【正文】 片上。就其組成和功能而言，一塊單片機芯片就是一臺計算機。單片機的特點有這些：集成度高、體積小、可靠性高；極強的控制功能；低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；外部總線增加了I2C、SPI等串行總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡化了結(jié)構(gòu)；單片機的系統(tǒng)擴展、系統(tǒng)配置典型、規(guī)范，容易實現(xiàn)各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。單片機的應(yīng)用非常廣泛，在智能儀表、機電一體化、實時控制、分布式多機系統(tǒng)以及人們的生活中均有用武之地。利用單片機的智能性和傳感器的精確性，可方便地實現(xiàn)溫度檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了AT89C51芯片，LM324芯片，LCD12864顯示屏,ADC0804芯片，ANTOTP538U紅外傳感器，完成紅外測溫的功能。設(shè)計采用了紅外線測體溫的原理：物體因其自身的溫度不同，便會發(fā)射出不同波長的紅外線輻射能力，這個值是相對穩(wěn)定的。將被測物體發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，紅外線輻射能量的大小與物體本身的溫度是相關(guān)的，根據(jù)轉(zhuǎn)變成的電信號的大小，就可以確定物體的溫度。本設(shè)計利用這個原理，通過紅外傳感器進(jìn)行體溫測量，紅外傳感器將收集到的被測物體的紅外線轉(zhuǎn)換成電信號，電信號被放大后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號送入單片機，單片機將接受到的信號送到顯示電路顯示。此外，本設(shè)計還增加了超溫報警功能，當(dāng)被測物體溫超過50度時，LED燈亮的同時蜂鳴器蜂鳴報警。： 系統(tǒng)總體設(shè)計圖第2章 紅外測溫儀的原理和性能分析 紅外基本理論地球上所有物體，當(dāng)它的溫度高于絕對零度時候，都會一直向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其波長的分布——都與這些物體表面的溫度有著非常緊密的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，我們就可以準(zhǔn)確地測量它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀原理。 黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1。應(yīng)該指出，自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點，故稱黑體輻射定律。物體發(fā)射率對輻射測溫的影響：自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體。所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實際物體，必須引入一個與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數(shù)值之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。影響發(fā)射率的主要因素在：材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等。當(dāng)用紅外輻射測溫儀測量目標(biāo)的溫度時首先要測量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測溫系統(tǒng)計算出被測目標(biāo)的溫度，用公式可表達(dá)為： 式()E是輻射出射度．單位是W／m3；δ是斯蒂芬一波爾茲曼常數(shù)，5．67x108W／（m2K4）；ε是物體的輻射率；T是物體的溫度（K）；To是物體周圍的環(huán)境溫度（K）。利用這個原理制成的溫度測量儀表叫紅外溫度儀表。這種測量不需要與被測對象接觸，因此屬于非接觸式測量。在不同的溫度范圍，對象發(fā)出的電磁波能量的波長分布不同，在常溫（0～100℃）范圍，能量主要集中在中紅外和遠(yuǎn)紅外波長。用于不同溫度范圍和用于不同測量對象的儀表，其具體的設(shè)計也不同。根據(jù)式（）的原理，儀表所測得的紅外輻射為： 式() 式中：為光學(xué)常數(shù)，與儀表的具體設(shè)計結(jié)構(gòu)有關(guān)；為被測對象的輻射率；為紅外溫度計的輻射率；為被測對象的溫度（K）；為紅外溫度計的溫度（K）；它由一個內(nèi)置的溫度檢測元件測出。 基爾霍夫定律出射輻射能與吸收輻射能的一致性。輻通量：單位時間內(nèi)通過某一截面的輻射能，又稱輻射功率，SI單位為瓦。光譜吸收率；表示物體對輻射到其上的輻通量可吸收的比例。 式() 式中， 為被物體吸收的輻通量； 為照射到物體單位面積上的輻通量。：黑體——能全部吸收輻射到其上能量的物體（理想）。：黑體——只能部分吸收輻射到其上能量的物體（實際）?；鶢柣舴蜃C明了：輻射出射度從輻射源表面單位面積發(fā)射出的輻通量，某一特定波長的輻射出射度稱為單色輻射出射度。 物體的單色輻射出射度與單色吸收比的比值為一普適函數(shù) 式()與溫度和波長有關(guān)系。熱平衡時物體向四周的輻射功率等于它能吸收的功率： 式()其中，為黑體在溫度為T時的光譜輻射射出射度。 為非黑體在溫度為T時的光譜輻射射出射度。 式()基爾霍夫定律：在同樣的溫度下，各種不同物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，并等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。 光譜發(fā)射率： ：實際物體與黑體在溫度T時的光譜輻射出射度之比。 式()結(jié)論： 式()則物體的光譜發(fā)射率等于其光譜吸收率。吸收輻射能力強的物體，受熱后向外輻射的能力也強。 斯忒潘—玻耳茲曼定律斯忒潘—玻耳茲曼定律: 物體輻射出射度與溫度間的關(guān)系。溫度為T的絕對黑體，單位面積元在半球方向上所發(fā)射的全部波長的輻射出射度與溫度T的四次方成正比。 式()對于非黑體的一般物體： 式()式中：為溫度為T時全波長范圍的材料發(fā)射率，也稱為黑度系數(shù)。 為斯忒潘—玻耳茲曼常數(shù)， T為物體的熱力學(xué)溫度?？偟膩碚f，測溫范圍、顯示分辨率、精度、工作環(huán)境溫度范圍、重復(fù)性、相對濕度、響應(yīng)時間、電源、響應(yīng)光譜、尺寸、最大值顯示、重量、發(fā)射率等都是紅外線測溫儀的性能指標(biāo)。1）確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀最重要的一個性能指標(biāo)。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。 2）確定目標(biāo)尺寸：紅外測溫儀根據(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。對于單色測溫儀，在進(jìn)行測溫時，被測目標(biāo)面積應(yīng)充滿測溫儀視場。否則背景會干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。 3）確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）：距離系數(shù)由D：S之比確定，即測溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與被測目標(biāo)直徑之比。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測溫儀。光學(xué)分辨率越高，測溫儀的成本也越高。 4）確定波長范圍：目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應(yīng)波長對于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。 5）確定響應(yīng)時間：響應(yīng)時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)。 6）信號處理功能：鑒于離散過程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過程不同，所以要求紅外測溫儀具有多信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。 7）環(huán)境條件考慮：測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。 8）紅外輻射測溫儀的標(biāo)定：紅外測溫儀必須經(jīng)過標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測目標(biāo)的溫度。紅外測溫技術(shù)的關(guān)鍵是檢測數(shù)據(jù)結(jié)果的真實性和可靠性，判斷缺陷部位的準(zhǔn)確性和合理性。所以，要求從事該項技術(shù)的工作人員，必須了解和掌握影響紅外測溫的精度和可靠性等因素及相應(yīng)對策。影響紅外測溫的因素有很多，如大氣影響、測試背景影響、物體輻射率的影響、距離系數(shù)的影響、工作波長區(qū)域范圍的影響和瞬時視場角的影響等。(1)大氣吸收影響在紅外輻射的傳輸過程中，由于大氣的吸收作用總要受到一定的能量衰減。大氣吸收時，使一部分紅外輻射能量變成其它形式的能量，成另一種光譜分布。在接近地面　的大氣中，吸收紅外線的氣體主要是水蒸汽和二氧化碳。輻射能量在大氣吸收中的衰減程度可由大氣模式補償，此模式可計算出大氣的吸收度與物體距離、相對溫度及大氣溫度的反應(yīng)關(guān)系，但目前大多數(shù)紅外測溫儀沒有作如此補償，以致造成誤差。因此，在室外進(jìn)行紅外測溫診斷時，應(yīng)在無雨、無霧、空氣濕度最好低于75%的空氣清新的環(huán)境條件下進(jìn)行。(2)距離系數(shù)的影響距離系數(shù)是紅外測溫儀的一項很重要的技術(shù)性能指標(biāo)。它是指測定目標(biāo)的距離與被測定目標(biāo)直徑之比。: 距離與被測目標(biāo)直徑紅外測溫儀工作時，只能測定被測目標(biāo)表面上確定面積的平均溫度。當(dāng)被測目標(biāo)大于儀器的光學(xué)目標(biāo)時，儀器能顯示被測物位于光學(xué)目標(biāo)內(nèi)確定面積的真實溫度。當(dāng)被測物體小于儀器的光學(xué)目標(biāo)時，儀器顯示被測物體及背景二者溫度的加權(quán)平均值，此時顯示出的溫度誤差與被測物體的背景溫度有關(guān)，同時也與被測物體與背景的大小比例有關(guān)。所以被測目標(biāo)物體的距離只有滿足紅外測溫儀器光學(xué)目標(biāo)的范圍，才能對物體進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度測量。目標(biāo)物體的距離太遠(yuǎn)，儀器吸收到的輻射能減小，所測溫度比目標(biāo)物體的實際溫度偏低。若儀器的距離系數(shù)不能滿足遠(yuǎn)距離目標(biāo)檢測要求，即被測物體小于光學(xué)目標(biāo)的條件下測溫，一般都要造成較大的誤差，當(dāng)背景為天空時，還可能出現(xiàn)負(fù)值溫度。(3)輻射率的影響輻射率是一個描述被測物體相對于黑體輻射能力大小的物理量。物體輻射率的大小與物體的材料，形狀，顏色，表面粗糙程度，凹凸度，氧化程度等有關(guān)。不同物質(zhì)的輻射率是不相同的，并隨物體的表面狀況而變化，在不同的溫度和不同的波長有不同的值。所以在紅外測溫時，對被測物體的輻射率設(shè)定應(yīng)盡量準(zhǔn)確，并根據(jù)被測的物體的形狀，改變不同的檢測角度和方向。一般情況，對運行的設(shè)備進(jìn)行紅外測溫時，大多都是通過比較法來判定的，即相鄰的橫向比較和本身不同部位的縱向比較。只需要求出其相對溫度的變化，不必對輻射率的精度過分苛求。但是，但是要進(jìn)行絕對溫度的準(zhǔn)確測量時，必須事先知道被測物體的輻射率，否側(cè)測出的溫度值將與實際值有較大的誤差。由輻射公式可得出熱釋電傳感器的響應(yīng)公式為： 式（）式中：為與熱釋電響應(yīng)特性及物體表面發(fā)射率有關(guān)的常數(shù)，為物體表面溫度，為環(huán)境溫度。根據(jù)表達(dá)式（）可以得到不同的標(biāo)定公式： （1）簡單關(guān)系式，即 式()式中： 應(yīng)用此公式所作的標(biāo)定實驗結(jié)果見表1，表中數(shù)據(jù)表明， 不僅與有關(guān)，還與有關(guān)。 （2）多項式，即 式()令 式() 其中，S取三項，其實驗結(jié)果表明，要使測溫儀滿足一定的精度，測溫時的環(huán)境溫度和物體表面溫度要在一定的范圍內(nèi)，如環(huán)境溫度Ta=30℃，物體表面溫度在180℃以上時，讀數(shù)誤差較大。 ：首先應(yīng)該對物體表面溫度分段定標(biāo)，因為測量范圍較大，所以不同段的標(biāo)定系數(shù)相差很大。實際應(yīng)用中每隔5~10℃就必須標(biāo)定一個系數(shù)，當(dāng)采樣電壓峰值落在此區(qū)間時就選擇該系數(shù)。然后再根據(jù)環(huán)境溫度的不同對已選出的標(biāo)定系數(shù)進(jìn)行修正，達(dá)到在不同環(huán)境溫度下仍然能夠準(zhǔn)確測溫的目的。分析下表可知，當(dāng)物體表面溫度較低時（78℃以下），環(huán)境溫度對修正系數(shù)的影響較大。所以對此溫度范圍的物體必須進(jìn)行環(huán)境溫度對標(biāo)定系數(shù)的修正。而當(dāng)物體表面溫度較高時，則修正系數(shù)基本由物體表面溫度決定，這樣系數(shù)就不必再依環(huán)境溫度進(jìn)行校正，這就減少了標(biāo)定系數(shù)的復(fù)雜性。 不同環(huán)境溫度下的標(biāo)定系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)溫度 （℃）環(huán)境溫度（℃）測量值（V）系 數(shù) Ka（V/℃） 表第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 AT89C51單機AT89