宋傳皓

摘要：目前，我國(guó)常用的溫度測(cè)量?jī)x器主要以水銀溫度計(jì)為主，但這種測(cè)量?jī)x器有很多缺點(diǎn)，如測(cè)量精度低，不安全，不穩(wěn)定，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)等。此設(shè)計(jì)所研究的紅外測(cè)溫是以非接觸式為主，并能實(shí)現(xiàn)一定距離的準(zhǔn)確測(cè)量。設(shè)計(jì)主要是以51系列的STC89C51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)器件，并使用非接觸式的OTP-538U紅外溫度傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行溫度采樣，再將所得微小電壓信號(hào)經(jīng)多級(jí)放大后送至A/D轉(zhuǎn)換模塊。完成的非接觸式高精度紅外測(cè)溫裝置具有響應(yīng)時(shí)間短，穩(wěn)定性能好，溫度分辨率高和使用方便、壽命長(zhǎng)，比常用的接觸式測(cè)溫儀的適用場(chǎng)合多等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：測(cè)溫；非接觸式；STC89C51；A/D轉(zhuǎn)換；紅外輻射

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）07-0271-04

測(cè)量溫度的方法主要有兩類，一類是接觸式測(cè)溫方法，主要是利用隨溫度變化的電氣參數(shù)，為代表的測(cè)溫方式有熱電偶、熱電阻測(cè)溫法以及采用膨脹式測(cè)溫的溫度計(jì)，另一類是非接觸式的測(cè)溫方法，主要以熱輻射為代表。前者的優(yōu)勢(shì)在于所測(cè)的溫度是被測(cè)物體的真實(shí)溫度，測(cè)溫非常簡(jiǎn)單、十分可靠，但是缺點(diǎn)在于其動(dòng)態(tài)性能極差，需要與被測(cè)物體接觸，被測(cè)介質(zhì)與測(cè)溫對(duì)象達(dá)到熱平衡還需要一段時(shí)間的熱交換，同時(shí)被測(cè)物體的溫度場(chǎng)分布情況也會(huì)被影響，同時(shí)因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的高溫、強(qiáng)腐蝕性、高壓等惡劣環(huán)境條件，影響了接觸式測(cè)溫儀的使用壽命和使用精度，所以大大的約束了接觸式測(cè)溫儀的實(shí)際應(yīng)用；紅外輻射測(cè)溫的另一種叫法就是非接觸式測(cè)溫，通常采用光電探測(cè)器或紅外感應(yīng)傳感器當(dāng)作檢測(cè)元件，它與接觸式測(cè)溫方式相比較，具有如下一系列優(yōu)點(diǎn)：不接觸被測(cè)對(duì)象并且不干擾被測(cè)環(huán)境溫度場(chǎng)的分布、使用壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間較短和操作方便等，但是受測(cè)溫儀與被測(cè)物體的距離、物體的發(fā)射率、環(huán)境中的煙塵和水蒸氣等多種外界因素影響，所以它的測(cè)量誤差會(huì)比較大。

現(xiàn)如今，應(yīng)用最廣泛的紅外測(cè)溫儀就是一種非接觸式測(cè)溫量?jī)x，并且黑體輻射定律就是它采用的測(cè)溫理論基礎(chǔ)。在自然界中，任何對(duì)象都存在著向外界輻射出能量的情況，物體表面的溫度與其輻射出的波長(zhǎng)的分布及其能量的大小有著十分緊密的關(guān)系，所以為確定物體的表面溫度可以通過(guò)檢測(cè)并獲得其自身紅外輻射的能量的方式。因此，非接觸式紅外測(cè)溫將會(huì)變得更加的有意義，以后的應(yīng)用前景也會(huì)非常廣泛，會(huì)為以后的生活與生產(chǎn)帶來(lái)更多的便利，所以對(duì)非接觸式紅外測(cè)溫儀的探索顯得更加重要，應(yīng)該投入更多的精力在這之中，為人類謀求更多的生活福利與便利。

1 系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體電路設(shè)計(jì)由OTP-538U紅外溫度傳感器模塊、電壓信號(hào)多級(jí)放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)處理模塊、電源模塊、以及液晶顯示模塊構(gòu)成。OTP-538U紅外溫度傳感器將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電壓信號(hào)，由于其輸出的電壓信號(hào)極其微弱，是毫伏級(jí)別的電壓信號(hào)，首先需要先使用測(cè)量放大器進(jìn)行信號(hào)的前置放大，其次再對(duì)信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大，二級(jí)放大電路器可以直接采用通用運(yùn)算放大器，然后將放大的電壓信號(hào)發(fā)送至由ADC0809組成的A/D轉(zhuǎn)換模塊中，轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)（二進(jìn)制代碼）送至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，最后將處理的結(jié)果送至LCD1602液晶顯示屏，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)顯示。本設(shè)計(jì)的整體系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1紅外傳感器

該OTP-538U是經(jīng)典的TO-46外殼熱電堆傳感器。該傳感器是由熱電偶的116元件串聯(lián)在具有545微米的直徑活性和抹黑表面以吸收入射的熱紅外輻射，這導(dǎo)致在輸出端子上的電壓響應(yīng)的浮動(dòng)微膜。傳感器芯片采用唯一的主面體的微機(jī)械加工技術(shù)加工，這導(dǎo)致更小的尺寸和更快速地響應(yīng)環(huán)境溫度的變化制成。

紅外窗口是具有其50%的截止波長(zhǎng)在5微米的帶通濾波器，并在14μm處切下。傳感器響應(yīng)正比于入射紅外輻射，并具有高達(dá)其截止頻率的響應(yīng)信號(hào)，這是由幾十毫秒范圍內(nèi)的傳感器的熱時(shí)間常數(shù)限定的恒定信號(hào)的響應(yīng)。

該OTP-538U熱電堆傳感器幾乎提供約翰遜--噪聲-受限的性能，這可以通過(guò)其串聯(lián)的歐姆電阻來(lái)計(jì)算。一種熱敏電阻元件，具有連接到地的引線，還提供了內(nèi)部的TO封裝為環(huán)境溫度參考。

2.2放大電路設(shè)計(jì)

傳感器輸出微弱的電壓信號(hào)，所以我們需要將此信號(hào)進(jìn)行放大。首先采用測(cè)量放大器進(jìn)行前置放大，再運(yùn)用通用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。我們先采用AD620將微弱信號(hào)放大10倍，毫伏級(jí)信號(hào)變成了幾十毫伏，然后再用普通放大器將信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大、三級(jí)放大。信號(hào)放大電路如圖3所示。

2.3 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)核心，所有的功能都是基于數(shù)據(jù)采集。如圖4所示為數(shù)據(jù)采集接口電路圖。其工作原理就是51單片機(jī)控制ADC0809進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)，再由單片機(jī)進(jìn)行處理和傳輸。

2.4顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路是硬件設(shè)計(jì)的最后部分，它能將被測(cè)參數(shù)直接顯示出來(lái)，顯示屏LCD1602的3腳接10K的滑動(dòng)變阻器，可調(diào)節(jié)對(duì)比度，4、5、6腳是其控制端口分別與單片機(jī)的P2.0、P2.1和P2.2相連，D0～D7數(shù)據(jù)端與單片機(jī)P0～P7口相連，1與15腳接電源地，2與16腳接電源正，其電路設(shè)計(jì)如下圖5所示。

2.5電源電路

三端穩(wěn)壓芯片的三腳分別是輸入端1、接地端2和輸出端3，當(dāng)芯片字面向上時(shí)，三個(gè)腳的順序就是從左到右。電源電路的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，芯片需要連接電解電容，常用10uF的電容，電路連接時(shí)注意其正負(fù)極的連接，電路圖如下圖6所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1主程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要就是溫度的檢測(cè)，首先由溫度傳感器接收溫度信號(hào)，再將信號(hào)放大處理后傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，此時(shí)需要程序來(lái)控制轉(zhuǎn)換的工作進(jìn)度，數(shù)據(jù)處理后再傳給單片機(jī)處理，最后讓LCD顯示結(jié)果，但是單片機(jī)的工作與LCD的顯示工作均需要用程序來(lái)控制與管理，所以本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)工作就顯得至關(guān)重要。設(shè)計(jì)整體軟件流程圖如圖7所示。

當(dāng)單片機(jī)上電時(shí)，系統(tǒng)開始工作，紅外傳感器將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓輸出，輸出的電壓信號(hào)很微小，需要經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，然后將放大的信號(hào)送到A/.D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量送至單片機(jī)進(jìn)行處理。將處理后得到的溫度送至LCD上顯示出來(lái)。此系統(tǒng)涉及的軟件代碼，主要是A/D芯片的控制，以及LCD顯示單元的初始化，顯示等[11]。

3.2數(shù)據(jù)采集流程圖

ADC0809的數(shù)據(jù)采集流程圖如圖8所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

傳感器獲取信號(hào)，放大電路放大信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再由微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最后處理，最后將數(shù)據(jù)傳送至顯示模塊，顯示部分直接將所測(cè)內(nèi)容顯示出來(lái)。整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試就能驗(yàn)證各個(gè)部分的設(shè)計(jì)是否合格，還能驗(yàn)證設(shè)計(jì)程序是否正確。測(cè)試非常重要，是設(shè)計(jì)的最后收尾工作，通過(guò)對(duì)單片機(jī)輸入相應(yīng)的程序，檢測(cè)其能否使LCD1602顯示正確的檢測(cè)內(nèi)容，如果能，則設(shè)計(jì)成功，反之不成功。通過(guò)以下檢測(cè)情況，檢測(cè)輸出是否符合實(shí)際。此時(shí)的測(cè)溫距離為8cm，則測(cè)試所得數(shù)據(jù)情況如表1所示。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以STC89C51 單片機(jī)為核心部件。利用非接觸式溫度傳OTP-538U對(duì)溫度進(jìn)行采樣，得到的微弱電信號(hào)經(jīng)過(guò)多級(jí)放大器（即前置放大器AD620以及與后項(xiàng)放大器OP07）放大后送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D采用ADC0809芯片，數(shù)字信號(hào)傳到主控芯STC89C51，并由微處理器完成數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)測(cè)量并實(shí)時(shí)顯示到LCD1602模塊上。

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