基于单片机的红外测温仪设计

摘要：设计以单片机作为整个测温仪的核心，结合A／D转换器、液晶显示器等外部设备，在软件设计和硬件设计的基础上，设计出一种拥有汉字显示逻辑判断等智能型电子测温计。它提供了一种新的温度测量方案，采用红外温度传感器来测量温度信号，可同时测量目标温度和环境温度，并将测量的数据经过放大器，转换器送给单片机处理，之后送数码管显示。红外测温打破了传统的测温模式，它响应快、测量精度高、可靠性高、范围广，为非接触测量，因而不易损坏。该温度计以准确快捷的测量功能、清晰易懂的数字化显示方便人们日常生活使用。
关键词：红外测温；单片机；ADC0804；80C51

0 引言
    红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。用红外测温仪进行非接触温度测量有许多的优点，它的运用范围从很小或难以接触到的物体至腐蚀性的化学物和敏感的表面物。这样那些难以接触到或运动着的物体就可进行温度测量，如传热性能差的或很小的热容量材料。

1 红外基本测温原理
    红外测温仪中的光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。
    红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。
    红外测温是利用测量物体所辐射出来的辐射能量来测量物体温度，它的理论依据是斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体的温度越高，它所辐射出来的能量越多。当温度为T时，物体在所有波长上(物体的辐射几乎包括所有的波长)的总辐射强度W为：
   
    式中：δ—斯蒂芬-玻尔兹曼常数；
          T—物体的绝对温度-单位K；
          ε—物体表面的法向比辐射率。绝对黑体ε=1．0，非绝对0<ε<1．0。

2 结构框图及电路设计
2．1 整体电路设计
    本文所涉及的红外测温仪是一种典型的智能化仪表，它以单片机作为核心，在软件控制下，与其它硬件电路相结合，实现智能化的体温测量。系统硬件组成环节主要有：温度传感器、放大电路、A／D转换电路、单片机系统、液晶显示模块、按键、PC机与单片机通信部分。其软件部分包括：A／D转换、数字滤波、智能功能以及显示等程序。
2．2 系统总体结构框图
    本设计主要是通过红外传感器把光信号转换为电信号，然后再经过放大电路把信号放大，传给A／D转换器转换为数字信号，再传给单片机，最后通过显示器显示出温度值。同时还可以通过单片机与上位机进行连接，把温度测量值传给计算机保存。结构框图如图1所示：

3 系统硬件电路的设计
3．1 光学红外传感器
    光学系统在红外系统中的作用十分类似于用于接收目标回波的雷达天线，就是接收辐射能量，并把它传送给传感器。光学系统起到收集红外辐射并将其聚焦到红外探头上的作用，由于红外信号相对来说比较微弱，因此要实现测温仪精确测温必须设计一个光路简单、红外辐射损失小的光学系统，本设计选用红外探头来实现这个功能。
3．1．1 红外测温电路的设计
    本测温装置使用红外线传感器，它能接收物体发射出的红外线并使之转换成电压信号。红外热辐射测温仪由三个运算放大器组成的。这三个运算放大器分别作为同相放大器、低通滤波器和跟随器来发挥其作用。图2为本设计的测量电路图，图中A1为一同相放大器，输入信号由47UF电容耦合而来，A1的闭环放大倍数AF为20左右；A2为一低通滤波器。A3的输出与温度基本成线性关系。A1输出的电位器和变阻器用于调节A2输入信号的大小，调节它们的阻值可以改变A3的输出电压。

    本设计用ADC0804进行A／D转换，ADC0804芯片用CMOS集成工艺制成，分辨率8位，转换时间100μs，输入电压范围为0～5 V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5 V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路。

    本设计所选用显示器显示方式为动态显示，具体与单片机的连接电路图如图4所示。
3．2 通信电路的设计
    由于单片机接收到信号并经过处理后还需要与上位机进行通信，所以必须设计一个通信电路使温度计能与计算机相接。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。
    温度采集装置采用收、发、地三线的方式通信，工作方式采用主从方式。PC机为主机。红外温度计为从机。下位机采用中断方式接收和发送数据帧，下位机通过与COM1口连接与PC机进行通信。
    MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；和DE端分别为接收和发送的使能端，当为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可。综合上述这些特点所以选用MAX485芯片。

4 红外测温仪的软件设计
4．1 系统主程序流程圈
    本课题所设计的系统主程序首先应该进行初始化，开中断，设置中断优先级，设置定时器初值，然后启动A／D转换器，调用中断服务程序，最后调用动态显示程序进行显示温度值。具体流程图如图5所示。

4．2 系统串口发送接收程序设计
    重点介绍一下本系统所设计的通信电路的发送和接收程序。本系统所设计的通信电路是通过RS-485来完成单片机与计算机之间的发送与接收的，通过选择串口方式，允许发送和接收，再根据TI和RI来判断是否完成发送和接收。利用汇编程序编写本设计的发送程序，如下：
    

    同理，根据程序框图也可写出系统的接收程序。

5 结论
    红外测温打破了传统的测温模式，它响应快、测量精度高、可靠性高、范围广，为非接触测量，因而不易损坏。另外，近几年来中国的红外产品市场发展较快而又平稳，少数国外公司的市场占有率提高得很快，已经在中国市场上占据相当的优势，这种市场发展趋势，必将对中国的红外技术和产业的发展起到积极的推动作用，必将激励和加快具有完全中国自主知识产权的红外技术产品的问世，也必将带来更广阔的红外产品应用市场。因此，红外测温仪的应用也必然越来越广泛，具有广阔的市场前景和经济效益。