行位置， 所以一定要先完成，當 bootloader 完成，可購買市售圖 5DIP 版，直接將 Arduino Uno 板當作燒錄器，若是圖 5SMD 版，則需將 Arduino Uno 板當 做一台ISP 線上燒錄器。

- 7 - 燒錄步驟如下說明： 1. 依序選擇『檔案 → 範例 → 11.ArduinoISP → ArduinoISP』，利用 『工具』設定如圖 6 紅框內選項，然後按 按鈕，當底部看到 『上傳完畢』即可，目的是將 Arduino 當成線上燒錄 ISP 的板子 (圖 4 可以先不接) 2. 將圖 6 電路連接，依序選擇『工具 → 燒錄器 → Arduino as ISP』 (千萬不要選擇 ArduinoISP，兩者都不同，as 是指『當成』) 3. 依 序 選 擇 『 工 具 → 燒 錄 Bootloader 』， 底 部 會 顯 示 ， 當 底 部 可 以 看 到 訊息，表示 bootloader 已經燒錄成功。 4. 點 擊 MLX90615to7SEG.ino 或 其 他 AX 範 例 檔 案 ， 重 新 開 啟 Arduino，一定要按『草稿碼 → 以燒錄器上傳』，若又按 按鈕， 程式其實是上傳到UNO 喔！ 圖 6 步驟 1 設定畫面與步驟 2 設定畫面 圖 7 步驟 4 設定畫面

(四)、硬體架構電路：

每個有熱量的物體一定有所謂的紅外線輻射，那麼這台額溫槍就是把 紅外線感測器所探測到的熱量轉換成電子訊號，並經由電晶體去做放大， 再來由控制 IC 讀取訊號，接著程式會將讀進來的訊號做出運算以及判斷， 運算後的結果會輸出在七段顯示器上面，七段顯示器顯示的數值就是結果， 是以攝氏溫度運算的。當開關被按下去時，程式會判斷開關已被按下，蜂 鳴器會發出嗶一聲，如果受測者溫度大於 37.5 度，程式會判斷這個人可能 有發燒，並通知蜂鳴器嗶一個 3 秒的長音，跟一般情況下做一個區別。

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圖 8 電路架構圖

圖 9 以 ATmega328P-PU 晶片設計之校園額溫槍電路圖

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Arduino Uno 與 ATMEGA328 腳位對應如下： (單獨使用 ATMEGA328 需搭配震盪電路如下 4~7)

1. Arduino 的 數 位 D0~D7 分 別 對 應 到 ATMEGA328 的 pin2(a),3(b),4(SCL),5(SDA),6(c),11(d),12(e),13(f)

2. Arduino 的 數 位 D8~D13 分 別 對 應 到 ATMEGA328 的 pin14(g),15(.),16(D0),17(D1),18(D2),19(D3)

3. Arduino 的類比 A0~A5 分別對應到 ATMEGA328 的 pin23(可調電阻 ),24,25(Buzzer),26,27(SW),28(按鈕) 4. pin1：接限流電阻 10K → Vcc (Reset 腳位) 5. pin7：Vcc 6. pin8：GND 7. pin9、10 接 16MHz 石英晶體震盪 OSC，同時並接 20p 陶瓷電容 到 GND

1.MLX90615 紅外線溫度感測器

MLX90615 硬體連接方式是採用 I2C（Inter-Integrated Circuit 積 體電路匯流排）介面，Serial Clock Line 串列時鐘線 SCL 負責產生同步 時鐘脈衝，Serial Data Line 串列資料線 SDA 負責傳輸串列資料，腳位底 視圖與電路圖如圖 11。兩隻接腳與 ATMEGA328P 溝通，圖中的兩顆 10K 電 阻是當做上拉電阻。 圖11 MLX90615 紅外線溫度感測器

2.蜂鳴器

這個電路是使用 NPN 電晶體共射極模組，使電晶體達到飽和區來當 作開關。有源蜂鳴器(內含震盪源)，只須加上電壓訊號就會發聲，發出聲音 單一，頻率固定。無源蜂鳴器，無正負極之分類似喇叭，輸入不同頻率可 產身不同音調。

- 10 - 圖 12 蜂鳴器

3.開關電路、按鈕電路、可變電阻電路

(1)兩段式開關(左)：開關往上撥和電源導通(高準位，量測額溫)，往下 撥和地導通(低準位，接觸溫度)，這個電路是用來切換溫度感測模 式，透過程式判斷腳位(27)電位高低。 (2)按鈕(中)：這個電路目的是用在測量額溫時的確定按鈕，當未按下， 七段顯示器會一直閃爍顯示環境溫度，按下表示量測確定，七段顯示 器的數字停止跳動呈現定值。 (3)可變電阻(右)：這個電路是分壓電路，根據歐姆定理 V=IR，電阻越大 分到的電壓越大，再透過腳位(23)類比讀值轉換，這個電路的用意是 調整讀取溫度的誤差值。 圖 13 兩段式開關(左)、按鈕(中)、可變電阻(右)

- 11 -

(五)、程式說明：

行 號 MLX90615to7SEG.ino 程式碼 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 #include "MLX90615.h" // 匯入 MLX90615 模組資料庫

#include <I2cMaster.h> // 匯入 I2C 模組資料庫

#define SDA_PIN 3 // 定義 SDA 腳位連接到 D3

#define SCL_PIN 2 // 定義 SCL 腳位連接到 D2

SoftI2cMaster i2c(SDA_PIN, SCL_PIN); // I2C 初始化

MLX90615 mlx90615(DEVICE_ADDR, &i2c); // MLX90615 初始化

int aa,i,b,jj,j,number,count=0;

//---定義 0~9 字型---

const byte num[10]={ B11000000, //0 B11111001, //1 B10100100, //2 B10110000, //3 B10011001, //4 B10010010, //5 B10000010, //6 B11111000, //7 B10000000, //8 B10010000}; //9

const int seg[]={0,1,4,5,6,7,8,9}; // abcdefgp 腳位分別連接到 D0,D1,D4,D5,D6,D7,D8,D9

const int digit[]={10,11,12,13}; // D0-D3 共用腳位分別連接到 D10,D11,D12,D13 //---各腳位初始定義--- void setup() { for(i=0;i<8;i++) pinMode(seg[i],OUTPUT); pinMode(A2,OUTPUT); // Buzzer 有源蜂鳴器 digitalWrite(A2,0); // 關閉 Buzzer for(i=0;i<4;i++) { pinMode(digit[i],OUTPUT); digitalWrite(digit[i],HIGH); // 共陰七段顯示器共用腳為 HIGH，所以全部熄滅 delay(30); } //mlx90615.writeEEPROM(Default_Emissivity);

//write data into EEPROM when you need to adjust emissivity 發射率.

//mlx90615.readEEPROM(); //read EEPROM data to check whether it's a default one.

} //---主程式開始--- void loop() { if ( digitalRead(A5)==HIGH) // 當測試按鈕沒有按下，執行第 42~51 行程式，反覆監測溫度 { if(digitalRead(A4)==LOW) // 模式選擇，SW 往上為測量『額溫』 { b=analogRead(A0)/10; // 讀取可調電阻分壓類比讀值，用來修正因距離產生的溫度差 aa=(mlx90615.getTemperature(MLX90615_OBJECT_TEMPERATURE))*10+b;} // 物件溫度 else // 模式選擇，SW 往下為測量『接觸溫度』，不做修正 { aa=(mlx90615.getTemperature(MLX90615_AMBIENT_TEMPERATURE))*10;} // 周圍溫度 for(i=0;i<4;i++){digitalWrite(digit[i],HIGH);} // 七段暗 30ms delay(30); // 造成閃爍狀態，表示目前正在持續監測溫度 for(jj=0;jj<8;jj++) { disp(); }

- 12 - 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 } else // 當測試按鈕按下，執行第 53~68 行程式，以鎖定溫度顯示，以便觀察 { if(digitalRead(A4)==LOW) // 模式選擇，SW 往上為測量『額溫』 { b=analogRead(A0)/10; // 讀取可調電阻分壓類比讀值，用來修正因距離的溫度差 aa=(mlx90615.getTemperature(MLX90615_OBJECT_TEMPERATURE))*10+b; } else // 模式選擇，SW 往下為測量『接觸溫度』，不做修正 { aa=(mlx90615.getTemperature(MLX90615_AMBIENT_TEMPERATURE))*10;} digitalWrite(A2,1); delay(111); digitalWrite(A2,0); // 蜂鳴器叫 0.1 秒提醒

if (aa>375) { digitalWrite(A2,1); } // 當讀值大於 37.5 度，蜂鳴器持續發出警示聲響

for(jj=0;jj<111;jj++) { disp(); } // 七段繼續顯示溫度約 1 秒

digitalWrite(A2,1); delay(111); digitalWrite(A2,0); // 蜂鳴器叫 0.1 秒提醒後停止

for(jj=0;jj<666;jj++) // 七段繼續顯示 9 秒，並判斷是否按下按鈕，以提前解除鎖定

{ disp(); if(digitalRead(A5)==LOW) {delay(33); goto aa0;} }

digitalWrite(A2,1); delay(111); digitalWrite(A2,0); // 9 秒之後，蜂鳴器叫 0.1 秒

aa0： if(digitalRead(A5)==LOW) { delay(33); goto aa0; } // 按鈕放開，才會往下執行

delay(111); } } //---七段顯示器掃瞄副程式--- void disp() { number=aa*10; for(i=3;i>=0;i--) { for(j=0;j<8;j++) { if(bitRead(num[number%10],j)) digitalWrite(seg[j],LOW); else digitalWrite(seg[j],HIGH); } digitalWrite(digit[i],LOW); digitalWrite(13,1); // 使七段最後位數遮沒

if (number%10==0 & i==0) {digitalWrite(digit[i],HIGH);} // 千位數=0，使七段遮沒

if (i==1) { digitalWrite(seg[7],HIGH); } // 小數點點亮

if (aa<0 & i==3) {

for(j=0;j<8;j++) { digitalWrite(seg[j],LOW); } digitalWrite(digit[i],LOW); // a-g 遮沒

}

delay(3); digitalWrite(digit[i],HIGH); number=number/10; // 使七段共陰腳遮沒

} }

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伍

、

研究成果

當電源開啟後，七段顯示器數字會閃爍，代表正在反覆偵測目前 環境溫度，感測元件與額頭或太陽穴建議保持 0.5~1 公分距離，當按下按 鈕開關會鎖定資料，蜂鳴器Bi 一聲通知，此時七段顯示器不閃爍，經 過1 秒後再 Bi 一聲，表示可以測試下一位，但是要再次按下按鈕開關， 提前解除顯示鎖定，若都不按，則超過10 秒也會 Bi 一聲通知自動解除， 繼續反覆偵測目前環境溫度，七段顯示器又開始閃爍。由於額溫會跟實際 體溫相差1°C 左右，所以當超過37.5°C 代表可能發燒，會持續發出 3 秒鐘 警示聲提醒，不妨多做幾次確認，或另外使用耳溫槍確認較佳。 外觀與元件功能說明： 電源開關(往上 OFF、往下 ON) 測試按鈕開關(鎖定資料 10 秒) 可調電阻，校正溫度用(當距離越遠，測試溫度偏低) 模式選擇，往上為測量『額溫』、往下為測量『接觸溫度』 MLX90615 紅外測溫度感測元件 Buzzer 有源蜂鳴器 (超過 37.5°C 發出警示聲，代表可能發燒) Atmega328 控制 IC (亦可直接使用 Arduino UNO 板)

四位元七段顯示器(共陰)





A4



A5







缺

口

朝

上





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陸、討論

一、 對於額溫槍使用設定，我們在專題設計了各種假設，也寫了不同版 本程式設計，已被不同需求，如下表一： 表一 不同版本程式設計 按鈕沒按 超過溫度 【不叫】 按鈕沒按 超過溫度 【會叫】 功 能 說 明 MLX9015 A0 MLX9015 A3 按一下叫一聲，鎖定一秒後再叫一聲，再 按不叫，直接進入測量狀態，不按則九秒 後再叫一聲，重新進入測量狀態 MLX9015 A1 MLX9015 A5 按一下叫一聲，鎖定不動，待再按之後叫 兩聲，重新進入測量狀態 MLX9015 A2 MLX9015 A6 按一下叫一聲，鎖定一秒後叫兩聲，繼續 鎖定九秒後叫三聲，進入測量狀態，九秒 期間再按，則叫三聲之後，重新進入測量 狀態 備註 A3~A6 較適合大量學生湧入快速篩選，若有疑似再另外 確認。 二、 一般額溫會容易受周圍環境溫度影響，例如當寒流來襲時，若剛進 入校園前就立刻量測，溫度會偏低許多，即使是使用市售的額溫槍， 也會因為溫度過低而顯示不出來，此時解決方式是量測最接近身體 的脖子或手心較佳，而測量的遠近，也會影響讀值，距離越遠，則 顯示的溫度越低，所以建議以 0.5~1 公分最佳，亦可自行調整可調 電阻，以達更精確的溫度，不過每次測試應與額頭或脖子距離固 定或同一點量測，已達更精確穩定的溫度。 三、 為求更精確與更穩定的量測結果，建議將感測器加上測量嘴，有利 於有效收集紅外輻射，減少環境溫度干擾；或加上超音波測距，更 精確固定距離。 圖14 測量嘴示意圖與各種量測值發燒標準

測量嘴

- 15 - 四、 為求量測溫度精準，我們使用 3 支相同品牌額溫槍做量測與校正， 經校正後，實際測量誤差量介於正負 0.5 度間(誤差甚至更低)，可以 作為學校或班級因為非接觸式體溫計不足之初步快篩，如果體溫超 過37.5 度，盡快送至健康中心作最後檢測。 五、 對於包裝設計我們一開始是到文具行購買收納盒，雖然便宜但尺寸 較大。所以，老師找機械科老師一起跨域設計，將尺寸縮小變得精 美小巧，方型外殼跟市面不同，未來如果將電路板設計縮小，應該 能夠更攜帶。

柒、結論

我們所製作的額溫槍同時兼顧到精準度及低成本，對於疫情嚴重的當 下，額溫槍缺貨，能夠讓各個地方使用是再好不過的，誰也不曉得疫情什 麼時候才能平緩下來，多準備點防疫物資是正確的事。 雖然我們使用醫療用感測器做出額溫槍並實驗準確量測，但是它並非 醫療用品，必須經醫療檢測單位檢測通過，才能稱之額溫槍。但我們希望 讓更多人看見與簡單量測，對於那些有學過電子電機或資訊相關背景的人， 可以試著實際做看看，程式碼及電路圖都上傳至網路上，所有人都可下載， 測量是否體溫過高作為初步篩檢，為社會盡一份心力，防疫不能有漏洞。 下載點 https：//drive.google.com/drive/u/1/folders/1qY_JUCXElUhcp4WEvx-hg0jx6WII3Ke8

捌、附錄

參考書本 1.Arduino 微控智學創新（第二版）作者：張義和.程兆龍.出版社：新文京

- 16 - 2.8051 入門：C 語言輕鬆學 作者：楊明豐.出版社：碁峰 3.電子學課本第二冊 作者：徐慶堂.黃天祥.出版社：台科大 4.Arduino 微電腦應用實習 作者：施士文.出版社：台科大 5.Arduino 最佳入門與應用 作者：楊明豐.出版社：碁峰 參考網址 1.打破傳統！傳感晶片在智能硬體中還能這樣使用？ 原文網址：https://kknews.cc/design/ypmekea.html 2017-12-20 由 電子設計 圈發表于設計 2.華人百科 熱釋電效應 2020.02.20 https://www.itsfun.com.tw/%E7%86%B1%E9%87%8B%E9%9B%BB%E6%9 5%88%E6%87%89/wiki-0875985