非接触温度计).doc

成绩评定： 传感器技术 课程设计 题 目 非接触温度计 院 系 电子工程学院 摘要 人体温度相对恒定是维持人体正常生命活动的重要条件之一，当体温高于41度或低于35度时将严重影响人体各系统的机能活动，甚至危害生命。很多疾病都可使体温正常调节机能发生障碍而使体温发生变化，如非典型肺炎的首要症状就是发烧。临床上对病人检查体温，观察其变化对诊断疾病或判断某些疾病的预防有重要意义。 在大型集会或各类活动中，由于参加人数众多，如果再入场时能对体温进行检测，则能有效控制各类传染病的交叉传播。非接触式体温计所需测温时间短，不需要与体肤接触，避免了病菌交叉感染，并且可以进行数据记录与判断，非常适合这种情况下使用。 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。而本文所研究的红外测温系统由于对被测物体的辐射进行的是非接触无损测量，测量过程中不会扰乱被测部分的温度场，响应快、温度分辨率高。温度测量主要有两种方法：一种是传统的接触式测量，另一种是以红外测温为代表的非接触式测量。传统的温度测量不仅反应速度慢，而且必须与被测物体接触。在人们的日常生活中，测量温度普遍使用水银温度计，反应比较慢，而且水银一旦泄露会产生污染并且有毒。红外测温以红外传感器为核心进行非接触式测量，克服了传统测温的不足，得到了广泛的应用。 自然界一切温度高于绝对零度的物体，都在不停地向外发出红外线。物体发出的红外线能量大小及其波长分布同它的表面温度有密切关系，物体的辐射能量与温度4次方成正比，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克定律。因此如果通过测量物体辐射出的红外能量的大小就能测定物体的表面温度。微小的温度变化会就会引起明显的辐射能量变化，因此利用红外辐射测量温度的灵敏度很高。关键词：红外传感器 单面机 非接触温度计目 录一 、设计目的1二、设计任务与要求22.1设计任务22.2设计要求2三、设计步骤及原理分析33.1设计方法33.2设计步骤43.3设计原理分析5四、课程设计小结与体会6五、参考文献6 一、设计目的 传统的温度测量不仅反应速度慢，而且必须与被测物体接触。在人们的日常生活中，测量温度普遍使用水银温度计，反应比较慢，而且水银一旦泄露会产生污染并且有毒。红外测温以红外传感器为核心进行非接触式温度计，克服了传统测温的不足。二、设计任务与要求2.1设计任务 利用红外测温仪选用热电红外温度传感器。热电红外温度传感器是利用红外辐射的热效应，通过温差电效应、热释电效应和热敏电阻等来测量所吸收的红外辐射，间接地测量辐射红外光物体的温度。2.2设计要求 本设计根据现代非接触故障检测技术的需求选用了型号为凌阳的TN9温度传感器。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。3、 设计步骤及原理分析3.1设计方法 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，但它的测温精度稍差，受物体辐射率影响大。下面是全辐射测温法的相关方法介绍： 由普朗克公式可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系式： V=RaT4=KT4式中K=Ra，由实验确定，定标时取1T被测物体的绝对温度R探测器的灵敏度a与大气衰减距离有关的常数辐射率斯蒂芬玻耳兹曼常数因此，可以通过检测电压而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号与目标温度呈非线性关系，V与T的四次方成正比，所以要进行线性化处理。线性化处理后得到物体的表观温度，需进行辐射率修正为真实温度， 其校正式为： 式中Tr辐射温度(表观温度)(T)辐射率，取0.10.9由于调制片辐射信号的影响，辐射率修正后的真实温度为高于环境的温度，还必须作环温补偿，即真实温度加上环温才能最终得到被测物体的实际温度。3.2设计步骤红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。可以对正在运行的设备进行非接触检测，拍摄其温度场的分布、测量任何部位的温度值，据此对各种外部及内部故障进行诊断，具有实时、遥测、直观和定量测温等优点，用来检测发电厂、变电所和输电线路的运转设备和带电设备非常方便、有效。用红外测温仪，你可连续诊断电子连接问题和查找连接处的热点，以检测设备的功能状态，还可检验电池组件和功率配电盘接线端子，开关齿轮或保险丝连接，防止能源消耗。此红外测温仪的特点：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、稳定性好等优点。该设计方案主要包括：软件设计部分与软件设计部分。 a红外测温仪的硬件系统方案设计本红外测温仪采用模块化的设计思想，它的硬件结构由STC89C51单片机模块，红外测温模块， RS232转换电路模块，电源模块，键盘模块和LED显示模块组成。STC89C51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STC89C51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；通过键盘模块可以方便地进行测温及各种操作；LED显示模块把测量的温度值直观地显示给观测者；电源模块负责本红外测温仪电源的供应。此红外测温仪系统的硬件结构框图如图a所示： 图a 红外测温仪系统的硬件方案设计框图b红外测温仪的应用软件系统的方案设计此红外测温仪的软件设计同样采用模块化的设计思想，它把整个系统分成若干模块分别予以解决，它包括主程序模块，红外测温模块，键盘扫描模块和显示模块。主程序模块主要完成系统初始化，温度的检测，串行口通信，键盘和显示等功能。其中系统初始化包括: 时间中断的初始化、外部中断源的初始化、串口通信中断的初始化、LED显示的初始化。 红外测温模块包括：获取温度数据，计算温度值。键盘扫描模块 ：获取按键信息，处理按键请求等。显示模块：获取并处理相应的温度数据， 在此红外测温仪的软件系统设计中，时钟的设置是相当重要的，通过时钟的设置才能获得良好的时钟频率，这个时钟频率是整个软件系统是否能正常有序地运行的关键。具体的软件方案设计如下图b： 图b 红外测温仪系统的软件方案设计框图3.3设计原理分析红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定，即： 下图是不同温度下的黑体光谱辐射度图： 不同温度下的黑体光谱辐射度从上图中曲线可以看出黑体辐射具有几个特征: 在任何温度下，黑体的光谱辐射度都随着波长连续变化，每条曲线只有一个极大值； 随着温度的升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减小。这表明随着温度的升高，黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加； 随着温度的升高，黑体辐射曲线全面提高，即在任一指定波长处，与较高温度相应的光谱辐射度也较大，反之亦然。 四、课程设计小结与体会 本设计的任务是实现非接触式体温测量和记录，并通过液晶屏幕显示。系统可以应用于人们日常生活生产中，快速准确的测量出体温，尤其适合在大型集会时对多人进行体温检测。本文介绍的体温检测系统硬件及软件的设计，其创新点在于针对温度测量特点，采用红外温度传感器，无需与体肤接触，而且反应速度快，弥补了一些传统体温计的不足 在这次设计中，经过自身的努力，不但加深了对传感器的进一步的认识和理解，并将所学的知识充分应用于实践中。通过这次传感器技术课程设计，使我认识到理论联系实际的重要性，在实践中扩展了知识面，不但掌握了本专业的相关知识，而且对其他专业的知识也有所了解，从各方面提高了自身的综合素质。经过这次一个较完整的产品设计和制作过程，对于将来学习和工作也是有所裨益的。 五、参考文献1李道华,李玲,朱艳编著.传感器电路分析与设计M.武汉:武汉大学出版社,20032沙占友编著.智能化集成温度传感器原理与应用M.北京:机械工业出版社,20023方佩敏编著.新编传感器原理应用电路详解M.北京:电子工业出版社,19934张毅刚编著单面机原理及应用M.北京：高等教育出版社，2010