红外热辐射温度测量系统的设计与研究毕业设计论文.docx

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红外热辐射温度测量系统的设计与研究毕业设计论文

本科毕业设计（论文）

题目：

红外热辐射温度测量系统的设计与研究

摘要

针对高速公路路面温度测量的问题，首先分析了传统的温度测量方法和目前高速公路对路面温度测量的措施，了解了对高速路路面温度测量对交通安全的重要性，在此基础上提出了红外热辐射温度测量系统的设计和方案。

应用红外热辐射非接触式温度测量技术来精确检测公路表面温度。

该系统以89C51单片机为控制中心，TN9红外探测器，经过数据处理后将测得结果显示在LCD显示屏上。

主要设计成果有：

1．根据非接触式红外热辐射温度测量的要求，设计了基于TN9温度传感器针对高速公路路面温度测量的方案。

2．根据系统方案的设计要求，设计了基于89C51单片机为控制中心的远距离温度测量系统。

包括电源模块，红外热温度传感器TN9模块，RS232电路转换模块，LCD1602显示模块的设计。

3．完成了软件流程图，以keiluVision4为平台，编写模块初始化程序及显示程序等的设计。

4．根据系统设计要求，完成了protues软件设计及与仿真。

关键字：

红外热辐射；红外；单片机；LCD显示。

Abstract

Aimingattheproblemofhighwayroadsurfacetemperaturemeasurement,thefirstanalysisofthetraditionaltemperaturemeasurementmethodandcurrenthighwaymeasuresofroadsurfacetemperaturemeasurement,learnedtohighwayroadsurfacetemperaturemeasurementoftheimportanceoftrafficsafety,basedonthis,advancestheinfraredradiationtemperaturemeasurementsystemdesignandsolutions.Applicationofinfraredthermalradiationcontactlesstemperaturemeasurementtechnologytoaccuratelydetectroadsurfacetemperature.Thesystemwith89c51microcontrollerasthecontrolcenter,TN9infrareddetector,afterdataprocessingresultsshowthatmeasuredontheLCDscreen.Themaindesignresultsare:

1.Accordingtotherequirementsofnon-contactinfraredthermalradiationtemperaturemeasurementbasedonTN9temperaturesensorforhighwaypavementtemperaturemeasurementscheme.

2.Accordingtotherequirementsofthesystemdesign,thedesignbasedon89c51microcontrollerasthecontrolcenterofremotetemperaturemeasurementsystem.Includingpowersupplymodule,TN9infraredtemperaturesensormodule,RS232circuitconversionmodule,LCD1602displaymoduledesign.

3.CompletedthesoftwareflowcharttokeiluVision4astheplatform,writemoduleinitializationprogram,displayprogramdesign,etc.

4.Basedonthesystemdesignrequirements,completedthedesignandsimulationprotuessoftware.

Keywords:

Theinfraredthermalradiation;Infrared;Singlechipmicrocomputer;TheLCD

display.

第1章绪论

1.1课题来源

本毕业设计采用非接触式红外测温的方法，对公路表面温度进行测量，其成果主要应用于高速公路表面温度测温仪。

可见光的辐射主要来自高温辐射物体，如太阳，铁水，灼热的金属，高温燃烧物体等，而任何低温，常温以及加热后的物体都一定会有红外热辐射。

在电磁波谱中能够被人眼察觉的是0.4微米到0.75微米波段我们称之为可见光波段，而把波长从0.75微米到1000微米的之间电磁波称为红外波段，红外波段的短波段与可见光中的红光相连，长波端与微波相接。

根据普朗克辐射定理，我们知道凡是绝对温度大于零度的物体都无一例外的能向外辐射出电磁波，该物体的辐射强度大小与物体表面的辐射能力强弱及温度的高低有关，辐射的光谱分布也与物体温度紧密相关。

确定物质状态的参数有非常多，而温度参数恰恰是确定物质状态的重要参数之一，它的测量与控制方面在国防科技、军事、工业、农业生产以及科学研究中占有十分重要的地位。

我们在工农业生产中，通常通过测量设备表面的温度来监测设备的运行状况，而现代的工业设备大都是在高电压、强电流等危险环境下运行的，传统的测量方法是依靠人工接触式检测，这样既浪费时间、人力，又通常具有一定的危险性，同时对测温设备所采用的材料性质也有非常严格的限制。

因此有必要研究出一种新的方法去检测目标系统的温度。

目前，人们使用最广泛的水银体温计是根据水银性质随温度升降而热胀冷缩的物理性质，我们在使用传统温度计时要和被测量物体相接触，为了与被测物体达到热平衡，需要等待较长的时间，当测量结束后还要将水银重新甩入水银泡中，由于甩的时候极易破碎，其中的水银蒸汽会对人体有极强的毒害作用，因此传统的温度计有非常严重的安全隐患。

所以此方法就必然有很多的局限性，在很多环境要求下不能满足快速，安全可靠的非接触式测量的要求。

红外测温提供了快速，准确及时的检测方法和结果。

而且可以以数字的方式显示出测量结果，消耗时间非常短，往往在几秒钟之内就能测得结果，更重要的是此方法所测量的结果比较精确，避免了人为读数的误差，而且系统的寿命长，是较为理想的测温仪器。

随着红外检测技术的日趋成熟，依据红外热测温技术正以响应速度快、测量精确度高，设备耐用等优势，近年来红外测温技术被越来越多的场合所认识和接受。

由于社会的进步，交通的发达，人民生活节奏变得快捷的同时也带来了许多安全隐患。

随着科技的飞速发展，单片机的应用正在日益广泛，同时也带动传统控制检测日新月异的变革。

在工业智能检测、控制系统中，通常使用单片机作为一个控制中心来使用，然后配合相应的外围硬件设备，以及针对具体应用对象特点的软件相结合，如此加以完善。

单片机控制系统能够取代以往利用复杂电子电路和数字电路构成的控制系统，我们可以用软件控制来实现，并能够轻松地实现智能化控制。

1.2课题意义

对温度测量的传统方法需要工作人员到现场进行数据采集，整理，分析才能计算出调研结果。

过程比较繁琐，耗时费力，更不理想的就是当我们需要多个目标地点的温度数据时，没有足够的人力物力去获得数据，相关工作人员不能及时得到数据，这样极大的降低了工作效率，体现不了工作人员的价值。

随着工作人员对现场安全实时监控提出越来越高的要求，因此对现场安全进行实时监测十分必要。

故而需要有更方便安全快捷的工作模式来取代传统的测量方法，正因如此，红外热辐射温度测量技术运应而生。

在某些应用领域中，要求测量温度的传感器不能直接与被测物体相接触，这就需要满足这种领域非接触式测量，本设计正是应上述实际需求来设计的红外测温系统。

红外热测温系统是以黑体辐射定律作为理论基础，红外控制理论以及电子技术综合发展的产物。

与传统的测温方法相比，红外测温具有以下优点：

（1）不需要与被测物体接触，不会扰乱被测物的温度场，温度场的分布不会受到影响，因此具有较高的测量精确度；

（2）在测量过程中，光电器件不必与被测介质达到新的热平衡，因而能检测温度的迅速变化，而且还能测量运动物体的温度；

（3）测量距离可近可远，近者可测几厘米，有的甚至更小，而远者可测近几公里外的目标；

（4）可以用来测量小面积的物体，目前可测量出直径小至7.5微米的目标温度；

（5）以黑体作为测量对象最为合适，但也可以测量一般物体。

正是这些优点使得红外测温技术受到越来越广泛的欢迎，该技术在温度测量领域里具有不可替代的优势。

红外测温的设计，其知识包括了检测技术，MCU，控制技术等多方面的内容。

红外测温技术是一门很实用和很有前景的技术，通过此次毕业设计，有利于我理论联系实际，更好的掌握这一方面的知识体系，是对学习内容的总结归纳与升华，特别是对单片机控制技术知识的深入理解，对于自身综合素质与工程应用能力的培养也有及其重要的意义。

1.3国内研究现状

轨道交通是一个庞大、复杂、易出现事故的交通运输系统，因而，从机车制造到运营，可靠性、安全性一直是社会关注的重点。

一方面，无论何种设备，它的维修与护理护是一种设备运转状况驱动的预防性维护。

它是对运转状况、热量分布和其他指标进行直接监视，以便确定实际的平均无故障时间或对其危害在设施内所有关键系统装置运转效率损失的确定因素。

因此定期地测量设备，实时跟踪监测结果，而温度恰恰就是一个非常重要非常有用的参数。

目前，其中监视温度的红外热像仪检测技术就是一种检测方向的应用;另一方面，随着轨道交通行业的快速发展，消费者群体对于机车的性能要求也越来越高，轨道交通与汽车行业一样，就是对可靠性、安全性、舒适性的严格要求。

红外热像技术在轨道交通运营过程中能够起到更有效、更快速地追踪交通系统的动态。

由于高速公路的路面工程量大、牵涉面广、建设和维修难度系数大。

然而路面又经常由多层各不相同的材料及所含成分所组成配比不同，特别是沥青面层所用材料品种多、配比多、要求严格，每层都有各自要求的工艺水准。

在路桥施工建设，公路表面、高桥的维护及施工过程，都必须要对沥青或混凝土的成分及温度进行检测；工艺要求较高的区域更是需要采用能够提供可靠的、全面反映测量区域内温度的分布及变化情况的仪表。

红外热测温的应用按其用途可以大体分为两大类，一为定性观察，二为定量分析。

定性观察是根据图像判断物体的存在和运动，主要应用于军事、安检、监控等方面。

定量分析是利用红外热像仪的测温功能对物体的温度分布进行检测分析。

2003年非典期间，社会公众对红外热像仪的测温功能提出了很高的要求。

针对公路路面温度和铁轨温度测量的传统方法比较麻烦，更重要的是这种传统的方法不能全天24小时实时监控，需要人为现场测试，耗费了不少人力物力。

随着社会节奏的变快，交通逐渐发达，这些传统的方法已经不能够满足我们对安全的及时监测需要。

然而随之产生的交通通信设备日渐繁多，功能完善。

红外测温也慢慢步入在交通指示的应用领域，目前已经有部分高速路段铺设有红外测温系统，用于测定高速路段地面温度，及时显示在LCD显示屏幕上。

这种仪器结构简单、容易制作、便于安装及维修，所测温度可直接输出到单片机进行后期数据处理，十分方便易行。

红外测温打破了传统的测温模式，它响应快，测量精度高，可靠性强，范围广，为非接触测量，因而更不容易被损坏，该温度计以其准确快速的测量优势，和清晰易懂的数字化显示方便了科研领域的使用以及方便了人们日常生活工作。

第一在本次毕业设计中根据红外热辐射的基本原理，采用“直接定标”的方法，即在测量不同环境下的公路表面温度时，实时定标红外测温。

第二，传统的红外测温仪在原理上均需讨论物体辐射率修正的问题。

然而如果要确定物体的辐射率则却是红外测温中的一大难题。

通常情况下，我们是通过经验测量或者查阅资料来确定固体和液体在特定情况下的辐射率，以此作为红外测量中的参数。

然而，由于不同路段及地理位置公路表面的温度随季节和地域情况的不确定性，很难确定不同地域路面的辐射率。

所以，根据能量的守恒关系，巧妙的避开了公认的“辐射率修正”这一难题。

第三，根据实际需要，设计了系统硬件电路，并对系统进行了仿真。

1.4研究目标

1.针对公路表面红外热辐射的测量，通过系统处理，直观的显示其温度；

2.基于单片机AT89C51开发的温度控制系统；

3.能够准确的测量出温度并将数据输入到单片机内；

4、对不在规定范围内的温度进行调节以使其始终稳定在一个恒定范围内；

5、控制精度高，系统稳定、成本低；

1.5研究内容

本系统采用红外温度传感器TN9对公路地面温度进行采集，89C51单片机为控制中心，提高了准确性和安全性。

系统采用的红外温度传感器体积小、性能好，再加上稳定的运放和精度较高的A/D处理，将温度参数显示在LCD显示屏上，可实现对目标温度的准确测量。

研究内容如下：

1．红外热辐射测温系统的硬件设计

（1）单片机处理模块

（2）红外热辐射温度传感器TN9

（3）RS232转换电路模块

（4）电源模块

（5）LCD显示模块

2.红外热辐射测温系统的软件设计

由于受检对象表面的红外辐射能量，是经大气传输到红外检测仪器里的，这就会受到大气成分中的水蒸汽、二氧化碳、氮气等气体分子的吸收以及空气中悬浮尘埃微粒的遮挡与吸收而衰减，设备辐射能量辐射的衰减程度大小随着检测仪器到被测设备之间的距离的增大，在很大程度上降低了被测物体辐射的穿透率，所以其衰减程度大小是随两者距离的增大而增加。

降低受检设备故障部位与正常部位的辐射的对比度，也会导致红外探测仪器接收到的目标能量减少，从而使得结果仪器显示出来的温度值比被测故障点的真实温度低。

尤其是检测温升较低的设备故障时，这是非常不利的。

所以检测距离越大，大气组合成分的影响就会越来越大。

因此如果要获得目标温度的准确性，必须采取以下相应的措施：

（1）尽量选择在环境干燥地段进行检测；

（2）在不影响安全的条件下尽可能减小检测距离，以便测得实际温度值；

1.6研究安排

本文章节主要安排如下：

第1章：

本论文的绪论，包括课题来源，课题意义，国内研究现状，研究目标，研究内容，研究安排；

第二章：

红外热辐射的基本概念介绍，红外热辐射测温的基础理论，红外热辐射测温原理和方法，红外热辐射测温的特点，红外热辐射测温影响因素；

第三章：

系统的总体结构设计方案,硬件电路设计：

单片机处理模块，电源模块，红外测温模块，RS232电路转换模块，LCD显示模块；

第4章：

软件设计，程序的总体设计；

第5章：

总结与展望；

第2章红外测温原理及系统的总体方案设计

2.1红外热辐射的概念与基础理论

1.红外热辐射的概念

红外热是一种电磁波，具有与无热电波及可见光一样的性质。

红外热的波长在0.76到1000微米之间，位于无热电波与可见光之间。

任何物体，如果它的温度只要比零下273.15摄氏度高，就都能够自发地向外发射出红外热。

与可见光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等共有特性相同以外同时还具有粒子性。

对人的眼睛很不敏感，要使用对红外敏感的探测器才能探测到。

红外辐射的本质是热辐射，在0.76μm～40μm红外辐射的热效应却是最大的。

红外测温运用的原理是根据普朗克原理。

即自然界中只要温度高于绝对零度（-273．15℃）的一切物体，由于分子的热运动效应都在不停地向外辐射出包括红外波段在内的电磁波。

其辐射能量密度与物体本身的温度二者之间的关系符合普朗克定律的关系。

一般我们理解为红外测量的是被测物体表面的温度，但是事实上测得的是被测对象与传感器或者说是被测物体温度与环境温度之间的差值。

物体辐射能量的大小也直接与该被测物体的温度紧密相关。

红外热辐射温度测量技术的发展主要是从两方面来看：

一方面是红外热辐射测温设备仪器的发展；另一方面是红外热辐射测温技术的发展。

2红外热基础理论

（1）生物波普（Biologicalspectrum）

生物自身发出的生物物理信息的光波或频率的综合特性叫做生物波谱，它是构成生物体周围的生物信息场。

科学研究表明，生物信息场包括生物产生的温度场，电场和磁场等，所以我们可以用物理学中的电磁波谱频率或波长，温度等物理量来表述，它遵循电磁波的所有物理特性。

（2）地表辐射（Groundradiation）

地球表面从太阳辐射吸收能量的同时，又会将其中的大部分能量以辐射的形式传送到大气当中。

地球表面这种以其本身的热量日夜不间断地向外辐射的方式，称地面辐射。

由于地表面平均温度约为300k左右，所以地表温度比太阳低得多，因而地面辐射的主要能量集中在1～30微米波段之间，地球表面最大辐射的平均波长为10微米，属于红外区间，与太阳短波辐射相比较而言，称为地面长波辐射。

地球表面辐射能力的强弱，主要取决于地面本身的温度。

由普朗克定理知道辐射能力的强弱随辐射体温度的增高而增强，所以白天地表温度较高，地表辐射也就较强；同理反之，夜晚地表温度较低，地表辐射也就相对比较弱。

依据理论和科学实践证明：

物体辐射出来的波长与物体本身的温度值成反比，即温度越高，波长越短；温度越低，波长越长。

地面的辐射属于长波辐射，除了部分透过大气向宇宙辐射外，大部分辐射被大气中水蒸汽和二氧化碳、臭氧层、空气悬浮微粒等大气组合成分所吸收，其中水蒸汽对长波辐射的吸收更为显著。

所以，大气，尤其是对流层中的大气，它的增热主要是靠吸收地面辐射的能量。

（3）红外辐射的发射及其规律

首先需要对黑体的红外辐射规律简单介绍一下。

所谓的黑体，简单讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体，简而言之就是全吸收。

然而，自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射，吸收率不可能等于1，

也就是说不可能完全吸收。

所以，黑体这一概念知识只是人们为了便于研究而抽象出来的一种理想化的模型，现实中并不存在。

但是由于黑体热辐射的基本规律是红外热辐射研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度与波长的定量关系。

（4）黑体辐射规律

黑体红外辐射的基本规律揭示的是红外热辐射温度及波长的一种定量关系。

黑体仅仅是一种抽象出来的理想物体，如果它们在相同的温度下，那么它们都能够发出同样的电磁波谱，而与黑体的具体成分、状态和形状等特性无关。

物理学家斯特藩和玻耳兹曼通过物理科学实验和计算得出黑体辐射定律：

（2-1）

式中：

——温度为

时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能，称为总辐出度；

一—斯特藩玻耳兹曼常量；

一—物体温度。

上式是黑体的热辐射定律。

实际物体的辐射定律一般比较复杂，需借助于黑体的辐射定律来研究。

设被测物体的温度为

时，总辐出度为M等于黑体在温度为

时的总辐出度Mo，即：

（2-2）

解得：

（2-3）

其中

为发射率，不同物体的发射率并不相同，具体材料的

值可通过本论文的附录1或实验得到，T是被测物体对象的辐射温度，所以如果我们已经知道了被测物体的

和

，那么我们就可算出物体的实际温度。

2.2红外热辐射测温原理及方法

依据测温原理的不同，红外测温的设计有三种方法：

1．对物体的全波长的热辐射进行测量，从而确定物体的辐射温度的方法称之为全辐射测温法；

2．对物体在一定波长下的单色辐射亮度进行红外测量，从而来确定它辐射物的亮度温度的称为亮度测温法；

3．对被测物体在不同的两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化来确定温的方法称为比色测温法。

亮度测温法不需要环境温度补偿，误差较小，故而测温精度较高，但由于工作于短波段间，因此此方法只适于高温物体的温度检测。

比色测温法的光学系统可局部遮挡，这样受烟雾灰尘的影响就比较小，测温误差也减小了，但必须选择在适当的波段，使波段的发射率对比相差不是很大。

本文采用的是全辐射测温法。

全辐射测温法是根据所有波长范围内的总辐射来确定物体温度的，得到的就是物体的辐射温度。

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，更重要的是系统结构比较简单，成本较低

AT89C51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、显示温度值；红外热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AT89C51单片机；RS232转换电路模块可以使单片机同PC机方便的进行串口通信，并可以同时接收或传送外部送来的资料；LCD显示模块把测量的温度值可以直观地显示给观测者。

2.3红外热辐射测温的特点及影响因素

1.红外热辐射测温的特点

（1）远距离和非接触测量

红外测温不需要与被测物体相接触，它特别适合于对运动物体，旋转物体，带

电体以及高温高压强电流等危险环境下物体的温度测量。

（2）响应速度快

红外热传感器测温并不像热电偶或传统温度计那样，必须与被测物体相接触，最后还需要使温度计与被测物达到热平衡，它只要接收到目标的红外辐射即可进行温度测量，其响应时间通常在毫秒甚至微秒数量级，所以红外热温度传感器的响应速度快。

（3）灵敏度高

就算物体温度的微小变化也会引起辐射功率的较大变化，很容易被探测器探测

出来，所以红外测温的可测温差特别小，几乎达到零点几摄氏度。

（4）准确度高

红外测温时是非接触测量的方式，这样就不会破坏物体本身的温度分布，因此，

所测温度真实，可靠，准确。

（5）测温范围非常广

测量范围在-33到220摄氏度。

2.红外热辐射测温的影响因素

（1）待测目标辐射率

通过以上原理的描述可知辐射率的大小决定了物体的红外能量幅出度与被测物体实际温度紧密相关。

辐射率是指一般物体相对于黑体的辐射能力大小的一个物理量，与测量的方向、物体的材料形状、表面粗糙度等因素有关。

不同物质的辐射率是各异的，常见物质辐射率见附件1，红外测温装置从被测目标上接收到的辐射能量大小与它的辐射率成正比。

（2）待测目标尺寸

使用红外测温装置测温时，通常只能测定被测目标表面上某一确定面积的平均值。

因为红外热温度传感器都有一个测量的视角，测温装置的精度与被测物体尺寸和传感器视角相关。

待测物体的尺寸与传感器视角有以下几种关系：

1）当被测物体尺寸小于测试视角时，被测物体周围辐射体辐射出来的能量就会进入传感器的测量区域，干扰测温数据，造成误差。

最终我们得到的温度信息是被测物体和周围事物温度的加权平均值。

因此，我们在实际测温时，通常要求被测物体尺寸一定要超过传感器视角大小的50%。

2）当被测目标大于测试视角时，测温装置就不会受到测量区域以外事物干扰，能够准确的测量被测物体位于传感器视角内确定面积的实际温度，此时传感器的测试效果最好。

3）当被测目标等于传感器测试视角的时候，由于环境中临近物体间的能量在不断的传递，尤其是物体与物体直接相互接触部位，所以此时被测物体温度也受到一定程度影响，但一般影响还比较小，测试效果相对可信。

从上述三种情况可看出在设计测温装置时需要对测量实际情况进行实地考察，确定被测物体对象的尺寸，选取合适的温度传感器视角，从而保证测量装置的测量精度。

（3）测量距离

由于空气中悬浮微粒，水蒸气和其他气体成