【正文】 1 基于單片機(jī)的非接觸式紅外測溫儀設(shè)計(jì) 摘 要 ： 本文介紹了紅外測溫儀測溫的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，提出了以 STC89C51單片機(jī)為其核心控制部件的紅外測溫系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)方式，給出了硬件原理圖和軟件的設(shè)計(jì)流程圖。該系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)目標(biāo)的紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。STC89C51單片機(jī)負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)溫度測量、接收測量數(shù)據(jù)、并按照單片機(jī)中的溫度值算法，計(jì)算出目標(biāo)的溫度值再通過 LED把結(jié)果顯示 出來。 關(guān)鍵詞 ： STC89C51單片機(jī)；紅外測溫； LED顯示； MicrocontrollerBased NonContact Infrared Thermometer Designed Abstract:This article describes the basic principles and methods of the infrared thermometer temperature, infrared thermometry system to SCM STC89C51 its core control ponents. Described in detail the position and implementation of the system, hardware schematics and software design flow. The system consists of the optical system, photoelectric detectors, display output ponents. The optical system brings together the goals of its field of view infrared radiation energy, infrared energy is focused on a photoelectric detector and into a corresponding electrical signal. The SCM STC89C51 is responsible for controlling the startup temperature measurements, and receive measurement data and in accordance with the temperature values in the SCM algorithm to calculate the target temperature again results displayed through the LED. Key Words: STC89C51 microcontroller。 infrared temperature measurement。 LED display 2 1 前言 溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)之一，它的測量與控制在國防、軍事、科學(xué)研究以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。在工業(yè)生產(chǎn)中，我們通常通過測量設(shè)備表面的溫度來監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀況，而現(xiàn)代的工業(yè)設(shè)備往往是在高電壓、大電流等危險(xiǎn)情況下運(yùn)行的，傳統(tǒng)依靠人工接觸式檢測的方法既浪費(fèi)時(shí)間、人力，又帶有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)對(duì)測溫儀所采用的材質(zhì)也有嚴(yán)格的限制。因此有必要去應(yīng)用一種新的方式去檢測目標(biāo)系統(tǒng)的溫度，確保設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行 [1]。 針對(duì)現(xiàn)代故障檢測非接觸技術(shù)指標(biāo)的要求，本文討論了這種非接觸紅外輻射溫度測量技術(shù) ，這種技術(shù)通過測量物體的紅外輻射而達(dá)到測量物體溫度的目的。本測溫儀是基于 STC89C51 單片機(jī)的紅外測溫儀，首先它是根據(jù)實(shí)際需要，制定的紅外測溫的功能要求，然后由此具體設(shè)計(jì)出了硬件電路原理圖及其相關(guān)軟件。 本論文的第一章簡要地介紹了現(xiàn)代測溫技術(shù)的發(fā)展背景；第二章簡要地介紹了紅外輻射測溫原理以及本測溫儀的總體設(shè)計(jì)方案；第三章系統(tǒng)地介紹了紅外測溫儀的硬件設(shè)計(jì)機(jī)器各硬件的功能與原理圖；第四章則概述性的介紹了本紅外測溫儀的軟件設(shè)計(jì)，以流程圖的方式介紹了各個(gè)功能的具體實(shí)現(xiàn)；第五章介紹了系統(tǒng)的調(diào)試步驟，并分析了測溫誤差 及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。 由于時(shí)間緊迫，知識(shí)面窄等因素，該系統(tǒng)并非非常完善，還有一些方面需要進(jìn)一步的修改與調(diào)試。這其中的不足之處，請(qǐng)各位老師加以批評(píng)指正。 2 緒 論 紅外測溫儀是一種將紅外技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合起來的一種新型測溫儀器，它通過將被測物表面發(fā)射的紅外波段輻射能量通過光學(xué)系統(tǒng)匯聚到紅外探測器件上，使其產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換后送到微控制器中進(jìn)行溫度補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理，最后將目標(biāo)溫度值以數(shù)字形式顯示在顯示屏上。 課題研究的目的與意義 溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù) 之一，它的測量與控制在國防、軍事、科技研究以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。在工業(yè)生產(chǎn)中，我們需要經(jīng)常設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測來確保設(shè)備的安全運(yùn)行，而對(duì)設(shè)備的監(jiān)測通常通過測量其表面的溫度來進(jìn)行?，F(xiàn)代的工業(yè)設(shè)備往往是在高電壓、大電流以及其它危險(xiǎn)情況下運(yùn)行的，傳統(tǒng)依靠人工接觸式檢測的方法既浪費(fèi)時(shí)間、物力、人力，又帶有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)對(duì)測溫儀所采用的材質(zhì)也有嚴(yán)格的限制，在這樣的場合下，儀器的使用壽命也成為設(shè)計(jì)接觸式測溫儀時(shí)的一個(gè)重點(diǎn)考慮問題 [2]。因此有必要去應(yīng)用3 一種新的方式去檢測目標(biāo)系統(tǒng)的溫度，確保設(shè)備的平穩(wěn) 運(yùn)行。 溫度的測量方法有兩類，一種是利用電氣參數(shù)隨溫度變化特性的熱電阻、熱電偶測溫法以及以膨脹式溫度計(jì)為代表的接觸式測溫方法 ， 另一種是以熱輻射為代表的非接觸式測溫方法 。 前者的優(yōu)點(diǎn)在于測得的溫度是物體的真實(shí)溫度，測溫簡單、可靠，其缺點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)性能差，需要接觸被測物體，測溫元件與被測介質(zhì)需要一定時(shí)間的熱交換才能達(dá)到熱平衡，同時(shí)對(duì)被測物體的溫度場分布有一定的影響，同時(shí)由于工業(yè)現(xiàn)場的高溫、高壓、腐蝕性等惡劣條件，影響了測溫儀的精度和使用壽命，大大限制了接觸式測溫儀的使用；非接觸式測溫也叫輻射測溫，一般使用熱 電型或光電探測器作為檢測元件，其與接觸式測溫相比，具有響應(yīng)時(shí)間短、非接觸、不干擾被測溫場、使用壽命長、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。但受到物體的發(fā)射率、測溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。 紅外測溫儀現(xiàn)狀 紅外測溫儀的研究已經(jīng)有幾十年的歷史，近 20年來，非接觸紅外測溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強(qiáng)，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴(kuò)大，市場占有率逐年增長。 60 年代我國研制成功第一臺(tái)紅外測溫儀， 1990年以后又陸續(xù)生產(chǎn)小目標(biāo)、遠(yuǎn)距離、適合電業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的測溫儀器，如西光IRT1200D 型、 IRT3060D 型、 IRT3000A 型、 IRT400G 型、 HCWVA型、 DHS200型、 WFHX330 型 (光學(xué)瞄準(zhǔn)，測溫距離可達(dá) 30m)。美國雷泰公司生產(chǎn)的 ST 系列、MX 系列、 MX6 系列、 3i系列測溫儀，德國 HEITRONICS 公司的 KT19 系列、 KTl5D、KTl2 系列等也有較廣泛的應(yīng)用。 目前，世界上最大的紅外測溫儀生產(chǎn)商是美國的 FLUKE 公司，其產(chǎn)品包括便攜式、在線式和掃描式三大類數(shù)百多個(gè)品種，測溫范圍從 50℃ 6000℃不等，占有了世界上 30％以上的銷售份額 ，我國紅外測溫儀的生產(chǎn)單位有西安北方光電有限公司、中科院自動(dòng)化所、西安沃爾儀器公司等，但不僅產(chǎn)品的種類較少，而且從精度或讀數(shù)的重復(fù)一致性方面均與國外有不小的差距。 本論文的研究內(nèi)容 本課題研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種針對(duì)于現(xiàn)代故障檢測非接觸技術(shù)、高性能的紅外測溫儀。在查閱了大量國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以熱釋電紅外測溫儀現(xiàn)階段的技術(shù)作為參考，提出并研制了一種基于 51 單片機(jī)的高性能熱釋電紅外測溫儀 [3]。課題采用的是 STC89C51單片機(jī)作為主處理芯片，設(shè)計(jì)的紅外測溫儀具有配置簡單、擴(kuò)展方便、可靠性高的特點(diǎn)。 4 本課題主要研究工作：一、在測溫系統(tǒng)原理和測溫方案分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行總體方案框圖的設(shè)計(jì)。二、對(duì)紅外測溫儀的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，介紹各硬件的功能與原理圖，完成信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)。三、對(duì)紅外測溫儀的軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成主程序模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換、鍵盤與顯示的流程圖設(shè)計(jì)。四、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真整機(jī)調(diào)試，然后進(jìn)行測試，誤差分析，抗干擾設(shè)計(jì)等。 3 紅外測溫系統(tǒng)的測溫原理及方案 溫度測量技術(shù)的概述 紅外溫度測量技術(shù) 非接觸式紅外測溫也叫輻射測溫，一般使用熱電型或光電探測器作為檢測元件。此溫度測量系統(tǒng) 比較簡單，可以實(shí)現(xiàn)大面積的測溫，也可以是被測物體上某一點(diǎn)的溫度測量；可以是便攜式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工藝簡單，成本較低，測溫時(shí)不接觸被測物體，具有響應(yīng)時(shí)間短、不干擾被測溫場、使用壽命長、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，但利用紅外輻射測量溫度，也必然受到物體發(fā)射率、測溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。 在這種溫度測量技術(shù)中，紅外溫度傳感器的選擇是非常重要的，而且不僅在點(diǎn)溫度測量中要使用紅外溫度傳感器，大面積溫度測量也可使用紅外溫度傳感器。本設(shè)計(jì)正是采用紅外溫度傳感器這種溫度測量技 術(shù)，它具有溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、不擾動(dòng)被測目標(biāo)溫度分布場、測量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；另外紅外溫度傳感器的種類較多，發(fā)展非常快，技術(shù)比較成熟，這也是本設(shè)計(jì)采用紅外溫度傳感器設(shè)計(jì)非接觸溫度測量儀的主要原因之一 [4]。 紅外溫度傳感器 紅外溫度傳感器按照測量原理可以分為兩類：光電紅外溫度傳感器和熱電紅外溫度傳感器。本紅外測溫儀選用熱電紅外溫度傳感器。 熱電紅外溫度傳感器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)，通過溫差電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)和熱敏電阻等來測量所吸收的紅外輻射，間接地測量輻射紅外光物體的溫度。 紅外測溫原理及方法 紅外測溫原理 紅外測溫儀的測溫原理是黑體輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對(duì)零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定，即： 5 11/51 2 ??? ?? ? CeCM （ 1） 從上述公式中可以看出黑體輻射具有幾個(gè)特征： (1)在任何溫度下，黑體 的光譜輻射度都隨著波長連續(xù)變化，每條曲線只有一 個(gè)極大值； (2)隨著溫度的升高，與光譜輻射度極大值對(duì)應(yīng)的波長減小。這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長輻射所占比例增加； (3)隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長處，與較高溫度相應(yīng)的光譜輻射度也較大，反之亦然。 紅外測溫的方法 依據(jù)測溫原理的不同，紅外測溫儀的設(shè)計(jì)有三種方法，通過測量輻射物體的全波長的熱輻射來確定物體的輻射溫度的稱為全輻射測溫法；通過測量物體在一定波長下的單色輻射亮度來確定它的亮度溫度的稱 為亮度測溫法；如果是通過被測物體在兩個(gè)波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化來定溫的稱為比色測溫法 [5]。 亮度測溫法無需環(huán)境溫度補(bǔ)償，發(fā)射率誤差較小，測溫精度高，但工作于短波區(qū)，只適于高溫測量。比色測溫法的光學(xué)系統(tǒng)可局部遮擋，受煙霧灰塵影響小，測溫誤差小，但必須選擇適當(dāng)波段，使波段的發(fā)射率相差不大。本文選用全輻射測溫法來計(jì)算被測量物體的溫度，全輻射測溫法是根據(jù)所有波長范圍內(nèi)的總輻射而定溫，得到的是物體的輻射溫度。選用這種方法是因?yàn)橹械蜏匚矬w的波長較大，輻射信號(hào)很弱，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但它的測溫精度稍差， 受物體輻射率影響大。下面是全輻射測溫法的相關(guān)方法介紹： 由普朗克公式可推導(dǎo)出輻射體溫度與檢測電壓之間的關(guān)系式： 44 KTTRaV ?? ?? （ 2） 式中 ??RaK? ,由實(shí)驗(yàn)確定，定標(biāo)時(shí) ? 取 1 T—— 被 測物體的絕對(duì)溫度 R —— 探測器的靈敏度 a —— 與大氣衰減距離有關(guān)的常數(shù) ? —— 輻射率 ? —— 波爾茲曼常數(shù) 因此，可以通過檢測電壓而確定被測物體的溫度，上式表明探測器輸出信號(hào)與目標(biāo)溫度呈非線性關(guān)系， V與 T 的四次方成正比，所以要進(jìn)行線性化處理。線6 性化處理后得到物體的表現(xiàn)溫度，需進(jìn)行輻射率修正為