基于红外的温度检测系统设计Word下载.docx
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在高压输电系统中，配电柜开关接点的温度的异常变化常预示着一次重大事故的发生，因此，对开关接点温度的监测就有很大的现实意义。
在常把变色示标贴片贴在重要的开关接点上，利用其颜色由深到浅的变化来判断接点温度的变化。
这种方法简单价廉，但准确度较差，需要值班人员的定时巡检，工作强度大。
近年来出现了一种便携式红外线测温仪，不接触测量，测量准确，价格较贵，同样需要值班人员的定时巡检，并作好记录，以便于分析各接点的温度变化趋势。
以上2种方法，都是利用人工方法进行定时监测，测量结果和记录数据含有较多的人为因素，并且不能连续监测。
因此连续温度监控和实时关键部件温度趋势汇报已经成为急需解决的问题。
而在线温度连续监控系统可以实时监控系统温度，通过趋势分析，能超前发现隐情，将电气故障扼杀在萌芽状态。
介绍一种利用红外温度传感器对开关接点进行在线实时监测，并利用微机来对各接点的温度数据进行管理、存储、分析，以对温度异常变化的接点进行重点监测、维修，做到防患于未然。
因此，研制一种非接触式温度测量装置对于电力系统的安全运行是非常有必要的。
在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的要求，特别是需要对温度进行远距离监测的场合，一般都是温度传感器大显身手的地方。
其测试原理:
任何物体都会发出电磁辐射，这种电磁辐射能被红外温度传感器测量。
当物体温度变化时，其辐射出的电磁波的波长也会随之变化，红外传感器能将这种波长的变化转换成温度的变化，从而实现监控、测温的目的。
由此可见，可以利用红外温度传感器对高压电力设备的触头温度进行实时监测。
此外，红外温度传感器在对食品、药物等温度检测的领域也得到了广泛的应用。
基于上述的分析，本文采用红外温度传感器对电力设备的温度进行监测。
此外，整个系统还具有测试精度高、智能化程度高等特点
第一章温度测量的概述
1.1温度的概念与温标
1.1.1温度
温度是一个基本物理量。
温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。
温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。
分子运动愈激烈其温度表现越高。
自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量[1]。
1.1.2温标
温度是表征物体冷热程度的物理量。
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。
它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。
目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标。
经验温标的基础是利用物质体膨胀与温度的关系。
认为在两个易于实现且稳定的温度点之间所选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。
把在两温度之间体积的总变化分为若干等分，并把引起体积变化一份的温度定义为1度。
经验温标与测温介质有关，有多少种测温介质就有多少个温标。
按照这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标。
摄氏温标：
所用标准仪器是水银玻璃温度计。
分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份的温度定义为1摄氏度，单位为“℃”。
华氏温标：
标准仪器是水银温度计，按照华氏温标，水的冰点为32℉，沸点是212℉。
分成180份，对应每份的温度为1华氏度，单位为“℉”。
摄氏温度和华氏温度的关系为
（1-1）
热力学温标:
又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，水的三相点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，为273.16K，水的凝固点，即相当摄氏温标0℃，相当华氏温标32℉的开氏温标为
273.15K。
热力学温标（符号为T）它的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。
1.2测温方法
按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类。
1.2.1.接触式测温
接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。
优点：
直观可靠。
缺点：
是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。
接触式测温仪器又可分为:
a.膨胀式温度计（包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计）
b.电阻式温度计（包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计）
利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。
大多数金属在温度升高1C时电阻将增加0.4％～0.6％。
但半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高1C，电阻约减小2％～6％。
目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍，它们已得到广泛的应用。
1.铂电阻温度计
铂是一种贵金属。
它的特点是精度高，稳定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很强。
铂在很宽的温度范围内约1200C以下都能保证上述特性。
铂很容易提纯，复现性好，有良好的工艺性，可制成很细的铂丝（0.02mm或更细）或极薄的铂箔。
与其它材料相比，铂有较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的热电阻材料。
铂电阻的电阻温度系数比较小,价格贵.在0C以上，其电阻与温度的关系接近于直线，其电阻温度系数A为3.9×
10－3/C。
我国已采用IEC标准制作工业铂电阻。
按IEC标淮，使用温度已扩大到-200～850C，初始电阻有100和50两种。
2.铜电阻温度计
在一般测量精度要求不高、温度较低的场合，普遍地使用铜电阻。
它可用来测量－50～＋150C的温度，在这温度范围内，铜电阻和温度呈线性关系：
（1-2）
铜电阻的缺点是电阻率小．所以制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高，或者就要长，使体积增大。
此外铜很容易氧化，所以它的工作上限为150C。
但铜电阻价格便宜，因此仍被广泛采用
热电阻把温度量转换成电阻置，这样就可以通过测量电阻来测量温度。
测量电阻通常可利用欧姆表或电桥。
平衡电桥法如图1-1所示。
如果电阻R1=R2，当热电阻Rt阻值随温度变化时，调节电位器Rw的电刷位置x，使电桥处于平衡状态，则有Rt=R0x/L=nR0。
图1-1平衡电桥法
热电阻测温系统的误差由热电阻的基本误差、指示仪表的误差、电阻体自热误差和引线电阻误差组成。
自热误差是由流过电阻体的电流引起，电流大可提高输出信号，但带来的自热误差也大。
一般工业热电阻工作电流被限制在6mA以内，这样自热温差就不会超过0.1C。
c.热电式温度计（包括热电偶和P-N结温度计）以及其它原理的温度计。
热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应．其工作原理：
两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，当两个接触点（称为结点）温度t和t0不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。
热电偶基本定律有以下几种：
1.均质导体定律
由均质材料构成的热电偶、热电动势的大小只与材料及结点温度有关。
与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布无关。
如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。
2.中间导体定律
将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。
3.中间温度定律
在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Ta和Ta、T0时热电动势的代数和，即：
（1-3）
两端点在任意温度时的热电势为：
（1-4）
4.标准电极定律
两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶．如果A、C和B、C热电偶的热电动势已知、那么这两种导体A、B组成的热电偶产生的电动势可由下式求得：
（1-5）
热电偶的参比端处理
如前所述，为使热电偶的热电动势与被测量间呈单值函数关系，热电偶的参比端可采用以下方法处理。
1.0C恒温法
这种方法是将热电偶的参比端保持在稳定的0C环境中。
2.参比端温度修正法
当热电偶参比端为不等于0C时，需对仪表的示值加以修正，因为热电偶的温度－热电动势关系以及分度表是在参比端为0C得到的。
修正公式：
（1-6）
补偿导线的应用
所谓补偿导线就是用热电性质与热电偶相近的材料制成导线．用它将热电偶的参比端延长到需要的地方，而且不会对热电偶回路引入超出允许的附加测温误差。
随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。
国际电工委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。
1.2.2.非接触式测温
非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。
此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。
非接触测温主要是利用光辐射来测量物体温度。
任何物体受热后都特有一部分
的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。
辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。
而在温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。
热辐射基本定律有以下几种：
1.基尔霍夫定律
光谱吸收比：
（1-7）
式中，
为照射到物体单位面积上的辐通量（包括有不同波长的辐射）；
为被物体吸收的辐通量。
在热平衡时被分析物体向四周的辐射功率等于它吸收的功率，就是温度T时绝对黑体的光谱辐射出射度。
（1-8）
为物体的光谱辐射出射度
2.斯忒潘—玻耳兹曼定律
斯式潘根据实验得出结论，物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比。
3.普朗克定律：
（1-9）
（1-10）
也可用亮度表示：
（1-11）
式中，为波长；
c1为普朗克第一辐射常数,c2为普朗克第二辐射常数，h为普朗克常数；
c为光速；
k为玻耳兹曼常数。
4.维恩位移定律
热辐射电磁波中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长与物体自身的绝对温度T成以下关系：
（1-12）
非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。
1.全辐射温度计
全辐射温度计是利用物体的温度与总辐射出射度全光谱范围的积分辐射能量的关系来测量温度的。
根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：
（1-13）
或
（1-14）
只要采用敏感元件测量出这辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度。
应该注意的是仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。
我们一般把这个温度称为“辐射温度”：
（1-15）
（1-16）
式中，T和TF分别为物体的真实温度和辐射温度，T为温度T时物体全辐射的黑度系数。
2.部分辐射温度计
为了提高仪表的灵敏度，有时热敏元件不是采用热电堆，而是采用光电池、光敏电阻以及其它的一些红外探测元件，这些元件和热电堆相比具有光谱选择性，它们仅能对某一波长范围的光谱产生效应。
因此它们对测量的要求是，只能使工作光谱仅限于一定的光谱范围内。
我们称此类辐射温度计为部分辐射温度计。
部分辐射温度计的光路系统所示，一般由主镜和次镜一组发射系统来完成焦距的调整，使成像集中在热敏元件表面，而目镜系统主要用于对目标的瞄准、热敏元，件的输出信号通过测量电路来完成信号的放大和整流。
测量电路包括测量桥路、前置放大、选频、移相放大以及相敏整流等部分。
按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。
超低温一般是指0～10K，低温指10～800K，中温指800～1900K，高温指1900～2800K的温度，2800K以上被认为是超高温。
第二章.红外温度传感器测量电路的设计
2.1单片机P89V51简介
2.1.1概述
P89V51RD2是一款80C51微控制器，包含64kBFlash和1024字节的数据RAM。
P89V51RD2的典型特性是它的X2方式选项。
利用该特性，设计者可使应用程序以传统的80C51时钟频率（每个机器周期包含12个时钟）或X2方式（每个机器周期包含6个时钟）的时钟频率运行，选择X2方式可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量。
从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半来保持特性不变，这样可以极大地降低EMI[3]。
Flash程序存储器支持并行和串行在系统编程（ISP）。
并行编程方式提供了高速的分组编程（页编程）方式，可节省编程花费和推向市场的时间。
ISP允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。
应用固件的产生/更新能力实现了ISP的大范围应用。
P89V51RD2也可采用在应用中编程（IAP），允许随时对Flash程序存储器重新配置，即使应用程序正在运行时也不例外。
2.1.2主要特性
80C51核心处理单元；
5V的工作电压，操作频率为0～40MHz；
64kB的片内Flash程序存储器，具有ISP（在系统编程）和IAP（在应用中编程）功能；
通过软件或ISP选择支持12时钟（默认）或6时钟模式；
SPI（串行外围接口）和增强型UART；
PCA（可编程计数器阵列），具有PWM和捕获/比较功能；
4个8位I/O口，含有3个高电流P1口（每个I/O口的电流为16mA）；
3个16位定时器/计数器；
可编程看门狗定时器（WDT）；
8个中断源，4个中断优先级；
2个DPTR寄存器。
2.1.3管脚功能介绍
P89V51RD2的管脚图如2-1所示：
图2-1P89V51管脚分布
P0.0-P0.7P0口：
P0口是一个开漏双向I/O口。
写入‘1’时P0口悬浮，可用作高阻态输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口复用为低位地址和数据总线。
应用中P0口利用强内部上拉来发送‘1’电平。
P0口可在外部主机模式编程过程中接收代码字节和在外部主机模式校验过程中发送代码字节。
P0口用作程序校验或通用I/O口时均需连接一个外部上拉电阻。
P1.0-P1.7P1口：
P1口是一个带内部上拉的8位双向口。
写入‘1’时P1口被内部上拉拉高，可用作输入。
用作输入时，由于内部上拉的存在，P1口被外部器件拉低时将吸收电流（IIL）。
此外，P1.5,P1.6,P1.7还有16mA的高电流驱动能力。
在外部主机模式编程和校验中，P1口也可接收低位地址字节。
P2.0-P2.7P2口：
P2口是一个带内部上拉的8位双向口。
写入‘1’时P2口被内部上拉拉高，可用作输入。
用作输入时，由于内部上拉的存在，P2口被外部器件拉低时将吸收电流（IIL）。
在取指外部程序存储器或访问16位地址（MOVX@DPTR）的外部数据存储器时，P2口发送高位地址。
应用中P2口利用强内部上拉来发送‘1’。
在外部主机模式编程和校验中，P2口可接收一些控制信号和部分高地址位。
P3.0-P3.7P3口：
P3口是一个带内部上拉的8位双向口。
写入‘1’时P3口被内部上拉拉高，可用作输入。
用作输入时，由于内部上拉的存在，P3口被外部器件拉低时将吸收电流（IIL）。
在外部主机模式编程和校验中，P3口可接收一些控制信号和部分高地址位。
PSEN程序选通使能：
PSEN是外部程序存储器的读选通信号。
PSEN在执行内部程序存储器的程序时无效（高电平），执行外部程序存储器时每个机器周期内两次有效，但当访问外部数据存储器时两个有效PSEN脉冲将被跳过。
当RST输入引脚的高电平时间大于10个机器周期时，向PSEN脚强制输入一个高电平到低电平的跳变将使器件进入外部主机模式编程。
RST复位：
振荡器工作时，该引脚上2个机器周期的高电平逻辑状态将使器件复位。
当RST输入引脚为高电平时，如果PSEN脚输入一个高电平到低电平的跳变，器件将进入外部主机模式。
否则进入正常工作模式。
EA外部访问使能：
若器件要对外部程序存储器取指，EA就必须与Vss相连。
器件执行内部程序存储器的程序时EA必须与VDD相连。
然而，4个安全锁定电平可将EA禁能，使器件只能执行内部程序存储器的程序。
EA脚可承受12V的高压。
ALE/PROG地址锁存使能：
ALE是一个输出信号，在访问外部存储器时将地址低字节锁存。
该引脚也用作Flash的编程脉冲输入（PROG）。
通常，ALE[1]在1/6的振荡频率[2]时输出，可用作外部定时或外部时钟。
每次访问外部数据存储器时都有一个ALE脉冲被跳过。
但是，只要AO被置1，ALE就被禁能。
2.1.4SPI接口概述
SPI描述：
串行外围接口（SPI）实现了P89V51RD2和外围器件之间以及多个P89V51RD2器件之间数据的高速同步传输。
图2-2所示为主机和从机SPI器件之间的连接。
SCK是主机和从机模式的时钟输入、输出脚。
主器件SPI数据寄存器的写操作完成后，起动SPI时钟发生器。
写入的数据便从主器件的MOSI脚移出，移入到从器件的MOSI脚。
一个字节的数据传输结束后，SPI时钟发生器关闭，SPIF标志置位。
如果SPI中断使能位（SPIE）和串口中断使能位（ES）置位，产生SPI中断请求。
图2-2SPI主机－从机之间的连接
当外部主机驱动从机选择输入脚，SS/P1[4]，为低电平时，SPI模块用作从机。
如果SS/P1[4]脚不为低电平，则SPI单元不被激活，MOSI/P1[5]只能用作输入口。
2.2AD7706模数转换器介绍
AD7706具有与P80V51相匹配的SPI接口，并且是16位的，可以提供高精度的数据采集，满足精度要求，所以选择AD7706模数转换器。
2.2.1概述
AD7706是应用于低频测量的3通道的模拟前端。
该器件可以接受直接来自传感器的低电平的输入信号，然后产生串行的数字输出。
利用∑---△转换技术实现了16位无丢失代码性能。
选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端。
片内数字滤波器处理调制器的输出信号。
通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新速率，从而对数字滤波器的第一个陷波进行编程[4]。
AD7706只需2.7-3.3V或4.75-5.25V单电源。
AD7706是3通道伪差分模拟输入，有一个差分基准输入。
当电源电压为5V，基准电压为2.5V时，可将输入信号范围从0－＋20mV到0－＋2.5V的信号进行处理。
还可处理±
20mV－±
2.5V的双极性输入信号，AD7706是COMMON输入端。
当电源电压为3V，基准电压为1.225V时，可处理0－＋10mV到0－＋1.225V的单极性输入信号，它的双极性输入信号范围是±
10mV到±
1.225V。
因此，AD7706可以实现3通道系统所有信号的调理和转换。
AD7706是用于智能系统、微控制器系统和基于DSP系统的理想产品。
其串行接口可配置
升级会员 