非接触式测温仪(共12页)

精选优质文档-倾情为你奉上自动化仪表大作业课题名称： 非接触式测温仪 班级： 姓名： 1、 方案选择 随着现代科学技术的发展，传统的接触式测温方式以不能满足现代一些领域的测温需求，对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。本红外测温仪设计的出发点也正是基于此。 非接触式红外测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件。此温度测量系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是被测物体上某一点的温度测量；可以是便携式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工艺简单，成木较低，测温时不接触被测物体，具有响应时间短、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点，但利用红外辐射测量温度，也必然受到物体发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。在这种温度测量技术中红外温度传感器的选择是非常重要的，而且不仅在点温度测量中要使用红外温度传感器，大面积温度测量也可使用红外温度传感器。本设计正是采用红外温度传感器这种温度测量技术，它具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点；另外红外温度传感器的种类较多，发展非常快，技术比较成熟，这也是本设计采用红外温度传感器设计非接触温度测量仪的主要原因之一。2、 系统设计原理 远红外测温系统由以下几部分组成：远红外透镜及滤光系统、测试装置、A/D转换器、微处理机（单片机）和终端显示组成。结合红外测温的工作原理及实际操作的需要，进行了相关参数的计算和论证，在确定方案可行的情况下，最后得出远红外测温仪系统的原理框图如图2.2所示。远红外测温仪系统是集信号采集、数据处理、误差分析、输出显示及危险报警为一体的多功能、智能化的测温系统。而信号采集系统中最重要的是用滤光片收集远红外区域内（814um）的光谱，使红外测温的波长范围相对缩小，精度有所提高。因此，远红外测温仪在工业系统温度的测量上有更好的应用。随着现代技术的发展，红外测温仪的设计也越来越先进、品种越来越繁多、功能越来越齐全、价格不断的趋于稳定。具体操作：将远红外测温仪对准被测的物体，按触发器启动单片机，并在仪器的LED上读出温度数据，保证测温距离和光斑尺寸之比。使用远红外测温仪时还必须注意：1、只测量表面温度，红外测温仪不能测量内部温度。2、不能透过玻璃进行测温，玻璃有很特殊的反射和透过特性，不允许精确红外温度读数。但可通过红外窗口测温。红外测温仪最好不用于光亮的或抛光的金属表面的测温（不锈钢、铝等）。3、定位热点，要发现热点，仪器瞄准目标，然后在目标上作上下扫描运动,直至确定热点。4、环境温度，如果将红外测温仪突然暴露在环境温差为20度或更高的情况下，允许仪器在20分钟内调节到新的环境温度。系统结构框图3、 远红外测温仪的硬件设计 （1）远红外测温仪的一般组成远红外探测器一般由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。光学系统是远红外探测器的重要组成部分。根据光学系统的结构分为反射式光学系统的远红外探测器和透射式光学系统的远红外探测器两种。对于反射式光学系统的红外探测器的结构，它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。为了减小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射聚集到敏感元件上，敏感元件与透镜组合在一起，前置放大器接收热电转换后的电信号，并对其进行放大。本设计中主要使用透射式光学系统的远红外探测器，其原理图如图3.1所示。透射式光学系统的部件用红外光学材料做成，不同的红外光波长应选用不同的红外光学材料：在测量700以上的高温时，用波长为0.753um范围内的近红外光，用一般光学玻璃和石英等材料作透镜材料；当测量100700范围内的温度时，一般用35um的中红外光，多用氟化镁、氧化镁等热敏材料；当测量100以下的温度用波长为514um的中远红外光，多采用锗、硅、硫化锌等热敏材料。三个范围内的波长远红外光其测量的温度相对较低，同时对仪器的损坏了相对较小，而远红外测温仪最适合的工作波长是814um，因此，在选用波段时应充分考虑远红外测温仪的工作波长而选择第三段。获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避免这一困难，所以，反射式光学系统用得较多。图3.1 透射式远红外探测器示意图（2） 测温模块的分析远红外测温仪系统是一个有机的整体，并能对各种信息进行快捷的处理和显示，因此,在进行信号接收时首先利用遮光板对被测物体所发出的红外辐射能量进行有选择的吸收，主要吸收其中的远红外光谱。而遮光孔的大小由单片机输出控制信号控制电机的转动与否来带动遮光板旋转。经选择吸收的远红外辐射光信号通过敏感元件的转换成与之相应的电信号并送到放大器进行放大处理，再经滤波器的滤波处理成所需要的电信号送到加法器运算，最后送到显示输出端显示，但是在进行加法运算时要利用温度补偿部分对所输出的数据进行补偿，以实现被测物体温度值与显示输出的线性关系，从而实现测温仪的智能化控制，据此原理得出远红外测温仪的部份处理装置的原理框图如图3.2所示。图3.2 红外测温部份处理装置的原理框图远红外测温仪的探头部分的方框图是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统，利用热辐射体在远红外波段的辐射能量来测量温度，由测温传感器、放大单元、滤波单元及加法单元、温度补偿单元组成。测温传感器为一暗盒，盒内固定热释电探测器件，前方有遮光板，电动机带动遮光板旋转，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线，红外测温装置通过光电敏感元件将远红外辐射能变换为电信号输出，温度补偿二极管也固定在盒内；放大单元是选用集成运放作为模拟放大器,且运放工作于线性放大区，电路的输出与输入之间存在一一对应的关系, 反馈信号通过反馈电阻送到输入端,即利用电压本身的变化量通过反馈网络对放大电路起自动调整作用,最终达到放大并稳定输出电压的作用；滤波单元采用集成运放组成的有源滤波器, 由两节RC滤波电路和反相比例放大电路所组成, 开环电压增益的输入阻抗很高，输出阻抗较低,而且具有一定的电压放大和缓冲作用；温度补偿单元采用二极管温度补偿电路,利用半导体受到外界的光和热的刺激时，其导电性能将会发生其显著变化，在将二极管的温度补偿信号经差动放大以补偿环境温度的影响。（3） 同相放大器的方案设计 运算放大器(简称运放)实际上是多级直接耦合放大电路的集成形式，其特点是高输入电阻、高放大倍数、低输出电阻。通常可以选用集成运算放大器作为模拟放大器，在某些精密的数字仪表系统中则可以选用仪表放大器和隔离放大器。选择放大器时主要考虑放大器的带宽和精度，放大器的满度误差和零位误差多半是可调的，因此这里精度主要指温漂和噪声。由于运放在电路性能方面具有众多优点，因此被广泛应用于模拟电路的各个领域之中，根据运放在电路中的工作状态，可把这些电路归纳为两大类：一是运放的线性应用，此类电路有一个显著的待点，即运放工作于线性放大区，电路的输出与输入之间存在一一对应的函数关系；二是运放的非线性应用，此类电路在多数情况下，运放工作在饱和状态。由于运放的工作状态不同，故所适用的分析方法亦不同。集成运放在使用中常因以下三种原因被损坏：输入信号过大，使PN结击穿；电源电压极性接反或过高；输出端直接接“地”或接电源，此时，运放将因输出级功耗过大而损坏。因此，为使运算放大器安全工作，也从这三个方面进行保护。在常用的放大电路中，比例运算放大器电路的接法有两种：一种是同相输入接法，另一种是反相输入接法，分别属于电压串联负反馈电路和电压并联负反馈电路。在本课题中比例运算放大电路采用同相输入的接法，其电路图如图3.4所示。这种电路的重要特点是：电路的输出电压趋向于维持恒定，因为无论反馈信号以何种方式引回到输入端，实际上都是利用输出电压本身的变化量通过反馈网络对放大电路起自动调整作用，这就是电压反馈的实质。若从输入电压取样，通过反馈网络得到反馈电压，然后与输入电压相比较，求得差值作为净输入电压进行放大，则称电路中引入了电压串联负反馈, 其电路图如图3.3所示。该电路采用电阻分压的方式将输出电压的一部分作为反馈电压，电路各点电位的瞬时极性如图中所标注。其工作原理是：当输入端正向电压增加时，且接放大器的同相输入端，反馈电压，若输入电压对R1和R2所组成的反馈网络的作用忽略不计，即可以为R1上的电压；并且，由于集成运放开环差模增益很大，因而其净输入电压也可以忽略不计。根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电压为零，即 说明集成运放有共模输入电压。所以输出电压为：此式表明，与同相且大于，电路引入电压串联负反馈后，一旦和的取值确定，就仅仅决定于，而与负载电阻无关。因此，可以将电路的输出看成为电压控制的电压源，所以它稳定了输出电压，且输出电阻为零。信号源内阻越小，其反馈效果就越好。由于电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。即使考虑集成运放参数的影响，输入电阻也可达。应当指出，虽然同相比例运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应当选用高共模抑制比的集成运放。上述结论是有条件的，只有认为集成运放同相输入端和反相输入端的电流趋于零（称为“虚断路”），才能忽略对反馈网络的作用；只有认为集成运放同相输入端和反相输入端的电位近似相等（称为“虚短路”），才能忽略净输入电压，使。实际上，只有集成运放的开环差模增益和差模输入电阻均趋近于无穷大时，才会在集成运放的输入端存在“虚断路”和“虚短路”。 电压串联负反馈电路示图 同相放大器电路图（4） A/D转换模块能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器，A/D转换器已经成为计算机系统中不可缺少的接口电路。为确保系统处理结果的精确度，A/D转换器必须具有足够的转换精度；在实现对快速变化的信号的实时控制与检测，还要求具有较高的转换速度。为将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程，在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，同时实现。即外部的各种模拟信号必须通过A/D转换器变换为数字信号后，才能送入微处理器芯片。在单片集成A/D转换器中，ADC0809是8位的芯片，采用逐次比较式工作原理。具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一+5V电源，其模拟量输入电压的范围为00HFFH，转换时间为100，无须调零或调整满量程。大部分M68HC08等系列MCU中具有ADC模块，但结构功能不完全相同，有8位精度的，也有10位精度的。采样通道数也有多种选择。ADC还有一个来自模拟模块的内部采样源。模拟多路复用允许选择14个ADC通道中的一个作为采样电压输入端。当转换结束后，ADC把转换好的结果放入数据寄存器，高字节和低字节分别为ADRH0和ADRL0，然后设置标志位或产生中断。在自动扫描模式下，用附加的3个ADC数据寄存器ADRL13来存放ATD13通道的A/D转换结果，通道ATD0的转换数据放在ADRL0中。（5） 单片机的选择自1971年微处理器研制成功后，不久就出现了单片的微型计算机(简称单片机)。特别是1976年Intel公司推出的MCS-48单片机，以其体积小、功能全、价格低等特点赢得了广泛应用。MCS-48为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展过程中的一个重要阶段。在MCS-48的成功应用的激励下，许多半导体公司和计算机公司竞相研制和发展自己的单片机系列。1980年Intel公司最先推出的8位单片机MCS-51系列，包括8031、8051、8052及8751等，它们的基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。MCS-51是在MCS-48的基础之上发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能较MCS-48有很大的增强。此外，它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此，它被广泛应用于工业过程控制，智能仪器、仪表，生产自动化领域，现在我国乃至世界范围内不失为单片机应用中的主流机型。鉴于MCS-51系列单片机的高性能、低价格，以及在我国的广泛应用，我们决定选用该系列的单片机。但MCS-51系列单片机包含多种型号，通常以片内是否带ROM以及所带ROM的类型分为8*51类。而MCS-51系列单片机一般采用HMOS和CHMOS工艺制造，CHMOS工艺比较先进，不仅具有HMOS的高速性，同时还具有CMOS的低功耗。为区别起见，CHMOS工艺的单片机名称前冠以字母C，成为8*C51类。比较多种型号的MCS-51系列单片机，为满足高性/价比，以及开发方便、高效的要求，我们选用了89C51单片机，它采用CHMOS工艺制造，与MCS-51系列的其它机型兼容，内带4K的EEPROM。由于AT89C51内部具有RAM和EEPROM，所以在芯片的外部接上时钟电路和上电复位电路就可以构成一个基本的应用系统了，如图所示。本系统采用自动复位方式，主频率为6MHz，一方面保证满足系统对时间的要求，同时也考虑了可靠性的要求，即适当降低速度以提高抗干扰能力。由于内部的程序空间有限，不适合编写较大、较复杂的程序，所以，这个系统适合于简单的控制系统的应用。单片机应用系统是指以单片机为核心，由硬件部分和软件部分组成，配以一定的外围电路和软件，能实现某几种功能的应用系统。硬件是系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其合理的调配和使用，从而完成应用系统所要完成的任务。单片机应用系统的设计分为硬件设计和软件设计两大部分，其设计包括下述几个步骤：总体设计；系统硬件设计（用PROTEL）；系统软件设计（用仿真机软件）；仿真调试硬件和软件（用仿真机）；固化应用程序（用仿真机）；脱机运行（用户系统）。一个单片机应用系统的硬件设计电路包括两大部分内容：一是单片机系统的扩展部分设计，这包括存储器扩展和接口扩展。二是各功能模块的设计。如信号测量功能模块、信号控制功能模块等，根据系统功能要求配置相应的A/D、D/A、键盘、显示器、打印机等外围设备，设计合适的接口电路。 AT89C51最小应用系统图在进行应用系统的硬件设计时，首要问题是确定电路的总体方案，并需进行详细的技术论证。设计还需要考虑以下几点：尽可能选择典型电路。系统的扩充和外围装置，应充分满足应用系统的要求，并留有一些扩充槽，以便进行二次开发。硬件结构应结合应用软件一并考虑。整个系统器件尽可能做到性能匹配。可靠性及抗干扰性设计是硬件设计极其重要的部分，包括器件选择、电路板布线、通道隔离等。单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，驱动能力不足时，系统工作不可靠。解决办法是增加驱动能力，降低总线负载。四、系统流程图当红外测温仪接通电源时，STC89C51单片机自动复位，开始运行该程序。该程序首先对STC89C51初始化。然后给出开机显示，接着判断是否有键输入，若没有键输入，则继续判断；若有键输入，则判断是否是红外测温。若不是就返回开机显示，是则进行红外测温，接收数据，并将计算的温度值显示出来，如果是环境温度通过数码管前四位显示，目标温度用后四位显示。并等待结束测温命令。再判定是否结束温度测量，若没则继续测温，若收到结束命令则返回开机显示，重新判断。具体工作的流程图如下图： 系统流程图参考文献：1齐志才 刘红丽 .自动化仪表 . 中国林业出版社 北京大学出版社2李朝青 刘艳玲.单片机原理及接口技术（第四版）.北京航空航天大学出版社3郁有文 常建.传感器原理及工程应用（第三版）.西安电子科技大学专心-专注-专业