優(yōu)秀畢業(yè)論文便攜式紅外輻射測(cè)溫儀

1、便攜式紅外輻射測(cè)溫儀電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院：常樹林 指導(dǎo)教師：戴景民摘 要：木課題所研究的便攜式紅外輻射測(cè)溫儀屬于低溫測(cè)量領(lǐng)域的研究。在低溫測(cè)量中，山于h標(biāo)輻射能量小、 信號(hào)弱，因而受周圍環(huán)境彩響較大,尤其當(dāng)環(huán)境溫度接近h標(biāo)溫度時(shí),環(huán)境溫度和背景光的影響將成為影 響測(cè)最精度的主要因索，因此對(duì)壞境溫度進(jìn)行補(bǔ)償是紅外輻射低溫測(cè)量技術(shù)不町缺少的重要壞節(jié)。在木課 題的研究屮，我們采用了多點(diǎn)標(biāo)定與數(shù)據(jù)擬合相結(jié)合的方法，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度的補(bǔ)償，提高了溫 度測(cè)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 thermome

2、ter introduced in this paper belongs to the inlrared 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, espe

3、cially when the ambicnt 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 mullicalibration technology with data-polyfit technology so that we

4、 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(cè)溫通常檢測(cè)三種溫度：亮度溫度，色度溫度，輻射溫度。對(duì)于亮度溫度是檢測(cè)單一 波長(zhǎng)的光譜輻射度，色度溫度的測(cè)量是檢測(cè)兩波長(zhǎng)的光譜輻射度的比值。他們兩個(gè)都是対波長(zhǎng)有選 擇性的。輻射溫度是檢測(cè)總輻射出射度的，它對(duì)波長(zhǎng)無(wú)選擇性的。本課題檢測(cè)軸射溫度來(lái)完成對(duì)物體的實(shí)際溫度測(cè)量。物體的

5、紅外輻射經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡聚焦到熱 電堆探測(cè)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(shì)，經(jīng) icl7650二級(jí)前置放大器放大，然后ad檢測(cè)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，主機(jī)處理數(shù)據(jù)（包括軟件上環(huán)境補(bǔ)償）， 最后顯示溫度值。2測(cè)溫儀的總體設(shè)計(jì)方案及各模塊設(shè)計(jì)21總體設(shè)計(jì)木測(cè)溫儀充分應(yīng)用熱電堆傳感器、單片機(jī)、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(jì)方案如下：首先通過(guò)熱電堆探測(cè)器得到物體溫度對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)前宜放大后送至 單片機(jī)內(nèi)部a/d模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)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品 進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。如果冇必要，可以語(yǔ)咅播報(bào)當(dāng)時(shí)溫度。同時(shí)單片機(jī)

6、開機(jī)監(jiān)測(cè)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(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。整個(gè)測(cè)溫儀結(jié) 構(gòu)如圖2-1所示。濺國(guó)模塊電壓監(jiān)視信號(hào)放音鍵數(shù)轉(zhuǎn)換單片機(jī)pic16f873語(yǔ)音播報(bào)測(cè)星鍵上調(diào)鍵下降鍵1電邈管理模塊s2-1測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)框閣2. 2紅外探測(cè)器選擇按探測(cè)過(guò)程的物理原理，紅外探測(cè)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，這類探測(cè)器稱為熱電探測(cè)器；另一類為光電探測(cè)器，即入射 光子流和探測(cè)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(cè)器易受周圍磁場(chǎng)的干擾，不滿足木課題的測(cè)量要求。采用第一

7、類紅外探測(cè)器。熱電探測(cè)器的產(chǎn)品很多，常用的冇熱敏電阻、熱電偶和熱電堆。由于熱敏電阻測(cè)溫精度較低， 響應(yīng)較慢，而熱電偶雖然節(jié)點(diǎn)體積非常小，熱容也小，對(duì)溫度變化反應(yīng)也很快，但它的靈敏度和測(cè) 量精度并不高。為了提高熱電偶的靈敏度和測(cè)量粹度，可把多個(gè)熱電偶屮聯(lián)起來(lái)，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(diǎn)，還克服了其靈敏度和測(cè)量精度不高的缺點(diǎn)，還具有工作頻 帶較寬的特點(diǎn)。所以我們選擇熱電堆作為木課題的首選。ts-1nmb型探測(cè)器屬于熱電堆紅外探測(cè)器，它的特點(diǎn)是：體積小、響應(yīng)率和信噪比高、響應(yīng)快、 易實(shí)現(xiàn)低溫測(cè)量，另一個(gè)最人的特點(diǎn)它集熱電堆傳感器和熱敏電阻于一體，其小熱電堆作為紅外探 測(cè)器，熱

8、敏電阻做為環(huán)境溫度探測(cè)器。ts-1nmb外形與引腳如圖2-2a和22b。在圖22b中引腳意義分別為：腳1為熱電堆負(fù)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。圖 2-2a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(jì)山于紅外探測(cè)器輸出的信號(hào)很微弱，通常不超過(guò)兒十毫伏，這么弱的信號(hào)單片機(jī)是無(wú)法處理的, 而且也容易被噪聲淹沒(méi)。因此必須經(jīng)過(guò)放大后才能對(duì)其進(jìn)行處理。本課題中，為了保證測(cè)溫的楮度 能滿足要求，熱電堆輸岀采用了二極放人，運(yùn)算放人器采用icl7650,該放人器屬于cmos型集成 運(yùn)算放大器，有動(dòng)態(tài)自動(dòng)校零功能，并貝有低失調(diào)，低溫漂，高增益，共模抑制比

9、簡(jiǎn)及電源電壓、 直流特性接近于“理想”等特點(diǎn)，環(huán)境溫度傳感器輸出端（熱敏電阻）不用放人。整個(gè)放人電路如 圖2-3所示2. 4基于pic16f873的主機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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，參考迫壓和模擬電路電源也通過(guò)相應(yīng)引腳輸入，本系統(tǒng)中，a/d轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓av冊(cè) 和av好分別選為模擬電源電圧和模擬地，模擬信號(hào)輸入最的范圍為0+5vo主機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如3-6主機(jī)的工作原理：當(dāng)測(cè)量鍵按下后，電源模塊中的單片機(jī)pic12c508a被喚醒，從1佃給后期電路供電；主單片機(jī)pic16f873開始初始化設(shè)置，并進(jìn)行電源電

10、壓監(jiān)測(cè)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(jí)信號(hào)以及環(huán)溫信號(hào), 如果二級(jí)信號(hào)過(guò)人，就采集目標(biāo)一級(jí)，采集完成后進(jìn)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(jìn)行顯示；如果冇放咅鍵按下，則isdl420播報(bào)此時(shí)溫度；如果測(cè)量鍵一直按下，則測(cè)溫儀實(shí)時(shí) 測(cè)量?jī)袠?biāo)溫度并實(shí)時(shí)顯示溫度顯示延時(shí)1s,如果測(cè)量鍵松開，5s鐘內(nèi)沒(méi)有測(cè)量鍵和發(fā)射率調(diào)節(jié)鍵按 下，即關(guān)閉測(cè)量，保持上次測(cè)量的顯示；如來(lái)在保持狀態(tài)下測(cè)量鍵按下，則繼續(xù)測(cè)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(jìn)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(jìn)入

11、下次測(cè)量，如果設(shè)置完畢可同時(shí)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(cè)溫儀進(jìn)入節(jié)電休眠模式。若不再測(cè)量，可按下電源開關(guān)鍵將pic12c508也關(guān) 閉以節(jié)約電源。主機(jī)的電源由直流9v的干電池提供。主機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2-4所示：/rb7rb6rb5 ra4ra3ra5rc0ra2主單片機(jī)rc7ra1pic16f873rb0ra0vccrb3rb4液晶電源管理模塊圖2-4主機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖2. 5液晶模塊的設(shè)計(jì)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(diǎn)，在袖珍式儀 表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（c

12、grom）已 經(jīng)存儲(chǔ)了 160個(gè)不同的點(diǎn)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(hào)、 和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)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(chǔ)器（cgrom）己經(jīng)存儲(chǔ)的碼值一致，這樣給編程帶來(lái)極人的方 便。2. 6電源管理模塊的設(shè)計(jì)本課題中，采用9v直流電源供電，但由于測(cè)溫儀的系統(tǒng)內(nèi)部芯片運(yùn)行時(shí)需要5v的直流電源保 證其正常供電，所以，必須設(shè)計(jì)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(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了更好的利用電池能源，延長(zhǎng)電池的使用壽命，本課題屮設(shè)計(jì)了 智能

13、的電源管理模塊。因?yàn)閙ax883啟一管腳可以接上有白鎖功能的開關(guān)，所以可作為電源總開關(guān), 在長(zhǎng)時(shí)間不用情況下，可是電源更加節(jié)約。電源管理設(shè)計(jì)的目的就是盡可能的延長(zhǎng)電池的使用壽命，也就是能讓測(cè)溫儀在不工作的悄況下 達(dá)到極小的靜態(tài)電流，同時(shí)使工作時(shí)的電流盡可能的小。為了能夠自如的對(duì)電源進(jìn)行管理，木課題 選擇了世界上最小的單片機(jī)pic12c508a（8腳dip封裝）控制電源。選擇pic12c508a的原因主要有 四個(gè)：靜態(tài)電流小，體積小，成木低，可休眠。電源管理模塊的結(jié)構(gòu)如圖25所示：9嚇入5喺岀上升鍵圖2-5電源管理模塊框圖3試驗(yàn)結(jié)果與分析標(biāo)定實(shí)驗(yàn)對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)不可缺少的重要壞節(jié)，有了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

14、我們才能進(jìn)一步標(biāo)定處理。 木課題采用多點(diǎn)標(biāo)定的方法：在三個(gè)恒溫屋里，每個(gè)恒溫屋里均冇一個(gè)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(gè)目標(biāo)溫度的熱電堆輸出，當(dāng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)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由于木課題使用輻射測(cè)溫法，h標(biāo)溫度探測(cè)器為熱電堆，環(huán)境溫度探測(cè)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(cè)溫原理和熱電堆的熱電原理，熱電堆探測(cè)器接 受的輻射功率可用卞式來(lái)表示：e =龐兀4 -況 j： = s（8j； -e2te4）式中：&為黑體發(fā)射率；為黑體溫度；5為空腔內(nèi)壁發(fā)射率；7；為環(huán)境溫度；力為斯蒂芬 波爾茲曼

15、常數(shù)。設(shè)熱電堆的電壓響應(yīng)率為/?,対本課題的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)而言，勺、5與1非常接近，這時(shí)熱電堆的 響應(yīng)公式為：則有:式屮：k = !；4rst；從實(shí)驗(yàn)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)。山于環(huán)境溫度參考端使 用的是熱敏電阻，通過(guò)圖31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(shí)我們還可以看出 k人小與u標(biāo)溫度和環(huán)境溫度有關(guān)。因此在進(jìn)行環(huán)境補(bǔ)償和數(shù)據(jù)處理時(shí)，可根據(jù)環(huán)境溫度的人小分段 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：7 = 0.05417+0.6437因此只要取出處理過(guò)的采樣值、匕，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

16、求出黑體的真實(shí)溫度7；。3152025環(huán)境溫度（弋30358 6 4 2 2 82 2 2 2 1 (>)1.6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(dá)到更好的精度，本課題采用最小二乘法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三次擬2 宕 m«ii-e$熱電堆絞出擬合仙線t=15*ccubic406080100120140160180200220撫體溫度(9)殘?bào)邎Dcubic： norm of residuals - 0.098374tj5x? t.25x? 735x23次賽頂式擬合曲線4 if0.5-0.5204060801001201401601802002204060801001

17、20140160130200220黑體溫®(r>圖3-2熱電堆15°c輸出擬合|11|線與殘差圖圖3-3熱電堆輸出擬合曲線口 o如圖33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(cè)出來(lái)的環(huán)境溫度不同，做 出環(huán)境補(bǔ)償并且環(huán)境補(bǔ)償是是紅外輻射低溫測(cè)量技術(shù)不可缺少的重要環(huán)節(jié)，得到相應(yīng)的illi線方程。 對(duì)于方程用二分法求解，最后更具發(fā)射率的不同進(jìn)行校正得到真實(shí)溫度。表31不同環(huán)境溫度、目標(biāo)溫度下的溫度測(cè)疑值環(huán)境溫度(°c)黑體溫度(°c)環(huán)境溫度測(cè)量值ve (v)熱電堆輸出值v。(v)k (v/k)15201.6980.5550.0052788

18、541.6990.920601.6961.000831.6891.2671001.6981.5701201.6951.8871381.7022.2461601.7172.7471801.7103.2477371.7193.7582201.7124.30025212.2530.3800.0059683572.2610.755802.2540.9781032.2571.2621212.2641.5981422.2501.9701612.2512.3541802.2452.8282002.2593.3452202.2603.89035212.7890.2750.0062718492.8070.500702.7910.738862.7990.9001002.8091.1451242.7831.4301402.7951.7541592.7902441802.7882.5492012.8093.0802732.8063.573本課題研制的便攜式紅外輻射測(cè)溫儀