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1红外热辐射温度测量系统的设计与研究柳裔树罗小燕（江西理工大学机电工程学院，测控技术与仪器102班，江西赣州341000）摘要:针对高速公路路面温度测量的问题，应用了红外热辐射非接触式温度测量技术。首先分析了传统的温度测量方法和目前高速公路对路面温度测量的措施，了解了对高速路路面温度测量对交通安全的重要性，然后对前人在此方面的研究进行了总结，在此基础上提出了红外热辐射温度测量系统的设计和方案。该系统以89C51单片机为控制中心，TN9红外探测器，经过数据处理后将测得结果显示在LCD显示屏上。关键字：红外热测温；红外；51单片机；LCD显示。ThedesignandresearchofinfraredradiationtemperaturemeasurementsystemLIUyishu,LUOxiaoyan（FacultyofMechanicalandElectronicEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,102classofmeasureandcontroltechnologyandinstrument，Ganzhou341000）ABSTRACT：Aimingattheproblemofhighwayroadsurfacetemperaturemeasurement,theapplicationofinfraredthermalradiationcontactlesstemperaturemeasurementtechnology.Firstanalysisofthetraditionaltemperaturemeasurementmethodandcurrenthighwaymeasuresofroadsurfacetemperaturemeasurement,learnedtohighwayroadsurfacetemperaturemeasurementoftheimportanceoftrafficsafety,andthensummarizedthestudiesofpredecessorsinthisaspect,basedonthis,advancestheinfraredradiationtemperaturemeasurementsystemdesignandsolutions.Thesystemwith89c51microcontrollerasthecontrolcenter,TN9infrareddetector,afterdataprocessingresultsshowthatmeasuredontheLCDscreen.Themaindesignresultsare:Keywords:infraredtemperaturemeasurement；Infrared；51MCU；LCEdisplay.0引言传统的温度检测是由温度计来检测，而温度计是靠水银随温度变化而热胀冷缩的物理性质研制而成。所以用温度计来检测温度的前提必须是接触式，而且要在相对比较长的时间才能使水银的性质在该温度下达到稳定状态。目前，人们使用最广泛的水银体温计是根据水银随温度升降的热胀冷2缩的性质，通过读取刻度值来获取温度值，它有诸多的缺陷：传统温度计在使用时要和被测量体接触，而且往往要等待较长的时间，以让其充分受热，当测量结束后还要将水银重新甩入水银泡中，由于水银泡是由很薄的玻璃制成的，极易破碎，而且其中的水银蒸汽对人体有极强的毒害作用，因此普通的温度计有非常严重的安全隐患。正因如此，需要设计出一种更为方便快捷、准确度较高的方法。红外测温提供了快速，准确及时的检测方法和结果。而且可以以数字的方式显示出测量结果，使测量过程变得直观，耗时短，往往在几秒钟之内就能测得结果，而且寿命长，是较为理想的测温仪器。本研究基于89C51单片机为控制中心，采用红外温度传感器TN9对公路地面温度进行采集，提高了准确性和安全性。系统采用的红外温度传感器体积小、性能好，再加上稳定的运放和精度较高的A/D处理，可实现对目标温度的准确测量及将温度参数显示在LCD显示屏上。1红外测温系统工作原理依据测温原理的不同，红外测温仪的设计有三种方法，通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射温度的称为全辐射测温法；通过测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度测温法；如果是通过被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化来定温的称为比色测温法。亮度测温法无需环境温度补偿，发射率误差较小，测温精度高，但工作于短波区，只适于高温测量。比色测温法的光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘影响小，测温误差小，但必须选择适当波段，使波段的发射率相差不大。本文选用全辐射测温法来计算被测量物体的温度，全辐射测温法是根据所有波长范围内的总辐射而定温，得到的是物体的辐射温度。选用这种方法是因为中低温物体的波长较大，辐射信号很弱，而且结构简单，成本较低AT89C51单片机是本系统的控制中心，它负责控制启动温度测量、接收测量数据、计算温度值、并根据取得的键值控制显示过程；红外测温模块负责温度数据的采集、测量，并将采集到的数据通过数据端口传送给AT89C51单片机；RS232转换电路模块可以使单片机方便地同PC机进行串口通信，并可以同时接收或传送外部送来的资料；LCD显示模块把测量的温度值直观地显示给观测者。2硬件电路设计1）单片机控制中心该红外测温仪是以AT89C51单片机为核心器件，此单片机模块的工作原理是：加载相应程序的AT89C51单片机把红外测温模块传来的数据加以处理，送LCD显示屏显示。2）红外测温传感器本红外测温仪选用了凌阳公司生产的型号为TN9的红外探测器作为测温模块，它是一种集成的红外探测器，内部有温度补偿电路和线性处理电路，因此简化了本系统的设计。它的测量距离大约为30米，测量回应时间大约为0.5秒。而且它具备SPI接口，可以很方便地与单片机（MCU）传输数据。33）RS232转换模块通过RS232转换电路单片机可以方便的同PC机进行串口通信，可以同时接收或传送外部送来的资料。但是进行串行通讯时要满足一定的条件，因为RS232是用正负电压来表示逻辑状态的,而TTL是用高低电平来表示逻辑状态的,因此,为了能够同PC机接口或终端的TTL器件连接,必须在RS232与TTL电平之间进行电平转换。4）LCD显示模块本系统采用的是1602的LCD接口。1602是一种点阵字符型液晶显示模块，可以显示两行共32个字符。根据LCD型号的不同，所需要的背光电阻大小会不同，可自行调节。系统总体电路设计如图1所示：图1：系统总体电路3软件设计红外热测温系统软件结构较为简单，包含AD转换初始化、LCD显示初始化、数据转换初始化、时钟初始化、UART初始化等几部分。LCD显示部分负责将被测温度和环境温度在LCD对应位置显示出来。数据处理采用取8次转换结果求平均的方式，减小因数据扰动和AD转换的随机性误差对测量结果造成的误差；被测物体温度根据环境温度，同样采取结合计算与查表的方式来获取。系统软件流程如图2所示：4图2：软件设计流程图1)时钟初始化LCD的作用是将被测物体的实时温度信息显示出来，此次采用的LCD1602液晶显示在使用前首先得对它的显示方式、操作方法等初始化。本设计中需要对LCD的显示方式，光标显示，字符显示进行初始化。3）UART初始化通用串行同步/异步(UART)是一个串行通信接口，它允许7或8位串行位数据流以预设的速率或外部时钟确定的速率移入、移出AT89C51单片机。在本系统中，使用它的异步模式UART，数据帧格式定为8位数据位、1位停止位、无奇偶校验。具体程序如下：voidinit_uart(void){UCA0CTL1=UCSWRST;//初始化UCA0UCA0CTL1|=UCSSEL_1;//串口通信时钟为ACLKUCA0BR0=0x03;//波特率为9600UCA0BR1=0x00;UCA0MCTL=0x06;P3SEL=0x30;//将P3.4、5设置为串口通信模式UCA0CTL1&=~UCSWRST;//初始化UCA0状态机IE2|=UCA0RXIE;//使能UCA0接收中断}4)串口设置系统初始化开始温度显示时钟初始化LCD初始化数据处理延时信号采集AD初始化UART初始化5串口设置主要是对串口参数进行设置，要完成上位机与硬件电路的通信，必须保证两者间的数据帧格式、比特率特性完全相同。串口设置程序如下：voidCTePomDlg::SetCom(){CStringstrtemp;inti;UpdateData(TRUE);//读取编辑框内容i=m_CtrlCbo1.GetCurSel()+1;if(m_TePom.GetPortOpen())m_TePom.SetPortOpen(FALSE);m_TePom.SetCommPort(i);//选择comif(!m_TePom.GetPortOpen())m_TePom.SetPortOpen(TRUE);//打开串口elseAfxMessageBox(cannotopenserialport);strtemp=m_Cbo2;if(m_Cbo3==NONE无){strtemp+=,n,+m_Cbo4+,+m_Cbo5;}elseif(m_Cbo3==ODD奇){strtemp+=,o,+m_Cbo4+,+m_Cbo5;}else{strtemp+=,e,+m_Cbo4+,+m_Cbo5;}m_TePom.SetSettings(strtemp);//波特率9600，无校验，8个数据位，1个停止位m_TePom.SetInputMode(1);m_TePom.SetRThreshold(1);//参数1表示每当串口接收缓冲区中有多于或等于1个字符的时候将引发一个接收数据的OnComm事件m_TePom.SetInputLen(0);//设置当前接收区数据长度大小为0m_TePom.GetInput();//先预读缓冲区以清除残留数据}4系统仿真用keil软件编及调试好程序之后，用protues软件进行系统的仿真，仿真结果如图3所示：6图3：系统仿真5结论针对高速公路表面温度的测量，本设计提出了红外热辐射温度测量的方案，通过了软件仿真得出以下结论：（1）完成了系统硬件电路的设计，完成软件的设计；（2）红外热温度传感器对被测物体温度的变化比较敏感，因此本系统对目标温度的检测灵敏度比较高；（3）通过protues软件对系统仿真，实现了非接触式红外热温度测量，在LCD显示屏上显示出日期及目标当前温度值，取得了预期的效果；6参考书目[1]任扬、刘建新.一种红外测温方法的研究[D],天津理工大学，2012.06[2]刘海涛、徐亚东.非接触式红外测温仪设计[J].科学论坛,2011(31):81-84[3]李云红.基于红外热像仪的温度测量技术及其应用研究[D].哈尔滨工业大学出版社，2010.3[4]聂典、丁伟.51单片机仿真实战教程[M].电子工业出版社,2010[5]吴云峰．电气设备控制屏红外测温检测仪的软硬件设计和实现[D]．吉林大学出版社，2008.12[6]李志强、彭友云.基于单片机的红外通信接口的设计[J].广西轻工业，2007.3，第3期：77-79