優(yōu)秀畢業(yè)論文∶便攜式紅外輻射測溫儀.doc

哈爾濱工業(yè)大學(xué)2007屆本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計（論文）選集便攜式紅外輻射測溫儀電氣工程及自動化學(xué)院：常樹林 指導(dǎo)教師：戴景民摘 要：本課題所研究的便攜式紅外輻射測溫儀屬于低溫測量領(lǐng)域的研究。在低溫測量中，由于目標(biāo)輻射能量小、信號弱，因而受周圍環(huán)境影響較大，尤其當(dāng)環(huán)境溫度接近目標(biāo)溫度時，環(huán)境溫度和背景光的影響將成為影響測量精度的主要因素，因此對環(huán)境溫度進行補償是紅外輻射低溫測量技術(shù)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。在本課題的研究中，我們采用了多點標(biāo)定與數(shù)據(jù)擬合相結(jié)合的方法，較好地實現(xiàn)了對環(huán)境溫度的補償，提高了溫度測量精度。關(guān)鍵詞：紅外輻射；環(huán)境溫度；數(shù)據(jù)擬合；Abstract：The portable infrared radiation thermometer introduced in this paper belongs to the infrared radiation measurement field of low temperature. In this field, the ambient temperature and the background light are primary influence on the measurement accuracy of the infrared radiation thermometer because of the weak radiance of the target, especially when the ambient temperature is very near to the object temperature. So the compensation of ambient temperature is an indispensable step in the infrared radiation measurement field of low temperature. In this thesis we combine multicalibration technology with data-polyfit technology so that we not only actualize the compensation of ambient temperature but also accomplish high accuracy.Key words：infrared radiation ambient temperature data fitting1 引 言非接觸式測溫通常檢測三種溫度：亮度溫度，色度溫度，輻射溫度。對于亮度溫度是檢測單一波長的光譜輻射度，色度溫度的測量是檢測兩波長的光譜輻射度的比值。他們兩個都是對波長有選擇性的。輻射溫度是檢測總輻射出射度的，它對波長無選擇性的。本課題檢測輻射溫度來完成對物體的實際溫度測量。物體的紅外輻射經(jīng)過菲涅爾透鏡聚焦到熱電堆探測器上，熱電堆的感光材料將輻射能轉(zhuǎn)化為熱端的溫度，那么熱電堆輸出微弱的熱電勢，經(jīng)ICL7650二級前置放大器放大，然后AD檢測轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，主機處理數(shù)據(jù)（包括軟件上環(huán)境補償），最后顯示溫度值。2 測溫儀的總體設(shè)計方案及各模塊設(shè)計2.1 總體設(shè)計本測溫儀充分應(yīng)用熱電堆傳感器、單片機、液晶顯示、電源管理和放音模塊等電子技術(shù)，其總體設(shè)計方案如下：首先通過熱電堆探測器得到物體溫度對應(yīng)的電信號，電信號經(jīng)過前置放大后送至單片機內(nèi)部A/D模塊進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，并把處理完的最終溫度值送往液晶進行實時顯示。如果有必要，可以語音播報當(dāng)時溫度。同時單片機開機監(jiān)測電源電壓，電壓不足即液晶顯示告警，電源管理模塊能保證顯示保持5秒鐘之后系統(tǒng)進入低功耗休眠狀態(tài)。整個測溫儀結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。2.2 紅外探測器選擇按探測過程的物理原理，紅外探測器可分為兩類：一類是入射輻射的熱效應(yīng)引起某一電氣特性變化，它的響應(yīng)正比于所吸收的能量1，這類探測器稱為熱電探測器；另一類為光電探測器，即入射光子流和探測材料的電子直接相互作用引起某一電氣特性變化，它的響應(yīng)正比于吸收的光子數(shù)。 由于光電探測器易受周圍磁場的干擾，不滿足本課題的測量要求。采用第一類紅外探測器。 熱電探測器的產(chǎn)品很多，常用的有熱敏電阻、熱電偶和熱電堆。由于熱敏電阻測溫精度較低，響應(yīng)較慢，而熱電偶雖然節(jié)點體積非常小，熱容也小，對溫度變化反應(yīng)也很快，但它的靈敏度和測量精度并不高。為了提高熱電偶的靈敏度和測量精度，可把多個熱電偶串聯(lián)起來，這樣就構(gòu)成了熱電堆，熱電堆繼承了熱電偶的所有優(yōu)點，還克服了其靈敏度和測量精度不高的缺點，還具有工作頻帶較寬的特點。所以我們選擇熱電堆作為本課題的首選。TS-1NMB型探測器屬于熱電堆紅外探測器，它的特點是：體積小、響應(yīng)率和信噪比高、響應(yīng)快、易實現(xiàn)低溫測量，另一個最大的特點它集熱電堆傳感器和熱敏電阻于一體，其中熱電堆作為紅外探測器，熱敏電阻做為環(huán)境溫度探測器。TS-1NMB外形與引腳如圖2-2a和2-2b。在圖2-2b中引腳意義分別為：腳1為熱電堆負端輸出，腳2為熱電堆正端輸出，腳3為熱敏電阻，腳4為接地端。大氣窗口感應(yīng)材料2.4mm0.7mm圖2-2a3.6mm34212.54mmm圖2-2b 圖2-2 TS-1NMB外形與引腳2.3 前置放大電路的設(shè)計 由于紅外探測器輸出的信號很微弱，通常不超過幾十毫伏，這么弱的信號單片機是無法處理的，而且也容易被噪聲淹沒。因此必須經(jīng)過放大后才能對其進行處理。本課題中，為了保證測溫的精度能滿足要求，熱電堆輸出采用了二極放大，運算放大器采用ICL7650，該放大器屬于CMOS型集成運算放大器，有動態(tài)自動校零功能，并具有低失調(diào)，低溫漂，高增益，共模抑制比高及電源電壓、直流特性接近于“理想”等特點，環(huán)境溫度傳感器輸出端（熱敏電阻）不用放大。整個放大電路如圖2-3所示圖2-3前置放大電路2.4 基于PIC16F873的主機系統(tǒng)的設(shè)計 PIC16F873內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊由5路模擬量輸入多路開關(guān)、10位線性的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器所構(gòu)成，參考電壓和模擬電路電源也通過相應(yīng)引腳輸入，本系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓AVref+和AVref-分別選為模擬電源電壓和模擬地，模擬信號輸入量的范圍為0+5V。主機的結(jié)構(gòu)框圖如3-6主機的工作原理：當(dāng)測量鍵按下后，電源模塊中的單片機PIC12C508A被喚醒，從而給后期電路供電；主單片機PIC16F873開始初始化設(shè)置，并進行電源電壓監(jiān)測量采集，如果電壓不足，則在液晶上閃爍NO POWER以示電壓不足告警；如果電壓正常，則繼續(xù)依次目標(biāo)二級信號以及環(huán)溫信號,如果二級信號過大，就采集目標(biāo)一級，采集完成后進行數(shù)據(jù)處理，并把處理完的溫度數(shù)據(jù)送往液晶模塊進行顯示；如果有放音鍵按下，則isd1420播報此時溫度；如果測量鍵一直按下，則測溫儀實時測量目標(biāo)溫度并實時顯示溫度顯示延時1S，如果測量鍵松開，5S鐘內(nèi)沒有測量鍵和發(fā)射率調(diào)節(jié)鍵按下，即關(guān)閉測量，保持上次測量的顯示；如果在保持狀態(tài)下測量鍵按下，則繼續(xù)測量目標(biāo)溫度，如果在保持狀態(tài)下發(fā)射率（上、下調(diào)）鍵按下，則進入發(fā)射率設(shè)定模式，但發(fā)射率必須在5S鐘內(nèi)設(shè)置完畢，否則將進入下次測量，如果設(shè)置完畢可同時按下上、下調(diào)鍵，告知873設(shè)置完畢。如果在保持狀態(tài)下5秒后，則測溫儀進入節(jié)電休眠模式。若不再測量，可按下電源開關(guān)鍵將PIC12C508也關(guān)閉以節(jié)約電源。主機的電源由直流9V的干電池提供。主機總體結(jié)構(gòu)如圖2-4所示：RB7 RB6 RB5主單片機 PIC16F873VCC RA4RA5RC0RC7RB0RB3RB4 液晶顯示放音鍵上調(diào)鍵下調(diào)鍵RA3RA2RA1RA0電壓監(jiān)視量目標(biāo)二級輸入環(huán)溫信號輸入目標(biāo)一級輸入 電源管理模塊報溫圖2-4 主機總體結(jié)構(gòu)框圖2.5 液晶模塊的設(shè)計 1602液晶顯示模塊2以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形。這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼。特別值得注意的是，09、AZ、az的ASCII碼與1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲的碼值一致，這樣給編程帶來極大的方便。2.6電源管理模塊的設(shè)計本課題中，采用9V直流電源供電，但由于測溫儀的系統(tǒng)內(nèi)部芯片運行時需要5V的直流電源保證其正常供電，所以，必須設(shè)計電源轉(zhuǎn)換電路滿足要求，我們比較權(quán)衡各種電源轉(zhuǎn)換模塊的利弊，采用電源模塊MAX883進行轉(zhuǎn)換。為了更好的利用電池能源，延長電池的使用壽命，本課題中設(shè)計了智能的電源管理模塊。因為MAX883有一管腳可以接上有自鎖功能的開關(guān)，所以可作為電源總開關(guān)，在長時間不用情況下，可是電源更加節(jié)約。電源管理設(shè)計的目的就是盡可能的延長電池的使用壽命，也就是能讓測溫儀在不工作的情況下達到極小的靜態(tài)電流，同時使工作時的電流盡可能的小。為了能夠自如的對電源進行管理，本課題選擇了世界上最小的單片機PIC12C508A(8腳DIP封裝)控制電源。選擇PIC12C508A的原因主要有四個：靜態(tài)電流小，體積小，成本低，可休眠。電源管理模塊的結(jié)構(gòu)如圖2-5所示：圖2-5 電源管理模塊框圖3 試驗結(jié)果與分析標(biāo)定實驗對于測試系統(tǒng)是一個不可缺少的重要環(huán)節(jié)，有了實驗數(shù)據(jù)我們才能進一步標(biāo)定處理。本課題采用多點標(biāo)定的方法：在三個恒溫屋里，每個恒溫屋里均有一個面源黑體輻射源，調(diào)節(jié)黑體的溫度就可以得到同環(huán)境溫度下多個目標(biāo)溫度的熱電堆輸出，當(dāng)標(biāo)定實驗全部做完后，就可以得到三組不同環(huán)境溫度下的熱電堆輸出數(shù)據(jù)如表3-1由于本課題使用輻射測溫法，目標(biāo)溫度探測器為熱電堆，環(huán)境溫度探測器為熱敏電阻，因此數(shù)據(jù)處理必須建立在這兩者的理論基礎(chǔ)上。根據(jù)輻射測溫原理和熱電堆的熱電原理，熱電堆探測器接受的輻射功率可用下式來表示： 式中：為黑體發(fā)射率；Tp為黑體溫度；為空腔內(nèi)壁發(fā)射率；為環(huán)境溫度；為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)。設(shè)熱電堆的電壓響應(yīng)率為，對本課題的標(biāo)定實驗而言，、與1非常接近，這時熱電堆的響應(yīng)公式為： 則有： 式中： ；從實驗數(shù)據(jù)可以看出熱電堆的輸出跟環(huán)境溫度和目標(biāo)溫度的大小有關(guān)。由于環(huán)境溫度參考端使用的是熱敏電阻，通過圖3-1可以看出熱敏電阻輸出值與環(huán)境溫度成線性關(guān)系。同時我們還可以看出K大小與目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度有關(guān)。因此在進行環(huán)境補償和數(shù)據(jù)處理時，可根據(jù)環(huán)境溫度的大小分段取不同的K值。另外從圖3-1可知熱敏電阻的輸出跟環(huán)境溫度成線性關(guān)系： 因此只要取出處理過的采樣值Ve、Vo，并判斷一下環(huán)境溫度的范圍選擇合適的K，把他們代入上式，就可以求出黑體的真實溫度。圖3-1環(huán)境溫度傳感器輸出曲線上述是理論上近似地分析，為了達到更好的精度，本課題采用最小二乘法，對數(shù)據(jù)進行三次擬合。 圖3-3 熱電堆輸出擬合曲線圖3-2 熱電堆15輸出擬合曲線與殘差圖 如圖3-3可觀察出三組曲線隨著環(huán)境溫度的變化近似平行，那么根據(jù)測出來的環(huán)境溫度不同，做出環(huán)境補償并且環(huán)境補償是是紅外輻射低溫測量技術(shù)不可缺少的重要環(huán)節(jié)3，得到相應(yīng)的曲線方程。對于方程用二分法求解，最后更具發(fā)射率的不同進行校正得到真實溫度。表3-1 不同環(huán)境溫度、目標(biāo)溫度下的溫度測量值環(huán)境溫度（）黑體溫度（）環(huán)境溫度測量值Ve（V） 熱電堆輸出值Vo（V）K (V/K)15201.6980.5550.0052788541.6990.920601.6961.000831.6891.2671001.6981.5701201.6951.8871381.7022.2461601.7172.7471801.7103.2477371.7193.7582201.7124.30025212.2530.3800.0059683572.2610.755802.2540.9781032.2571.2621212.2641.5981422.2501.9701612.2512.3541802.2452.8282002.2593.3452202.2603.89035212.7890.2750.0062718492.8070.500702.7910.738862.7990.9001002.8091.1451242.7831.4301402.7951.7541592.7902.1441802.7882.5492012.8093.0802732.8063.573結(jié) 論本課題研制的便攜式紅外輻射測溫儀采用了輻射測溫原理，屬于紅外輻射測