基于红外传感器的温度检测电路

毕业设计说明书毕业设计（论文）中文摘要基于红外传感器的温度检测电路摘要：红外测温技术与传统接触式测温方法相比具有精准、便捷、安全等优点，在生产过程、产品质量监测控制、设备在线故障诊断、安全保护以及节约能源等方面也发挥着重要作用。在医疗卫生方面，由于所需测温时间短并且不需要与体肤接触，可以避免病菌交叉感染，非常适合临床及公共场合对体温进行及时快速检测。本课题采用非接触式温度传感器ANT-OTP-538U，以Silicon公司80C51F502单片机为采集控制芯片，使用OPA2277对信号进行放大，AD7324芯片进行A/D采集，将温度数据转换为数字量，采用分段插值的方法将电压转换为摄氏温度，并最后通过串口通讯方式将数据发送到LJD-eWin430触摸屏上显示，实现了对体温数据的即时读取。关键词：红外测温技术ANT-OTP-538U80C51F502单片机OPA2277AD7324LJD-eWin4300触摸屏本科毕业论文毕业设计（论文）外文摘要TitleThetemperaturedetectioncircuitbasedoninfraredsensorAbstractComparedwithtraditionalcontact-typetemperaturemeasurementmethod,infraredtemperaturemeasurementtechnologyhastheadvantagesofaccurate,convenientandsafe.It’salsoplayanimportantroleintheproductionprocess、productqualitymonitoringandcontrol、deviceon-linefaultdiagnosis、safetyprotection、energysavingandmanyotheraspect.Onhealthcare,itcanavoidthegermscrossinfectionduetotheshorttemperaturemeasurementtimeisanddoesnotrequirecontactwithbodyandskin,soitisverysuitableforclinicalandpublicforrapidtestinginatimelymanner.Thistopicadoptsnon-contacttemperaturesensorANT-OTP-538u,usingSiliconcompany’ssingle-chipmicrocomputer80C51F502astheacquisitioncontrolchip,usingOPA2277forsignalamplification,AD7324forA/Dsamplingchip,thetemperaturedataareconvertedtodigitalquantitybyAD7324.AdoptingthemethodofpiecewiseinterpolationconvertsvoltagetoCelsius,andfinallysendsthedataviaserialportcommunicationwaytoLJD-eWin4300,thenthetemperaturevalueshownonthetouchscreen.Readingthetemperaturedataatreal-timefinallyrealized.Keywords：InfraredtemperaturemeasurementtechnologyANT-OTP-538U80C51F502microcontrollerOPA2277AD7324LJD-eWin4300touchscreen本科毕业论文目录1引言（或绪论）…………………………………………………………………………11.1红外测温仪的应用背景与发展…………………………………………………11.2红外测温仪的工作原理……………………………………………………………21.3红外测温的误差来源………………………………………………………………32总体设计方案……………………………………………………………………42.1整体设计……………………………………………………………………42.2系统总体结构概述…………………………………………………………43系统硬件电路设计………………………………………………………………53.1红外传感器电路……………………………………………………………53.2放大电路……………………………………………………………………123.3A/D转换电路………………………………………………………………143.4单片机…………………………………………………………………………163.5控制器局域网（CAN）………………………………………………………193.6数据传输与转换电路…………………………………………………………213.7PDA显示屏…………………………………………………………………234系统软件程序设计………………………………………………………………254.1SiliconLaboratoriesIDE简介……………………………………………254.2A/D数据采集子程序设计…………………………………………………254.3数据通信子程序设计…………………………………………………………304.4PDA触摸屏显示子程序设计…………………………………………………325组装与测试………………………………………………………………………35结论…………………………………………………………………………………37参考文献………………………………………………………………………………38致谢…………………………………………………………………………………39本科毕业论文-1-1引言（或绪论）1．1红外测温仪的应用背景与发展当今世界随着科学与技术的不断提高，各个领域对方便快捷的自动化的要求不断提高。温度是工业生产中很重要的参考因素，它直接影响到产品的质量和性能。关于温度的测量方法，可以主要分为接触式与非接触式两大类。热电偶、水银温度计等作为传统类型的接触式测温仪器，在进行测温时需要与被测物质进行接触，由此完成充分热交换，但是实现热平衡需要经过相应的时间，延迟现象便伴随测温过程而出现，使用中所存在的局限凸显于连续生产与质量检验中。这些局限性对生产过程中对温控精准度和实际生产效率都有着不可忽视的影响[1]。属于非接触式方面的红外测温仪由于具有较快的反应速度、较高的灵敏度、广泛的测温范围同时可实现非接触连续测量等优点，因此可适用于一些传统测温仪无法进行测量的特殊环境（如钢水、飞机尾焰等），使用非常方便并逐步地得到推广使用。图1红外测温仪如何将被测物体的能量测量准确，提高其精确度并同时将所测能量转换成被测物体的准确温度是对于红外测温技术研究的重要方向，而关于红外测温技术的发展也与这些方向的研究状况密切相关，涉及到温度计的测量范围、精度、距离和目标大小、响应时间和稳定性等诸多方面[2]。在实际应用中，被测量物体其自身红外光谱发射特征，以及红外辐射在传递过程中介质对辐射传递产生的影响也是重要的研究内容，这些都有利于测温过程中精度的提高。本科毕业论文-2-1．2红外测温仪的工作原理在自然界中只要物体温度高于绝对零度，那么可以确定其在不停地向周围空间发射着红外辐射能量。经过研究论证可以知道被测物体的表面温度与其向外发出红外辐射能量的大小，其辐射红外线波长的分布情况都有着十分密切的关系。因此如果我们测量出物体向外界辐射出的红外能量，我们便可以据此对物体的表面温度实现准确测定，这些就是红外辐射测温实现的客观依据。黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量并且没有辐射能量的反射与透过，其表面的发射率为1[3]。但是这种情况在自然界中基本不存在，是一种理论上的理想分析，据此普朗克提出了适于进行理论研究的关于体腔辐射的量子化振子模型，由此得出了红外辐射的分布规律，这便是普朗克黑体辐射定律。定理表现了波长与黑体的光谱辐射度之间的关系，是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。普朗克定理式：1exp)(251TccTPb，其中)(TPb为黑体的辐射出射度；为波长；T为绝对温度；C1，C2为辐射常数。关于斯忒潘和玻尔兹曼计算得出的黑体热辐射定律，其表达式为：40)(TTM，其中为斯忒潘—玻尔兹曼常数；T为物体的热力学温度。这个定律反映了物体幅射出射度与温度间的关系，可以理解为温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度)(0TM与温度T的四次方成正比。这便是辐射式温度计测温的理论依据。根据上述的公式推导可以知道，实际物体的辐射量除了与辐射波长和物体的温度相关联外，还与构成物体的材料种类、制作方式、热过程以及表面平整状态和环境条件等因素有关。因此必须设置一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率T，这样才能使黑体辐射定律适用于那些非黑体的实际物体。因此对于非黑体的一般实际物体，斯忒潘—玻尔兹曼定律可写为4)(TTMT。其中T表示温度为T时全波长范围的材料发射率，即黑度系数。该系数表示实际物体与理想黑体在辐射方面的接近程度，其值介于0与1间。根据辐射定律可以知道物体辐射出射度与其发射率本科毕业论文-3-成正比，因此若材料的发射率已知，就可以知道任何物体的红外辐射特性。材料性质、表面状态、理化结构和材料厚度等为影响发射率的主要因素。红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成[4]。红外辐射测温仪测量目标的温度，其主要过程即是首先将被测物体相应波段范围内的红外辐射量测量出，其后由测温仪计将被测物体的温度值换算出。具体实现为经过测温仪的光学零件及其位置将视场的大小确定后，测温仪的光学系统将其视场内被测物体的红外辐射能量加以汇聚。光电探测器将汇聚于此的红外能量聚焦并将其转变为相应的电信号，再经由放大电路及信号处理电路进行处理。在仪器内通过相应的分析算法并且进行目标发射率校正，最终运算结果即为被测物体的温度值。1．3红外测温的误差来源红外测温具有非接触性、测温范围宽等优点,测温过程简易方便而被普遍采用。但也正是由于它的非接触性这一优点,决定了其测温误差来源广泛及机理复杂等特点。其中测温镜头所接收辐射能量的大小取决于诸多因素，在测温目标方面主要为被测物体的黑度，环境的温度也有着相应影响。在测温镜头方面，镜头可感受的波长范围、受光面积以及镜头与目标之间的距离和对准程度也决定着测温镜头的接收情况。图2“视场”大小与被测目标在测温时要想提高测温精度，就必须最大限度地增加镜头对辐射能量的接收，而根据上图的表述可以知道，测试仪与测试目标之间需要控制在一个合适的范围内。（“视场”为测温仪的测量面积）在环境温度的影响方面，测温镜头实际接收的辐射能量一定大于目标投入镜头的辐射能量。因此目标温度越低，环境温度越高，测温误差越大，这源于附加辐射影响方面的增大。本科毕业论文-4-根据维恩位移定律，可以知道如果目标温度越高，选用的镜头感受波长应该越短，不同感受波长的测温镜头需要针对不同温度目标而有选择地进行使用，最终以使得测温传感器获取更多辐射能量。波长越长，镜头视场应越大。但是相对的，感受波长较长的测温镜头总会产生较大的测温误差。这也就解释了之前为何目标温度越低、环境温度越高,会造成较大的测温误差。由于这是红外测温中不可避免的问题，而唯一能够消除误差影响的办法是尽量提高物体目标的黑度[5]。2总体设计方案2．1整体设计系统主要完成了红外传感器信号采集、处理、数据传输和显示功能，实现了红外非接触式测温。系统硬件组成主要包含了红外温度传感器信号获取电路、放大电路、A/D转换电路、单片机控制电路、数据传输电路和PDA显示模块等。根据模块化设计思想及系统组成特点，我们将系统分为三个独立模