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

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。

近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。

比起接触式测温方法，红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。

非接触红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。

在不同规格的各种型号测温仪中，正确选择红外测温仪型号对用户来说是十分重要的。

　　红外检测是一种在线监测（不停电）式高科技检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，通过接收物体发出的红外线（红外辐射），将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况，具有准确、实时、快速等优点。

任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。

红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况。

目前应用红外诊技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。

像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。

　　红外诊断技术对电气设备的早期故障缺陷及绝缘性能做出可靠的预测，使传统电气设备的预防性试验维修（预防试验是50年代引进前苏联的标准）提高到预知状态检修，这也是现代电力企业发展的方向。

特别是现在大机组、超高电压的发展，对电力系统的可靠运行，关系到电网的稳定，提出了越来越高的要求。

随着现代科学技术不断发展成熟与日益完善，利用红外状态监测和诊断技术具有远距离、不接触、不取样、不解体，又具有准确、快速、直观等特点，实时地在线监测和诊断电气设备大多数故障（几乎可以覆盖所有电气设备各种故障的检测）。

它备受国内外电力行业的重视（国外70年代后期普遍应用的一种先进状态检修体制），并得到快速发展。

红外检测技术的应用，对提高电气设备的可靠性与有效性，提高运行经济效益，降低维修成本都有很重要的意义。

是目前在预知检修领域中普遍推广的一种很好手段，又能使维修水平和设备的健康水平上一个台阶。

目前应用红外诊断技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。

像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。

目前，我国也在研发一种体积小，成本较低，又不受外界环境温度干扰的人体红外测温仪，对医学的发展有很重大的意义。

自从1800年英国天文学家F·W·赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。

从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。

当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。

其中有些达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。

此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。

特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。

目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。

对于红外传感器的全球市场，第三世界国家将比欧美更加看好。

虽然欧美很多工业国家加工业广泛，但其市场以趋向饱和；而在中国以及拉美一些新兴国家和地区，随着其经济的复苏与发展，各国各地区纷纷加强工业化建设，加工厂不断增多，红外传感器在该区域的销量每年以2％～5％的速度增长，并且其市场销量还处于增长趋势。

我国的红外检测技术的发展起步比较晚，直到2003年非典的袭击，我国才迅速诞生了一支专门抗击非典的医疗仪器队伍，特别是在红外体温检测仪的研发方面取得了突出的成就。

国家相关部门也在重点强调非接触式体温计的研发。

随着工农业、国防事业、医学的发展，对温度测量越来越迫切。

在某些场合，温度测量逐步上升为主要矛盾，引起了个方面的普遍重视。

例如在不停机的情况下对机械设备、电力设备、生产设备等进行温度测量；在不能造成产品的污染或损坏的情况下对成产过程或仓库的产品温度进行测量；在医学领域内，为了了解病人的身体状况，需要对病人身体的各个铺位的温度进行安全的测量。

在这种背景下使用方便、可快速对物体温度进行非接触，无损测量的红外测温技术得到的了极大的发展。

非接触红外测温的优点如下：

a.它的测量不干扰被测温度场，不影响温场的分布，从而具有较高的测量准确度；

b.温度范围宽。

在理论上无测量上限，可以测量相当高的温度；

c.测量器的反应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量；

d.不必接触被测物体，操作方便；

e.可以确定微小目标的温度。

从根本上解决普通温度测量技术在不能再测量条件下测量的难题，所以研究红外测温的意义重大。

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。

1.1.1、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。

1.1.2、红外温度传感器

　红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这项技术在现代科技、国防科技和工农业科技等领域得到了广泛的应用。

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

1.2.1、红外测温原理

红外测温由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。

光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。

红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。

该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

　　在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。

物体的红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关系。

因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。

黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。

但是，自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体，为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。

所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。

因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。

该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。

根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。

影响发射率的主要因素在：

材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。

当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。

单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例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。

1.2.2、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五种方法

a.全辐射测温法

它是根据测量波长从零到无限大整个光谱范围物体的总辐射功率用黑体定标的仪器来确定物体的温度。

其总辐射功率的大小与被测对象温度之间的关系是由斯蒂芬-玻尔兹曼定律来描述。

b.亮度测温法

它是根据测量给定波长K0附近一窄光谱范围的辐射用黑体定标的仪器来确定物体的温度,适用于高温测量。

c.双波段测温法

它是根据测量两个给定波长K1和K2的辐射功率之比,用黑体定标的仪器来确定物体的温度,适合测量发射率变化或未知的物体,但只适合于测量辐射能量密度大的高温物体。

这3种方法均由普朗克定律来描述。

d.多波段测温法

依次取多个波段,通过计算这些波段辐射功率之间的复杂关系来确定物体的温度。

e.最大波长测温法

由维恩位移定律,黑体辐射峰值波长Kmax与绝对温度T之积为一常数,通过测量峰值波长Kmax来计算温度T。

此法常用测量极高温（大于2000°C）。

由此可见,非接触红外测温有以下的缺点：

测得的温度值是测量对象的表面温度,且必须用发射率进行修正,增加了测量的复杂性;周围介质的影响引起测量误差。

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。

1.3.1、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%；

1.3.2、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。

主要技术指标：

（1）核心器件采用STC89C51单片机设计电路；

（2）测量温度传感器采用TN9红外传感器；

（3）采用数码管显示器显示测量温度值；

（4）设计硬件电路并编译有关软件程序；

（5）测量温度范围不超过-33-220℃

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

1.3.3、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

复位电路

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的按钮复位。

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