基于單片機(jī)的紅外測(cè)溫儀設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為整個(gè)測(cè)溫儀的核心，結(jié)合A／D轉(zhuǎn)換器、液晶顯示器等外部設(shè)備，在軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種擁有漢字顯示邏輯判斷等智能型電子測(cè)溫計(jì)。它提供了一種新的溫度測(cè)量方案，采用紅外溫度傳感器來(lái)測(cè)量溫度信號(hào)，可同時(shí)測(cè)量目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)過放大器，轉(zhuǎn)換器送給單片機(jī)處理，之后送數(shù)碼管顯示。紅外測(cè)溫打破了傳統(tǒng)的測(cè)溫模式，它響應(yīng)快、測(cè)量精度高、可靠性高、范圍廣，為非接觸測(cè)量，因而不易損壞。該溫度計(jì)以準(zhǔn)確快捷的測(cè)量功能、清晰易懂的數(shù)字化顯示方便人們?nèi)粘Ｉ钍褂谩?br />關(guān)鍵詞：紅外測(cè)溫；單片機(jī)；ADC0804；80C51

0 引言
紅外測(cè)溫技術(shù)在生產(chǎn)過程中，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)，設(shè)備在線故障診斷和安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行非接觸溫度測(cè)量有許多的優(yōu)點(diǎn)，它的運(yùn)用范圍從很小或難以接觸到的物體至腐蝕性的化學(xué)物和敏感的表面物。這樣那些難以接觸到或運(yùn)動(dòng)著的物體就可進(jìn)行溫度測(cè)量，如傳熱性能差的或很小的熱容量材料。

1 紅外基本測(cè)溫原理
紅外測(cè)溫儀中的光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量。紅外能量聚焦在光電探測(cè)儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。
紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。因此，通過對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。
紅外測(cè)溫是利用測(cè)量物體所輻射出來(lái)的輻射能量來(lái)測(cè)量物體溫度，它的理論依據(jù)是斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體的溫度越高，它所輻射出來(lái)的能量越多。當(dāng)溫度為T時(shí)，物體在所有波長(zhǎng)上(物體的輻射幾乎包括所有的波長(zhǎng))的總輻射強(qiáng)度W為：

式中：δ—斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；
T—物體的絕對(duì)溫度-單位K；
ε—物體表面的法向比輻射率。絕對(duì)黑體ε=1．0，非絕對(duì)0ε1．0。

2 結(jié)構(gòu)框圖及電路設(shè)計(jì)
2．1 整體電路設(shè)計(jì)
本文所涉及的紅外測(cè)溫儀是一種典型的智能化儀表，它以單片機(jī)作為核心，在軟件控制下，與其它硬件電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化的體溫測(cè)量。系統(tǒng)硬件組成環(huán)節(jié)主要有：溫度傳感器、放大電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)、液晶顯示模塊、按鍵、PC機(jī)與單片機(jī)通信部分。其軟件部分包括：A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、智能功能以及顯示等程序。
2．2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖
本設(shè)計(jì)主要是通過紅外傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后再經(jīng)過放大電路把信號(hào)放大，傳給A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再傳給單片機(jī)，最后通過顯示器顯示出溫度值。同時(shí)還可以通過單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行連接，把溫度測(cè)量值傳給計(jì)算機(jī)保存。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)
3．1 光學(xué)紅外傳感器
光學(xué)系統(tǒng)在紅外系統(tǒng)中的作用十分類似于用于接收目標(biāo)回波的雷達(dá)天線，就是接收輻射能量，并把它傳送給傳感器。光學(xué)系統(tǒng)起到收集紅外輻射并將其聚焦到紅外探頭上的作用，由于紅外信號(hào)相對(duì)來(lái)說比較微弱，因此要實(shí)現(xiàn)測(cè)溫儀精確測(cè)溫必須設(shè)計(jì)一個(gè)光路簡(jiǎn)單、紅外輻射損失小的光學(xué)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)選用紅外探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。
3．1．1 紅外測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)
本測(cè)溫裝置使用紅外線傳感器，它能接收物體發(fā)射出的紅外線并使之轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。紅外熱輻射測(cè)溫儀由三個(gè)運(yùn)算放大器組成的。這三個(gè)運(yùn)算放大器分別作為同相放大器、低通濾波器和跟隨器來(lái)發(fā)揮其作用。圖2為本設(shè)計(jì)的測(cè)量電路圖，圖中A1為一同相放大器，輸入信號(hào)由47UF電容耦合而來(lái)，A1的閉環(huán)放大倍數(shù)AF為20左右；A2為一低通濾波器。A3的輸出與溫度基本成線性關(guān)系。A1輸出的電位器和變阻器用于調(diào)節(jié)A2輸入信號(hào)的大小，調(diào)節(jié)它們的阻值可以改變A3的輸出電壓。