非接触式红外测温仪的设计说明.docx

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非接触式红外测温仪的设计说明

非接触式红外测温仪的设计

摘要

利用温度测量技术是很常见的，而且在当前问题的检测设备类仍然是一个非常重要的技术。

但在某些应用中，需要使用测量与被测物体接触式温度传感器，它需要一个非接触式温度测量来满足测量要求,本文是红外测温仪的设计的实际需要。

红外测温仪是利用黑体辐射定律为根底，是光学理论和微电子学综合开展的现象。

与根本的测温方式相比，具有反响时段短、非触碰、不干扰被测温场、使用寿命长、操做简便等一系列优点。

本文阐述了红外测温仪的根本原理和显示方式，指出红外测温系统的中心控制单元以STC89C51单片机。

具体列举了该系统的组成和制作方法，给出了硬件理论图和软件的设计流程图。

该系统根本由光学系统、光电探测器、显示输出等部份构成。

光学系统的红外辐射能量采集物体的红外能量收集在光电探测器转换成相应的电信号的视野。

STC89C51单片机担当节制驱动温度量取、承受量取的数据、并按照单片机中的温度值统计算法算出目的温度值再经过LCD把温度显示出来。

关键词:

STC89C51单片机；红外测温；LCD显示屏

ABSTRACT

Theuseoftemperaturemeasurementtechniqueiscommon,butinthecurrentissueofthedetectiondeviceclassisstillaveryimportanttechnology.Itrequirestheuseofmeasurementandtheobjectcontacttemperaturesensor,Thisistheactualneedinfraredthermometerdesigned.

Infraredthermometeristheuseofblackbodyradiationlaw,basedonthephenomenonofopticaltheoryandintegrateddevelopmentofmicroelectronics.Comparedwiththebasictemperaturemeasurementmode,withashortresponsetime,non-touch,nointerferenceistemperaturefield,longlife,easyoperationtodoaseriesofadvantages.

Thispaperdescribesthebasicprinciplesanddisplayinfraredthermometer,notingthatthecenteroftheinfraredtemperaturemeasurementsystemcontrolunitSTC89C51microcontroller.acceptedamount,andcalculatesthetemperatureinaccordancewiththepurposeofsingle-chiptemperaturevaluesthroughstatisticalalgorithmsandthenthetemperatureLCDdisplay.

Keywords:

STC89C51microcontroller；infraredtemperaturemeasurement；LCDdisplay

第1章绪论

1.1课题背景

普通温度测量技术经过相当长时间的开展已近于成熟。

目前，随着经济的开展日益需要的是特殊条件〔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。

非接触红外测温仪采用最新红外技术可快速方便地测量物体的外表温度。

不需要机械的接触被测物体而快速测得温度读数。

只需瞄准被测物体，按动触发器，在LCD显示屏上读出温度数据。

红外测温仪的优点：

重量轻、体积小、使用方便，方便携带并能准确地测量热的、危险的或难以接触的物体，而不会污染或损坏被测物体。

红外测温仪每秒可测假设干个读数""而接触测温仪每秒测量就需要假设干分钟的时间。

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。

此温度测量系统比拟简单，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；他的制造工艺简单，本钱较低，测温是不接触被测物体，具有响应时间短，不干扰被测温场、使用寿命长、操作简单等一系列优点，但利用红外辐射测量温度，也必然受到物体反射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，起测量误差较大。

红外测温仪可以接收多种物体自身发射出的不可见红外能量，红外辐射是电磁频谱的一局部，它包括无线电波、微波、可见光、紫外、Ｒ射线和Ｘ射线。

红外线位于可见光和无线电波之间，红外波长常用微米表示，波长围为0.7微米－1000微米，实际上，0.7微米－14微米波带用于红外测温仪。

红外技术与其原理的无异议的理解为其准确的测温。

当由红外测温仪测温时，被测物体发射出的红外能量，通过红外测温仪的光学系统在探测器上转换为电信号，该信号的温度读数显示出来，有几个决定准确测温的重要因素，最重要的因素是发射率、视场、到光斑的距离和光斑的位置。

发射率，所有物体会反射、透过和发射能量，只有发射的能量能指示物体的温度。

当红外测温仪测量外表温度时，仪器能接收到所有这三种能量。

因此，所有红外测温仪必须调节为只读出发射的能量。

测量误差通常由其它光源反射的红外能量引起的。

有些红外测温仪可改变发射率，多种材料的发射率值可从出版的发射率表中找到。

其它仪器为固定的予置为0.95的发射率。

该发射率值是对于多数有机材料、油漆或氧化外表的外表温度，就要用一种胶带或平光黑漆涂于被测外表加以补偿。

使胶带或漆达到与基底材料一样温度时，测量胶带或漆外表的温度，即为其真实温度。

距离与光斑之比，红外测温仪的光学系统从圆形测量光斑收集能量并聚焦在探测器上，光学分辨率定义为红外测温仪到物体的距离与被测光斑尺寸之比〔Ｄ:

Ｓ〕。

比值越大，红外测温仪的分辨率越好，且被测光斑尺寸也就越小。

激光瞄准，只有用以帮助瞄准在测量点上。

红外光学的最新改良是增加了近焦特性""可对小目标区域提供准确测量，还可防止背景温度的影响。

视场，确保目标大于红外测温仪测量时的光斑尺寸，目标越小，就应离它越近。

当精度非凡重要时，要确保目标至少２倍于光斑尺寸。

在这种温度测量技术中红外温度传感器的选择很是重要，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以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、不干扰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，开展非常快，技术比拟成熟，这也是本设计采用红外温度传感器设计非接触式红外测温仪的主要原因之一。

1.2国外研究状况

1.2.1国际现状

经过对非接触式红外测温仪资料的搜集，我们可以看到，近年来重要的开展趋势是：

非制冷红外自动测温仪有了很大的进步。

红外阵列传感器应用在过去，量子型红外探测装置液氮冷却，现在是非致冷红外阵列传感器的使用，非制冷红外传感器的研究进展，红外自动温度记录仪可以实现小，重量轻，价格低。

国外近来成功地研发了具有杰出抵抗干扰的等效温差传感器,温度记录精度在0.06℃～0.08℃的元器件,这是一个衡量毫米阵列式主动红外温度记录仪的热辐射。

近年来，对红外自动温度记录仪的快速开展，高分辨率的温度检测，高精度、高速度的可能。

1672，人们意识到太〔白光〕是一个组合的各种颜色的光，同时，牛顿做了一个单色光在性质上更著名的白光判断的实验。

棱镜对太的利用〔白光〕分解为红，黄，绿，橙，绿，蓝，紫等颜色的单色光。

1800，英国物理学家F.W.hashel从热点来看研究各种颜色，红外线的发现。

他研究了大量的光和热，故意暗室只有一个黑板堵塞，以与板上的矩形孔的开口，用棱镜孔。

当太穿过棱镜，它被分解成光的彩色带，并使用温度计测量的光的热与不同颜色包括在。

为了与环境温度进展比拟，光的颜色在附近放几块用温度计测量环境温度与赫胥汉城相比。

在试验中，他偶然发现了一个奇怪的现象：

在淡红色的温度计，室温度比其他高数值说明。

经过反复测试，所谓的高温面积最大，位于外面的光线的边缘是红色的。

他宣布，辐射在可见光的太阳，有一个人类的眼睛看不到的"热线〞，这种看不见的"热线〞在外面的红光，红外线。

红外线是一种电磁波，具备与无线电波与可见光同样的性质，红外线的出现是人类对大自然认知的一次跨跃，对考察和使用和觉察红外技术领域开拓了一条崭新的通途。

1.2.2国现状

在国开展的红外测温仪的起步还是比国外晚一点,而且开展的方向也有些不同的方式,红外波长0.76~100m之间，按波长的限制，可分为近红外，红外，远红外，超远红外四种，它是无线电波，在最后的位置，在电磁波频谱的可见位置之间。

红外辐射是最常见的一种是电磁辐射的性质，它通常是基于环境中的任意对象将改变分子的元素和子元素的原子不规那么活动，不断辐射红外线能量，分子元素和原子元素的活动愈强烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。

在红外探测设备的研究和开发起步较晚，虽然目前生产厂家众多，但技术水平参差不齐，对规模较小的强度，研究和开发能力相对不足，热辐射采集设备技术在国外存在以下主要问题：

（1）必须准确确定被测物体的发射率；

（2）防止高温物体的周围环境的影响；

（3）非模块化设计，产品安装维护复杂； 

1.3红外测温的展望

使用红外辐射的方法开始温度检测的仪器是从单一到繁杂渐渐的研发而成的。

红外测温仪是在一个点的温度限制为对象的早期检测，然后对检测线的温度，并不能显示物体的形状和外表的温度。

直到第二十世纪五十或六十，由于红外探测器的光子探测器的迅速提高和有效出来，导致实验，热成像系统的理论根底。

SARS爆发后，人们越来越重视公共卫生和安全。

非接触、高精度医用红外温度计的研发，能够让在公共场合、大流量人群的迅速检测具备首要的意义。

它不但具备强大的商业价值，并且又具有重要的社会价值。

由于红外资源与传感器畴创新的开发，新式测温仪器正逐渐替换传统的检测手法。

如今美、英等国正悉力于增强前视红外系统信息处理本领（如智能人工目标分类），便携式个人电脑机可以实时生成高分辨率的图像，以解决缺陷方面的研究和产业化。

世界上除少许大型军工企业公司（如美国Honeuwell公司、休斯飞机公司）除外，极多大商业公司（如三菱电气、日本横河（株）、瑞典AGA公司、法国Pyro公司、Sofradier公司、HGH红外系统工程公司等）也正在积极地从事红外测温、热成像能力的科研与产品研发。

在中国，近年来，随着中国工业的快速开展加速、产品升级的需求，越来越多的温度计，虽然热电偶〔热电阻〕一类的接触感温元件仍然具有很大的优势，但非接触红外测温仪已被业界关注。

第2章设计方案拟定

2.1温度测温技术的概述

红外测温是一种新技术和新方法，这是根据红外技术的开展，红外方式是追寻红外辐射的发生、传输、转化、探测并付诸实用的一门科学技术。

温度是人类生活的一个根本特征，对人体的观察是正常的，重要的指标标准化，强测量生理信号方便。

随着当代电子技术的进展，电子设备慢慢的显示出其向高集成化和小型化的开展趋势。

传统的水银体温计尽管是价格廉价但也有不少弊病，例如要经过刻度值来判断温度上下，偶尔由于光亮较暗使观察者难以正确判别与测量等待时间长等。

甚至某些威胁人类康健的流行病，其特点是体温的改变，但是在公共场合，辟如车站，商店，栈房和娱乐场所等检测人体体温并非一件容易的事，而采用非接触式的红外测温计就可以减少交叉感染。

在该温度检测方法来选择一个红外线温度传感器要使用红外线温度传感器，非接触式温度测量技术也被称为辐射测温是非常重要的，但不是紧在点温度测量。

根据史蒂芬-玻尔兹曼公式，与黑体辐射的温度和温度，这是整个辐射温度和辐射温度的测量方法。

另一个在光学高温计的提高，光电高温计，红外温度计等。

红外测温仪能够准确更加快速的测得物体温度。

由于红外辐射测温属于非触碰式测温,因此它在检测物体外表温度时不会造成物体温度的改变,也不会在测量前受周围气体或环境温度（热）变动的干扰,在一些不容易用传统的接触式温度测量场合，红外辐射温度计是特别重要的。

例如：

传统的温度计主要有两种，水银温度计，电子温度计，平均温度是口腔，腋窝，直肠测量体。

显然，这两种温度计为我国非典期间的快速检测是不适合大量的人。

热电型红外线温度计可以通过挖掘耳膜被收集红外辐射能量检测体温，因为下丘脑可执行调度的温度，通过部颈动脉的下部丘脑，结果反映体温调节，包括颈动脉附近的温度，和鼓膜附近的下丘脑，所以它的温度更准确。

危险温度测量的对象，然后使用红外辐射温度计是一种安全，有效的方法。

例如:

如用传统接触式测量那么对测量人员来说存在不便,而此时假设采用非接触式的红外辐射式测温仪那么不存在这样的问题。

在温度测量仪表的设计是便携式的，可以进展近距离的物体可以直接用于温度测量。

2.2红外测温原理与方法

2.2.1红外测温原理

红外测温仪的温度测量是基于黑体辐射定律，所有高于绝对零度的物体的性质已辐射能量，物体的向外辐射能量的改变与按波长的排布与它的外表温度有着相对贴切的因质，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。

黑体光谱辐射亮度的普朗克公式，即：

（1-1）

式中

—第一辐射常数:

—第二辐射常数:

其中：

K-波尔兹曼常数；

h-普朗克常数；

c-电磁在真空中的传播速度。

2.2.2斯蒂芬-玻尔兹曼定律

将普朗克公式1-1对其波长积分，说明单元面积可以取到黑体辐射和空间半球总辐射功率,即:

〔1-2〕

式中，

，成为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。

2.2.3实际物体温度的计算

式〔1-1〕，〔1-2〕T是绝对温度。

只计算在实际对象类型的辐射出射度〔1-1〕，〔1-2〕在三角级可以乘以排放率。

物体的辐射出射度与辐射的温度T和发射率δ有关。

只要被测物体辐射，并知道三角级发射率可以计算温度。

事实上，测量对象是通过测量得到的辐射量。

图2-1不同温度下的黑体光谱辐射波

从上图中曲线能够看出黑体辐射具备几个特点:

（1）任何温度下，黑体的光谱辐射强度与波长的变化，每个弧只有一个最大值；

（2）随着温度的升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减小。

这说明跟随温度的涨高，黑体辐射中的短波长辐射所占比例变大；

（3）随着温度的升高，黑体辐射曲线的改善，这是在任何给定的波长，和高温后光谱辐射度大，反之亦然。

2.2.4红外测温的方法

基于原占空比是不一样的温度，红外测温仪被设计成三种方式，经由辐射被测物体，以确定该物体的辐射温度所有波长的热辐射被称为总辐射测温;经过测量对象对一定波长的单色辐射率，以确定它的亮度温度称为亮度温度的方法;随着温度的变化在单色辐射率来恒定温度下的两种波长的比率的目的是，如果由于温度的方法被称为比色测量。

无温度补偿的亮度温度的测量方法，计算误差小，测温精度高，但在短波区域，只适用于高温测量。

比色测温法的光学系统可局部遮盖，受烟雾尘埃干扰小，测温差异小，但务必选取适当波段，使波段的放射率出入不大。

待检测该选择的全辐射的方式来计算的物体的温度，在整个辐射测温是所有基于在波长围和温度的总辐射，从而获得物体的辐射温度。

这是因为生产在波长较大的低温物体，辐射信号很弱，并且结构简便，低损耗，但其温度测量精度稍差，通过辐射率的效应。

依照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：

式中K为

，由实验确定，

校准

即，能够经过检测电压而判别被测物体的温度，上式指出探测器输出信号与被检温度呈非线性关联，V与T的四次方成正比，于是要让线性化改良。

线性化后，得到的外表温度，辐射率校正所需的真实温度。

其校正式为：

式中TR型——辐射温度〔温度〕

ε〔t〕——辐射率，从0.1到0.9

2.3红外测温系统的方案介绍

红外测温方式在生产进程当中，在产品把控和监测，元件网上故障诊断和节约能源等方面发挥了重要效果。

它是一种非接触式测量设备运行的，拍摄的温度分布，任何局部的温度场测量，并进展部和外部故障的实时、遥感、视觉和定量测量等，对电厂的检测，在变电站和输电线路和电气设备操作非常方便，有效。

用红外测温仪，端点收敛方法和电子搜索连接收敛性诊断，检查设备的运行状况，还可以检查电池组件、配电屏终端，开关或熔断器，防止能源消耗。

2.3.1红外测温仪系统的技术指标与主要功能

1：

温度测量精度±1℃；

2：

温度测量的分辨率0.1℃：

2：

LCD显示；

3：

电源：

DC5V±10%；

4：

工作环境温度≤60℃工作环境湿度≤90%；

2.3.2红外测温仪的硬件系统方案设计

本红外测温仪选用模块化的方式，它的硬件构造由STC89C51单片机模块，红外测温模块,RS232转化电路模块，电源模块，键盘模块和LCD显示模块组成。

STC89C51单片机是本系统的控制中心，它把运行温度检测、收取检测数据、查算温度值、并依据得到的键值节制显示进程；红外测温模块是温度数据的采集、测量，并将采集到的数据经由数据端口传送给STC89C51单片机；RS232转换电路模块可以很方便地与PC机进展串行通讯，还可以发送或接收数据外发；通过键盘模块可以很容易地和不同工作温度的LCD显示模块；直观显示测量的温度值的观察；电源模块负责红外测温仪的电源。

2.3.3红外测温仪的应用软件系统的方案设计

这个红外线温度计模块化软件设计或研究思路，它是整个系统被分成小模块在其精加工，它涵盖了主程序模块，红外测温模块，键盘扫描模块和屏幕的模块。

程序模块相对于主要达到系统初始化，温度检测，串行通信，键盘和其他功能。

该系统包括：

初始化，中断初始化，外部中断源的初始化，串口通信中断初始化，初始化显示LCD。

红外测温模块包括：

温度数据，计算温度。

键盘扫描模块：

访问关键信息的处理，关键的要求等。

显示模块：

对应的温度数据采集与处理。

该红外测温仪的软件设计，时钟设置是非常重要的，通过时钟设置好时钟频率，时钟频率是整个系统能够正常、有序运行的关键。

图2-2红外测温系统设计框图

2.4方案设计

方案一使用分立元件的模拟电路和单独的振荡单元，电源管理数字电路，并联驱动电路的大规模集成电路设计，只有一个控制电路是这样复杂，此外，如果温度传感器，显示电路和其他电路，系统更复杂，因此，使用该设备，造成故障率高，调试困难，且电路复杂，维修不便，生产试验；虽然容易实现，但控制和性能方面都很差，硬件设计任务比拟麻烦，而且设计的产品实际操作也不方便。

图2-3方案一结构图

方案二：

以AT89C51系统为中枢，通过单片机充足的I/O端口，与其操作的灵活性，该设计大体实现了温控功能、收集功能和数码显示功能。

硬件电路的设计主要包括主电路、驱动电路、开关电源电路、保护电路和显示电路等单元电路。

根据信号转换,将热辐射反射回来的信号通过传感器发送到单片机核心处理,通过数码管显示温度，假设假设受周围环境温度影响,温度误差过大,报警电路会发出警报,使用最小应用系统的设计，温度采集新值电路的可靠性，稳定性

图2-4方案二结构图

2.5方案论证

方案一对较大规模的模拟电路和数字电路的集成电路方案设计，具有独立的振荡单元，功率管，采用分立元件并联驱动电路，只有一个控制电路已如此复杂，另外，如果温度传感器，显示电路和其他电路，系统更复杂，因此，使用该设备，造成故障率高，调试困难，且电路复杂，维修不便，生产试验；虽然容易实现，但控制和性能方面都很差，硬件设计任务比拟麻烦，而且设计的产品实际操作也不方便。

方案二是采用以80C51为核心的单片机系统，可以实现数码显示、温度感应、温度测量等功能，大大提高了智能化自动控制的速度。

使用数码管显示，系统采用各模块功能强大的单片机控制系统，减少使用立元器件，效率和高精度性能，体积小，重量轻，准确的温度测量系统，测量结果是非常高的，方案是可行的，表达了先进的技术，经济有很大的优势。

综上所述，经比拟，本设计采用方案二。

第3章系统的硬件设计

3.1系统整机设计

以AT89C51系统为中枢，通过单片机充足的I/O端口，与其操作的灵活性，该设计大体实现了温控功能、收集功能和数码显示功能。

硬件电路的设计主要包括主电路、驱动电路、开关电源电路、保护电路和显示电路等单元电路。

根据信号转换,将热辐射反射回来的信号通过传感器发送到单片机核心处理,通过数码管显示温度，假设受周围环境温度影响,温度误差过大,报警电路会发出警报,使用最小应用系统的设计，温度采集电路的可靠性，稳定性。

图3-1结构图

3.2单片机处理模块

基于硬件设计的红外温度计STC89C51单片机现在对于模块化设计的根底上，广泛的思想，所有的系统分为六大模块：

供给链管理模块；红外测温模块；RS232转变电路模块；电源模块；键盘模块和LCD模块。

经过划分模块的方式，能够把一个繁琐的问题剪切成几个相对于方便处理的问题，依次给予解决，大大简化了设计的难度。

红外线温度计是可选STC89C51单片机为主要成分，该单芯片模块工作原理是：

相对于STC89C51微控制器的负荷应处理来自红外温度测量模块的数据来操纵，发送LCD屏幕显示。

图3-2单片机处理模块电路图

单片机运行模块是由一个手动复位开关，只须高出10ms的RST引脚出现高水平，单片机复位的情行，这样做是根据实际情况采取能否复原温度测量数据。

该仪器的振荡电路是一个晶体振荡器电路，频率稳定的晶体振荡器电路由于其良好的，这是红外测温技术是非常重要的。

图3-3STC89C51RC单片机各引脚图

3.3红外测温模块

本模块采用非接触式红外测温的方法，解决了传统的接触式测量问题，具有响应速度快，精度高，测量围宽等特点。

它经过红外温度传感器扫描被测物体，并把对应的红外辐射数据从P1.5和P1.6口端传送给单片机模块。

图3-4红外测温电路模块

在红外检测装置是目前面临的很多产品，在设计时选择适宜的红外探测器已成为一个重要的问题。

在设计过程当中选取红外线检测器件时，要考虑以下因素：

第一设备的性能，响应速度的光谱响应围，有效检测区域，组件的数量，冷却方式和目标温度检测。

本红外测温仪采用了燃太生产的TN901红外探测器作测温模块，它是一种集成的红外探测器，里部有温度补偿电路和线性电路，因此简化了本系统的设计。

3.3.1红外测温传感器的引脚介绍

图3-5红外测温元件

红外测温传感器引脚图如图2-4，在此V为电源引脚VCC，VCC为3V到5V之间的电压，但凡取3.3V；D接收数据引脚，没有按照当D高；C2kHz的时钟输出引脚接地引脚G；A为测温驱动信号引脚，低电平有实际效果。

3.3.2红外测温模块的时序

图中的红外测温模块时序图收集数据时，时钟的下降沿。

〔实施例：

假设一个温度测量需要接取5个字节的数据，这是五个字节的：

项目是测量目标温度的0x4c代表作为0x6c以测量环境温度;MSB接收八位数据的高温；LSB为八位数据的低温充电；和测试代码，接收合理的数据=数目++LSBMSB；铬是一个完整的标志，当Cr0xodh说温度数据的接收。

〕

图3-6红外测温SPI时序图

红外测温模块温度值的计算

在上面的例子：

所测定的环境温度或预定温度时，只要检测到的档案是0x4cH同时检测与0x66HCR是否0x0dH，其计算方法是一样的温度。

计算公式：

目标温度/温