测控技术与仪器专业毕业设计文献综述开题报告便携式红外测温系统的设计文档格式.doc

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1绪论 1

1.1课题的来源 1

1.2课题的意义 1

1.3红外测温技术国内外发展现状 2

1.3.1国内的研究现状 2

1.3.2国外的研究现状 2

1.4课题研究的主要内容 3

2红外测温系统的设计背景及方案介绍 4

2.1红外温度测量技术的概述 4

2.2红外测温原理及方法 4

2.3红外测温系统的方案介绍 7

3红外测温系统的硬件设计 10

3.1单片机处理模块 10

3.2红外测温模块 12

3.3RS232A转换电路模块 15

3.4电源模块 16

3.5键盘模块 16

3.6LED显示模块 17

4红外测温系统的软件设计 18

4.1主程序模块的设计 18

4.2红外测温程序模块 19

4.3键盘扫描程序模块 21

4.4显示程序模块 23

结论 24

参考文献 25

致谢 26

附录 27

附录图1电路原理图 27

37

1绪论

1.1课题的来源

在日常生活和生产中，我们经常要使用到温度的测量与控制，温度测量系统广泛应用于锅炉、汽车、化工、电子等各个领域。

早期的一些温度控制系统采用的是模拟电路来设计制作，有的采用热敏电阻，有的采用铂电阻，有的采用热电偶，还有的利用PN结，其精度和准确性都不是很理想。

现在基本上都很少使用模拟技术，而是使用基于数字技术的新一代产品，这种产品功能强，是前者的换代之物。

同时随着单片机性价比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大则可用于复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能。

小则可以用于电器控制，甚至还可以用于儿童的电子玩具。

它功能强大，质量轻，体积小，灵活好用，再配以适当的接口芯片，就可以构造各种各样、功能各异的温度测量与控制的产品。

1.2课题的意义

温度是确定物体状态的重要参数之一，它的测量在国防、科学、军事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，我们需要经常对机器设备的运行状况进行监测来确保设备安全的运行，而通过测量其表面的温度就能知道设备的运行状况。

现在的工业设备往往是在高电压、大电流以及其它危险情况下运行的，如果依靠传统的人工接触式检测方法，既浪费时间、人力、物力，又带有一定的危险性，同时对测温仪所使用的材质也有严格的要求，在这样的情况下，测温仪器的使用寿命也成了设计接触式测温仪的一个重点考虑部分。

所以要使用一种新的方式来检测目标对象的温度，确保设备运行顺畅。

有两种温度测量方法，一种是利用电参数随温度变化的热电偶、热电阻测温法，以及作为主要代表的以膨胀式温度计测温方法，另一种则是由热辐射为代表的非接触式测量。

前者的优势在于测到的是物体的真实温度，而且测温非常简单可靠，缺点是动态性能差，需要与被测物体接触才能测，温度测量设备和被测物体需要接触一定时间才能达到热平衡状态，也会影响被测物体的温度场分布，而且由于工业领域的高压、腐蚀性、高温等恶劣工况，会直接影响温度计的精度和使用寿命；

非接触式温度测量也就是所谓的辐射测温，基本上采用光电探测器或热电型作为检测元器件，其特点是：

具有非接触性、响应时间短、不会干扰被测物体的温度场、操作简单、使用寿命长。

便携式红外测温仪测量温度不需要直接与物体接触，所以在一些比较危险的行业里进行测温，红外测温就是最好的选择。

比如在2003年的非典时期，对于便携式红外测温仪的研制开发达工作有了进一步的提升。

由于社会需求量的增加，人们希望有性价比更好的便携式红外测温仪投入市场来满足社会的需求。

1.3红外测温技术国内外发展现状

1.3.1国内的研究现状

六十年代我国研制成功第一台红外测温仪。

我国最早开发应用的是红外光电测温仪，它相当于一个自动光学高温计，响应时间不快，测温精度不高，己经被淘汰。

进入九十年代，我国的红外测温仪采用当今国际上通用的工作原理，由反射式、折射式或干涉式光学系统收集被测物发出的红外辐射，经滤光片选取一定波长范围的辐射，射入红外探测器，探测器输出的电信号经过放大，线性化处理后送入数字电压表显示被测物体的温度。

并且陆续生产了小目标、远距离、适合工业生产特点的测温仪器，如西光IRT-1200D型、HCW-III型、HCW-V型；

YHCW-9400型；

WHD4015型（双瞄准，目标直径为40mm时，测距可达15m）、WFHX330型（光学瞄准，目标直径为50mm，测距可达30m）。

九十年代末期，我国也产生了用光纤束作为光学系统的测温仪，用单板机或单片机作信号处理和线性化及数字显示的测温仪。

在2003年全国防“非典”斗争中，中科院上海技术物理研究所在863计划高技术成果的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究，在短时间内开发成功了非接触式红外测温仪，打开了国内“非接触式测量”的新篇章，但由于这种装置受一定因素影响，测量结果还有待进一步进行校正。

作为一种医疗仪器，红外体温计的性能应当符合技术法规的要求。

但目前我国尚未有相关的国家标准及计量检定规程，建议国家有关部门需要从速制定体温测量用的各种红外温度仪表的标准和计量校准规范。

各生产厂在投产前都应参考相近的温度计和仪表的标准（包括我国标准和外国标准），制订出本单位的产品企业标准，标准中应规定对红外体温计的技术要求和对这些要求的测试方法,那样人们就可以得心应手的使用及对其进行维护。

1.3.2国外的研究现状

　在国外，非接触式红外测温仪已经非常先进了，自1999年就有许多国家致力于这方面的开发研究，到现在为止很多国家的产品已经达到国际先进水平，并已广泛应用与各个领域。

比如：

美国早在2001年就颁布了有关的计量标准，美国雷泰公司生产的ST系列已达到世界领先水平，由于本系列具有测量温度范围宽，并为从更远的距离或同样的距离测量较小物体的温度而改变了光学分辨率，它为专业人员提供了精度和价格合理的组合，它可用于电器的红外测温、供暖的红外测温、运输/汽车维修时的红外测温及人体的红外测温等各个领域。

因此，我们还有很大一段差距！

1.4课题研究的主要内容

针对目前温度检测的非接触技术指标要求，本文讨论了这种非接触式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量而达到测量物体温度的目的。

本测温仪是基于STC89C51单片机而开发的红外测温仪。

首先根据实际的需求开发制定出红外测温仪的性能指标和功能要求，然后由此具体设计出硬件电路原理图及其相关软件原理图。

1.4.1红外测温系统的设计步骤

1.设计或选用将被测物温度快速转换为电信号的传感器及与之配套的电子线路。

2.设计主光学系统，它有两个作用：

a）把被测处的红外线集中到检测元件上，

b）把进入仪表的红外线发射面，限制在固定范围内；

3.设计信号处理单元，把检测元件输出的信号，用电子技术和计算机技术进行处理，变成人们需要的各种模拟量和数字量信息；

4.设计显示单元，把处理过的信号变成人们可阅读的数字或画面。

1.4.2红外测温仪系统的技术指标及主要功能

1：

温度测量精度±

0.5℃；

2：

温度测量的分辨率0.1℃：

3：

LED显示；

4：

电源：

DC5V±

10%；

5：

工作环境温度≤60℃工作环境湿度≤90%。

2红外测温系统的设计背景及方案介绍

2.1红外温度测量技术的概述

经过相当长时间的发展，普通的温度测量技术已近于成熟。

但是，随着经济社会的发展在特殊条件（如高温、强腐蚀、强电磁场条件下或较远距离）下的温度测量技术却尚处在发展阶段。

因此，当前研究的重点也在于此。

2.1.1红外温度测量技术

便携式红外测温技术也被称为辐射测温技术，一般使用光电探测器或热电型作为检测元件。

这个温度测量系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是测量物体上某一点的温度；

而且使用方便；

它的制造工艺比较简单，成本较低，测温时不需要接触被测物体，具有响应时间短、使用寿命长、不会干扰被测温场、操作方便等一系列优点，但利用红外辐射技术测量温度，也必然会受到物体红外发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外部因素的影响，其测量误差较大。

在红外温度测量技术中红外温度传感器的选择是至关重要的，而且不仅在点温度测量中要使用红外温度传感器，大面积温度测量也要使用红外温度传感器。

本设计采用红外温度传感器作为红外数据的采集和传送，它具有响应速度快、分辨率、不扰动被测目标温度分布场、稳定性好和测量精度高等优点；

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式红外温度测量仪的主要原因之一。

2.1.2红外温度传感器

根据红外温度传感器的测量原理可以分为两类:

即热电红外温度传感器和光电红外温度传感器。

本红外测温仪设计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、热敏电阻和热释电效应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。

2.2红外测温原理及方法

2.2.1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有普朗克公式确定，即：

（2-1）

黑体辐射出射度由斯蒂芬-玻尔兹曼定律确定，即

==（2-2）

其中=3.7418×

10 W·

m,称为第一出射度

=1.4388×

10m·

K,称为第二出射度

=5.6697×

10W·

·

称为斯蒂芬–玻尔兹曼常数

表示波长

T表示热力学温度

由于实际物体并非黑体，所以实际物体的辐射度还需要在上式中乘上物体的辐射度常数，即：

=，（2-3）

表示物体的辐射出射度

因此对于进入红外测温光学系统的光线，经过探测器的光电转换后，其电压：

V=，（2-4）

这里面的K与探测器的灵敏度和光学系统中光谱的透过率等有关，由实验时确定。

下图2-1是不同温度下的黑体光谱辐射度图：

图2-1不同温度下的黑体光谱辐射度

从上图曲线中可以看出黑体辐射具有以下几个特征:

①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，温度高相应的光谱辐射度也大，反之亦然；

②在任何温度下，黑体的光谱辐射度都是随着波长连续变化，每一条曲线只有一个极大值；

③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，黑体辐射中短波长辐射所占比例增加。

2.2.2红外测温的方法

根据不同的温度测量原理，红外测温仪有三种不同的设计方法：

第一种称为亮度测温法，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；

第二种称为全辐射测温法，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；

第三种称为比色测温法，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。

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。

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，只适合于高温测量。

本设计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全波长范围内的总辐射而定温，得到的是物体的辐射温度。

该方法的选择是因为中低温物体的辐射信号很弱，波长较大，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：

全辐射测温仪测温的理论基础是斯蒂芬一玻耳兹曼定律，即：

==（2-6）

由此可见黑体在整个波长范围内的辐射功率与绝对温度的4次方成正比，是温度的单一函数，它是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的辐射温度。

通常，红外测温仪是以黑体（=1）定标的，此方法所使用的仪表结构简单、读数客观并能连续记录。

缺点是温度计示值受环境及发射率影响较大，从而降低了其测温结果的准确度。

在实际测量时，需要把辐射温度转换成真实温度，可通过下式进行换算：

T=（）（2-7）

由它引起的真实温度误差为：

=-×

（2-8）

式中：

-黑体的温度；

-真实温度；

-总发射率误差；

2.3红外测温系统的方案介绍

2.3.1红外测温仪的硬件系统方案设计

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

STC89C51单片机是本系统的控制中心，它负责控制温度测量、测量数据的接收、计算测量值、并根据取得的键值控制显示过程；

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；

红外测温模块负责温度数据的测量、采集，并将采集到的数据通过数据传送端口传到STC89C51单片机；

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力的供应。

此红外测温仪系统的硬件结构框图如图2-2所示：

STC89C51

单片机

电源模块

红外测温模块

RS232转换模块

键盘模块

LED显示模块

图2-2红外测温仪系统的硬件方案设计框图

2.3.2红外测温仪的应用软件系统的方案设计

温度测量硬件系统的功能是在软件程序控制下实现的。

本系统的软件设计思路与硬件设计相对应，同样采用模块化设计的理念，按系统的整体功能分成多个不同的程序模块，然后分别进行设计、编程和调试，最后各程序模块通过主程序和中断处理程序连接起来。

这样方便程序的修改和调试，使程序的可移植性增强了。

整个红外测温系统分成四个模块分别予以解决，它包括主程序模块，红外测温模块，显示模块和键盘扫描模块。

主程序模块主要完成测温系统初始化，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显示屏的初始化。

红外测温模块包括：

获取温度数据，计算温度值。

显示模块：

获取和处理相应的温度数据。

键盘扫描模块：

获取按键的信息，处理按键请求等。

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，通过时钟的设置可以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运行的关键。

具体的软件方案设计如下图2-3：

主程序模块

红外测温

键盘扫描

显示模块

图2-3红外测温仪系统的软件方案设计框图

3红外测温系统的硬件设计

3.1单片机处理模块

该红外测温仪的核心器件是STC89C51单片机，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，发送到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3-1单片机处理模块电路图

其复位电路如图3-1左边上部分，此单片机处理模块的复位是通过开关手动实现的，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需要重置温度测量数据。

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3-1左边下部分。

因为晶体震荡电路的频率稳定性好，而这正是本设计非常重要的一个技术要求。

红外测温仪的核心处理部件是单片机，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STC89C51单片机，下面是STC89C51单片机相关资料信息：

STC89C51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。

STC89C51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3-2是此单片机的引脚图：

图3-2STC89C51单片机引脚图

一、STC89C51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.工作频率范围：

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

3.工作电压：

5.5v-3.8v；

4.4k的Flash程序存储器；

5.ISP/IAP，无须专用编程器/仿真器；

6.片上集成512字节RAM；

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）;