基于單片機的紅外測溫儀設計

摘要：設計以單片機作為整個(gè)測溫儀的核心，結合A／D轉換器、液晶顯示器等外部設備，在軟件設計和硬件設計的基礎上，設計出一種擁有漢字顯示邏輯判斷等智能型電子測溫計。它提供了一種新的溫度測量方案，采用紅外溫度傳感器來(lái)測量溫度信號，可同時(shí)測量目標溫度和環(huán)境溫度，并將測量的數據經(jīng)過(guò)放大器，轉換器送給單片機處理，之后送數碼管顯示。紅外測溫打破了傳統的測溫模式，它響應快、測量精度高、可靠性高、范圍廣，為非接觸測量，因而不易損壞。該溫度計以準確快捷的測量功能、清晰易懂的數字化顯示方便人們日常生活使用。
關(guān)鍵詞：紅外測溫；單片機；ADC0804；80C51

0 引言
紅外測溫技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監測，設備在線(xiàn)故障診斷和安全保護以及節約能源等方面發(fā)揮了著(zhù)重要作用。用紅外測溫儀進(jìn)行非接觸溫度測量有許多的優(yōu)點(diǎn)，它的運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動(dòng)著(zhù)的物體就可進(jìn)行溫度測量，如傳熱性能差的或很小的熱容量材料。

1 紅外基本測溫原理
紅外測溫儀中的光學(xué)系統匯集其視場(chǎng)內的目標紅外輻射能量。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?。該信號?jīng)過(guò)放大器和信號處理電路按照儀器內部的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。
紅外線(xiàn)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環(huán)境下都會(huì )產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規則的運動(dòng)，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動(dòng)愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。因此，通過(guò)對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀(guān)基礎。
紅外測溫是利用測量物體所輻射出來(lái)的輻射能量來(lái)測量物體溫度，它的理論依據是斯蒂芬-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。當溫度為T(mén)時(shí)，物體在所有波長(cháng)上(物體的輻射幾乎包括所有的波長(cháng))的總輻射強度W為：

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

2 結構框圖及電路設計
2．1 整體電路設計
本文所涉及的紅外測溫儀是一種典型的智能化儀表，它以單片機作為核心，在軟件控制下，與其它硬件電路相結合，實(shí)現智能化的體溫測量。系統硬件組成環(huán)節主要有：溫度傳感器、放大電路、A／D轉換電路、單片機系統、液晶顯示模塊、按鍵、PC機與單片機通信部分。其軟件部分包括：A／D轉換、數字濾波、智能功能以及顯示等程序。
2．2 系統總體結構框圖
本設計主要是通過(guò)紅外傳感器把光信號轉換為電信號，然后再經(jīng)過(guò)放大電路把信號放大，傳給A／D轉換器轉換為數字信號，再傳給單片機，最后通過(guò)顯示器顯示出溫度值。同時(shí)還可以通過(guò)單片機與上位機進(jìn)行連接，把溫度測量值傳給計算機保存。結構框圖如圖1所示：

3 系統硬件電路的設計
3．1 光學(xué)紅外傳感器
光學(xué)系統在紅外系統中的作用十分類(lèi)似于用于接收目標回波的雷達天線(xiàn)，就是接收輻射能量，并把它傳送給傳感器。光學(xué)系統起到收集紅外輻射并將其聚焦到紅外探頭上的作用，由于紅外信號相對來(lái)說(shuō)比較微弱，因此要實(shí)現測溫儀精確測溫必須設計一個(gè)光路簡(jiǎn)單、紅外輻射損失小的光學(xué)系統，本設計選用紅外探頭來(lái)實(shí)現這個(gè)功能。
3．1．1 紅外測溫電路的設計
本測溫裝置使用紅外線(xiàn)傳感器，它能接收物體發(fā)射出的紅外線(xiàn)并使之轉換成電壓信號。紅外熱輻射測溫儀由三個(gè)運算放大器組成的。這三個(gè)運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為本設計的測量電路圖，圖中A1為一同相放大器，輸入信號由47UF電容耦合而來(lái)，A1的閉環(huán)放大倍數AF為20左右；A2為一低通濾波器。A3的輸出與溫度基本成線(xiàn)性關(guān)系。A1輸出的電位器和變阻器用于調節A2輸入信號的大小，調節它們的阻值可以改變A3的輸出電壓。