【正文】 ii THE DESIGN OF NON－ CONTECT INFRARED THERMOMETER ABSTRACT The technology of temperature measurement is used widespread, and it also important in the modern equipment failure examination field. But in some application domains, we needn’t the sensor contact with the measured object which used in temperature measurement, this needs a kind of noncontact temperature measurement to satisfies the demand and the design of this infrared thermometer is also based on the demand. Infrared thermomter, it uses the blackbody radiation laws as the theories foundation, it is the oute that the optical theories and microelectronics learn a prehensive development. Compared to the way of traditional temperature measurement, it has a series of merits, such as short in response ti me, noncontact, noninterference to temperature field, long useful time and convenient operation, etc. The paper introduces the basic principle of infrared thermometer and the method of realization, puts forward infrared trermometer system with the STC89C51 MCU as the CPU. The paper introduces the posing and the method of that system in detail, and gives the hardware principle diagram and the design flow chart of the software. The system formed by the optical system, photoelectron detector,display and output partially. The optical system collects the infrared radiation energy of the object in its field of view, the infrared energy focusing on the instrument and transforms to the corresponding electrical signal. The STC89C51 MCU is used to start the temperature survey, data receive, count the value of the object temperature based on the arithmetic with in MC U and the result is displayed on LED. iii KEYWORDS: The STC89C51 MCU, infrared radiation thermometry, the LED display iv 目 錄 前 言 ............................................................... 1 第一章 紅外測溫系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 背景及方案介 紹 ..................... 2 167。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。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。與傳統(tǒng)的測溫方式相比，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)。本論文正是應(yīng)上述實(shí)際需求而設(shè)計(jì)的紅外測溫儀。 i 非接觸式紅外測溫儀設(shè)計(jì) 摘 要 溫度測量技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，而且在現(xiàn)代設(shè)備故障檢測領(lǐng)域中也是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。但在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，要求測量溫度用的傳感器不能與被測物體相接觸，這就需要一種非接觸的測溫方式來滿足上述測溫需求。 紅外測溫儀是以黑體輻射定律作為理論基礎(chǔ)，是光學(xué)理論和微電子學(xué)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。 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)。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。 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)中的溫度值計(jì)算 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 。 溫度測量技術(shù)的概述 .............................. 2 167。 紅外測溫系統(tǒng)的方案介紹 ......................... 5 第二章 紅外測溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) ................................. 7 167。 紅外測溫模塊 ................................... 10 167。 電源 模塊 ...................................... 13 167。 LED 顯示模塊 ................................... 14 第三章 紅外測溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .......................... 17 167。 紅外測溫程序模塊 .............................. 18 167。 顯示程序模塊 .................................. 22 總結(jié) .................................................... 23 參考資料 ................................................ 24 致 謝 ................................................... 24 附 錄 ................................................... 24 英文翻譯 ................................................ 26 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。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。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性能指標(biāo)和功能要求，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。 由于時(shí)間緊迫，知識面窄等因素，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。 2 第一章 紅外測溫系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì) 背景及方案介 紹 隨著現(xiàn)代 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的接觸式測溫方式以不 能滿足現(xiàn)代一些領(lǐng)域的測溫需求，對非接觸、遠(yuǎn)距離測溫技術(shù)的需求越來越大。在本章中簡要介紹了溫度測量技術(shù)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步概述了紅外測溫的原理與方法，并給出了本儀器的設(shè)計(jì)方案。 溫度測量技術(shù)的概述 普通溫度測量技術(shù)經(jīng)過相當(dāng)長時(shí)間的發(fā)展已近于成熟。因此，當(dāng)前研究的重點(diǎn)也在于此。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，成木較低，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。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?？?，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。本紅外測溫儀選用熱電紅外溫度傳感器。 本設(shè)計(jì) 根據(jù)現(xiàn)代非接觸故障檢測技術(shù)的需求 選用了型號為凌陽的 TN9溫度傳感器。而且它具備 SPI接口，可以很方便地與單片機(jī)（ MCU）傳輸數(shù)據(jù)。 紅外測溫原理及方法 一 、 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)。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。 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。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。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 ： V=RaεσT4=KT4 式中 K=Raεσ，由實(shí)驗(yàn)確定，定標(biāo)時(shí) ε取 1 T— 被測物體的絕對溫度 R—— 探測器的靈敏度 a—— 與大氣衰減距離有關(guān)的常數(shù) ε— — 輻射率 σ—— 斯蒂芬 — 玻耳茲曼常數(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。 5 167。 可以對正在運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行非接觸檢測，拍攝其溫度場的分布、測量任何部位的溫度值，據(jù)此對各種外部及內(nèi)部故障進(jìn)行診斷，具有實(shí)時(shí)、遙測、直觀和定量測溫等優(yōu)點(diǎn)，用來檢測發(fā)電廠、變電所和輸電線路的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備和帶電設(shè)備非常方便、有效。 此紅外測溫儀的特點(diǎn)： 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 、 穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn) 。 一 、 紅外測溫儀系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及主要功能 1：溫度測量精度177。 10%； 4：工作環(huán)境溫度≤ 60℃ 工作環(huán)境濕度≤ 90%； 二 、紅外測溫儀的硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 本紅外測溫儀采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，它的硬件結(jié)構(gòu)由 STC89C51 單片機(jī)模塊，紅外測溫模塊， RS232 轉(zhuǎn)換電路模塊，電源模塊，鍵盤模塊和 LED 顯示模塊組成。 此紅外測溫儀系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 12 所示： 圖 12 紅外測溫儀系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計(jì)框圖 三 、紅外測溫儀的應(yīng)用軟件系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 此紅外測溫儀的軟件設(shè)計(jì)同樣采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，它把整個(gè)系統(tǒng)分成若干模塊分別予以解決，它包括主程序模塊，紅外測溫模塊，鍵盤掃描模塊和顯示模塊。其中系統(tǒng)初始化包括 : 時(shí)間中斷的初始化、外部中斷源的初始化、串口通信中斷的初始化、 LED 顯示的初始化。 鍵盤掃描模塊 ：獲取按鍵信息，處理按鍵請求等。具體的軟件方案設(shè)計(jì)如下圖 13： 7 主 程 序 模 塊紅 外 測 溫 鍵 盤 掃 描 顯 示 模 塊 通 信 模 塊 圖 13 紅外測溫儀系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計(jì)框圖 第二章 紅外測溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 基于 STC89C51 單片機(jī)的紅外測溫儀的硬件設(shè)計(jì)采用目前 使用比較廣泛的模塊化設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)系統(tǒng)分成六大模塊：單片機(jī)處理模塊；紅外測溫模塊； RS232轉(zhuǎn)換電路模塊；電源模塊；鍵盤模塊和 LED 顯示模塊。 167。 下圖 31是單片機(jī)處理模塊的電路原理圖 8 圖 21 單片機(jī) 處理模塊電路圖 其復(fù)位電路如圖 21 左邊上部分，本單片機(jī)處理模塊是通過開關(guān)手動(dòng)復(fù)位的，只要在 RST 引腳