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1、江苏城市职业学院毕业设计（论文）（ 2010 届）设计（论文）题目 红外线测温仪 办 学 点 （系）江苏城市职业学院昆山办学点（电信系） 专 业 应用电子专业 班级 07应用电子 学号 2 学生姓名 马媛媛 起讫日期 09年12月23日2010年3月25日 地点 江苏城市职业学院昆山办学点 指导教师 顾 萍 职称 讲 师 2010年 3 月 25 日江苏城市职业学院教务处制目 录摘要3一、绪论41.1 远红外测温仪的研究意义及功能实现41.2 本设计所做要求41.3 本设计所作的工作5二、远红外测温原理52.1 红外辐射的产生52.2 远红外测温系统的组成图6三、远红外测温仪的硬件电路设计73
2、.1远红外传感器的设计73.1.1 远红外探测器的一般组成73.1.2测温部分模块分析83.2同相放大器的设计93.2.1同相放大器的方案设计93.2.2同相放大器的电路图113.3 温度补偿部分设计113.3.1方案设计113.3.2电路图123.4模数A/D转换器123.4.1模数转换器介绍123.4.2引脚及功能133.4.3取样与保持143.4.4量化与编码14四 远红外测温仪的软件设计154.1控制模块的设计154.1.1单片机的选择154.1.2 AT89C51单片机简介164.2 AT89C51的最小应用系统设计214.3系统总体的流程图22参 考 文 献23摘 要【内容摘要】：
3、为了监检恶劣生产条件、特殊环境的温度，以便进行预防性维护，我们进行了红外线测温仪的设计。红外测温仪是利用红外传感器对电力设备运行时的热辐射进行采集，通过转换电路将红外传感器采集到的光信号转换成电信号，再将电信号通过放大电路、带通滤波电路、解调电路、A/D转换等单元电路处理后送到单片机中，最后单片机将带有数据信息的电信号进行分析处理，将电信号转变成与之相对应大小的温度值显示输出。将有用信息保存下来并传送给控制中心，电力设备运行过程中的临界温度通过软件编程的方式写入单片机中。通过对温度的确认达到掌握被测对象的工作状态，确定其工作是否正常，以便及早发现故障并针对具体情况采取相应对策。如果被测物体的温
4、度低于所设定的临界温度值，红外测温仪将正常工作。反之，系统则发出报警信号启动报警装置，提醒操作人员采取必要的措施，避免电力设备的运行因温度过高而发生故障和损失，从而实现仪器的自动化和智能化，保障电力设备的正常运行。【关键字】：热释电传感器，单片机，红外线1、 绪 论1.1 远红外测温仪的研究意义及功能实现自二十世纪九十年代以来，我国电力工业发展迅速，电网规模日益扩大。电力设备是电网和变电站的核心设备，它的运行状况直接关系到系统的安全运行。随着电压等级的提高，电力设备的负荷也越来越大，由于电力设备自身的造价都比较昂贵，因电力设备故障所带来的事故，造成的损失往往也是巨大的。而设备运行时所发出的红外
5、光谱的波长范围是514um，属于远红外光谱，这个波段内的光所对应的物体的温度是介于0500之间。温度不是特别高，对仪器的损坏也不是特别大，因此，设计一种测量更准确，采样波长介于此区间内的非接触式远红外测温仪来监测电力设备运行状态，及时发现潜在故障，有着充分的必要性。根据远红外测温的基本定律，阐述远红外测温仪的工作原理及功能实现：一切温度高于绝对零度的物体都在不停的向周围空间发出红外辐射能量，。设计出光电检测部分的具体电路图（电源、放大器、滤波器以及温度补偿等），确定出各部分元件的具体参数，并结合单片机将设备的运行过程中的临界温度写入单片机，再配以终端显示,可方便的对测量结果进行实时监控，从而实
6、现远红外测温仪的自动化和智能化，最终将电力设备因超温所出现的故障给予解决。1.2 本设计所做要求测温范围: 27227（300500K）；响应波长: 8um14um；响应时间：500ms；A/D转换:8位的ADC0809芯片；工作环境温度范围:050；相对湿度：30 时 1095%；测量精度：23 时1%；温度分辨率:0.5；电源电压:+9V；微处理器:AT89C51；发射率:0.95(可调),激光瞄准。1.3 本设计所作的工作首先，介绍远红外测温技术的相关理论知识，从与几种红外测温仪的比较中得出远红外测温仪的优点和缺点，以便对远红外测温有比较清晰的认识。其次，对远红外测温电路的硬件设计，本设
7、计分别从红外传感器、串联稳压电源、同相放大器、低通滤波器和温度补偿部分共五个部分分别进行方案选择、参数计算、并给出了各模块的电路图以便更好的理解。再次，对远红外测温仪的A/D转换进行详细的说明，并进行了软件模块的设计，从单片机的选择到其功能的介绍、接口电路的分析、系统总的流程图并给出了源程序。总之，整个设计分别从硬件和软件两个方面进行了详细的分析，思路清晰，方案正确，并最终得出了总的电路图，有很好的现实意义。2、 远红外测温原理2.1 红外辐射的产生【1】任何物体内部的带电粒子都处于不断运动状态，当物体温度高于热力学温度0时，它就会不断地向周围进行电磁辐射。物体的自发辐射，常温下主要是红外辐射
8、，俗称红外线，它是人眼看不见的光线，具有强烈的热作用，故又称热辐射。热辐射特性主要由温度决定，故称为温度辐射，是光学温度传感的基础。物体在常温下，发射红外线；当温度升高至500左右，便开始发射部分暗红外观的可见光；当温度继续升高，物体会向外辐射电磁波，且随着温度的升高其波长会变短。当温度升到1500时，便开始发出白色光。当将一束白色光照射到一个玻璃三棱镜上时，通过三棱镜对不同波长光的折射，就会显现七彩的单色光束。图2.1是太阳光的分光实验示意图。图2.1 太阳光分光实验示意图2.2 远红外测温系统的组成图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
9、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
10、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。图2.2 远红外测温系统的组成图 三、远红外测温仪的硬件电路设计3.1远红外传感器的设计3.1.1 远
11、红外探测器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
12、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
13、得较多。图3.1 透射式远红外探测器示意图3.1.2测温部分模块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
14、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
