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、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)電工程系專業(yè)一機(jī)電一體化班 級(jí)0961姓名閆瑞陽(yáng)學(xué) 號(hào)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

2、誤差增大，因此，減少外界因素 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

3、、紅外輻射、溫度傳感器、測(cè)溫目錄第一章紅外輻射測(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322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 53.1 DT-811紅外輻射測(cè)溫儀的溫度測(cè)量值 53.2 GM30C紅外輻射測(cè)溫儀的溫度測(cè)量值 63.3 AR320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)94.2 OTP-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

4、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（40C），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（40C），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 C時(shí)），它就會(huì)不斷地向周圍進(jìn)行電 磁輻射。物體在常溫下，發(fā)

5、射紅外線；當(dāng)溫度升高至500C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 外線是位于可見(jiàn)光中紅色光外的一種光線，是一種人眼看不見(jiàn)的光線。但這種光和其他任 何光一樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)。紅外線與可見(jiàn)光、紫外線、X射線、丫射線和微波等無(wú)線電磁波一起構(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。宇宙肘雜x射繪可見(jiàn)光微波 無(wú)餓電波A <lpmlum-lQiun3Sftun*-780nm1_i1i_11>帥馬討找紫外光紅外繪"增大lpm-10pmO,75-LOO&/m圖1-1光譜分布紅外輻射的

6、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， 輻射出的紅外線越多，紅外輻射的能量越強(qiáng)。科學(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為熱輻射或者是熱射線。試驗(yàn)表明，波長(zhǎng)在（0.11000）卩m范圍內(nèi)的電磁波被物體吸收時(shí)，可以顯著地將電磁能轉(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)線電磁波一樣，是以波的形式在空間（同一介質(zhì)）進(jìn)行直線傳播的，并遵循逆二次方定律，也能反射、

7、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= Z* Y 及 C =1/ 入式中,入紅外輻射的波長(zhǎng)（cm）;紅外輻射的頻率（Hz）;(T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.OX 1010cm/so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

8、同程度的衰減。造成輻 射衰減的主要原因是大氣中H2O C(O 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)紅外線的衰減起主要作用的是水蒸氣 和CO,大氣對(duì)紅外線的吸收情況見(jiàn)圖1-2。too«060初20*'oI 23-1 Jt> 7 H*1011 n 1314 (51fill(Jt1(1O1HjO65H10 CO* CO；CO; CO：COi圖1-2大氣對(duì)紅外線的吸收由圖1-2可以看出，在(015)卩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， 通常稱這些波段為大氣窗口 ,它們分別為0卩m3y m 3卩m5卩m

9、 8卩m14卩m禾U用這三 個(gè)透明窗口，即使沒(méi)有一絲可見(jiàn)光線或霧氣較重，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3頁(yè)共21頁(yè)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2.1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)

10、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、（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）、處 理信息器（處理光線所攜帶的信息）、掃描設(shè)備、顯示設(shè)備等裝置。見(jiàn)圖2-1。紅外探測(cè)器披測(cè)物休圖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

11、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225卩m測(cè)溫范圍大于50C，響應(yīng)時(shí)間約為0.1s，穩(wěn)定性比較高第3頁(yè)共21頁(yè)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（3）信號(hào)處理系統(tǒng)：對(duì)于不同類型、不同測(cè)溫范圍、不同用途的紅外測(cè)溫儀

12、，由于紅 外探測(cè)器種類的不同、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、線性化處理、發(fā)射率修正、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

13、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5頁(yè)共21頁(yè)第三章 距離因素對(duì)紅外輻射測(cè)溫儀的影響為了實(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 25C，被測(cè)目標(biāo)溫度為40 C,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。3.1 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3-1 DT-811紅外輻射測(cè)溫儀的溫度測(cè)量值測(cè)量距離（cm）實(shí)

14、際測(cè)量溫度C）測(cè)量距離（cm實(shí)際測(cè)量溫度（C ）142.32638.90240.85738.22340.61837.53440.23936.74539.571036.19測(cè)量距離（cm-L實(shí)際測(cè)量溫度被測(cè)目標(biāo)實(shí)際溫度圖3-1測(cè)量距離與實(shí)際測(cè)量溫度的曲線圖帶距離補(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

15、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3-2 GM300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C ）測(cè)量距離（cm）實(shí)際測(cè)量溫度（C ）143.35640.23242.84739.78342.12839.03441.59938.56540.681037.83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)

16、實(shí)際溫度值接近。當(dāng)兩者之間的第6頁(yè)共21頁(yè)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424140383736353410測(cè)量距離（cm）實(shí)際測(cè)量溫度 被測(cè)目標(biāo)實(shí)際溫度39表3-3 AR320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C ）測(cè)量距離（cm）實(shí)際測(cè)量溫度（C ）141.15639.21240.38738.83340.26838.26439.92937.53539.551036.81圖3-3測(cè)

17、量距離與實(shí)際測(cè)量溫度的曲線圖根據(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 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

18、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11頁(yè)共21頁(yè)紅夕嚇射超聲淤傳感器電信號(hào)熱戰(zhàn)電阻壞境溫度補(bǔ)償甲元主控CPU圖4-1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)4.1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

19、、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OC50C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)電壓大于 OV避免了使用雙電源的煩惱。電信

20、號(hào)電信號(hào)4.2 OTP-538U傳感器的工作原理和性能此紅外線熱電堆傳感器由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5-14卩m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?，代表溫度的大小。如此便能倚靠紅外線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 C100 C。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 sensor內(nèi)部溫度。在此亦稱之為測(cè)量時(shí)的

21、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)。熱電堆熱敏電阻圖4-3背面接線圖圖4-2非接觸紅外測(cè)溫傳感器結(jié)構(gòu)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)持性最小適中最大單睦輸出0.77一1.44mV靈故度7085100V-W相對(duì)敏感度0 100.12敏感區(qū)域545一ID熱故電阻5065$0KD帽對(duì)電阻0.09響應(yīng)吋間16一015噪聲283236oWHzl;2噪聲功率0.2S0.360.4SnW H

22、ll 2非接觸式紅外測(cè)溫傳感器輸出電壓與溫度的曲線圖如圖4-4所示圖4-4傳感器輸出電壓與溫度的曲線圖4.3目標(biāo)溫度的電信號(hào)處理電路4.3.1 溫度傳感器輸出訊號(hào)放大電路設(shè)計(jì)熱電堆的輸出溫差信號(hào)在環(huán)境溫度25C下測(cè)量待測(cè)物溫度從OC 100C,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100O咅的放大。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OP0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

23、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。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zx-5Cior15'C 2ffC 25'C -3fl'C 一; 一-砒4srM)rCao 5-0.(>110 UHSOAS日no PEkRuuqH.(I2010圖4-5溫度傳感器輸出訊號(hào)放大電路設(shè)計(jì)432 環(huán)境溫度補(bǔ)償電路傳感器在環(huán)境溫度0C,目標(biāo)溫度0C50

24、C下的電壓輸出曲線為0mV1.8mV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0C的電壓輸出曲線，以利后續(xù)作信號(hào)處理的部 份。(hiectTeriiwritUTeCf)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)系并非線性，如圖4-7所示，如果直接經(jīng)惠斯同電橋處理，其輸出電壓值并非線性,所以需要將熱敏電阻做線性化處理。本文在非線性方面采用了多重線性修正

25、，先將熱敏電第12頁(yè)共21頁(yè)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)試阻并聯(lián)一個(gè)電阻以達(dá)到非線性修正的目的，再配合惠斯同電橋的設(shè)計(jì)做第二次線性修正并 做電阻對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換，就能把非線性的輸出電壓，轉(zhuǎn)成線性的輸出電壓。紅外輻射測(cè)溫儀 環(huán)境溫度補(bǔ)償電路如圖4-8所示。2() 1 I!60毗20O20-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74HC0和超聲波發(fā)射傳感器TCT4

26、0-60T構(gòu)成。主控單元的超聲 波發(fā)送端口 0C產(chǎn)生40KHZ勺方波信號(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, 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是一款紅外線檢波接收專用芯片，主要由前置放大、自動(dòng)偏壓

27、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。4.5.1 Atmega8單片機(jī)簡(jiǎn)介ATmega是增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的CMO微控制器

28、，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)。ATmega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FLAS和 1K的SRAM還帶有8路 10位AD（以及三通道的PW輸出，支持ISP 功能，可以很方便地對(duì)器件進(jìn)行在線編程及修改。4.5.2 Atmega8單片機(jī)實(shí)現(xiàn)ADC轉(zhuǎn)換ATmega單片機(jī)具有8路10位ADC專換通道，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。為了減少周圍元器件的數(shù)量，基準(zhǔn)電壓源ARE采用與AVC連接,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

29、測(cè)量溫度值在四位數(shù)碼管上顯示，顯示分辨率為0.01 C。云 LJT第16頁(yè)共21頁(yè)第五章電路標(biāo)定與調(diào)試5.1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所示實(shí)際測(cè)量溫度 被測(cè)目標(biāo)實(shí)際溫度表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（C）實(shí)際測(cè)量溫度（C ）被測(cè)目標(biāo)溫度C）實(shí)際測(cè)量溫度（C ）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)際測(cè)量溫度值的曲線圖根據(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60C的物體時(shí)，實(shí)際溫度

30、測(cè)量值與被測(cè)目標(biāo)溫度值偏差較小，當(dāng)大于 60C時(shí)，實(shí)際測(cè)量值有1.5 C以上的偏差。5.2固定被測(cè)目標(biāo)溫度（40 C），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45402015105010測(cè)量距離（cm30)C 25實(shí)際測(cè)量溫度 被測(cè)目標(biāo)實(shí)際溫度35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C ）測(cè)量距離（cm實(shí)際測(cè)量溫度（C ）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)量溫度的曲線圖根據(jù)以上數(shù)據(jù)可

31、得：當(dāng)紅外輻射測(cè)溫儀距離被測(cè)目標(biāo)在13cm寸，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 3cm寸，實(shí)際測(cè)量溫度誤差與測(cè)量距離成正5.3固定被測(cè)目標(biāo)溫度（40C）,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)量溫度的值第17頁(yè)共21頁(yè)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)試測(cè)量距離（cm）實(shí)際測(cè)量溫度C ）測(cè)量距離（cm實(shí)際測(cè)量溫度（C ）140.89639.96240.12739.9340.08839.97439.91939.93540.081039.89)實(shí)際測(cè)量溫度 被測(cè)目標(biāo)實(shí)際溫度測(cè)量距離（cm圖5-3測(cè)量距離與實(shí)際測(cè)量溫度的曲線圖根據(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icm寸，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 C的測(cè)量偏差。當(dāng)兩者之間的距離在1cm10c時(shí)，由于加上距離