非接触式红外测温仪设计.docx

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非接触式红外测温仪设计

非接触式红外测温仪设计

摘要

温度测量技术应用十分广泛，而且在现代设备故障检测领域中也是一项非常重要的技术。

但在某些应用领域中，要求测量温度用的传感器不能与被测物体相接触，这就需要一种非接触的测温方式来满足上述测温需求。

本论文正是应上述实际需求而设计的红外测温仪。

红外测温仪是以黑体辐射定律作为理论基础，是光学理论和微电子学综合发展的产物。

与传统的测温方式相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。

本文介绍了红外测温仪测温的基本原理和实现方法，提出了以STC89C51单片机为其核心控制部件的红外测温系统。

详细介绍了该系统的构成和实现方式，给出了硬件原理图和软件的设计流程图。

该系统主要由光学系统、光电探测器、显示输出等部分组成。

光学系统汇集其视场内目标的红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。

STC89C51单片机负责控制启动温度测量、接收测量数据、并按照单片机中的温度值计算算法计算出目标的温度值再通过LED把结果显示出来。

关键词:

STC89C51单片机，红外测温，LED显示

THEDESIGNOFNON－CONTECTINFRAREDTHERMOMETER

ABSTRACT

Thetechnologyoftemperaturemeasurementisusedwidespread,anditalsoimportantinthemodernequipmentfailureexaminationfield.Butinsomeapplicationdomains,weneedn’tthesensorcontactwiththemeasuredobjectwhichusedintemperaturemeasurement,thisneedsakindofnon-contacttemperaturemeasurementtosatisfiesthedemandandthedesignofthisinfraredthermometerisalsobasedonthedemand.

Infraredthermomter,itusestheblackbodyradiationlawsasthetheoriesfoundation,itistheoutcomethattheopticaltheoriesandmicro-electronicslearnacomprehensivedevelopment.Comparedtothewayoftraditionaltemperaturemeasurement,ithasaseriesofmerits,suchasshortinresponsetime,non-contact,noninterferencetotemperaturefield,longusefultimeandconvenientoperation,etc.

Thepaperintroducesthebasicprincipleofinfraredthermometerandthemethodofrealization,putsforwardinfraredtrermometersystemwiththeSTC89C51MCUastheCPU.Thepaperintroducesthecomposingandthemethodofthatsystemindetail,andgivesthehardwareprinciplediagramandthedesignflowchartofthesoftware.Thesystemformedbytheopticalsystem,photoelectrondetector,displayandoutputpartially.Theopticalsystemcollectstheinfraredradiationenergyoftheobjectinitsfieldofview,theinfraredenergyfocusingontheinstrumentandtransformstothecorrespondingelectricalsignal.TheSTC89C51MCUisusedtostartthetemperaturesurvey,datareceive,countthevalueoftheobjecttemperaturebasedonthearithmeticwithinMCUandtheresultisdisplayedonLED.

KEYWORDS:

TheSTC89C51MCU,infraredradiationthermometry,theLEDdisplay

前言

温度是确定物质状态的重要参数之一，它的测量与控制在国防、军事、科学研究以及工农业生产中占有十分重要的地位。

在工业生产中，我们通常通过测量设备表面的温度来监测设备的运行状况，而现代的工业设备往往是在高电压、大电流等危险情况下运行的，传统依靠人工接触式检测的方法既浪费时间、人力，又带有一定的危险性，同时对测温仪所采用的材质也有严格的限制。

因此有必要去应用一种新的方式去检测目标系统的温度，确保设备的平稳运行。

针对现代故障检测非接触技术指标的要求，本文讨论了这种非接触红外辐射温度测量技术，这种技术通过测量物体的红外辐射而达到测量物体温度的目的。

本测温仪是基于STC89C51单片机的红外测温仪，首先它是根据实际需要制定的红外测温的性能指标和功能要求，然后由此具体设计出了硬件电路原理图及其相关软件。

本论文的第一章简要地介绍了现代测温技术的发展背景、红外辐射测温原理以及本测温仪的总体设计方案；第二章系统地介绍了红外测温仪的硬件设计及其各硬件模块的功能与原理图；第三章则概述性的介绍了本红外测温仪的软件设计，以流程图的方式介绍了各个功能的具体实现。

由于时间紧迫，知识面窄等因素，该系统并非非常完善，还有一些方面需要进一步的修改与调试。

这其中的不足之处，请各位老师加以批评指正。

第一章红外测温系统的设计背景及方案介绍

随着现代科学技术的发展，传统的接触式测温方式以不能满足现代一些领域的测温需求，对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。

本红外测温仪设计的出发点也正是基于此。

在本章中简要介绍了温度测量技术的发展，在此基础上进一步概述了红外测温的原理与方法，并给出了本仪器的设计方案。

§1.1温度测量技术的概述

普通温度测量技术经过相当长时间的发展已近于成熟。

目前，随着经济的发展日益需要的是在特殊条件（如高温、强腐蚀、强电磁场条件下或较远距离）下的温度测量技术。

因此，当前研究的重点也在于此。

一、红外温度测量技术

非接触式红外测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件。

此温度测量系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是被测物体上某一点的温度测量；可以是便携式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工艺简单，成木较低，测温时不接触被测物体，具有响应时间短、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点，但利用红外辐射测量温度，也必然受到物体发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。

在这种温度测量技术中红外温度传感器的选择是非常重要的，而且不仅在点温度测量中要使用红外温度传感器，大面积温度测量也可使用红外温度传感器。

本设计正是采用红外温度传感器这种温度测量技术，它具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点；另外红外温度传感器的种类较多，发展非常快，技术比较成熟，这也是本设计采用红外温度传感器设计非接触温度测量仪的主要原因之一。

二、红外温度传感器

红外温度传感器按照测量原理可以分为两类:

光电红外温度传感器和热电红外温度传感器。

本红外测温仪选用热电红外温度传感器。

热电红外温度传感器是利用红外辐射的热效应，通过温差电效应、热释电效应和热敏电阻等来测量所吸收的红外辐射，间接地测量辐射红外光物体的温度。

本设计根据现代非接触故障检测技术的需求选用了型号为凌阳的TN9温度传感器。

它的测量距离大约为30米，测量回应时间大约为0.5秒。

而且它具备SPI接口，可以很方便地与单片机（MCU）传输数据。

§1.2红外测温原理及方法

一、红外测温原理

红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。

黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定，即：

下图1-1是不同温度下的黑体光谱辐射度图：

图1-1不同温度下的黑体光谱辐射度

从上图中曲线可以看出黑体辐射具有几个特征:

1在任何温度下，黑体的光谱辐射度都随着波长连续变化，每条曲线只有一个极大值；

2随着温度的升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减小。

这表明随着温度的升高，黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加；

3随着温度的升高，黑体辐射曲线全面提高，即在任一指定波长处，与较高温度相应的光谱辐射度也较大，反之亦然。

二、红外测温的方法

依据测温原理的不同，红外测温仪的设计有三种方法，通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射温度的称为全辐射测温法；通过测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度测温法；如果是通过被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化来定温的称为比色测温法。

亮度测温法无需环境温度补偿，发射率误差较小，测温精度高，但工作于短波区，只适于高温测量。

比色测温法的光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘影响小，测温误差小，但必须选择适当波段，使波段的发射率相差不大。

本文选用全辐射测温法来计算被测量物体的温度，全辐射测温法是根据所有波长范围内的总辐射而定温，得到的是物体的辐射温度。

选用这种方法是因为中低温物体的波长较大，辐射信号很弱，而且结构简单，成本较低，但它的测温精度稍差，受物体辐射率影响大。

下面是全辐射测温法的相关方法介绍：

由普朗克公式可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系式：

V=RaεσT4=KT4

式中K=Raεσ，由实验确定，定标时ε取1

　　T—被测物体的绝对温度

　　R——探测器的灵敏度

　　a——与大气衰减距离有关的常数

　　ε——辐射率

　　σ——斯蒂芬—玻耳兹曼常数

因此，可以通过检测电压而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号与目标温度呈非线性关系，V与T的四次方成正比，所以要进行线性化处理。

线性化处理后得到物体的表观温度，需进行辐射率修正为真实温度，

其校正式为：

式中Tr——辐射温度（表观温度）

　　ε（T）——辐射率，取0.1～0.9

由于调制片辐射信号的影响，辐射率修正后的真实温度为高于环境的温度，还必须作环温补偿，即真实温度加上环温才能最终得到被测物体的实际温度。

§1.3红外测温系统的方案介绍

红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。

可以对正在运行的设备进行非接触检测，拍摄其温度场的分布、测量任何部位的温度值，据此对各种外部及内部故障进行诊断，具有实时、遥测、直观和定量测温等优点，用来检测发电厂、变电所和输电线路的运转设备和带电设备非常方便、有效。

用红外测温仪，你可连续诊断电子连接问题和查找连接处的热点，以检测设备的功能状态，还可检验电池组件和功率配电盘接线端子，开关齿轮或保险丝连接，防止能源消耗。

此红外测温仪的特点：

有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高、稳定性好等优点。

该设计方案主要包括：

软件设计部分与软件设计部分。

一、红外测温仪系统的技术指标及主要功能

1：

温度测量精度±1℃；

2：

温度测量的分辨率0.1℃：

2：

LED显示；

3：

电源：

DC5V±10%；

4：

工作环境温度≤60℃工作环境湿度≤90%；

二、红外测温仪的硬件系统方案设计

本红外测温仪采用模块化的设计思想，它的硬件结构由STC89C51单片机模块，红外测温模块，RS232转换电路模块，电源模块，键盘模块和LED显示模块组成。

STC89C51单片机是本系统的控制中心，它负责控制启动温度测量、接收测量数据、计算温度值、并根据取得的键值控制显示过程；红外测温模块负责温度数据的采集、测量，并将采集到的数据通过数据端口传送给STC89C51单片机；RS232转换电路模块可以使单片机方便地同PC机进行串口通信，并可以同时接收或传送外部送来的资料；通过键盘模块可以方便地进行测温及各种操作；LED显示模块把测量的温度值直观地显示给观测者；电源模块负责本红外测温仪电源的供应。

此红外测温仪系统的硬件结构框图如图1-2所示：

图1-2红外测温仪系统的硬件方案设计框图

三、红外测温仪的应用软件系统的方案设计

此红外测温仪的软件设计同样采用模块化的设计思想，它把整个系统分成若干模块分别予以解决，它包括主程序模块，红外测温模块，键盘扫描模块和显示模块。

主程序模块主要完成系统初始化，温度的检测，串行口通信，键盘和显示等功能。

其中系统初始化包括:

时间中断的初始化、外部中断源的初始化、串口通信中断的初始化、LED显示的初始化。

红外测温模块包括：

获取温度数据，计算温度值。

键盘扫描模块：

获取按键信息，处理按键请求等。

显示模块：

获取并处理相应的温度数据，

在此红外测温仪的软件系统设计中，时钟的设置是相当重要的，通过时钟的设置才能获得良好的时钟频率，这个时钟频率是整个软件系统是否能正常有序地运行的关键。

具体的软件方案设计如下图1-3：

图1-3红外测温仪系统的软件方案设计框图

第二章红外测温系统的硬件设计

基于STC89C51单片机的红外测温仪的硬件设计采用目前使用比较广泛的模块化设计思想，将整个系统分成六大模块：

单片机处理模块；红外测温模块；RS232转换电路模块；电源模块；键盘模块和LED显示模块。

通过划分模块的方法，可以把一个复杂的问题分割成几个相对容易解决的问题，分别予以解决，大大简化了设计的难度。

§2.1单片机处理模块

该红外测温仪是以STC89C51单片机为核心器件，此单片机模块的工作原理是：

加载相应程序的STC89C51单片机把红外测温模块传来的数据加以处理，送LED显示屏显示。

下图3-1是单片机处理模块的电路原理图

图2-1单片机处理模块电路图

其复位电路如图2-1左边上部分，本单片机处理模块是通过开关手动复位的，只要在RST引脚出现大于10ms的高电平，单片机就进入复位状态，这样做的目的是便于根据实际情况而选择是否复位温度测量数据。

而此仪器的震荡电路选用的是晶体震荡电路，其具体电路如图2-1左边下部分。

采用晶体震荡电路的原因是因为它的频率稳定性好，而这正是本红外测温仪非常重要的技术要求。

单片机作为红外测温仪的核心处理部件，它关系到整个仪器的性能指标。

因此它的选择是非常重要的。

本测温仪选择的STC89C51RC单片机，下面是STC89C51RC单片机相关资料信息：

STC89C51RC单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。

STC89C51RC系列单片机具有在系统可编程（ISP）特性，这样可以省去购买通用编程器，单片机在用户系统上即可下载/烧录用户程序，无须将单片机从以生产好的产品上拆下。

对于一些尚未定型的设计可以一边设计一边完善，加快了设计速度，减少了一些软件缺陷风险。

由于可以在用户的目标系统上将程序直接下载进单片机看运行结果，故无须仿真器。

下图2-2是此单片机的引脚图：

图2-2STC89C51RC单片机引脚图

一、STC89C51RC单片机的特点：

1.增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU；

2.工作电压：

5.5v-3.8v；

3.工作频率范围：

0-40MHz，相当于普通8051的0～80M，实际工作频率可达48MHz；

4.4k的Flash程序存储器；

5.片上集成512字节RAM；

6.ISP/IAP，无须专用编程器/仿真器；

7.通用I/O口，复位后：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时需加上拉电阻；

8.EEPROM功能；

9.看门狗；

10．内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省略复位电路）

11．共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；

12．外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；

13．超低功耗，正常工作模式，典型功耗2mA；掉电模式，典型功耗0.5uA，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序；

14．2个数据指针；

15．通用异步串行口（UATR），还可用定时器软件实现多个UATR；

16．工作温度范围：

0－75℃/－40～＋85℃；

17．封装形式：

PDIP-40/PLCC-44/PQFP-44。

二、STC89C51各引脚的功能描述如下：

（1）电源和晶振：

VCC——运行和程序校验时加的电压；

VSS——接地；

XTAL1——输入到振荡器的反向放大器；

XTAL2——反向放大器输出，输入到内部时钟发生器。

（2）RST：

单片机的上电复位或掉电保护端；

（3）ALE:

地址锁存有效信号输出端；

（4）

：

片外程序存储器读选通信号输出端。

§2.2红外测温模块

此红外测温模块采用非接触手段，解决了传统测温中需要接触的问题，具有回应速度快，测量精度高，测量范围广等优点。

它通过红外温度传感器扫描被测物体，并把相应的红外辐射数据通过P1.5和P1.6口传送给单片机模块。

图2-3是红外测温模块电路图：

图2-3红外测温电路模块

面对目前众多的红外检测器件产品，在设计中选择合适的红外检测器已成为一个重要问题。

在设计过程中选择红外线检测器件时，首先考虑的是器件的以下性能因素:

光谱响应范围、响应速度、有效检测面积、元件数量、制冷方式和检测目标的温度。

本红外测温仪选用了凌阳公司生产的型号为TN9的红外探测器作为测温模块，它是一种集成的红外探测器，内部有温度补偿电路和线性处理电路，因此简化了本系统的设计。

它的测量距离大约为30米，测量回应时间大约为0.5秒。

而且它具备SPI接口，可以很方便地与单片机（MCU）传输数据。

其相关资料如下：

一、红外测温传感器的引脚介绍

图2-4红外测温传感器引脚图

红外测温传感器引脚图如图2-4，其中V为电源引脚VCC，VCC一般为3V到5V之间的电压，一般取3.3V；D为数据接收引脚，没有数据接收时D为高电平；C为2KHzClock输出引脚；G为接地引脚；A为测温启动信号引脚，低电平有效。

二、红外测温模块的时序

红外测温模块的时序图如图2-5，在CLOCK的下降沿时接收数据。

（例：

如果一次温度测量需接收5个字节的数据，这5个字节中：

Item为0x4c表示测量目标温度，为0x6c表示测量环境温度；MSB为接收温度的高八位数据；LSB为接收温度的低八位数据；Sum为验证码，接收正确时Sum=Item+MSB+LSB；CR为结束标志，当CR为0xodH时表示完成一次温度数据接收。

）

红外测温模块温度值的计算

以上面的例子：

无论测量环境温度还是目标温度，只要检测到Item为0x4cH或者0x66H同时检测到CR为0x0dH，他们的温度的计算方法都相同。

计算公式：

目标温度/环境温度=Temp/16-273.15

其中Temp为十进制，当把它转换成十六进制的高八位为MSB，低八位为LSB；比如MSB为0x14H，LSB为0x2Ah，则Temp十六进制时为0x142aH，十进制时为5162，则测得的温度值为5162/16-273.15=39.475℃.

§2.4RS232A电平转换模块

通过RS232转换电路单片机可以方便的同PC机进行串口通信，可以同时接收或传送外部送来的资料。

但是进行串行通讯时要满足一定的条件，因为RS232是用正负电压来表示逻辑状态的,而TTL是用高低电平来表示逻辑状态的,因此,为了能够同PC机接口或终端的TTL器件连接,必须在RS232与TTL电平之间进行电平转换。

实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。

目前较为广泛地使用集成电路转换器件，本设计采用MAX232芯片它可完成TTL到EIA双向电平的转换。

RS-232C是串行数据接口标准，它规定了连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。

RS-232被定义为一种在低速串行通信中增加通信距离的单端标准，它采取非均衡传输方式，即所谓的单端通信。

典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，发送数据时，发送端驱动器输出正电平+5～+15V，负电平为-15～-5V。

无数据传输时，线上为TTL。

从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平，然后返回TTL电平。

接收器典型的工作电平为+3～+12V与-12～-3V。

由于发送电平与接收电平的差仅为2～3V左右，所以其共模抑制能力差。

加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大约为15米，最高速度为20Kb/s。

RS232转换电路图如图2-7

图2-7RS232转换电路

MAX232C芯片介绍

MAX232C是RS232与TTL电平之间进行电平转换的工具芯片，它是MAXIM公司生产、包括两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。

MAX232C芯片内部有一个电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成为RS232所输出电平所需的电压。

所以，采用此芯片的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。

§2.5电源模块

STC89C51的内核共电为5v，，而此红外测温仪系统的红外测温模块和LED键盘模块的共电电压都可为5V，所以通过此电源模块后，将外部输入电压转换成5V的单片机工作电压，以保障红外测温系统的正常运行。

图2-9电源电路

§2.6键盘模块

图2-10键盘电路原理图

键盘模块采用动态扫描的方式，键盘扫描电路输出端和LED显示器段码控制端口共用74HC164的输出Q0~Q7,这样减少占用更多的I/O口。

本系统的键盘采用1×8行列式键盘。

其工作原理为：

单片机通过运行程序不断扫描键盘，检查是否有键按下，当扫描到有键按下时。

经过程序处理找出按下的键值，并调用相应键操作程序完成对应的键操作。

其电路原理图如图2-10所示。

§2.7LED显示模块

LED显示模块：

数码管显示按显示方式分动态显示和静态显示两种，静态显示虽然数据显示稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的电路硬件较多；动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，