1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 便携式红外测温系统的设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 温度测量技术的应用十分广泛，而且也是现代设备故障检测中非常重要的领域。但是随着社会的不断发展，在某些应用领域中，我们要求 测量温度用的传感器不能与被测物体直接接触，这就需要设计一种非接触式的测温方式来满足这样的测温需求。本论文正是应上述实际需求而设计的红外测温系统。 本文介绍的是一个由单片机构成的红外温度测量系统 ， 它采用 STC89C51 单片机和红外温度传感器及数码管等其他器件实现。 详细介绍了该系统的构成和实现方式，给
2、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、 红外传感器 、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 红外传感器 上并转变为相应的电信号。 STC89C51 单片机 负责控制温度测量 、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 。 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。 关键词 : STC89C51 单片机，红外测温， LED 显示 II Portab
3、le Infrared Temperature Measurement System Abstract The technology of temperature measurement is used widespread, and it also important in the modern equipment failure examination field. However, with the continuous development of society, in some application domains, we neednt the sensor contact wi
4、th the measured object which used in temperature measurement, this needs a kind of non-contact temperature measurement to satisfies the demand and the design of this infrared thermometer based on the demand. This article describes a single chip which is composed of infrared temperature measurement s
5、ystem that uses STC89C51 microcontroller and digital infrared temperature sensors and other devices to achieve. The paper introduces the composing and the method of that system in detail, and gives the hardware principle diagram and the design flow chart of the software. The system formed by the opt
6、ical system, photoelectron detector,display and output partially. The optical system collects the infrared radiation energy of the object in its field of view, the infrared energy focusing on the instrument and transforms to the corresponding electrical signal. The STC89C51 MCU is used to start the
7、temperature survey, data receive, count the value of the object temperature based on the arithmetic with in MCU and the result is displayed on LED. Infrared thermomter, it uses the blackbody radiation laws as the theories foundation, it is the outcome that the optical theories and micro-electronics
8、learn a comprehensive development. Compared to the way of traditional temperature measurement, it has a series of merits, such as short in response time, non-contact, noninterference to temperature field, long useful time and convenient operation, etc. KEYWORDS: The STC89C51 MCU, infrared radiation
9、thermometry, the LED display III 目录 摘 要 . I Abstract . II 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 3.3 RS
10、232A转换电路模块 . 15 3.4电源模块 . 16 3.5键盘模块 . 16 3.6 LED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 便携式红外测温系统的设计 1 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
11、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 1 。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
12、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 2 。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
13、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。 便携式红外测温系统的设计 2 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
14、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
15、电压表显示被测物体的温度 3 。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
16、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
17、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，便携式红外测温系统的设计 3 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4 。 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
18、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
19、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： DC 5V 10%； 5：工作环境温度 60 工作环境湿度 90%。 便携式红外测温系统的设计 4 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
20、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
21、。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 4 ；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
22、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。 便携式红外测温系统的设计 5 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 5 ，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强 6 黑体的光谱辐射出射度有普朗克公式确定，即： 21 /51 1CCM e ( 2-1 ) 黑体辐射出射度 由斯蒂芬 -玻尔
23、兹曼定律确定，即 M =0 Md = 4T ( 2-2 ) 其中 1c =3.7418 10 16 W m2 , 称为第一出射度 2c =1.4388 10 2 m K,称为第二出射度 =5.6697 10 8 W 2m 4K ,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： M = 4T ， （ 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= 4KT ， （ 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
24、。 下图 2-1 是不同温度下的黑体光谱辐射度图： 便携式红外测温系统的设计 6 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 : 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； 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； 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
25、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 9 。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
