基于單片機(jī)的紅外測溫儀設(shè)計(jì)

丁 霞，司文娟，王福明

（中北大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)與信息中心，山西太原 030051）

0 引言

紅外測溫技術(shù)在生產(chǎn)過程中，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測，設(shè)備在線故障診斷和安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用［1］。用紅外測溫儀進(jìn)行非接觸溫度測量有許多的優(yōu)點(diǎn)，它的運(yùn)用范圍從很小或難以接觸到的物體至腐蝕性的化學(xué)物和敏感的表面物。這樣那些難以接觸到或運(yùn)動著的物體就可進(jìn)行溫度測量，如傳熱性能差的或很小的熱容量材料。

1 紅外基本測溫原理

紅外測溫儀中的光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)的目標(biāo)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。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。

紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運(yùn)動，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運(yùn)動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)［2］。

紅外測溫是利用測量物體所輻射出來的輻射能量來測量物體溫度，它的理論依據(jù)是斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體的溫度越高，它所輻射出來的能量越多［3］。當(dāng)溫度為T時(shí)，物體在所有波長上（物體的輻射幾乎包括所有的波長）的總輻射強(qiáng)度W為:

式中:δ—斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù);

T—物體的絕對溫度-單位K;

ε—物體表面的法向比輻射率，絕對黑體ε=1.0，非絕

對0＜ε＜1.0。

2 結(jié)構(gòu)框圖及電路設(shè)計(jì)

2.1 整體電路設(shè)計(jì)

本文所涉及的紅外測溫儀是一種典型的智能化儀表，它以單片機(jī)作為核心，在軟件控制下，與其它硬件電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化的體溫測量。系統(tǒng)硬件組成環(huán)節(jié)主要有:溫度傳感器、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)、液晶顯示模塊、按鍵、PC機(jī)與單片機(jī)通信部分。其軟件部分包括:A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、智能功能以及顯示等程序。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計(jì)主要是通過紅外傳感器把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后再經(jīng)過放大電路把信號放大，傳給A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再傳給單片機(jī)，最后通過顯示器顯示出溫度值。同時(shí)還可以通過單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行連接，把溫度測量值傳給計(jì)算機(jī)保存。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 光學(xué)紅外傳感器

光學(xué)系統(tǒng)在紅外系統(tǒng)中的作用十分類似于用于接收目標(biāo)回波的雷達(dá)天線，就是接收輻射能量，并把它傳送給傳感器［4］。光學(xué)系統(tǒng)起到收集紅外輻射并將其聚焦到紅外探頭上的作用，由于紅外信號相對來說比較微弱，因此要實(shí)現(xiàn)測溫儀精確測溫必須設(shè)計(jì)一個光路簡單、紅外輻射損失小的光學(xué)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)選用紅外探頭來實(shí)現(xiàn)這個功能。

3.1.1 紅外測溫電路的設(shè)計(jì)

本測溫裝置使用紅外線傳感器，它能接收物體發(fā)射出的紅外線并使之轉(zhuǎn)換成電壓信號。紅外熱輻射測溫儀由三個運(yùn)算放大器組成的。這三個運(yùn)算放大器分別作為同相放大器、低通濾波器和跟隨器來發(fā)揮其作用。圖2為本設(shè)計(jì)的測量電路圖，圖中A1為一同相放大器，輸入信號由47UF電容耦合而來，A1的閉環(huán)放大倍數(shù)AF為20左右;A2為一低通濾波器。A3的輸出與溫度基本成線性關(guān)系。A1輸出的電位器和變阻器用于調(diào)節(jié)A2輸入信號的大小，調(diào)節(jié)它們的阻值可以改變A3的輸出電壓。

本設(shè)計(jì)用ADC0804進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，ADC0804芯片用CMOS集成工藝制成，分辨率8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間100 μs，輸入電壓范圍為0～5 V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為5 V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線上，無須附加邏輯接口電路。

圖2 測量電路圖

本設(shè)計(jì)所選用顯示器顯示方式為動態(tài)顯示，具體與單片機(jī)的連接電路圖如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)換器連接電路圖

圖4 顯示器與單片機(jī)連接電路圖

3.2 通信電路的設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)接收到信號并經(jīng)過處理后還需要與上位機(jī)進(jìn)行通信，所以必須設(shè)計(jì)一個通信電路使溫度計(jì)能與計(jì)算機(jī)相接。因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。

溫度采集裝置采用收、發(fā)、地三線的方式通信，工作方式采用主從方式。PC機(jī)為主機(jī)，紅外溫度計(jì)為從機(jī)。下位機(jī)采用中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)幀，下位機(jī)通過與COM1口連接與PC機(jī)進(jìn)行通信［5］。

MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單，內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可;和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài);當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個管腳控制這兩個引腳即可［6］。綜合上述這些特點(diǎn)所以選用MAX485芯片。

4 紅外測溫儀的軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序流程圖

本課題所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主程序首先應(yīng)該進(jìn)行初始化，開中斷，設(shè)置中斷優(yōu)先級，設(shè)置定時(shí)器初值，然后啟動A/D轉(zhuǎn)換器，調(diào)用中斷服務(wù)程序，最后調(diào)用動態(tài)顯示程序進(jìn)行顯示溫度值。具體流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

4.2 系統(tǒng)串口發(fā)送接收程序設(shè)計(jì)

重點(diǎn)介紹一下本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的通信電路的發(fā)送和接收程序。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的通信電路是通過RS-485來完成單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的發(fā)送與接收的，通過選擇串口方式，允許發(fā)送和接收，再根據(jù)TI和RI來判斷是否完成發(fā)送和接收。利用匯編程序編寫本設(shè)計(jì)的發(fā)送程序，如下:

同理，根據(jù)程序框圖也可寫出系統(tǒng)的接收程序。

5 結(jié)論

紅外測溫打破了傳統(tǒng)的測溫模式，它響應(yīng)快、測量精度高、可靠性高、范圍廣，為非接觸測量，因而不易損壞。另外，近幾年來中國的紅外產(chǎn)品市場發(fā)展較快而又平穩(wěn)，少數(shù)國外公司的市場占有率提高得很快，已經(jīng)在中國市場上占據(jù)相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，這種市場發(fā)展趨勢，必將對中國的紅外技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到積極的推動作用，必將激勵和加快具有完全中國自主知識產(chǎn)權(quán)的紅外技術(shù)產(chǎn)品的問世，也必將帶來更廣闊的紅外產(chǎn)品應(yīng)用市場。因此，紅外測溫儀的應(yīng)用也必然越來越廣泛，具有廣闊的市場前景和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］唐岳湘，趙修良.紅外線人體測溫儀電路的設(shè)計(jì)［J］.測試與測量，2007，11:9-11.

［2］周書銓.紅外輻射測量基礎(chǔ)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1991:1-12.

［3］姜世昌.紅外測溫技術(shù)概述［J］.計(jì)量檢測，1999（3）:18-19.

［4］吳金戌，沈慶陽.8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003:35-52.

［5］劉楚浩.用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度遠(yuǎn)程顯示［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2002（9）:45-68.

［6］王中訓(xùn)，于 澎.紅外測溫儀的設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2006（2）:15-17.