基于红外传感器的温度检测电路.docx
《基于红外传感器的温度检测电路.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于红外传感器的温度检测电路.docx（48页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于红外传感器的温度检测电路
毕业设计（论文）中文摘要
基于红外传感器的温度检测电路
摘要：
红外测温技术与传统接触式测温方法相比具有精准、便捷、安全等优点，在生产过程、产品质量监测控制、设备在线故障诊断、安全保护以及节约能源等方面也发挥着重要作用。
在医疗卫生方面，由于所需测温时间短并且不需要与体肤接触，可以避免病菌交叉感染，非常适合临床及公共场合对体温进行及时快速检测。
本课题采用非接触式温度传感器ANT-OTP-538U，以Silicon公司80C51F502单片机为采集控制芯片，使用OPA2277对信号进行放大，AD7324芯片进行A/D采集，将温度数据转换为数字量，采用分段插值的方法将电压转换为摄氏温度，并最后通过串口通讯方式将数据发送到LJD-eWin430触摸屏上显示，实现了对体温数据的即时读取。
关键词：
红外测温技术ANT-OTP-538U80C51F502单片机OPA2277AD7324LJD-eWin4300触摸屏
毕业设计（论文）外文摘要
TitleThetemperaturedetectioncircuitbasedoninfraredsensor
Abstract
Comparedwithtraditionalcontact-typetemperaturemeasurementmethod,infraredtemperaturemeasurementtechnologyhastheadvantagesofaccurate,convenientandsafe.It’salsoplayanimportantroleintheproductionprocess、productqualitymonitoringandcontrol、deviceon-linefaultdiagnosis、safetyprotection、energysavingandmanyotheraspect.Onhealthcare,itcanavoidthegermscrossinfectionduetotheshorttemperaturemeasurementtimeisanddoesnotrequirecontactwithbodyandskin,soitisverysuitableforclinicalandpublicforrapidtestinginatimelymanner.Thistopicadoptsnon-contacttemperaturesensorANT-OTP-538u,usingSiliconcompany’ssingle-chipmicrocomputer80C51F502astheacquisitioncontrolchip,usingOPA2277forsignalamplification,AD7324forA/Dsamplingchip,thetemperaturedataareconvertedtodigitalquantitybyAD7324.AdoptingthemethodofpiecewiseinterpolationconvertsvoltagetoCelsius,andfinallysendsthedataviaserialportcommunicationwaytoLJD-eWin4300,thenthetemperaturevalueshownonthetouchscreen.Readingthetemperaturedataatreal-timefinallyrealized.
Keywords：
InfraredtemperaturemeasurementtechnologyANT-OTP-538U
80C51F502microcontrollerOPA2277AD7324LJD-eWin4300touchscreen
1引言（或绪论）…………………………………………………………………………1
1.1红外测温仪的应用背景与发展…………………………………………………1
1.2红外测温仪的工作原理……………………………………………………………2
1.3红外测温的误差来源………………………………………………………………3
2总体设计方案……………………………………………………………………4
2.1整体设计……………………………………………………………………4
2.2系统总体结构概述…………………………………………………………4
3系统硬件电路设计………………………………………………………………5
3.1红外传感器电路……………………………………………………………5
3.2放大电路……………………………………………………………………12
3.3A/D转换电路………………………………………………………………14
3.4单片机…………………………………………………………………………16
3.5控制器局域网（CAN）………………………………………………………19
3.6数据传输与转换电路…………………………………………………………21
3.7PDA显示屏…………………………………………………………………23
4系统软件程序设计………………………………………………………………25
4.1SiliconLaboratoriesIDE简介……………………………………………25
4.2A/D数据采集子程序设计…………………………………………………25
4.3数据通信子程序设计…………………………………………………………30
4.4PDA触摸屏显示子程序设计…………………………………………………32
5组装与测试………………………………………………………………………35
结论…………………………………………………………………………………37
参考文献………………………………………………………………………………38
致谢…………………………………………………………………………………39
1引言（或绪论）
1．1红外测温仪的应用背景与发展
当今世界随着科学与技术的不断提高，各个领域对方便快捷的自动化的要求不断提高。
温度是工业生产中很重要的参考因素，它直接影响到产品的质量和性能。
关于温度的测量方法，可以主要分为接触式与非接触式两大类。
热电偶、水银温度计等作为传统类型的接触式测温仪器，在进行测温时需要与被测物质进行接触，由此完成充分热交换，但是实现热平衡需要经过相应的时间，延迟现象便伴随测温过程而出现，使用中所存在的局限凸显于连续生产与质量检验中。
这些局限性对生产过程中对温控精准度和实际生产效率都有着不可忽视的影响[1]。
属于非接触式方面的红外测温仪由于具有较快的反应速度、较高的灵敏度、广泛的测温范围同时可实现非接触连续测量等优点，因此可适用于一些传统测温仪无法进行测量的特殊环境（如钢水、飞机尾焰等），使用非常方便并逐步地得到推广使用。
图1红外测温仪
如何将被测物体的能量测量准确，提高其精确度并同时将所测能量转换成被测物体的准确温度是对于红外测温技术研究的重要方向，而关于红外测温技术的发展也与这些方向的研究状况密切相关，涉及到温度计的测量范围、精度、距离和目标大小、响应时间和稳定性等诸多方面[2]。
在实际应用中，被测量物体其自身红外光谱发射特征，以及红外辐射在传递过程中介质对辐射传递产生的影响也是重要的研究内容，这些都有利于测温过程中精度的提高。
1．2红外测温仪的工作原理
在自然界中只要物体温度高于绝对零度，那么可以确定其在不停地向周围空间发射着红外辐射能量。
经过研究论证可以知道被测物体的表面温度与其向外发出红外辐射能量的大小，其辐射红外线波长的分布情况都有着十分密切的关系。
因此如果我们测量出物体向外界辐射出的红外能量，我们便可以据此对物体的表面温度实现准确测定，这些就是红外辐射测温实现的客观依据。
黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量并且没有辐射能量的反射与透过，其表面的发射率为1[3]。
但是这种情况在自然界中基本不存在，是一种理论上的理想分析，据此普朗克提出了适于进行理论研究的关于体腔辐射的量子化振子模型，由此得出了红外辐射的分布规律，这便是普朗克黑体辐射定律。
定理表现了波长与黑体的光谱辐射度之间的关系，是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。
普朗克定理式：
，其中
为黑体的辐射出射度；
为波长；T为绝对温度；C1，C2为辐射常数。
关于斯忒潘和玻尔兹曼计算得出的黑体热辐射定律，其表达式为：
，其中
为斯忒潘—玻尔兹曼常数；T为物体的热力学温度。
这个定律反映了物体幅射出射度与温度间的关系，可以理解为温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度
与温度T的四次方成正比。
这便是辐射式温度计测温的理论依据。
根据上述的公式推导可以知道，实际物体的辐射量除了与辐射波长和物体的温度相关联外，还与构成物体的材料种类、制作方式、热过程以及表面平整状态和环境条件等因素有关。
因此必须设置一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率
，这样才能使黑体辐射定律适用于那些非黑体的实际物体。
因此对于非黑体的一般实际物体，斯忒潘—玻尔兹曼定律可写为
。
其中
表示温度为T时全波长范围的材料发射率，即黑度系数。
该系数表示实际物体与理想黑体在辐射方面的接近程度，其值介于0与1间。
根据辐射定律可以知道物体辐射出射度与其发射率成正比，因此若材料的发射率已知，就可以知道任何物体的红外辐射特性。
材料性质、表面状态、理化结构和材料厚度等为影响发射率的主要因素。
红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成[4]。
红外辐射测温仪测量目标的温度，其主要过程即是首先将被测物体相应波段范围内的红外辐射量测量出，其后由测温仪计将被测物体的温度值换算出。
具体实现为经过测温仪的光学零件及其位置将视场的大小确定后，测温仪的光学系统将其视场内被测物体的红外辐射能量加以汇聚。
光电探测器将汇聚于此的红外能量聚焦并将其转变为相应的电信号，再经由放大电路及信号处理电路进行处理。
在仪器内通过相应的分析算法并且进行目标发射率校正，最终运算结果即为被测物体的温度值。
1．3红外测温的误差来源
红外测温具有非接触性、测温范围宽等优点,测温过程简易方便而被普遍采用。
但也正是由于它的非接触性这一优点,决定了其测温误差来源广泛及机理复杂等特点。
其中测温镜头所接收辐射能量的大小取决于诸多因素，在测温目标方面主要为被测物体的黑度，环境的温度也有着相应影响。
在测温镜头方面，镜头可感受的波长范围、受光面积以及镜头与目标之间的距离和对准程度也决定着测温镜头的接收情况。
图2“视场”大小与被测目标
在测温时要想提高测温精度，就必须最大限度地增加镜头对辐射能量的接收，而根据上图的表述可以知道，测试仪与测试目标之间需要控制在一个合适的范围内。
（“视场”为测温仪的测量面积）
在环境温度的影响方面，测温镜头实际接收的辐射能量一定大于目标投入镜头的辐射能量。
因此目标温度越低，环境温度越高，测温误差越大，这源于附加辐射影响方面的增大。
根据维恩位移定律，可以知道如果目标温度越高，选用的镜头感受波长应该越短，不同感受波长的测温镜头需要针对不同温度目标而有选择地进行使用，最终以使得测温传感器获取更多辐射能量。
波长越长，镜头视场应越大。
但是相对的，感受波长较长的测温镜头总会产生较大的测温误差。
这也就解释了之前为何目标温度越低、环境温度越高,会造成较大的测温误差。
由于这是红外测温中不可避免的问题，而唯一能够消除误差影响的办法是尽量提高物体目标的黑度[5]。
2总体设计方案
2．1整体设计
系统主要完成了红外传感器信号采集、处理、数据传输和显示功能，实现了红外非接触式测温。
系统硬件组成主要包含了红外温度传感器信号获取电路、放大电路、A/D转换电路、单片机控制电路、数据传输电路和PDA显示模块等。
根据模块化设计思想及系统组成特点，我们将系统分为三个独立模块进行设计，分别为：
A/D信号采集电路、数据传输与转换电路、显示模块，通过这样的设计便于系统扩展，也便于程序模块化设计。
根据系统的硬件组成，系统的软件设计主要完成如下功能：
A/D数据采集子程序，数据通信子程序（串口通信、CAN总线通信等）、PDA显示子程序等。
最终关于系统的主要工作流程：
首先通过红外传感器把光信号转化为电信号，经过相应的放大电路后由A/D转换芯片转换为数字信号[6]，由单片机采集处理后，通过CAN总线将数据发送到数据传输与转换电路，其再将数据汇总后通过串口发送到PDA显示屏上，进行数据滤波后显示出相应温度温值。
2．2系统总体结构概述
本课题采用非接触式温度传感器ANT-OTP-538U为信号采集器件，使用OPA2277和AD620对信号进行放大处理，以Silicon公司的80C51F502单片机为主要采集控制芯片，通过AD7324芯片进行A/D采集，将电压数据转换为数字量，将采集到的数字信号通过CAN总线发送到数据传输与转换电路，其将数据汇总后通过串口发送到PDA显示屏上，数据进行滤波处理后采用分段差值的方法将温度转换为摄氏温度，最终通过串口通讯方式将数据发送到PDA显示屏上显示，系统的总体结构框图如图3所示。
图3系统总体结构框图
3系统硬件电路设计
3．1红外传感器电路
红外传感器电路的设计主要包含了红外温度传感器信号获取电路、信号输出接口电路设计等，这是由于在设计中需要使信号稳定的产生并稳定的输出。
3.1.1信号获取电路设计
信号获取电路由温度传感器及供电电路组成，用来产生表征目标表面温度的初始电信号。
3.1.1.1红外传感器选择
红外传感器的品种很多，经过调查选择，众智光电公司所制造的红外线热电堆传感器ANT-OTP-538U是一款测温范围大、方便、快速、可靠的温度传感器件，它是一个典型的TO-46系列热电堆传感器，其中包含了116组串联的热接点，形成了一个直径545μm的感应区。
涂黑的表面活性吸收热红外辐射，导致两输出端产生电压差。
该传感器芯片采用了一个独特的前表面微加工技术，使得尺寸更小，能更快速地响应环境温度变化的结果。
图4OTP-538U实物图
传感器的红外窗口是一个带通滤波器，允许测量波长在5μm至14μm之间，以实现温度检测。
由于温度不同时入射的红外线不同，其间便能在各热电偶接点产生不同的热电效应，从而得到不同的电压，在经过很多热电偶的串联后可以输出一个足够大的电压用以代表具体的温度值。
这便是传感器只依靠红外线辐射而并不需要与待测物接触便可测得其温度的原因，其操作温度范围为：
-20℃～120℃。
但考虑到实际中环境温度对最终测量结果产生的影响与误差，需要使得输出电压值由被测目标温度及热电堆晶粒所在的环境温度共同决定。
为减小这一误差，传感器在设计中的组件封装中除热电堆粒外还加入了一个热敏电阻，用来监视IRsensor内部温度即环境温度，对所测温度实现了补偿[7]。
图5传感器工艺原理示图
传感器各引脚功能如下：
Pin1：
热电堆热端输出讯号。
Pin2：
热敏电阻输出讯号。
Pin3：
热电堆冷端输出讯号。
Pin4：
热敏电阻接地端点。
图6传感器结构与底部接脚
对于操作温度范围内各温度与输出电压的关系进行测量，为后面软件编程中采用分段插值的方法运用提供数据基础，测量关系如下:
表1输出电压与温度之间的关系
TEMP（℃）
V_out（mV）
TEMP（℃）
V_out（mV）
-20
-1.29
50
1.02
-10
-1.06
60
1.49
0
-0.80
70
1.99
10
-0.51
80
2.52
20
-0.18
90
3.09
25
0.00
100
3.69
30
0.19
110
4.33
40
0.59
120
5.00
运用excel绘制出两者的关系曲线如下：
图7输出电压与温度之间关系曲线
关于传感器的温度感测原理，主要涉及三种热电效应：
西贝克效应（Seebeckeffect）、帕尔帖效应（Peltiereffect）和汤普森效应（Thomsoneffect）。
在这里温度感测的原理主要应用了其中的西贝克效应与汤普森效应。
西贝克效应（Seebeckeffect）是将两种不同材质的金属线通过熔接方式将其两端点加以结合，在两端的温度不同时会产生连续电流，因此可以在其两端冷热端点测量出一电动势，可用来作温度上的感测，相应关系式：
。
图8西贝克效应
汤普森效应（Thomsoneffect）即是利用了两端温度差越大输出电动势越大的原理，通过电压与温度差的关系式计算得到待测物体的温度。
而现今市场上多数热电偶及热电堆便是通过这些特性制作而成。
在最后，由于与普通电阻相比热敏元件总是存在着白色杂讯，对应不同频率它都有一个稳定并且正比于入射辐射的讯号，并保持这一特性直至达到频率极限。
热电堆传感器的特色在于将温度参考电阻器设计在同一块基座上，并且温度参考电阻经由外壳接地。
3.1.1.2供电电路设计
根据ANT-OTP-538U的外接要求和稳定输出需要，供电电路由标准+5V电源、滤波稳压和分压保护几个部分组成。
其中滤波电路可选取RC滤波方式，分压保护采用了电阻分压方式。
相应设计参见图9，电路参数选取中，C32=47μF，R30=R31=1K
，R32=10K
。
图9供电电路
3.1.2信号输出接口电路设计
3.1.2.1设计分析
信号获取电路产生的电信号是极其微弱的电信号，其幅度小于5mV。
为实现稳定输出测得的电信号，对接口电路的总体设计要求是：
信号输出稳定，与后续电路匹配。
具体要求是：
在接口电路的输入端能高效稳定地接受信号获取电路输出的信号，即具有较高的输入阻抗；在接口电路的输出端能高效稳定地输出信号，即具有较小的输出阻抗。
对本电路的放大倍数不必作特别要求，信号放大由后面电路部分加以实现。
3.1.2.2电路设计
为实现上面的设计要求，我们可以把接口电路设计为射随放大器、差分放大器、运算放大器等多种形式。
根据输出接口电路具有传输信息弱、要求传输精度高的特点，经综合分析比较，运算放大器具有电路体积小，便于实现、调整方便、灵敏度高、响应快、线性度好等特点，因此接口电路选为运算放大器形式比较适宜。
通过调研了解，AD620是一种广泛使用的输出接口电路，在此可优选使用。
仪用放大器AD620是一款单芯片仪表放大器，采用了经典的三运放改进设计，仅需要一个外部电阻来设置增益，可实现的增益范围为1至1，000。
AD620采用了8引脚SOIC和DIP封装方式，使尺寸小于分立式设计，由于其最大电源电流仅为1.3mA而具有较低功耗，因此非常适合于电池供电的远程或便携式设备应用。
图10AD620引脚图
由于其输入级采用Superβeta处理，因此可以实现最大1.0nA的低输入偏置电流。
AD620在1kHz时具有9nV/√Hz的低输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz频带内的噪声为0.28μV峰峰值，输入电流噪声为0.1pA/√Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。
同时，AD620的0.01%建立时间为15μs，非常适合多路复用应用，而且由于成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。
虽然AD620由传统的三运算放大器发展而成，但在性能构造方面其具有电源范围宽（±2.3～±18V）、设计体积小的特点。
同时，由于最大供电电流仅1.3mA而具备了非常低的功耗，可以看出这些主要的性能均优于由传统三运算放大器设计构成的仪表放大器，因而适用于低电压、低功耗的应用场合。
AD620的单片结构和激光晶体调整,允许电路元件紧密匹配和跟踪,从而保证电路固有的高性能[8]。
通过调整片内电阻的绝对值，设计者只需一个电阻便能实现对于增益的精确编程。
输入晶体管Q1和Q2提供一路高精度差分双极性输入，同样由于采用了Superβeta处理以获得更低的输入偏置电流，因此输入的偏置电流减小10倍。
反馈环路Q1-A1-R1和Q2-A2-R2使输入器件三极管Q1和Q2的集电极电流保持恒定，从而可将输入电压作用于外部增益控制电阻RG上，产生从输入至A1/A2输出的差分增益，G=（R1+R2）/RG+1，单位增益减法器A3用来消除任何共模信号。
图11AD620原理示意图
由于内部增益电阻R1和R2已在出厂时调整至绝对值24.7k
，可知增益公式为：
，
。
由于在设计中实现的是一个1:
1放大，因此不要求放大倍数，暂不跨接RG电阻。
供电电源为±15V。
无论用于何种电路，AD620都能以较低功耗实现更高的精度。
由于在简单的系统中绝对精度和漂移误差是最重要的误差来源，而在含有智能处理器的较复杂系统中，可消除所有的绝对精度和漂移误差，仅留下增益、非线性度和噪声的分辨率误差，使信号输出趋于稳定，下表即为RG取值与增益值的对照关系。
表2RG值与增益对照表
1%StdTable
ValueofRG,Ω
Calculated
Gain
0.1%StdTable
ValueofRG,Ω
Calculated
Gain
49.9K
12.4K
5.49K
1.990
4.984
9.998
49.3K
12.4K
5.49K
2.002
4.984
9.998
2.61K
1.00K
499
19.93
50.40
100.0
2.61K
1.01K
499
19.93
49.91
100.0
249
100
49.9
199.4
495.0
991.0
249
98.8
49.3
199.4
501.0
1,003
下方的图12为红外传感器的电路框图。
图12红外传感器电路图
3．2放大电路
3.2.1设计分析
从ANT-OTP-538U的输出电压与温度的特性关系可以知道输出电压的范围为-1.29～5mV（对应温度为-20～120℃），可以得知其输出电压较小，而AD采集芯片AD7324采样电压范围为-5～5V之间，因此需要设计电压放大电路将信号进行合理放大，Kv≈5V/5mV=1000。
放大器电路有分立电路和集成电路二种。
但不论从性能上，还是在实现上，集成放大电路都具有不可比拟的优势。
因此，放大电路应选用集成运放形式。
大家知道，集成运放多种多样。
在考虑到输入信号弱、放大倍数大、精度要求高的使用要求下，采用高精度运放OPA2277实现放大电路，是一个合理的选择。
3.2.2OPA2277简介
高精度运放OPA2277具有改善噪声、输出电压摆幅特性并且以一半的静态电流提供了2倍的速度的优良特性,其他特性还包括极低的输入失调电压、地输入偏置电流、高共模信号抑制比和电源抑制比等。
由于处于工作电压范围内时具备优良的性能而不用担心适应性，通常情况下不需要调零，并且多通道版本内部各放大器是完全相同并独立，能够提供良好串扰一致能力并降低相互之间的干扰，即使发生过驱动或过
升级会员 