基于單片機的紅外測溫儀設計

摘要：設計以單片機作為整個測溫儀的核心，結合A／D轉換器、液晶顯示器等外部設備，在軟件設計和硬件設計的基礎上，設計出一種擁有漢字顯示邏輯判斷等智能型電子測溫計。它提供了一種新的溫度測量方案，采用紅外溫度傳感器來測量溫度信號，可同時測量目標溫度和環境溫度，并將測量的數據經過放大器，轉換器送給單片機處理，之后送數碼管顯示。紅外測溫打破了傳統的測溫模式，它響應快、測量精度高、可靠性高、范圍廣，為非接觸測量，因而不易損壞。該溫度計以準確快捷的測量功能、清晰易懂的數字化顯示方便人們日常生活使用。
關鍵詞：紅外測溫；單片機；ADC0804；80C51

0 引言
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。用紅外測溫儀進行非接觸溫度測量有許多的優點，它的運用范圍從很小或難以接觸到的物體至腐蝕性的化學物和敏感的表面物。這樣那些難以接觸到或運動著的物體就可進行溫度測量，如傳熱性能差的或很小的熱容量材料。

1 紅外基本測溫原理
紅外測溫儀中的光學系統匯集其視場內的目標紅外輻射能量。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉變為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路按照儀器內部的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。
紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。
紅外測溫是利用測量物體所輻射出來的輻射能量來測量物體溫度，它的理論依據是斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體的溫度越高，它所輻射出來的能量越多。當溫度為T時，物體在所有波長上(物體的輻射幾乎包括所有的波長)的總輻射強度W為：

式中：δ—斯蒂芬-玻爾茲曼常數；
T—物體的絕對溫度-單位K；
ε—物體表面的法向比輻射率。絕對黑體ε=1．0，非絕對0ε1．0。

2 結構框圖及電路設計
2．1 整體電路設計
本文所涉及的紅外測溫儀是一種典型的智能化儀表，它以單片機作為核心，在軟件控制下，與其它硬件電路相結合，實現智能化的體溫測量。系統硬件組成環節主要有：溫度傳感器、放大電路、A／D轉換電路、單片機系統、液晶顯示模塊、按鍵、PC機與單片機通信部分。其軟件部分包括：A／D轉換、數字濾波、智能功能以及顯示等程序。
2．2 系統總體結構框圖
本設計主要是通過紅外傳感器把光信號轉換為電信號，然后再經過放大電路把信號放大，傳給A／D轉換器轉換為數字信號，再傳給單片機，最后通過顯示器顯示出溫度值。同時還可以通過單片機與上位機進行連接，把溫度測量值傳給計算機保存。結構框圖如圖1所示：

3 系統硬件電路的設計
3．1 光學紅外傳感器
光學系統在紅外系統中的作用十分類似于用于接收目標回波的雷達天線，就是接收輻射能量，并把它傳送給傳感器。光學系統起到收集紅外輻射并將其聚焦到紅外探頭上的作用，由于紅外信號相對來說比較微弱，因此要實現測溫儀精確測溫必須設計一個光路簡單、紅外輻射損失小的光學系統，本設計選用紅外探頭來實現這個功能。
3．1．1 紅外測溫電路的設計
本測溫裝置使用紅外線傳感器，它能接收物體發射出的紅外線并使之轉換成電壓信號。紅外熱輻射測溫儀由三個運算放大器組成的。這三個運算放大器分別作為同相放大器、低通濾波器和跟隨器來發揮其作用。圖2為本設計的測量電路圖，圖中A1為一同相放大器，輸入信號由47UF電容耦合而來，A1的閉環放大倍數AF為20左右；A2為一低通濾波器。A3的輸出與溫度基本成線性關系。A1輸出的電位器和變阻器用于調節A2輸入信號的大小，調節它們的阻值可以改變A3的輸出電壓。