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1、红外热辐射温度测量系统的设计与研究毕业论文目 录第1章 绪 论11.1课题来源11.2 课题意义21.3 国研究现状31.4 研究目标41.5 研究容41.6 研究安排5第2章 红外测温原理及系统的总体方案设计62.1 红外热辐射的概念与基础理论62.2 红外热辐射测温原理及方法82.3 红外热辐射测温的特点及影响因素82.4系统方案102.5 研究方法102.6 本章小节11第3章 硬件电路设计123.1 单片机控制中心123.2 红外测温传感器143.3电源模块173.4 RS232电路转换模块183.5 LCD显示模块193.6 硬件电路功能213.7 本章小结21第4章 软件设计224
2、.1 软件总体设计224.2时钟初始化224.3 LCD显示初始化234.4 UART初始化244.5 串口设置254.6 红外热测温模块程序设计264.7 系统仿真274.8本章小节29第5章 总结与展望305.1 工作总结305.2 展望30致 谢32参考文献33附 录35附件1：常见物质辐射率表35附录2：LCD测试程序35 .专业.专注. 第1章 绪 论1.1课题来源 本毕业设计采用非接触式红外测温的方法，对公路表面温度进行测量，其成果主要应用于高速公路表面温度测温仪。 可见光的辐射主要来自高温辐射物体，如太阳，铁水，灼热的金属，高温燃烧物体等，而任何低温，常温以及加热后的物体都一定会
3、有红外热辐射。在电磁波谱中能够被人眼察觉的是0.4微米到0.75微米波段我们称之为可见光波段，而把波长从0.75微米到1000微米的之间电磁波称为红外波段，红外波段的短波段与可见光中的红光相连，长波端与微波相接。根据普朗克辐射定理，我们知道凡是绝对温度大于零度的物体都无一例外的能向外辐射出电磁波，该物体的辐射强度大小与物体表面的辐射能力强弱及温度的高低有关，辐射的光谱分布也与物体温度紧密相关。 确定物质状态的参数有非常多，而温度参数恰恰是确定物质状态的重要参数之一，它的测量与控制方面在国防科技、军事、工业、农业生产以及科学研究中占有十分重要的地位。我们在工农业生产中，通常通过测量设备表面的温度
4、来监测设备的运行状况，而现代的工业设备大都是在高电压、强电流等危险环境下运行的，传统的测量方法是依靠人工接触式检测，这样既浪费时间、人力，又通常具有一定的危险性，同时对测温设备所采用的材料性质也有非常严格的限制。因此有必要研究出一种新的方法去检测目标系统的温度。 目前，人们使用最广泛的水银体温计是根据水银性质随温度升降而热胀冷缩的物理性质，我们在使用传统温度计时要和被测量物体相接触，为了与被测物体达到热平衡，需要等待较长的时间，当测量结束后还要将水银重新甩入水银泡中，由于甩的时候极易破碎，其中的水银蒸汽会对人体有极强的毒害作用，因此传统的温度计有非常严重的安全隐患。所以此方法就必然有很多的局限
5、性，在很多环境要求下不能满足快速，安全可靠的非接触式测量的要求。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，消耗时间非常短，往往在几秒钟之就能测得结果，更重要的是此方法所测量的结果比较精确，避免了人为读数的误差，而且系统的寿命长，是较为理想的测温仪器。 随着红外检测技术的日趋成熟，依据红外热测温技术正以响应速度快、测量精确度高，设备耐用等优势，近年来红外测温技术被越来越多的场合所认识和接受。由于社会的进步，交通的发达，人民生活节奏变得快捷的同时也带来了许多安全隐患。随着科技的飞速发展，单片机的应用正在日益广泛，同时也带动传统控制检测日新月异的变革。在工业智
6、能检测、控制系统中，通常使用单片机作为一个控制中心来使用，然后配合相应的外围硬件设备，以及针对具体应用对象特点的软件相结合，如此加以完善。单片机控制系统能够取代以往利用复杂电子电路和数字电路构成的控制系统，我们可以用软件控制来实现，并能够轻松地实现智能化控制。1.2 课题意义对温度测量的传统方法需要工作人员到现场进行数据采集，整理，分析才能计算出调研结果。过程比较繁琐，耗时费力，更不理想的就是当我们需要多个目标地点的温度数据时，没有足够的人力物力去获得数据，相关工作人员不能及时得到数据，这样极大的降低了工作效率，体现不了工作人员的价值。随着工作人员对现场安全实时监控提出越来越高的要求，因此对现
7、场安全进行实时监测十分必要。故而需要有更方便安全快捷的工作模式来取代传统的测量方法，正因如此，红外热辐射温度测量技术运应而生。在某些应用领域中，要求测量温度的传感器不能直接与被测物体相接触，这就需要满足这种领域非接触式测量，本设计正是应上述实际需求来设计的红外测温系统。红外热测温系统是以黑体辐射定律作为理论基础，红外控制理论以及电子技术综合发展的产物。与传统的测温方法相比，红外测温具有以下优点：(1)不需要与被测物体接触，不会扰乱被测物的温度场，温度场的分布不会受到影响，因此具有较高的测量精确度；(2)在测量过程中，光电器件不必与被测介质达到新的热平衡，因而能检测温度的迅速变化，而且还能测量运
8、动物体的温度；(3)测量距离可近可远，近者可测几厘米，有的甚至更小，而远者可测近几公里外的目标；(4)可以用来测量小面积的物体，目前可测量出直径小至7.5微米的目标温度；(5)以黑体作为测量对象最为合适，但也可以测量一般物体。正是这些优点使得红外测温技术受到越来越广泛的欢迎，该技术在温度测量领域里具有不可替代的优势。红外测温的设计，其知识包括了检测技术，MCU，控制技术等多方面的容。红外测温技术是一门很实用和很有前景的技术，通过此次毕业设计，有利于我理论联系实际，更好的掌握这一方面的知识体系，是对学习容的总结归纳与升华，特别是对单片机控制技术知识的深入理解，对于自身综合素质与工程应用能力的培养
9、也有及其重要的意义。1.3 国研究现状轨道交通是一个庞大、复杂、易出现事故的交通运输系统，因而，从机车制造到运营，可靠性、安全性一直是社会关注的重点。一方面，无论何种设备，它的维修与护理护是一种设备运转状况驱动的预防性维护。它是对运转状况、热量分布和其他指标进行直接监视，以便确定实际的平均无故障时间或对其危害在设施所有关键系统装置运转效率损失的确定因素。因此定期地测量设备，实时跟踪监测结果，而温度恰恰就是一个非常重要非常有用的参数。目前，其中监视温度的红外热像仪检测技术就是一种检测方向的应用;另一方面，随着轨道交通行业的快速发展，消费者群体对于机车的性能要求也越来越高，轨道交通与汽车行业一样，
10、就是对可靠性、安全性、舒适性的严格要求。红外热像技术在轨道交通运营过程中能够起到更有效、更快速地追踪交通系统的动态。由于高速公路的路面工程量大、牵涉面广、建设和维修难度系数大。然而路面又经常由多层各不相同的材料及所含成分所组成配比不同，特别是沥青面层所用材料品种多、配比多、要求严格，每层都有各自要求的工艺水准。在路桥施工建设，公路表面、高桥的维护及施工过程，都必须要对沥青或混凝土的成分及温度进行检测；工艺要求较高的区域更是需要采用能够提供可靠的、全面反映测量区域温度的分布及变化情况的仪表。红外热测温的应用按其用途可以大体分为两大类，一为定性观察，二为定量分析。定性观察是根据图像判断物体的存在和
11、运动，主要应用于军事、安检、监控等方面。定量分析是利用红外热像仪的测温功能对物体的温度分布进行检测分析。2003 年非典期间，社会公众对红外热像仪的测温功能提出了很高的要求。针对公路路面温度和铁轨温度测量的传统方法比较麻烦，更重要的是这种传统的方法不能全天24小时实时监控，需要人为现场测试，耗费了不少人力物力。 随着社会节奏的变快，交通逐渐发达，这些传统的方法已经不能够满足我们对安全的及时监测需要。然而随之产生的交通通信设备日渐繁多，功能完善。红外测温也慢慢步入在交通指示的应用领域，目前已经有部分高速路段铺设有红外测温系统，用于测定高速路段地面温度，及时显示在LCD显示屏幕上。这种仪器结构简单
12、、容易制作、便于安装及维修，所测温度可直接输出到单片机进行后期数据处理，十分方便易行。红外测温打破了传统的测温模式，它响应快，测量精度高，可靠性强，围广，为非接触测量，因而更不容易被损坏，该温度计以其准确快速的测量优势，和清晰易懂的数字化显示方便了科研领域的使用以及方便了人们日常生活工作。第一在本次毕业设计中根据红外热辐射的基本原理，采用“直接定标”的方法，即在测量不同环境下的公路表面温度时，实时定标红外测温。第二，传统的红外测温仪在原理上均需讨论物体辐射率修正的问题。然而如果要确定物体的辐射率则却是红外测温中的一大难题。通常情况下，我们是通过经验测量或者查阅资料来确定固体和液体在特定情况下的
13、辐射率，以此作为红外测量中的参数。然而，由于不同路段及地理位置公路表面的温度随季节和地域情况的不确定性，很难确定不同地域路面的辐射率。所以，根据能量的守恒关系，巧妙的避开了公认的“辐射率修正”这一难题。第三，根据实际需要，设计了系统硬件电路，并对系统进行了仿真。1.4 研究目标1. 针对公路表面红外热辐射的测量，通过系统处理，直观的显示其温度；2. 基于单片机AT89C51开发的温度控制系统；3. 能够准确的测量出温度并将数据输入到单片机；4、对不在规定围的温度进行调节以使其始终稳定在一个恒定围；5、控制精度高，系统稳定、成本低；1.5 研究容本系统采用红外温度传感器TN9对公路地面温度进行采
14、集，89C51单片机为控制中心，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，将温度参数显示在LCD显示屏上，可实现对目标温度的准确测量。研究容如下：1 红外热辐射测温系统的硬件设计 （1）单片机处理模块 （2)红外热辐射温度传感器TN9 （3)RS232转换电路模块 （4）电源模块 （5）LCD显示模块2. 红外热辐射测温系统的软件设计由于受检对象表面的红外辐射能量，是经大气传输到红外检测仪器里的，这就会受到大气成分中的水蒸汽、二氧化碳、氮气等气体分子的吸收以及空气中悬浮尘埃微粒的遮挡与吸收而衰减，设备辐射能量辐射的衰减程度大小随着检测
15、仪器到被测设备之间的距离的增大，在很大程度上降低了被测物体辐射的穿透率，所以其衰减程度大小是随两者距离的增大而增加。降低受检设备故障部位与正常部位的辐射的对比度，也会导致红外探测仪器接收到的目标能量减少，从而使得结果仪器显示出来的温度值比被测故障点的真实温度低。尤其是检测温升较低的设备故障时，这是非常不利的。所以检测距离越大，大气组合成分的影响就会越来越大。因此如果要获得目标温度的准确性，必须采取以下相应的措施： （1）尽量选择在环境干燥地段进行检测； （2）在不影响安全的条件下尽可能减小检测距离，以便测得实际温度值；1.6 研究安排本文章节主要安排如下：第1章 ：本论文的绪论，包括课题来源，课题意义，国研究现状，研究目标，研究容，研究安排； 第二章 ：红外热辐射的基本概念介绍，红外热辐射测温的基础理论，红外热辐射测温原理和方法，红外热辐射测温的特点，红外热辐射测温影响因素； 第三章 ：系统的总体结构设计方案,硬件电路设计：单片机处理模块，电源模块，红外测温模块，RS232电路转换模块，LCD显示模块；第4章 ：软件设计，程序的总体设计；第5章 ：总结与展望；第2章 红外测
