帶距離補(bǔ)償?shù)募t外輻射溫度傳感器電路設(shè)計(jì)與調(diào)試

1、常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校畢業(yè)論文編號(hào)論文名稱(chēng)帶距離補(bǔ)償?shù)募t外輻射溫度傳感器電路設(shè)計(jì)與調(diào)試系 部機(jī)電工程系 專(zhuān) 業(yè)機(jī)電一體化班 級(jí) 0961姓 名閆瑞陽(yáng)學(xué) 號(hào)15指導(dǎo)教師 盛希寧 2014年 05 月 04 日摘 要溫度檢測(cè)是現(xiàn)代工業(yè)的命脈，測(cè)量溫度的方法可以分為接觸式和非接觸式測(cè)溫。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫儀因其響應(yīng)速度慢，測(cè)溫時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，在某些應(yīng)用領(lǐng)域逐漸被紅外非接觸測(cè)溫系統(tǒng)代替。目前，紅外測(cè)溫系統(tǒng)是最主要的非接觸測(cè)溫方式之一，其響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。但由于紅外測(cè)溫儀的測(cè)量精度很容易受到環(huán)境溫度，測(cè)量距離等外界因素的影響，導(dǎo)致其測(cè)量誤差增大，因此，減少外界

2、因素對(duì)紅外測(cè)溫儀的測(cè)量精度影響是具有十分重要的意義。本課題主要是以降低距離因素以及環(huán)境溫度因素對(duì)紅外測(cè)溫儀測(cè)量精度的影響為目的，闡述了紅外測(cè)溫原理及方法，詳細(xì)的描述了ATmega16單片機(jī)、紅外測(cè)溫硬件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試，并且主要針對(duì)距離因素對(duì)紅外測(cè)溫的影響做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)三種成品化的紅外測(cè)溫儀以及本課題中所設(shè)計(jì)的紅外測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)分析對(duì)比，具有距離補(bǔ)償以及精確的環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)募t外測(cè)溫系統(tǒng)有效的降低了距離、環(huán)境溫度的外界因素影響，具有低功耗、響應(yīng)速度快、靈敏度高、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠適用于不同環(huán)境溫度下、測(cè)量距離偏長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合。關(guān)鍵詞：距離補(bǔ)償、紅外輻射、溫度傳感器、測(cè)溫目 錄

3、第一章紅外輻射測(cè)溫原理11.1紅外輻射的理論基礎(chǔ)11.2影響紅外輻射的因素2第二章紅外輻射測(cè)溫方法與紅外測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)組成32.1紅外測(cè)溫的方法32.2紅外測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)組成3第三章距離因素對(duì)紅外輻射測(cè)溫儀的影響53.1DT-811紅外輻射測(cè)溫儀的溫度測(cè)量值53.2GM300紅外輻射測(cè)溫儀的溫度測(cè)量值63.3AR320紅外輻射測(cè)溫儀的溫度測(cè)量值7第四章帶距離補(bǔ)償?shù)募t外輻射測(cè)溫硬件電路設(shè)計(jì)94.1硬件總體設(shè)計(jì)94.2OTP-538U傳感器的工作原理和性能94.3目標(biāo)溫度的電信號(hào)處理電路114.4超聲波測(cè)距電路134.5數(shù)字化處理及顯示電路14第五章電路標(biāo)定與調(diào)試165.1固定測(cè)量距離（3cm），改變

4、被測(cè)目標(biāo)溫度時(shí)，紅外輻射測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果165.2固定被測(cè)目標(biāo)溫度（40），改變測(cè)量距離時(shí)，紅外輻射測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果165.3固定被測(cè)目標(biāo)溫度（40），補(bǔ)償測(cè)量距離，紅外輻射測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果17總結(jié)19致謝辭20參考文獻(xiàn)21第一章 紅外輻射測(cè)溫原理1.1 紅外輻射的理論基礎(chǔ)任何物質(zhì)(體)，其內(nèi)部的帶電粒子都是處于不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。當(dāng)物體具有一定的溫度，即物體溫度高于熱力學(xué)溫度0 K時(shí)(攝氏溫度-273時(shí))，它就會(huì)不斷地向周?chē)M(jìn)行電磁輻射。物體在常溫下，發(fā)射紅外線(xiàn)；當(dāng)溫度升高至500左右，便開(kāi)始發(fā)射部分暗紅的可見(jiàn)光；當(dāng)溫度繼續(xù)升高，物體會(huì)向外輻射可見(jiàn)光，且隨著溫度的升高其波長(zhǎng)會(huì)變短。紅外線(xiàn)是位

5、于可見(jiàn)光中紅色光外的一種光線(xiàn)，是一種人眼看不見(jiàn)的光線(xiàn)。但這種光和其他任何光一樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)。紅外線(xiàn)與可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、射線(xiàn)和微波等無(wú)線(xiàn)電磁波一起構(gòu)成了一個(gè)無(wú)限連續(xù)的電磁波譜。在光譜中的位置如圖1-1所示。圖1-1光譜分布紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。熱輻射的程度主要由物體的溫度所決定。溫度越高，輻射出的紅外線(xiàn)越多，紅外輻射的能量越強(qiáng)?？茖W(xué)研究表明，太陽(yáng)光譜各種單色光的熱效應(yīng)，從紫色光到紅色光的熱效應(yīng)是逐漸增大的，且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻譜范圍內(nèi)。因而，有人又將紅外輻射稱(chēng)為熱輻射或者是熱射線(xiàn)。試驗(yàn)表明，波長(zhǎng)在(0.11000)m范圍內(nèi)的電磁波被物體吸收時(shí)，可以顯著地將電磁

6、能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋＜t外輻射與其它輻射一樣，能在其射程范圍內(nèi)被物體吸收并轉(zhuǎn)換為熱能。即使在高度真空里，通過(guò)熱輻射也能進(jìn)行能量的傳遞。紅外輻射和可見(jiàn)光、無(wú)線(xiàn)電磁波一樣，是以波的形式在空間(同一介質(zhì))進(jìn)行直線(xiàn)傳播的，并遵循逆二次方定律，也能反射、折射、散射、干涉和偏振。它在真空中傳播的速度等于光在真空中的傳播速度。即c=*，及=1/式中,紅外輻射的波長(zhǎng)(cm)；紅外輻射的頻率(Hz)；紅外輻射在真空中1cm的長(zhǎng)度內(nèi)所包含的波長(zhǎng)個(gè)數(shù)；C光在真空中的傳播速度,c3.0×1010cm/s。熱輻射的另一個(gè)特點(diǎn)是輻射光譜呈連續(xù)性，在電磁波譜中由于不同波譜的波長(zhǎng)相差很大。紅外輻射和電磁波傳播一樣也存在被傳

7、輸介質(zhì)吸收和散射等現(xiàn)象，使輻射能在傳輸過(guò)程中會(huì)逐漸衰減。1.2 影響紅外輻射的因素影響物體紅外輻射的主要因素有大氣的衰減及物體不同的輻射率。一般來(lái)說(shuō)，大氣對(duì)可見(jiàn)光是透射性能良好的媒質(zhì)，但對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射卻產(chǎn)生不同程度的衰減。造成輻射衰減的主要原因是大氣中H2O、CO2、03、CO和 CH4等氣體的選擇性吸收，以及大氣中懸浮的各種微粒的散射所致。在接近地面的空氣中，對(duì)紅外線(xiàn)的衰減起主要作用的是水蒸氣和CO2，大氣對(duì)紅外線(xiàn)的吸收情況見(jiàn)圖1-2。圖1-2大氣對(duì)紅外線(xiàn)的吸收由圖1-2可以看出，在(015)m波長(zhǎng)范圍內(nèi)，大致有三個(gè)紅外波段在大氣中透射較好，通常稱(chēng)這些波段為大氣窗口,它們分別為0m3m

8、、3m5m、8m14m。利用這三個(gè)透明窗口，即使沒(méi)有一絲可見(jiàn)光線(xiàn)或霧氣較重，同樣能觀測(cè)到清晰的紅外圖像。遠(yuǎn)紅外受散射的影響較小，相對(duì)近紅外線(xiàn)更適合全天候和遠(yuǎn)距離傳播，從而避免天氣狀況引起的測(cè)量誤差。第二章 紅外輻射測(cè)溫方法與紅外測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)組成22.1 紅外測(cè)溫的方法溫度檢測(cè)是現(xiàn)代工業(yè)的命脈，測(cè)量溫度的方法可以分為接觸式和非接觸式測(cè)溫。傳統(tǒng)溫度測(cè)量以接觸方式為主，主要以熱敏電阻、熱電偶、半導(dǎo)體傳感器測(cè)溫為主要手段。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫由于其反應(yīng)速度慢、測(cè)溫時(shí)間長(zhǎng)、影響物體的溫度場(chǎng)等缺點(diǎn)使其應(yīng)用范圍受到限制。目前，非接觸式測(cè)溫方式主要以紅外測(cè)溫為主，紅外測(cè)溫主要有以下幾種方法：（1）全輻射測(cè)溫法、（

9、2）亮度測(cè)溫法、（3）雙波段測(cè)溫法、（4）多波段測(cè)溫法、（5）最大波長(zhǎng)測(cè)溫法。本課題研究的是非接觸常溫測(cè)量，此測(cè)溫方法適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的常低溫非接觸動(dòng)態(tài)測(cè)溫場(chǎng)合，即當(dāng)溫度接近于常溫，且物體為動(dòng)態(tài)的場(chǎng)合。通過(guò)對(duì)比以上各種紅外測(cè)溫法的優(yōu)缺點(diǎn),本課題選擇全輻射測(cè)溫法。2.2 紅外測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)組成紅外測(cè)溫儀包含以下幾個(gè)部分:光學(xué)系統(tǒng)(用于接收紅外輻射)和探測(cè)器(感知光線(xiàn))、處理信息器(處理光線(xiàn)所攜帶的信息)、掃描設(shè)備、顯示設(shè)備等裝置。見(jiàn)圖2-1。圖2-1典型紅外測(cè)溫系統(tǒng)框圖（1）紅外光學(xué)系統(tǒng)：紅外測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)就是紅外輻射的接收系統(tǒng)，它是紅外探測(cè)器的窗口。光學(xué)系統(tǒng)的主要功能是收集被測(cè)目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射

10、能量，進(jìn)而把它們匯聚到紅外探測(cè)器的光敏面上。為了盡可能多地接收目標(biāo)的紅外輻射量，要求光學(xué)系統(tǒng)有較大的相對(duì)光學(xué)孔徑。光學(xué)系統(tǒng)決定了紅外測(cè)溫儀的視場(chǎng)大小。（2）紅外探測(cè)器：紅外探測(cè)器是紅外測(cè)溫儀的核心部分，它的功能是將被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。紅外探測(cè)器對(duì)紅外測(cè)溫儀的性能起著關(guān)鍵的作用。熱電堆式探測(cè)器的工作波長(zhǎng)為 225m，測(cè)溫范圍大于50，響應(yīng)時(shí)間約為 0.1s，穩(wěn)定性比較高。（3）信號(hào)處理系統(tǒng)：對(duì)于不同類(lèi)型、不同測(cè)溫范圍、不同用途的紅外測(cè)溫儀，由于紅外探測(cè)器種類(lèi)的不同、設(shè)計(jì)原理的不同，其信號(hào)處理系統(tǒng)也就不同，但信號(hào)處理系統(tǒng)要完成的主要功能是相同的，即放大、抑制噪聲、線(xiàn)性化處理、發(fā)射率

11、修正、環(huán)境溫度補(bǔ)償、A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換以及要求輸出信號(hào)等。（4）顯示系統(tǒng)：紅外測(cè)溫儀的顯示系統(tǒng)用于顯示被測(cè)目標(biāo)溫度值，初期多為表頭顯示，目前顯示器件多采用發(fā)光二極管、數(shù)碼管和液晶等數(shù)字顯示。數(shù)字顯示不僅直觀，而且精度高。為了便于記錄和儲(chǔ)存，不少紅外測(cè)溫儀還配備了記錄裝置或輸出打印設(shè)備。（5）附件：紅外測(cè)溫儀的附屬部分除電源外，瞄準(zhǔn)裝置也是一個(gè)比較重要的附件。當(dāng)被測(cè)目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時(shí)，為便于把測(cè)溫儀對(duì)準(zhǔn)被測(cè)部位，需要配備瞄準(zhǔn)裝置，常用的瞄準(zhǔn)裝置有目鏡、可見(jiàn)光瞄準(zhǔn)器和激光瞄準(zhǔn)器。本文主要研究?jī)?nèi)容為：信號(hào)處理系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)，以及如何克服測(cè)量距離對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。第三章 距離因素對(duì)紅外輻射測(cè)溫儀的影

12、響為了實(shí)際驗(yàn)證測(cè)量距離因素對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果值的影響情況，特設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)方案：在無(wú)風(fēng)的室內(nèi)環(huán)境內(nèi)，環(huán)境溫度為25，被測(cè)目標(biāo)溫度為 40，測(cè)量距離范圍在1cm10cm的條件下分別用三種成品化的紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量被測(cè)目標(biāo)溫度值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄及整理，最后分析測(cè)量因素對(duì)紅外輻射測(cè)溫儀的影響結(jié)果。33.1 DT-811紅外輻射測(cè)溫儀的溫度測(cè)量值如表3-1及圖3-1所示表3-1DT-811紅外輻射測(cè)溫儀的溫度測(cè)量值測(cè)量距離（cm）實(shí)際測(cè)量溫度（）測(cè)量距離（cm）實(shí)際測(cè)量溫度（）142.32638.90240.85738.22340.61837.53440.23936.74539.571036.19圖3-1測(cè)

13、量距離與實(shí)際測(cè)量溫度的曲線(xiàn)圖根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得：當(dāng)紅外輻射測(cè)溫儀距離被測(cè)目標(biāo)小于1cm時(shí)，被測(cè)目標(biāo)輻射的熱量干擾紅外輻射測(cè)溫儀的環(huán)境溫度補(bǔ)償部分，使得實(shí)際測(cè)量溫度誤差增大。當(dāng)紅外輻射測(cè)溫儀距離被測(cè)目標(biāo)在25cm時(shí)，實(shí)際測(cè)量溫度與被測(cè)目標(biāo)實(shí)際溫度值接近。當(dāng)兩者之間的距離大于5cm時(shí)，實(shí)際測(cè)量溫度誤差與測(cè)量距離成正比。距離因素對(duì)此紅外輻射測(cè)溫儀的測(cè)量準(zhǔn)確性造成了很大的影響。3.2 GM300紅外輻射測(cè)溫儀的溫度測(cè)量值如表3-2及圖3-2所示表3-2GM300紅外輻射測(cè)溫儀的溫度測(cè)量值測(cè)量距離（cm）實(shí)際測(cè)量溫度（）測(cè)量距離（cm）實(shí)際測(cè)量溫度（）143.35640.23242.84739.78342

14、.12839.03441.59938.56540.681037.83圖3-2測(cè)量距離與實(shí)際測(cè)量溫度的曲線(xiàn)圖根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得：當(dāng)紅外輻射測(cè)溫儀距離被測(cè)目標(biāo)小于4cm時(shí)，被測(cè)目標(biāo)輻射的熱量干擾紅外輻射測(cè)溫儀的環(huán)境溫度補(bǔ)償部分，使得實(shí)際測(cè)量溫度誤差增大。當(dāng)紅外輻射測(cè)溫儀距離被測(cè)目標(biāo)在57cm時(shí)，實(shí)際測(cè)量溫度與被測(cè)目標(biāo)實(shí)際溫度值接近。當(dāng)兩者之間的距離大于7cm時(shí)，實(shí)際測(cè)量溫度誤差與測(cè)量距離成正比。距離因素對(duì)此紅外輻射測(cè)溫儀的測(cè)量準(zhǔn)確性造成了很大的影響。3.3 AR320紅外輻射測(cè)溫儀的溫度測(cè)量值如表3-3及圖3-3所示表3-3AR320紅外輻射測(cè)溫儀的溫度測(cè)量值測(cè)量距離（cm）實(shí)際測(cè)量溫度（）測(cè)量距離

15、（cm）實(shí)際測(cè)量溫度（）141.15639.21240.38738.83340.26838.26439.92937.53539.551036.81圖3-3測(cè)量距離與實(shí)際測(cè)量溫度的曲線(xiàn)圖根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得：當(dāng)紅外輻射測(cè)溫儀距離被測(cè)目標(biāo)小于1cm時(shí)，被測(cè)目標(biāo)輻射的熱量干擾紅外輻射測(cè)溫儀的環(huán)境溫度補(bǔ)償部分，使得實(shí)際測(cè)量溫度誤差增大。當(dāng)紅外輻射測(cè)溫儀距離被測(cè)目標(biāo)在25cm時(shí)，實(shí)際測(cè)量溫度與被測(cè)目標(biāo)實(shí)際溫度值接近。當(dāng)兩者之間的距離大于5cm時(shí)，實(shí)際測(cè)量溫度誤差與測(cè)量距離成正比。距離因素對(duì)此紅外輻射測(cè)溫儀的測(cè)量準(zhǔn)確性造成了很大的影響。結(jié)論：在紅外測(cè)溫時(shí)，傳感器應(yīng)與被測(cè)目標(biāo)距離適中。紅外傳感器與被測(cè)目標(biāo)的距離

16、太遠(yuǎn)時(shí)，紅外傳感器采集不到足夠的紅外輻射，會(huì)造成測(cè)溫儀讀數(shù)與實(shí)際數(shù)值偏差。紅外傳感器與被測(cè)目標(biāo)的距離太近時(shí)，紅外非接觸傳感器會(huì)受到被測(cè)物體的熱量干擾，也會(huì)造成測(cè)溫儀讀數(shù)與實(shí)際數(shù)值偏差。因此設(shè)計(jì)出帶距離補(bǔ)償?shù)募t外輻射測(cè)溫電路，基于超聲波測(cè)距系統(tǒng)，測(cè)量紅外傳感器與被測(cè)目標(biāo)之間的距離，降低距離因素對(duì)紅外輻射測(cè)溫儀的影響。第四章 帶距離補(bǔ)償?shù)募t外輻射測(cè)溫硬件電路設(shè)計(jì)44.1 硬件總體設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)是非接觸紅外測(cè)溫系統(tǒng)的基礎(chǔ)，考慮到硬件電路設(shè)計(jì)的要求和嵌入式系統(tǒng)小型化、低功耗的要求。本章圍繞這兩個(gè)方面對(duì)非接觸紅外測(cè)溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。人體紅外測(cè)溫系統(tǒng)依據(jù)紅外輻射原理進(jìn)行溫度測(cè)量，主要由高精度非接

17、觸式的紅外熱電堆傳感器、差分放大單元、環(huán)境溫度補(bǔ)償單元、參考電位抬升單元、超聲波傳感器、主控 CPU單元和其他外圍部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。紅外非接觸式傳感器通過(guò)差分放大電路將測(cè)量目標(biāo)的紅外輻射信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)經(jīng)過(guò)環(huán)境溫度補(bǔ)償單元對(duì)紅外傳感器的紅外輻射輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償及修正后，輸入到主控 CPU單元的AD轉(zhuǎn)換I/O口。超聲波傳感器利用超聲波在空氣中傳播遇障礙物反射的原理，測(cè)量紅外傳感器與測(cè)量目標(biāo)的距離。傳感器信號(hào)經(jīng)主控 CPU 單元運(yùn)算后，在數(shù)碼管上顯示出人體溫度讀數(shù)，并伴隨蜂鳴器響。當(dāng)環(huán)境溫度在050變化時(shí)，由于紅外傳感器的特性，輸出電壓為負(fù)值，通過(guò)參考電位抬升單元，使得輸出信號(hào)

18、電壓大于OV，避免了使用雙電源的煩惱。圖4-1紅外輻射測(cè)溫系統(tǒng)框圖4.2 OTP-538U傳感器的工作原理和性能此紅外線(xiàn)熱電堆傳感器由116個(gè)熱電偶串聯(lián)組合而成，且傳感器封蓋有一光學(xué)帶通濾波器，使傳感器能在5-14m的波長(zhǎng)范圍進(jìn)行溫度感測(cè)。因此，溫度不同時(shí)入射的紅外線(xiàn)也不同，便能在各熱電偶接點(diǎn)產(chǎn)生不同的熱電效應(yīng)，而得到不同的電壓，再經(jīng)過(guò)許多熱電偶的串聯(lián)而輸出相當(dāng)?shù)碾妷海頊囟鹊拇笮?。如此便能倚靠紅外線(xiàn)的輻射得知溫度高低而不必與待測(cè)系統(tǒng)接觸，其操作溫度范圍為-20 100 。但由于電壓值是由目標(biāo)物溫度及熱電堆晶粒所在環(huán)境溫度共同決定，于是此組件封裝除了熱電堆晶粒外，還有一熱敏電阻，用來(lái)監(jiān)視IR

19、 sensor內(nèi)部溫度。在此亦稱(chēng)之為測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度，可對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償使用。其封裝結(jié)構(gòu)如圖4-2所示，背面接腳圖如圖4-3所示。各引腳功能如下：Pin1：熱電堆熱端輸出訊號(hào)、Pin2：熱敏電阻輸出訊號(hào)、Pin3：熱電堆冷端輸出訊號(hào)、Pin4：熱敏電阻接地端點(diǎn)。圖4-2非接觸紅外測(cè)溫傳感器結(jié)構(gòu)圖圖4-3背面接線(xiàn)圖非接觸式紅外測(cè)溫傳感器的特性如表4-1所示表4-1傳感器特性參數(shù)非接觸式紅外測(cè)溫傳感器輸出電壓與溫度的曲線(xiàn)圖如圖4-4所示圖4-4傳感器輸出電壓與溫度的曲線(xiàn)圖4.3 目標(biāo)溫度的電信號(hào)處理電路44.3.14.3.212344.14.24.34.3.1 溫度傳感器輸出訊號(hào)放大電路設(shè)計(jì)熱電堆的

20、輸出溫差信號(hào)在環(huán)境溫度25下測(cè)量待測(cè)物溫度從0 100，其輸出信號(hào)為-0.8mV3.7mV，為了方便后續(xù)電路的信號(hào)處理以及補(bǔ)償電路信號(hào)作補(bǔ)償，因此需將此信號(hào)作1000倍的放大。也由于熱電堆的輸出溫差信號(hào)非常微小，在放大器的選擇上我們選用低漂移的OP07放大器，減少輸出信號(hào)的失調(diào)電壓。熱電堆的輸出電壓為溫差信號(hào)，先將熱電堆的熱端接腳與冷端接腳通過(guò)差動(dòng)放大器放大10倍的溫差信號(hào)，再將此信號(hào)經(jīng)由一個(gè)放大倍數(shù)為100倍的同相放大器，通過(guò)放大器的分級(jí)放大設(shè)計(jì)，可將熱電堆的輸出信號(hào)放大1000倍。將放大1000倍后的信號(hào)經(jīng)電壓跟隨器降低負(fù)載效應(yīng)，再以增益為1的差動(dòng)放大器與補(bǔ)償電路信號(hào)作溫度補(bǔ)償。為了解決使

21、用雙電源的煩惱，增加了參考電位抬升單元。電路圖如圖4-5所示。圖4-5溫度傳感器輸出訊號(hào)放大電路設(shè)計(jì)4.3.2 環(huán)境溫度補(bǔ)償電路傳感器在環(huán)境溫度0，目標(biāo)溫度0 50下的電壓輸出曲線(xiàn)為0mV 1.8mV。但由于熱電堆傳感器的冷端接點(diǎn)易受環(huán)境溫度的影響，而造成輸出信號(hào)的漂移，如圖4-6所示，由此可得知當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)就會(huì)跟著改變，所以在設(shè)計(jì)上必須將環(huán)境溫度所造成的信號(hào)變動(dòng)補(bǔ)償回環(huán)境溫度為0的電壓輸出曲線(xiàn)，以利后續(xù)作信號(hào)處理的部份。圖4-6傳感器輸出電壓與環(huán)境溫度的關(guān)系OTP-538U溫度傳感器內(nèi)部設(shè)置的熱敏電阻，為一負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，它的溫度與阻值的關(guān)系并非線(xiàn)性，如圖4-7所

22、示，如果直接經(jīng)惠斯同電橋處理，其輸出電壓值并非線(xiàn)性，所以需要將熱敏電阻做線(xiàn)性化處理。本文在非線(xiàn)性方面采用多重線(xiàn)性修正，先將熱敏電阻并聯(lián)一個(gè)電阻以達(dá)到非線(xiàn)性修正的目的，再配合惠斯同電橋的設(shè)計(jì)做第二次線(xiàn)性修正并做電阻對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換，就能把非線(xiàn)性的輸出電壓，轉(zhuǎn)成線(xiàn)性的輸出電壓。紅外輻射測(cè)溫儀環(huán)境溫度補(bǔ)償電路如圖4-8所示。圖4-7熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系圖4-8環(huán)境溫度補(bǔ)償電路4.4 超聲波測(cè)距電路該電路基于渡越時(shí)間法原理，采用超聲波傳感器 TCT40-60T/R 測(cè)量紅外傳感器與人體之間的距離，其測(cè)距電路圖主要由發(fā)射電路和接收電路兩部分組成，如圖4-9所示。超聲波測(cè)距發(fā)射電路主要由反相器74HC04

23、和超聲波發(fā)射傳感器TCT40-60T構(gòu)成。主控單元的超聲波發(fā)送端口OC1產(chǎn)生40KHz的方波信號(hào)，一路經(jīng)一級(jí)反相器送到超聲波發(fā)射傳感器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反相器送到超聲波發(fā)射傳感器的另一個(gè)電極，用這種推挽方式將方波信號(hào)加到超聲波發(fā)射傳感器兩端，提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反相器并聯(lián)，以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻 R4、R5，一方面提高反相器74HC04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面增加超聲波發(fā)射傳感器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時(shí)間。超聲波接收電路主要由集成接收電路 CX20106A 和超聲波接收傳感器TCT40-60R 構(gòu)成。集成接收電路CX20106A 是一款紅外線(xiàn)檢波接收專(zhuān)用芯

24、片，主要由前置放大、自動(dòng)偏壓控制、限幅放大、峰值檢波和整形電路組成，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。由于紅外遙控常用的載波頻率 38KHz 與超聲波頻率 40KHz 接近，利用CX20106A 制作超聲波檢測(cè)接收電路。超聲波接收傳感器 TCT40-60R 接收到反射的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)集成接收電路 CX20106A 放大、整形后輸出下降沿脈沖到主控單元的外部中斷端口INT0。圖4-9超聲波測(cè)距電路4.5 數(shù)字化處理及顯示電路本數(shù)字化處理及顯示系統(tǒng)主要由Atmega8單片機(jī)、蜂鳴器及驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)碼管及驅(qū)動(dòng)電路等部分組成，如圖4-10所示。44.3.34.3.44.3.512344.14.2

25、4.34.44.54.5.1 Atmega8單片機(jī)簡(jiǎn)介ATmega8是增強(qiáng)的AVR  RISC結(jié)構(gòu)的CMOS微控制器，具有高速度、低功耗、片內(nèi)資源豐富、電源抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。ATmega8具有32個(gè)通用工作寄存器及豐富的指令集，帶有硬件乘法器以及8K的FLASH和1K的SRAM，還帶有8路10位ADC以及三通道的PWM輸出，支持ISP功能，可以很方便地對(duì)器件進(jìn)行在線(xiàn)編程及修改。4.5.2 Atmega8單片機(jī)實(shí)現(xiàn)ADC轉(zhuǎn)換ATmega8單片機(jī)具有8路10位ADC轉(zhuǎn)換通道，可以實(shí)現(xiàn)精確的紅外非接觸測(cè)溫系統(tǒng)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換。為了減少周?chē)骷臄?shù)量，基準(zhǔn)電壓源AREF采用與AVCC連接,

26、引腳外加LC濾波電路。紅外非接觸測(cè)溫系統(tǒng)的電信號(hào)與ADC0（PC0）通道連接，通過(guò)Atmega8單片機(jī)的內(nèi)部運(yùn)算，被測(cè)物體實(shí)際測(cè)量溫度值在四位數(shù)碼管上顯示，顯示分辨率為0.01。圖4-10數(shù)字化處理及顯示電路第五章 電路標(biāo)定與調(diào)試55.1 固定測(cè)量距離（3cm），改變被測(cè)目標(biāo)溫度時(shí)，紅外輻射測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果如表5-1以及圖5-1所示表5-1被測(cè)目標(biāo)溫度與實(shí)際測(cè)量溫度的值被測(cè)目標(biāo)溫度（）實(shí)際測(cè)量溫度（）被測(cè)目標(biāo)溫度（）實(shí)際測(cè)量溫度（）3029.125555.813534.976060.794040.106566.214544.757071.635050.257576.88圖5-1被測(cè)目標(biāo)溫度與實(shí)

27、際測(cè)量溫度值的曲線(xiàn)圖根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得：此設(shè)計(jì)的紅外輻射測(cè)溫電路測(cè)量低于60的物體時(shí)，實(shí)際溫度測(cè)量值與被測(cè)目標(biāo)溫度值偏差較小，當(dāng)大于60時(shí)，實(shí)際測(cè)量值有1.5以上的偏差。5.2 固定被測(cè)目標(biāo)溫度（40），改變測(cè)量距離時(shí)，紅外輻射測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果如表5-2以及圖5-2所示表5-2被測(cè)目標(biāo)距離與實(shí)際測(cè)量溫度的值測(cè)量距離（cm）實(shí)際測(cè)量溫度（）測(cè)量距離（cm）實(shí)際測(cè)量溫度（）140.15636.27239.81735.40339.76834.21438.45933.11537.651032.08圖5-2測(cè)量距離與實(shí)際測(cè)量溫度的曲線(xiàn)圖根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得：當(dāng)紅外輻射測(cè)溫儀距離被測(cè)目標(biāo)在13cm時(shí)，實(shí)際測(cè)量溫

28、度與被測(cè)目標(biāo)實(shí)際溫度值接近。當(dāng)兩者之間的距離大于3cm時(shí)，實(shí)際測(cè)量溫度誤差與測(cè)量距離成正比。5.3 固定被測(cè)目標(biāo)溫度（40），補(bǔ)償測(cè)量距離，紅外輻射測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果如表5-3以及圖5-3所示表5-3被測(cè)目標(biāo)距離與實(shí)際測(cè)量溫度的值測(cè)量距離（cm）實(shí)際測(cè)量溫度（）測(cè)量距離（cm）實(shí)際測(cè)量溫度（）140.89639.96240.12739.9340.08839.97439.91939.93540.081039.89圖5-3測(cè)量距離與實(shí)際測(cè)量溫度的曲線(xiàn)圖根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得：當(dāng)紅外輻射測(cè)溫儀距離被測(cè)目標(biāo)小于1cm時(shí)，由于被測(cè)目標(biāo)輻射的熱量干擾紅外輻射測(cè)溫儀的環(huán)境溫度補(bǔ)償部分，實(shí)際測(cè)量溫度與被測(cè)目標(biāo)實(shí)際溫度值有0.89的測(cè)量偏差。當(dāng)兩者之間的距離在1cm10cm時(shí)，由于加上距離補(bǔ)償，使得紅外輻射測(cè)溫電路的測(cè)量值基本與被測(cè)目標(biāo)實(shí)際溫度一致，降低了距離因素對(duì)紅外輻射測(cè)溫電路的影響，達(dá)到了正確測(cè)量被測(cè)物溫度的目的。總 結(jié)本文基于研究