通信工程畢業設計-基于單片機的紅外測溫儀的設計與制作-文庫吧

【正文】 術，單片機等多方面的內容，紅外測溫技術是一門很實用和前沿的技術，做此課題，有利于理論聯系實際，更好的掌握這一方面的知識體系，是對學習內容的升華，特別是對單片機控制技術知識的深入理解，對于自身綜合素質與工程能力的培養也有重要意義。 研究背景及意義 普通溫度測量技術經過相當長時間的發展已近于成熟，但面臨了諸多無法跨越的問題。例如， 在發生重大疫情的情況下，在火車站、汽車站、機場等人流聚 集地需要緊急測量人體體溫，而傳統的溫度計費時長、效率低，無法達到快速測量人體體溫的要求；還有，在鋼鐵、電力等高溫、高危環境而又必須時刻監測設備的溫度的情況下，傳統溫度計也不能達到要求。在這種背景下，設計了一種非接觸、遠距離、快速測溫的技術就孕育而生了。 紅外測溫為測量人體溫度提供了快速，非接觸測量手段，可廣泛，有效的于密集人群的體溫測量。而且可以以數字的方式顯示出測量結果，使測量過程 變 得直觀，而且耗時短，往往在幾秒鐘之內就能測得結果 江西財經大學普通本科畢業設計 2 紅外 測溫技術在生產過程中，在產品質量控制和監測，設備在線故障診斷和安全保護以及節約能源等方面發揮了著重要作用。可以對正在運行的設備進行非 接觸檢測，拍攝其溫度場的分布、測量任何部位的溫度值，據此對各種外 部及內部故障進行診斷，具有實時、遙測、直觀和定量測溫等優點，用來檢測發電廠、變電所和輸電線路的運轉設備和帶電設備非常方便、有效。用紅外測溫儀，你可連續診斷電子連接問題和查找連接處的熱點，以檢測 設備的 功能狀態， 還 可檢驗電池組件和功率配電盤接線端子，開關齒輪或保險絲連接，防止能源消耗 紅外測溫技術 概述 非 接觸式紅外測溫也叫輻射測溫，一般使用熱電型或光電探測器作為檢測元件。此溫度測量系統比較簡單，可以實現大面積的測溫，也可以是被測物體上某一點的溫度測量；可以是便攜式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工藝簡單，成木較低，測溫時不接觸被測物體，具有響應時間短、不干擾被測溫場、使用壽命長、操作方便等一系列優點，但利用紅外輻射測量溫度，也必然受到物體發射率、測溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。 在這種溫度測量技術中紅外溫度傳感器的選擇是非常重要的，而且不僅在點溫度測量中要使用紅外溫度 傳感器，大面積溫度測量也可使用紅外溫度傳感器。本設計正是采用紅外溫度傳感器這種溫度測量技術，它 具有溫度分辨率高、響應速度快、不擾動被測目標溫度分布場、測量精度高和穩定性好等優點 ；另外紅外溫度傳感器的種類較多，發展非常快，技術比較成熟，這也是本設計采用紅外溫度傳感器設計非接觸溫度測量儀的主要原因之一。 紅外測溫儀的設計原理 紅外線 紅外線是 太陽光線 中眾多不可見光線中的一種，由英國科學家 霍胥爾 于1800 年發現，又稱為紅外熱輻射 ,他將太陽光用三棱鏡分解開，在各種不同顏色的色帶位置上放置了溫度計，試圖測量各種顏色的光的加熱效應。結果發現，位于 紅光 外側的那支溫度計升溫最快。因此得到結論：太陽光譜中，紅光的外側必定存在看不見的光線，這就是紅外線。也可以當作傳輸之媒介。江西財經大學普通本科畢業設計 3 太陽光譜 上紅外線的波長大于可見光線， 波長 為 ～ 1000μm。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為 ()～ ()μm之間；中紅外線，波長為()～ (2540)μm之間； 遠紅外線 ，波長為 (2540)～ l000μm 之間。 紅外線是波長介乎微波與可見光之間的 電磁波 ，波長在 770 納米 至 1毫米之間，是波長比紅光長的非可見光。覆蓋室溫下物體所發出的熱輻射的波段。透過云霧能力比可見光強。在通訊、探測、醫療、軍事等方面有廣泛的用途。 俗稱紅外光。 紅外線的熱效應 外線波長較長， （ 無線電 、 微波 、紅外線、 可見光 。波長按由長到短順序），給人的感覺是熱的感覺，產生的效應是熱效應，那么紅外線在穿透的過程中穿透達到的范圍是在一個什么樣的層次？如果紅外線能穿透 到原子、分子內部，那么會引起原子、分子的膨大而導致原子、分子的解體。真的是這樣嗎？而事實上呢？紅外線頻率較低，能量不夠，遠遠達不到原子、分子解體的效果。因此，紅外線只能穿透了原子分子的間隙中，而不能穿透到原子、分子的內部，由于紅外線只能穿透到原子、分子的間隙，會使原子、分子的振動加快、間距拉大，即增加熱運動能量，從宏觀上看，物質在融化、在沸騰、在汽化，但物質的本質（原子、分子本身）并沒有發生改變，這就是紅外線的熱效應。 圖 11 電磁波譜 江西財經大學普通本科畢業設計 4 紅外測溫原理及方法 （ 1）、紅外測溫儀的測溫原理 紅外測溫儀的測溫原理是黑體 輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯系，物體的溫度越高，所發出的紅外輻射能力越強。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定， 即 ： 21 /51 1CCM e? ???? ? 下圖 12 是不同溫度下的黑體光譜輻射度圖： 圖 12 不同溫度下的黑體光譜輻射度 從上圖中曲線可以看出黑體輻射具有幾個特征 : 在任何溫度下，黑體的光譜輻射度都隨著波長連續變化，每條曲線只有一個極大值； 隨著溫度的升高， 與光譜輻射度極大值對應的波長減小。這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長輻射所占比例增加； 隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長處，與較高溫度相應的光譜輻射度也較大，反之亦然。 （ 2）、紅外測溫的方法 自然界一切溫度高于絕對零度 (℃ )的物體，由于分子的熱運動，都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關系符合輻射定律。紅外輻射原理 — 輻射定律 ： 440()E T T???? （ ） 江西財經大學普通本科畢業設計 5 式中 ： E輻射出射度數 ， 3W/m ； ? 斯蒂芬 ― 波爾茲曼常數， 8 2 * 10 W /(m )K? ?； ? 物體的輻射率 ； T 為物體的溫度，單位 K ； 0T 物體周圍的環境溫度，單位 K 。測量出所發射的 E，就可得出溫度。 利用這個原理制成的溫度測量儀表叫紅外溫度儀表。這種測量不需要與被測對象接觸，因此屬于非接觸式測量。在不同的溫度范圍，對象發出的電磁波能量的波長分布不同，在常溫 （ 0～ 100℃） 范圍，能量主要集中在中紅外和遠紅外波長。用于不同溫度范圍和用于不同測量對象的儀表，其具體的設計也不同。根據式 （ ） 的原理，儀 表所測得的紅外輻射為： 441 2 1 2()E A T T?? ??? （ ） 式中 ： A 光學常數，與儀表的具體設計結構有關 ； 1? 被測對象的輻射率 ； 2? 紅外溫度計的輻射率 ； 1T 被測對象的溫度 （ K）； 2T 紅外溫度計的溫度 （ K）；它 由一個內置的溫度檢測元件測出。 輻射率 ? 是一個用以表達物體發射電磁波能力的系數，數值由 0 至 。所有真實的物體，包括人體各部位的表面，其 ? 值都是某個低于 的數值。人體主要輻射波長在 9～ 10 m? 的紅外線，通過對人體自身輻射紅外能量的測量，便能準確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內的光線不被空氣所吸收，因而可利用人 體輻射的紅外能量精確地測量人體表面溫度。 通過對人體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定人體表面溫度。紅外溫度測量技術的最大優點是測試速度快， 1 秒 以內可測試完畢。紅外測溫儀由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。 紅外測溫儀系統的技術指標及主要功能 (1) 溫度測量精度177。 1℃ ； 江西財經大學普通本科畢業設計 6 (2) 溫度測量的分辨率 ℃： (3) LCD 顯示； (4) 電源： DC 5V177。 10%； (5) 工作環境溫度≤ 60℃ 本論文的內容結構安排 第一部分：緒論，包括本文的選題 背景和研究意義，對 紅外測溫儀 的現狀及發展趨勢進行研究，并概括了本文的主要內容和結構安排。 第 二 部分：系統硬件電路設計，電路主要由電源模塊、 傳感器模塊 、 放大濾波電路 、 A/D 轉換電路、單片機控制電路和 LCD 顯示電路組成。 第 三 部分：系統軟件設計，先確定整個 紅外測溫儀 的信息處理流程，然后再確定系統軟件流程圖。 第 四 部分：電路制作與調試，在設計。 第 五 部分：對本論文工作的總結和展望。江西財經大學普通本科畢業設計 7 2 紅外測溫儀硬件電路方案設計 總體設計方案 本紅外測溫儀采用模塊化的設計思想，它的硬件結構由 AT89S51 單片機模 塊，紅外測溫模塊，信號放大濾波電路模塊， A\D 數模轉換電路模塊和LCD 顯示模塊組成。 AT89S51 單片機是本系統的控制中心，它負責控制啟動溫度測量、接收測量數據、計算溫度值；紅外測溫模塊負責把光信號轉變為微弱電信號傳遞給放大濾波電路進行放大，然后經過數模轉換電路把模擬信號轉換成數字信號，傳遞給單片機進行處理， LCD 顯示電路最后顯示出溫度值。如果經過處理后的數據大于所設置的預警數據，則蜂鳴器報警。如果檢測完信號后送達處理系統處理，所測的數據有誤，則可以通過控制器（按鈕）來進行重新檢測，直到顯示正確溫度。 熱釋電傳感器電路 本設計的探頭使用的是紅外線傳感器，它能接收人體發射出的紅外線并使之轉換成電信號 。設計選用的是 RE200B 熱釋電傳感器。熱 釋電紅外傳感器是一種能檢測人或某些動物發射的紅外線 ,并 將其 轉換成電信號 的器件 .RE200B 是熱釋電紅外傳感器。這種傳感器是由一種晶體材料做成，當這種晶體表面受到紅外線照射時，會在晶體表面產生電荷。隨著光線對晶體照射的改變，電荷量也會發生改變 . 熱釋電傳感器 放 大 器 濾 波 器 ADC0804數模轉換器 AT89S51單片機 LCD1062液晶顯示 圖 21 紅外測溫儀總體設計方案 江西財經大學普通本科畢業設計 8 任何高于絕對溫度（ 273 度） 的 物體都將產生紅外光譜，不同溫度的物體，其釋放的紅外能量是不一樣的，因此 紅外波長與溫度的高低是相關的。而 人體一般在 37 度， 紅外輻射也最為穩定， 所以會發出特定波長 為 10 微米（ um） 左右的紅外線 ，這正好落在 探測 范圍（ 7~14um）內。 表 21 熱釋電傳感器 RE200B 參數表 工作波長 平均 透過率 輸出信號（ V） 工作電壓 (V) 工作電流 (mA) 源極電壓 (V) 工作溫度 (℃ ) 視場 714um 75% V 5V 4μA .1V 20℃ +70℃ 139176。126176。 放大濾波電路的設計 運算放大器 LM324 介紹 LM324 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用 ,也適