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非接觸式紅外溫度測試儀設(shè)計

蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校謝留婉

【摘要】本文分析了當(dāng)前現(xiàn)有傳統(tǒng)測溫技術(shù)，并通過對傳統(tǒng)接觸式測溫與非接觸式測溫進(jìn)行對比，得出非接觸式測溫獨有的優(yōu)點，并分析了非接觸式測溫技術(shù)中的紅外測溫技術(shù)。最終確定采用紅外反射技術(shù)設(shè)計非接觸式紅外溫度測試儀，文中詳細(xì)介紹了一種以數(shù)字型MLX90614紅外溫度傳感器為溫度采集手段，基于STC12C5201AD型單片機(jī)為控制核心的一種非接觸式紅外溫度測試儀的設(shè)計方案。

【關(guān)鍵詞】溫度測試儀；非接觸式；紅外測溫；單片機(jī)；STC12C5201AD；MLX90614

1　引言

溫度的測量，在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、科學(xué)研究等中，有著非常重要的地位。通常我們對于溫度的測量一般用的最多的就是接觸式測溫，因為最直接、精度也最高；但接觸式測溫需要將測量元件與被測物緊密接觸，本身熱傳遞需要一定的時間，才能達(dá)到熱平衡，再加上在一些特殊條件下，如超高溫下，檢測元件也將至于高溫環(huán)境下，這將加劇測量元件的老化；也有些場合更不適合接觸式測溫，例如在醫(yī)療中，特別是在發(fā)生重大傳染性疫情時，希望能對人流密集的場所設(shè)關(guān)卡進(jìn)行疫情篩查，通過測體溫的方式識別出有疫情的病人。這些場合使得接觸式測溫不再那么方便可行了，相反非接觸式測溫可以彌補(bǔ)這些不足。

非接觸式測溫，是一種借助于光學(xué)系統(tǒng)，對準(zhǔn)被測物體，而不必與之進(jìn)行熱接觸，因此可以測量溫度變化較快的物體的溫度，而不對待測物造成任何干擾，可實現(xiàn)測溫的無損實時檢測[1]。非接觸式測溫技術(shù)最常見的一種是紅外測溫，原理是根據(jù)物體的紅外輻射特性，依靠其內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)將物體的紅外輻射能量匯聚到探測物，并轉(zhuǎn)換成電信號，再通過線性處理后得到與溫度呈線性關(guān)系的電信號，從而實現(xiàn)溫度測量的目的。

2　系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)設(shè)計思路是采用基于STC12C5201AD型單片機(jī)作為控制核心，為了能提高系統(tǒng)檢測溫度的精確度，以及減少測量誤差等外在因素對測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，我們采用高精密數(shù)字型紅外測溫模塊MLX90614進(jìn)行溫度采集，單片機(jī)直接通過I2C通訊方式將紅外測溫傳感器MLX90614的溫度數(shù)據(jù)讀取出來，最終轉(zhuǎn)化成溫度信息在LCD顯示屏上顯示出來。本次設(shè)計的非接觸式測溫裝置，為了能提高它的實用性和更廣的使用場合，本系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)定為：測溫寬范圍-50℃~350℃，精度±1℃；并可設(shè)置報警溫度，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時使用聲光報警，為了提高測試儀的功能拓展，預(yù)留串口485接口可傳輸報警溫度信息。以下將根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，介紹具體器件選型、硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計等方案。

2.1硬件電路設(shè)計

2.1.1STC12C5201AD芯片簡介[2]

STC12C5201AD是由STC生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM,8路高速8位A/D轉(zhuǎn)換(30萬次/秒)，工作頻率范圍0~35MHz，用戶程序空間1K/2K/4K/5K/6K……，集成256字節(jié)RAM，有E2PROM功能，內(nèi)部RC時鐘源11MHz~17MHz或外接高精度晶體振蕩源，4個16位定時器。6路外部中斷I/O等資源。

2.1.2紅外測溫模塊MLX90614簡介[3]

MLX90614是一款由Melexis公司生產(chǎn)的非接觸式紅外測溫模塊，內(nèi)部包含紅外熱電堆感應(yīng)器和高精度低噪聲信號處理芯片，及17-bitADC模塊，可實現(xiàn)高精度寬溫度范圍溫度測量，可通過兩種方式輸出:雙線標(biāo)準(zhǔn)SMBus輸出獲得(0.02℃分辨率)或通過10-bitPWM方式輸出。在環(huán)境溫度-40℃~125℃下可測量-70℃~382.2℃物體溫度范圍。

2.1.3硬件電路組成

本系統(tǒng)設(shè)計采用基于MLX90614非接觸式紅外測溫模塊，作為溫度采集傳感器，通過I2C總線與單片機(jī)STC12C5201AD數(shù)據(jù)通訊，提供實時溫度采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，計算出實際測量溫度數(shù)據(jù)；并通過LCD顯示模塊，將溫度數(shù)據(jù)信息實時顯示出來；在有些場合可能需要對危險的溫度點及時發(fā)出報警提示，設(shè)計了聲光報警提示電路；考慮到系統(tǒng)檢測到危險溫度時能提供準(zhǔn)確時間數(shù)據(jù)，同時設(shè)計配置DS1302時鐘電路；為了能實現(xiàn)報警溫度數(shù)據(jù)后續(xù)分析，系統(tǒng)配置了485串行口通訊電路，可與上位機(jī)PC機(jī)控制系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)更多的功能擴(kuò)展。本系統(tǒng)具體硬件電路主要由開關(guān)電源電路、MLX90614紅外測溫電路、單片機(jī)控制電路、LCD顯示模塊、DS1302時鐘電路、485通訊接口電路、聲光報警提示電路等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

核心電路功能介紹：

開關(guān)電源模塊：主要是考慮系統(tǒng)能適應(yīng)各種工作場合，以及寬電壓范圍供電，以及有時為了考慮能實現(xiàn)便攜式，常會考慮采用鋰電池供電，使用精密開關(guān)電源可以保障各功能電路的工作穩(wěn)定。

圖2　紅外測溫傳感電路

紅外測溫模塊：電路如圖2所示，采用MLX90614非接觸式紅外測溫模塊，實現(xiàn)的溫度的檢測，并精密A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字化溫度采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)精密溫度測量。

單片機(jī)控制模塊：主要協(xié)調(diào)各部分電路協(xié)同工作，對溫度采集的數(shù)據(jù)處理得出實際溫度數(shù)值，對采集溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，對危險溫度數(shù)據(jù)及時存儲到E2PROM區(qū)域進(jìn)行保持，并驅(qū)動LCD顯示溫度數(shù)據(jù)和控制聲光報警電路對測量到危險溫度時及時發(fā)出聲光報警提醒。

時鐘電路：采用DS1302時鐘計時芯片，實現(xiàn)準(zhǔn)確走時。為

系統(tǒng)檢測出現(xiàn)危險溫度時提高可靠時間依據(jù)。

485串口通訊接口：可將記錄的危險溫度數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，主要是對本設(shè)計的測量系統(tǒng)提供功能拓展，實現(xiàn)更廣闊的使用場合。

圖3　軟件流程圖

2.2軟件設(shè)計

單片機(jī)程序設(shè)計實現(xiàn)單片機(jī)芯片的控制功能，實現(xiàn)控制硬件電路各部件協(xié)同工作，最終實現(xiàn)溫度測量和顯示等功能。程序設(shè)計首先考慮對各硬件部件進(jìn)行初始化，如紅外測溫模塊初始化設(shè)置、LCD液晶初始化、需要用到的單片機(jī)中斷系統(tǒng)初始化、時鐘芯片DS1302初始化等操作；接著要設(shè)置單片機(jī)連續(xù)循環(huán)以一定時間循環(huán)對溫度進(jìn)行采集和計算處理得出溫度數(shù)據(jù)；系統(tǒng)自動判斷是否為危險溫度數(shù)據(jù)，并自動作相應(yīng)聲光報警提醒；然后將相關(guān)信息在LCD液晶進(jìn)行顯示；在危險溫度出現(xiàn)時，及時將測量的溫度數(shù)據(jù)和當(dāng)前時間記錄到單片機(jī)的E2PROM區(qū)域，可防止掉電數(shù)據(jù)丟失；預(yù)留串口通訊接口，實現(xiàn)接收上位機(jī)發(fā)送的命令，可將記錄在E2PROM區(qū)域的危險溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)軟件進(jìn)行分析處理等。具體軟件流程圖如圖3所示。

3　結(jié)束語

本設(shè)計介紹的非接觸式測溫儀具有測溫響應(yīng)速度快、測溫范圍寬、精度高、實用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、可移植性強(qiáng)、擴(kuò)展性靈活等特點，如可將本測溫儀器嵌入到復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)雜的測溫控制，避免了接觸式測溫設(shè)備的各種不利因素和使用場合的局限性。

參考文獻(xiàn)

[1]徐迅,楊曉華.非接觸式測溫技術(shù)[J].科技傳播,2012,(5):159~160.

[2]STC12C5201AD DataSheet[Z].http://www.stcmcu.com/.

[3]MLX90614 DataSheet[Z].http://www.melexis.com/.

謝留婉（1984-），男，江蘇蘇州人，大學(xué)本科，蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校講師。

作者簡介：