非接触式红外测温装置研究

非接触式红外测温装置研究

作者：宋传皓

来源：《电脑知识与技术》2015年第07期

摘要：目前，我国常用的温度测量仪器主要以水银温度计为主，但这种测量仪器有很多缺点，如测量精度低，不安全，不稳定，测量时间较长等。此设计所研究的红外测温是以非接触式为主，并能实现一定距离的准确测量。设计主要是以51系列的STC89C51单片机为核心设计器件，并使用非接触式的OTP-538U红外温度传感器对被测对象进行温度采样，再将所得微小电压信号经多级放大后送至A/D转换模块。完成的非接触式高精度红外测温装置具有响应时间短，稳定性能好，温度分辨率高和使用方便、寿命长，比常用的接触式测温仪的适用场合多等优点。

关键词：测温；非接触式；STC89C51；A/D转换；红外辐射

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）07-0271-04

测量温度的方法主要有两类，一类是接触式测温方法，主要是利用随温度变化的电气参数，为代表的测温方式有热电偶、热电阻测温法以及采用膨胀式测温的温度计，另一类是非接触式的测温方法，主要以热辐射为代表。前者的优势在于所测的温度是被测物体的真实温度，测温非常简单、十分可靠，但是缺点在于其动态性能极差，需要与被测物体接触，被测介质与测温对象达到热平衡还需要一段时间的热交换，同时被测物体的温度场分布情况也会被影响，同时因为工业生产现场的高温、强腐蚀性、高压等恶劣环境条件，影响了接触式测温仪的使用寿命和使用精度，所以大大的约束了接触式测温仪的实际应用；红外辐射测温的另一种叫法就是非接触式测温，通常采用光电探测器或红外感应传感器当作检测元件，它与接触式测温方式相比较，具有如下一系列优点：不接触被测对象并且不干扰被测环境温度场的分布、使用寿命长、响应时间较短和操作方便等，但是受测温仪与被测物体的距离、物体的发射率、环境中的烟尘和水蒸气等多种外界因素影响，所以它的测量误差会比较大。

现如今，应用最广泛的红外测温仪就是一种非接触式测温量仪，并且黑体辐射定律就是它采用的测温理论基础。在自然界中，任何对象都存在着向外界辐射出能量的情况，物体表面的温度与其辐射出的波长的分布及其能量的大小有着十分紧密的关系，所以为确定物体的表面温度可以通过检测并获得其自身红外辐射的能量的方式。因此，非接触式红外测温将会变得更加的有意义，以后的应用前景也会非常广泛，会为以后的生活与生产带来更多的便利，所以对非接触式红外测温仪的探索显得更加重要，应该投入更多的精力在这之中，为人类谋求更多的生活福利与便利。

1 系统的框架设计

系统的整体电路设计由OTP-538U红外温度传感器模块、电压信号多级放大模块、A/D转换模块、单片机处理模块、电源模块、以及液晶显示模块构成。OTP-538U红外温度传感器将红外信号转换为微弱电压信号，由于其输出的电压信号极其微弱，是毫伏级别的电压信号，首先需要先使用测量放大器进行信号的前置放大，其次再对信号进行二级放大，二级放大电路器可以直接采用通用运算放大器，然后将放大的电压信号发送至由ADC0809组成的A/D转换模块中，转换后得到的数字信号（二进制代码）送至单片机进行数据的处理，最后将处理的结果送至LCD1602液晶显示屏，对温度进行实时检测显示。本设计的整体系统框图如下图1所示。

2 硬件系统设计

2.1红外传感器

该OTP-538U是经典的TO-46外壳热电堆传感器。该传感器是由热电偶的116元件串联在具有545微米的直径活性和抹黑表面以吸收入射的热红外辐射，这导致在输出端子上的电压响应的浮动微膜。传感器芯片采用唯一的主面体的微机械加工技术加工，这导致更小的尺寸和更快速地响应环境温度的变化制成。

红外窗口是具有其50%的截止波长在5微米的带通滤波器，并在14μm处切下。传感器响应正比于入射红外辐射，并具有高达其截止频率的响应信号，这是由几十毫秒范围内的传感器的热时间常数限定的恒定信号的响应。

该OTP-538U热电堆传感器几乎提供约翰逊--噪声-受限的性能，这可以通过其串联的欧姆电阻来计算。一种热敏电阻元件，具有连接到地的引线，还提供了内部的TO封装为环境温度参考。

2.2放大电路设计

传感器输出微弱的电压信号，所以我们需要将此信号进行放大。首先采用测量放大器进行前置放大，再运用通用运算放大器进行放大。我们先采用AD620将微弱信号放大10倍，毫伏级信号变成了几十毫伏，然后再用普通放大器将信号进行二级放大、三级放大。信号放大电路如图3所示。

2.3 AD转换电路设计

数据采集是本次设计的一个核心，所有的功能都是基于数据采集。如图4所示为数据采集接口电路图。其工作原理就是51单片机控制ADC0809进行数据转换，然后将转换后的数字信号传给单片机，再由单片机进行处理和传输。

2.4显示电路设计

显示电路是硬件设计的最后部分，它能将被测参数直接显示出来，显示屏LCD1602的3脚接10K的滑动变阻器，可调节对比度，4、5、6脚是其控制端口分别与单片机的P2.0、P2.1和P2.2相连，D0～D7数据端与单片机P0～P7口相连，1与15脚接电源地，2与16脚接电源正，其电路设计如下图5所示。

2.5电源电路

三端稳压芯片的三脚分别是输入端1、接地端2和输出端3，当芯片字面向上时，三个脚的顺序就是从左到右。电源电路的设计非常简单，芯片需要连接电解电容，常用10uF的电容，电路连接时注意其正负极的连接，电路图如下图6所示。

3 软件系统设计

3.1主程序设计

本设计主要就是温度的检测，首先由温度传感器接收温度信号，再将信号放大处理后传递给模数转换器，此时需要程序来控制转换的工作进度，数据处理后再传给单片机处理，最后让LCD显示结果，但是单片机的工作与LCD的显示工作均需要用程序来控制与管理，所以本设计的软件设计工作就显得至关重要。设计整体软件流程图如图7所示。

当单片机上电时，系统开始工作，红外传感器将红外信号转化为对应的电压输出，输出的电压信号很微小，需要经过运算放大器进行放大，然后将放大的信号送到A/.D转换芯片进行模数转换，将转换的数字量送至单片机进行处理。将处理后得到的温度送至LCD上显示出来。此系统涉及的软件代码，主要是A/D芯片的控制，以及LCD显示单元的初始化，显示等[11]。

3.2数据采集流程图

ADC0809的数据采集流程图如图8所示。

4 系统测试

传感器获取信号，放大电路放大信号，模数转换模块对信号进行转换，再由微处理器对数据进行最后处理，最后将数据传送至显示模块，显示部分直接将所测内容显示出来。整个系统的测试就能验证各个部分的设计是否合格，还能验证设计程序是否正确。测试非常重要，是设计的最后收尾工作，通过对单片机输入相应的程序，检测其能否使LCD1602显示正确的检测内容，如果能，则设计成功，反之不成功。通过以下检测情况，检测输出是否符合实际。此时的测温距离为8cm，则测试所得数据情况如表1所示。