非接觸式紅外測溫裝置研究

宋傳皓

摘要：目前，我國常用的溫度測量儀器主要以水銀溫度計(jì)為主，但這種測量儀器有很多缺點(diǎn)，如測量精度低，不安全，不穩(wěn)定，測量時(shí)間較長等。此設(shè)計(jì)所研究的紅外測溫是以非接觸式為主，并能實(shí)現(xiàn)一定距離的準(zhǔn)確測量。設(shè)計(jì)主要是以51系列的STC89C51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)器件，并使用非接觸式的OTP-538U紅外溫度傳感器對被測對象進(jìn)行溫度采樣，再將所得微小電壓信號(hào)經(jīng)多級(jí)放大后送至A/D轉(zhuǎn)換模塊。完成的非接觸式高精度紅外測溫裝置具有響應(yīng)時(shí)間短，穩(wěn)定性能好，溫度分辨率高和使用方便、壽命長，比常用的接觸式測溫儀的適用場合多等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：測溫；非接觸式；STC89C51；A/D轉(zhuǎn)換；紅外輻射

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）07-0271-04

測量溫度的方法主要有兩類，一類是接觸式測溫方法，主要是利用隨溫度變化的電氣參數(shù)，為代表的測溫方式有熱電偶、熱電阻測溫法以及采用膨脹式測溫的溫度計(jì)，另一類是非接觸式的測溫方法，主要以熱輻射為代表。前者的優(yōu)勢在于所測的溫度是被測物體的真實(shí)溫度，測溫非常簡單、十分可靠，但是缺點(diǎn)在于其動(dòng)態(tài)性能極差，需要與被測物體接觸，被測介質(zhì)與測溫對象達(dá)到熱平衡還需要一段時(shí)間的熱交換，同時(shí)被測物體的溫度場分布情況也會(huì)被影響，同時(shí)因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的高溫、強(qiáng)腐蝕性、高壓等惡劣環(huán)境條件，影響了接觸式測溫儀的使用壽命和使用精度，所以大大的約束了接觸式測溫儀的實(shí)際應(yīng)用；紅外輻射測溫的另一種叫法就是非接觸式測溫，通常采用光電探測器或紅外感應(yīng)傳感器當(dāng)作檢測元件，它與接觸式測溫方式相比較，具有如下一系列優(yōu)點(diǎn)：不接觸被測對象并且不干擾被測環(huán)境溫度場的分布、使用壽命長、響應(yīng)時(shí)間較短和操作方便等，但是受測溫儀與被測物體的距離、物體的發(fā)射率、環(huán)境中的煙塵和水蒸氣等多種外界因素影響，所以它的測量誤差會(huì)比較大。

現(xiàn)如今，應(yīng)用最廣泛的紅外測溫儀就是一種非接觸式測溫量儀，并且黑體輻射定律就是它采用的測溫理論基礎(chǔ)。在自然界中，任何對象都存在著向外界輻射出能量的情況，物體表面的溫度與其輻射出的波長的分布及其能量的大小有著十分緊密的關(guān)系，所以為確定物體的表面溫度可以通過檢測并獲得其自身紅外輻射的能量的方式。因此，非接觸式紅外測溫將會(huì)變得更加的有意義，以后的應(yīng)用前景也會(huì)非常廣泛，會(huì)為以后的生活與生產(chǎn)帶來更多的便利，所以對非接觸式紅外測溫儀的探索顯得更加重要，應(yīng)該投入更多的精力在這之中，為人類謀求更多的生活福利與便利。

1 系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體電路設(shè)計(jì)由OTP-538U紅外溫度傳感器模塊、電壓信號(hào)多級(jí)放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)處理模塊、電源模塊、以及液晶顯示模塊構(gòu)成。OTP-538U紅外溫度傳感器將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電壓信號(hào)，由于其輸出的電壓信號(hào)極其微弱，是毫伏級(jí)別的電壓信號(hào)，首先需要先使用測量放大器進(jìn)行信號(hào)的前置放大，其次再對信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大，二級(jí)放大電路器可以直接采用通用運(yùn)算放大器，然后將放大的電壓信號(hào)發(fā)送至由ADC0809組成的A/D轉(zhuǎn)換模塊中，轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)（二進(jìn)制代碼）送至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，最后將處理的結(jié)果送至LCD1602液晶顯示屏，對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測顯示。本設(shè)計(jì)的整體系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1紅外傳感器

該OTP-538U是經(jīng)典的TO-46外殼熱電堆傳感器。該傳感器是由熱電偶的116元件串聯(lián)在具有545微米的直徑活性和抹黑表面以吸收入射的熱紅外輻射，這導(dǎo)致在輸出端子上的電壓響應(yīng)的浮動(dòng)微膜。傳感器芯片采用唯一的主面體的微機(jī)械加工技術(shù)加工，這導(dǎo)致更小的尺寸和更快速地響應(yīng)環(huán)境溫度的變化制成。

紅外窗口是具有其50%的截止波長在5微米的帶通濾波器，并在14μm處切下。傳感器響應(yīng)正比于入射紅外輻射，并具有高達(dá)其截止頻率的響應(yīng)信號(hào)，這是由幾十毫秒范圍內(nèi)的傳感器的熱時(shí)間常數(shù)限定的恒定信號(hào)的響應(yīng)。

該OTP-538U熱電堆傳感器幾乎提供約翰遜--噪聲-受限的性能，這可以通過其串聯(lián)的歐姆電阻來計(jì)算。一種熱敏電阻元件，具有連接到地的引線，還提供了內(nèi)部的TO封裝為環(huán)境溫度參考。

2.2放大電路設(shè)計(jì)

傳感器輸出微弱的電壓信號(hào)，所以我們需要將此信號(hào)進(jìn)行放大。首先采用測量放大器進(jìn)行前置放大，再運(yùn)用通用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。我們先采用AD620將微弱信號(hào)放大10倍，毫伏級(jí)信號(hào)變成了幾十毫伏，然后再用普通放大器將信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大、三級(jí)放大。信號(hào)放大電路如圖3所示。

2.3 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)核心，所有的功能都是基于數(shù)據(jù)采集。如圖4所示為數(shù)據(jù)采集接口電路圖。其工作原理就是51單片機(jī)控制ADC0809進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)，再由單片機(jī)進(jìn)行處理和傳輸。

2.4顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路是硬件設(shè)計(jì)的最后部分，它能將被測參數(shù)直接顯示出來，顯示屏LCD1602的3腳接10K的滑動(dòng)變阻器，可調(diào)節(jié)對比度，4、5、6腳是其控制端口分別與單片機(jī)的P2.0、P2.1和P2.2相連，D0～D7數(shù)據(jù)端與單片機(jī)P0～P7口相連，1與15腳接電源地，2與16腳接電源正，其電路設(shè)計(jì)如下圖5所示。

2.5電源電路

三端穩(wěn)壓芯片的三腳分別是輸入端1、接地端2和輸出端3，當(dāng)芯片字面向上時(shí)，三個(gè)腳的順序就是從左到右。電源電路的設(shè)計(jì)非常簡單，芯片需要連接電解電容，常用10uF的電容，電路連接時(shí)注意其正負(fù)極的連接，電路圖如下圖6所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1主程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要就是溫度的檢測，首先由溫度傳感器接收溫度信號(hào)，再將信號(hào)放大處理后傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，此時(shí)需要程序來控制轉(zhuǎn)換的工作進(jìn)度，數(shù)據(jù)處理后再傳給單片機(jī)處理，最后讓LCD顯示結(jié)果，但是單片機(jī)的工作與LCD的顯示工作均需要用程序來控制與管理，所以本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)工作就顯得至關(guān)重要。設(shè)計(jì)整體軟件流程圖如圖7所示。

當(dāng)單片機(jī)上電時(shí)，系統(tǒng)開始工作，紅外傳感器將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓輸出，輸出的電壓信號(hào)很微小，需要經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，然后將放大的信號(hào)送到A/.D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量送至單片機(jī)進(jìn)行處理。將處理后得到的溫度送至LCD上顯示出來。此系統(tǒng)涉及的軟件代碼，主要是A/D芯片的控制，以及LCD顯示單元的初始化，顯示等[11]。

3.2數(shù)據(jù)采集流程圖

ADC0809的數(shù)據(jù)采集流程圖如圖8所示。

4 系統(tǒng)測試

傳感器獲取信號(hào)，放大電路放大信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再由微處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行最后處理，最后將數(shù)據(jù)傳送至顯示模塊，顯示部分直接將所測內(nèi)容顯示出來。整個(gè)系統(tǒng)的測試就能驗(yàn)證各個(gè)部分的設(shè)計(jì)是否合格，還能驗(yàn)證設(shè)計(jì)程序是否正確。測試非常重要，是設(shè)計(jì)的最后收尾工作，通過對單片機(jī)輸入相應(yīng)的程序，檢測其能否使LCD1602顯示正確的檢測內(nèi)容，如果能，則設(shè)計(jì)成功，反之不成功。通過以下檢測情況，檢測輸出是否符合實(shí)際。此時(shí)的測溫距離為8cm，則測試所得數(shù)據(jù)情況如表1所示。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以STC89C51 單片機(jī)為核心部件。利用非接觸式溫度傳OTP-538U對溫度進(jìn)行采樣，得到的微弱電信號(hào)經(jīng)過多級(jí)放大器（即前置放大器AD620以及與后項(xiàng)放大器OP07）放大后送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D采用ADC0809芯片，數(shù)字信號(hào)傳到主控芯STC89C51，并由微處理器完成數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)測量并實(shí)時(shí)顯示到LCD1602模塊上。

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