紅外測溫儀（完整畢業(yè)論文）

1、畢業(yè)設(shè)計 摘 要紅外測溫儀是目前最主要的非接觸式測溫工具。紅外測溫儀以其響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確、便捷、使用壽命長等優(yōu)勢，在紡織、冶金、電子、石化、食品等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，成為企業(yè)故障檢測、產(chǎn)品質(zhì)量控制和提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。隨著現(xiàn)代紅外技術(shù)的不斷成熟和日益完善，利用紅外檢測的遠(yuǎn)距離、不接觸、準(zhǔn)確、實時、快速等特點發(fā)展起來的紅外檢測技術(shù)由于在不停電、不取樣、不解體的情況下能快速實時地在線監(jiān)測和診斷大多數(shù)故障，可以減少對設(shè)備的損害，避免停工停產(chǎn)造成的損失，節(jié)約人力和財力，在某些領(lǐng)域還可以減少對人身的危害，對于各行業(yè)的現(xiàn)代化有著重要的意義。該系統(tǒng)主要是利用任何物體都會發(fā)出紅外輻射的原理對紡織工業(yè)烘房中布

2、匹的溫度進(jìn)行高精度檢測。在該紅外測溫系統(tǒng)中，紅外信號經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)菲涅爾透鏡匯聚輻射能量至熱釋電探測器（光電轉(zhuǎn)換器），輻射能量經(jīng)過探測器轉(zhuǎn)換后變成電信號，電信號經(jīng)過濾波、整形和a/d轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和輸出顯示。為了保持各部分之間正確的時序關(guān)系，軟件全部采用匯編語言來編寫。關(guān)鍵詞： 紅外測溫儀；光學(xué)系統(tǒng)；單片機(jī)；熱釋電探測器 abstractas a main way of non-contact measurement, infrared thermometer has been widely used in textile, metallurgy, electronics,

3、 petrochemical, food industries and some other areas because of its fast response, accurate, convenient, long-life and other advantages, it has been a main method of corporate fault detection, product quality control and improving economic efficiency. with continued mature and increasingly sophistic

4、ated of modem infrared technology, infrared detection technology is developed by using infrared detection features of the long-range, non-contact, accurate, real-time, rapid. infrared detection technology can monitor and diagnosis of the majority of fault real-time on-line and it is not due to the s

5、ituation of power outage, sampling, the disintegration. so we can reduce the damage of the equipment, to avoid downtime caused by production losses, conservation human and financial resources, some are as also can reduce the harm to the person, it is of important significance for the modernization o

6、f the industry.according to the principle of any object can be sent to infrared radiation, the system detects the temperature with high-precision on the cloth of oasthouse in textile industry. in the system of infrared radiation thermometer, infrared optical system through the fresnel lens gather ra

7、diant energy signal into pyro-electric detector (photoelectric switch), and then radiation energy switches into electrical signals through the probe after conversion. and then after filtering, plastic and a/d conversion, the electrical signals will be into digital signals ,which will be output and d

8、isplayed by mcu, data processing. in order to keep the right temporal relationships between parts, all the software is written by the assembly language.keywords: infrared thermometer; optical systems; pyro-electric detector; micro-controller systems - 49 -目 錄摘 要iabstractii目 錄- 1 -第一章 緒論- 3 -1.1 課題的意

9、義- 3 -1.2 課題研究的現(xiàn)狀- 3 -1.3 課題的創(chuàng)新研究- 4 -第二章 紅外測溫儀總體方案設(shè)計- 5 -2.1 概述- 5 -2.1.1 技術(shù)要求- 5 -2.1.2 工藝要求- 5 -2.2 紅外測溫系統(tǒng)原理- 5 -2.3 系統(tǒng)方案的確定- 5 -2.3.1 紅外探測器的選擇- 6 -2.3.2 a/d轉(zhuǎn)換芯片的選擇- 7 -2.4 紅外輻射原理- 7 -2.5 全輻射測溫法- 8 -第三章 紅外測溫儀硬件設(shè)計- 10 -3.1 紅外測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)- 10 -3.1.1 透鏡成像公式- 11 -3.1.2 透鏡成像的誤差及對策- 12 -3.2 光電轉(zhuǎn)換- 13 -3.2.1

10、 紅外探測器- 13 -3.2.2 光學(xué)系統(tǒng)與光電轉(zhuǎn)換組合- 14 -3.3 紅外信號的調(diào)制- 15 -3.4 信號的放大和濾波- 16 -3.4.1 有源濾波器- 16 -3.4.2 信號的放大和整形- 16 -3.5 電源電路的設(shè)計- 18 -3.6 單片機(jī)8051- 19 -3.6.1 8051基本結(jié)構(gòu)- 19 -3.6.2 8051引腳功能介紹- 20 -3.7 模數(shù)轉(zhuǎn)換- 22 -3.8 外部擴(kuò)展8155- 25 -3.8.1 引腳說明- 25 -3.8.2 工作方式- 27 -3.8.3 定時器/計數(shù)器- 27 -3.9 按鍵顯示電路- 28 -3.10 串行通信接口電路- 29

11、-第四章 紅外測溫儀軟件設(shè)計- 31 -4.1 系統(tǒng)軟件- 31 -4.2 a/d轉(zhuǎn)換- 32 -4.3 按鍵部分- 34 -4.4 動態(tài)顯示- 35 -第五章 工藝設(shè)計- 36 -5.1 pcb板設(shè)計- 36 -5.1.1 設(shè)計要求- 36 -5.1.2 設(shè)計步驟- 37 -5.1.3 生成pcb- 37 -5.2 硬件調(diào)試- 38 -第六章 結(jié)束語- 39 -參考文獻(xiàn)- 40 -致 謝- 41 -附 錄- 42 -附錄一：系統(tǒng)原理圖- 42 -附錄二：系統(tǒng)工藝圖- 42 -附錄三：元件清單- 43 -附錄四：系統(tǒng)軟件各主要子程序- 44 -第一章 緒論1.1 課題的意義本課題應(yīng)紡織廠的要求

12、，是對紡織機(jī)械實施精密溫度檢測所設(shè)計的裝置。研究的目的是用測溫裝置來檢測烘房中經(jīng)過烘干工序后布料的溫度，以控制布匹經(jīng)過烘房的速度從而使布匹達(dá)到最佳的烘干效果，便于提高染色等后續(xù)工藝的效果。由于布料最佳溫度為170-200，其響應(yīng)波長范圍為8-14um1。測量溫度的方法可以分為接觸式和非接觸式測溫2。傳統(tǒng)的接觸式測溫方式由于其響應(yīng)速度慢、測溫時間長、干擾物體的溫度場等缺點而使其應(yīng)用范圍受到限制。非接觸式測溫是通過測量表征被測物體的物理參數(shù)來求得被測溫度，它不存在熱接觸和熱平衡帶來的缺點。目前主要的非接觸式測溫方式是紅外測溫。紅外測溫不僅可以測量溫度很高的、有輻射性的、高純度的物體，而且可以測量導(dǎo)

13、熱性差的、小熱容量的、微小物體和運動目標(biāo)，以及對固體、液體表面的溫度進(jìn)行測量3。二維熱像儀的出現(xiàn)，更增加了紅外技術(shù)的應(yīng)用范圍。正是基于紅外測溫的大量優(yōu)點，國外有關(guān)專家曾指出：“從x光有史以來，工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，紅外技術(shù)是最有力、最有前途、可視性強(qiáng)的監(jiān)測技術(shù)。1.2 課題研究的現(xiàn)狀紅外檢測技術(shù)是“九五”國家科技成果重點推廣項目。近二十年來，紅外測溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷提高，適用范圍也不斷擴(kuò)大。目前的紅外測溫技術(shù)利用紅外狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、不接觸、不取樣、不解體，又具有準(zhǔn)確度高、靈敏度高、響應(yīng)速度快、測量范圍廣等特點，其發(fā)展水平具體如下4：(1)準(zhǔn)確度高。紅外測溫是非接觸測量，不

14、破壞物體本身的溫度分布，因而所測溫度真實、準(zhǔn)確，相對誤差可達(dá)0.5度以下。(2)靈敏度高。因物體溫度的微小變化就會引起輻射功率的較大變化，容易被探測器探出，故紅外測溫的可測溫差很小，可達(dá)零點幾攝氏度。(3)響應(yīng)速度快。紅外測溫不像熱電偶、溫度計那樣，需要與被測物體接觸以達(dá)到熱平衡，只要接到目標(biāo)的紅外輻射即可測溫，其響應(yīng)時間在毫秒甚至微秒數(shù)量級。(4)測溫范圍廣?？蓮呢?fù)幾十?dāng)z氏度到正幾千攝氏度。紅外測溫技術(shù)對工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮的作用是巨大的，它的發(fā)展也是相當(dāng)迅速的，但是仍然存在著不足，譬如說，易受環(huán)境因素影響，尤其是環(huán)境溫度、空氣中介質(zhì)；物體表面的平整度等對系統(tǒng)的影響較大；只限于測量物體外部溫度，不方

15、便測量物體內(nèi)部和存在障礙物時的溫度。1.3 課題的創(chuàng)新研究由于目前國內(nèi)外高精度紅外測溫儀價格普遍很高，而價格適中的紅外測溫儀的準(zhǔn)確度又不是很理想，面對紅外測溫儀朝著質(zhì)優(yōu)價廉方向發(fā)展的趨勢，本文做了以下工作：1.利用紅外測溫儀進(jìn)行檢測的技術(shù)原理研究紅外測溫儀測溫系統(tǒng)的組成方案，可提高實際應(yīng)用價值，降低企業(yè)成本；2.研究現(xiàn)有紅外測溫技術(shù)的不足之處，通過軟件設(shè)計加以彌補(bǔ)；3.采用多視場的菲涅爾光學(xué)鏡5，擴(kuò)大視場以達(dá)到增強(qiáng)紅外測溫儀接收紅外輻射能力的目的；4.采用全輻射測溫方法，在一定程度上減少測量誤差，并探索溫度測量中的“實體定標(biāo)”問題；5.光電轉(zhuǎn)換器采用熱釋電二元探測器ln074b，對于布料發(fā)出的

16、紅外線能量的變化值，能敏銳地覺察出相對溫度的變化，降低誤差，提高工作成效。第二章 紅外測溫儀總體方案設(shè)計2.1 概述 2.1.1 技術(shù)要求1)溫度檢測范圍：25-200；2)溫度檢測精度：檢測誤差小于0.5；3)溫度控制精度：誤差小于0.5；4)溫度控制范圍：25-190；5)溫度檢測點數(shù)量：大于或等于9點；6)菲涅爾透鏡安裝要求：水平角度：120；垂直角度：支架與地面水平線傾斜成76，要求架高不低于1.5m；7)探測頭與鏡面間的距離：置于聚焦中心處，標(biāo)準(zhǔn)距離為29mm；8)功能要求：能及時檢測烘房中布料的溫度；9)顯示：數(shù)字顯示布料的溫度；2.1.2 工藝要求印制電路板的大小為150mm*1

17、50mm，線寬為10mil，焊盤大小為30mil，過孔大小為20mil。安全間距為10mil，拐角模式為45。2.2 紅外測溫系統(tǒng)原理紅外檢測的基本原理就是通過探測物體的紅外輻射信號，從而獲得物體的熱狀態(tài)特征。當(dāng)處于烘房的布料輻射的能量通過大氣媒介傳輸?shù)郊t外測溫儀上時，它內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)被測目標(biāo)的紅外輻射能量，將紅外能量經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，該電信號經(jīng)過濾波、整形、放大等一系列電路的處理后按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)輻射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值，并用四位數(shù)碼管顯示輸出。它的構(gòu)成如圖2-1所示。2.3 系統(tǒng)方案的確定方案一 運用嵌入式控制系統(tǒng)作為核心處理模塊，由于運作成本較

18、高，嵌入式系統(tǒng)程序控制較為復(fù)雜，故不作考慮。方案二 選用透射式光學(xué)系統(tǒng)匯聚輻射紅外線，核心處理通過8031，用8位常見型ad0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由于8031內(nèi)部沒有程序存儲器，需要擴(kuò)展，使系統(tǒng)變得復(fù)雜且增加了成本，而8位的ad0809無法滿足系統(tǒng)要求，所以放棄該方案。方案三 選用多視場菲涅爾透鏡將紅外線能量集聚起來，以擴(kuò)大其探測距離；采用ln074b型的二元紅外探測頭進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，提高干擾能力。采用內(nèi)部帶有程序存儲器的8051作為核心處理模塊，a/d轉(zhuǎn)換器則用12位11通道的tlc2543來實現(xiàn)，可增加系統(tǒng)的精度。綜上所述，該系統(tǒng)選用方案三。圖2-1 系統(tǒng)原理方框圖2.3.1 紅外探測器的選

19、擇 該系統(tǒng)的核心是紅外探測器，它把入射輻射能變換成可測量的電信號。根據(jù)探測器的特性可分為熱探測器和光探測器兩類5。紅外探測器分內(nèi)裝一個探測元件和兩個探測元件兩種。課題中選擇使用了ln074b6型熱釋電紅外探測器。ln074b是二元的探測器。二元的探測器在工藝上將兩個特性一致的檢測元進(jìn)行串接，組成差動平衡電路。當(dāng)外界光干擾信號和外界溫度急劇變化，或受到外來振動的影響時，兩探測元的差動效應(yīng)使之相互抵消。而對于運動布料發(fā)出的紅外輻射能量的變化值，能敏銳地覺察出相對溫度的變化，使探測元的極值發(fā)生變化，從而輸出與輸入紅外能量變化相對應(yīng)的電信號。二元探測器有采用to-5金屬封裝的p2288、ln074b等

20、。ln074b其主要的性能指標(biāo)如表2-1所示。表2-1 ln074b的性能指標(biāo)參數(shù)名稱參數(shù)值參數(shù)名稱參數(shù)值參數(shù)名稱參數(shù)值靈敏元面積9.2mm輸出阻抗10k視場144前截止波長7-10靈敏度110v/w以上檢測波長7以上基片厚度4.8mm探測度（d）110cmhz/w電源電壓5-10v(dc)2.3.2 a/d轉(zhuǎn)換芯片的選擇 模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，是該系統(tǒng)的另一重要部分。對于a/d轉(zhuǎn)換器，由于測量范圍為25-200度，以0.5度作為響應(yīng)的a/d區(qū)分度要求，則a/d需要區(qū)分(200-25)/0.5=350個數(shù)字量，顯然需要9位以上的a/d轉(zhuǎn)換器。加之，溫度監(jiān)測點數(shù)量為9點，故要求a/d轉(zhuǎn)換器達(dá)到9個模擬輸

21、入通道以上。系統(tǒng)的工作頻率為20hz。為此，選用高精度、具有12位11個模擬輸入通道的tlc2543。同時，采用12位的a/d轉(zhuǎn)換器還可以提高系統(tǒng)的測溫精度。2.4 紅外輻射原理在給定的溫度和波長下，物體發(fā)射的輻射能有一個最大值，這種物質(zhì)稱為黑體，并設(shè)定它的反射系數(shù)為1，其它的物質(zhì)反射系數(shù)小于1為灰體，由于黑體的光譜輻射功率與絕對溫度t之間滿足普朗克定理6 (2-1)其中為黑體的輻射出射度；為波長；t為絕對溫度；、為輻射常數(shù)，它說明在絕對溫度t下，波長處單位面積上黑體的輻射功率為。根據(jù)這個關(guān)系可以得到圖2-2的關(guān)系曲線，可知：圖2-2 黑體輻射的光譜分析隨著溫度升高，物體的輻射能量越強(qiáng)，輻射峰

22、值向短波方向移動(向左)，并滿足維恩位移定理，虛線為峰值處波長的連線。紅外測溫必須根據(jù)波長劃分測溫范圍，高溫在短波處，低溫在長波處，且它的靈敏度高(曲線陡峭)，抗干擾性強(qiáng)。根據(jù)斯特藩-玻耳茲曼定理6：黑體的輻出度(黑體表面單位面積上所發(fā)射的各種波長的總輻射功率)與溫度t的4次方成正比，即 (2-2)式中為斯特藩常數(shù)，t為熱力學(xué)溫度。黑體輻射機(jī)理正是紅外測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)。如果在條件相同情況下，物體輻射的功率總是小于黑體的功率，即物體的單色輻出度小于黑體的單色輻出度，將它們之比稱為物體的單色黑度，即實際物體接近黑體的程度。 (2-3)考慮到物體的單色黑度是不隨波長變化的常數(shù)，即，它是隨不同物質(zhì)而

23、值不同，即使是同一種物質(zhì)因其結(jié)構(gòu)不同值也不同，只有黑體，而一般灰體。由(2-2)、(2-3)可得；所測物體的溫度 (2-4)式(2-4)正是物體的熱輻射測溫的數(shù)學(xué)描述。根據(jù)輻射的空間分布規(guī)律朗伯(lambert)余弦定律一般來說，面輻射源的發(fā)射功率與方向有關(guān)，并非均勻分布。但是對于某些面輻射源，其輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)，是一個常數(shù)，用數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為 (2-5)式中，為觀察方向與面元法向的夾角；為比例系數(shù)，與無關(guān)；為輻照有效面積。朗伯體的輻射亮度與輻射出射度之間有如下關(guān)系 (2-6)在實際溫度的測量是通過輻射量的測量得到的，在輻射計的基礎(chǔ)上加上溫度信號處理電路即可構(gòu)成紅外測溫儀。2.5 全輻射測

24、溫法若溫度為的絕對黑體的輻亮度與某一輻射體在溫度為t時的輻亮度相等，則定義為該輻射體的輻射溫度。由斯蒂芬一波爾茲曼定律，絕對黑體的輻亮度為 (2-7)溫度為t的輻射體的輻亮度為 （2-8）式中，為該輻射體在溫度為t時的輻射率。按輻射溫度定義，。于是，我們得到輻射物體的實際溫度t與物體的輻射溫度之間的關(guān)系為 (2-9)其相對誤差為 (2-10)用此方法測得的黑體的溫度即為物體的輻射溫度t。由以上幾式可以看出，當(dāng)用一個全輻射測溫儀來測量一個非黑體的溫度時，測得的是溫度，必須知道物體的輻射率后，才能計算出物體真實的溫度，并且輻射率越低，誤差越大。由于布料的輻射溫度逐漸變化，輻射率，把它加熱到200，

25、用黑體溫度定標(biāo)的全輻射測溫儀讀出的輻射溫度僅為184。第三章 紅外測溫儀硬件設(shè)計3.1 紅外測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)紅外測溫儀光學(xué)系統(tǒng)的作用是重新改善光束的分布，更有效地利用光能。紅外光學(xué)系統(tǒng)的使用可大大提高靈敏面上的照度，從而提高儀器的信噪比，增大系統(tǒng)的探測能力。常用的紅外光學(xué)系統(tǒng)9有三種結(jié)構(gòu)形式，即透射式光學(xué)系統(tǒng)（輻射束通過其中的折射介質(zhì)）；反射式光學(xué)系統(tǒng)（輻射束受到其中一個或幾個反射鏡的反射）；組合式光學(xué)系統(tǒng)（由透射式和反射式系統(tǒng)組合而成）。其中，反射式的靈敏度最低，探測距離一般為2-10m；組合式居中，兼有反射式和透射式的優(yōu)、缺點，反射式系統(tǒng)的紅外傳感器要置于鏡前，體積大，不好密封，在防塵、防

26、水、抗擊、隱蔽性等方面較差，尤其在防盜報警方面不宜采用。而透射式系統(tǒng)的體積小，密閉容易，穩(wěn)定性好，其價格相對較低，因此目前國外多采用透射式系統(tǒng)。由于單透鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，在成像質(zhì)量要求不高、通光口徑較小的場合使用，正好滿足紅外測溫儀的要求。圖3-1 單透鏡光學(xué)系統(tǒng)示意圖菲涅爾透鏡是一種塑料注成的薄透鏡，片上刻有精細(xì)的鏡面和排列有序的紋理，它是根據(jù)對靈敏度和接收角度的要求來設(shè)計和制作的，技術(shù)精度要求相當(dāng)高。一片好的透鏡必須表面光潔、紋理清晰，厚度在0.65mm左右，對紅外光的透過率要高于65%。下面以q-6型菲涅爾鏡為例，說明其主要技術(shù)指標(biāo)。（1） 外形尺寸：68mm38 mm；（2）

27、水平角度：120；（3） 垂直角度：支架與地面水平線傾斜成76度，要求架高不低于1.5m；（4） 探測頭與鏡面間的距離：置于聚焦中心處，標(biāo)準(zhǔn)距離為29mm，以便使紅外線能量聚焦在探測元上，得到最大的靈敏度。（5） 一般的菲涅爾透鏡的探測距離在10m左右。其結(jié)構(gòu)原理很簡單，如圖3-2所示。圖3-2 菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)圖將透鏡安置在探測器支架上，菲涅爾透鏡與支架如圖所示。 圖3-3 支架圖 圖3-4 菲涅爾透鏡3.1.1 透鏡成像公式透鏡的成像公式6雖然簡單，但與透鏡的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)，具有一定程度的不嚴(yán)格性。在圖3-5中，設(shè)從空氣中（近似真空）距透鏡為u的o點發(fā)出的一條光線射向透鏡，由于透鏡的折射作用

28、，經(jīng)a、b兩點成像在i點上。i點至透鏡的距離為v。c1a和c2b分別為透鏡的曲率半徑r1和r2。光線進(jìn)入透鏡和從透鏡射出時的入射角和折射角為和。y1、y2分別為a點、b點至光軸的距離。由折射定律可得 （3-1）圖3-5 透鏡成像示意圖式中n為透鏡材料對空氣的折射率。假定角度、都很小，則它們的正弦值可表示成它們的弧度值。同時假定透鏡非常薄，則a點和b點至光軸的距離可認(rèn)為是相等的，且等于它們所對應(yīng)的弧長，另外，由于透鏡的厚度非常薄，故它們的厚度不影響u和v的值。由此可得 （3-2）令 （3-3）則 （3-4）式中f焦為透鏡的焦距。式(3-3)和式(3-4)即為常用的透鏡成像公式。3.1.2 透鏡成

29、像的誤差及對策有幾個原因影響透鏡成像公式的準(zhǔn)確性，這些因素是：(1)薄透鏡。前面推導(dǎo)透鏡成像公式時，假定透鏡非常的薄。厚度不能認(rèn)為非常薄時，就不能保證透鏡成像公式的精確性。即使對稱透鏡，也不能太厚。(2)近軸光。因為近軸光可以使入射角與折射角(、)減少，是保證透鏡成像公式精確的重要因素，因此，應(yīng)盡量使用近軸光。(3)球差。由于透鏡的形狀為球面，這造成了非近軸光的成像面不能重合，這種誤差就是通常所說的球差。除非透鏡設(shè)計成非球面或組合透鏡，否則球差總是存在的。另外，像散和畸變也都和球差有關(guān)。減小球差的有效方法是加入孔徑光闌，遮住非近軸光的進(jìn)入，保證、足夠小。(4)色差。構(gòu)成透鏡的材料對不同波長的折

30、射率不同所造成的像差稱為色差。色差現(xiàn)象是客觀存在的。因此，只能在光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)排列上采取措施，將探測器放在測量波段的像平面上，不放在可見光的像平面上，或在光路計算時做某些修正。3.2 光電轉(zhuǎn)換3.2.1 紅外探測器紅外探測器是紅外測溫儀的重要組成部分，它的主要功能是測定紅外輻射的大小并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚ǘ鄶?shù)情況是轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽┮员銘?yīng)用。一個完整的紅外探測器包括紅外敏感元件、紅外輻射入射窗口、外殼、電極引出線以及按需要而加的光闌、冷屏、場鏡、光錐、浸沒透鏡和濾光片等，在低溫工作的探測器還包括杜瓦瓶，有的還包括前置放大器。按探測器的工作機(jī)理區(qū)分，可將紅外探測器分為光子探測器和熱探測器兩大類5

31、。熱釋電探測器是熱探測器的一種，它是利用熱釋電效應(yīng)工作的一種探測器。熱釋電探測器的響應(yīng)速度雖不如光子型探測器，但由于它具有可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關(guān)等特點，因而熱釋電探測器的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，且使用方便。常用的熱釋電探測器有：硫酸三甘肽(tgs)探測器、鈮酸鍶鋇(sbn)探測器、鉭酸鋰(litao3)探測器、鋯鈦酸鉛(pzt)探測器等10。圖3-6為熱釋電紅外探測器的結(jié)構(gòu)圖及電路圖。圖3-6 熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)及電路傳感器的敏感元為pzt，在上下兩面做上電極，并在表面加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)換效率。它的等效電路是一個在負(fù)載電阻上并聯(lián)一個電容的電流發(fā)生器，其輸出阻

32、抗極高，而輸出電壓信號極其微弱，故在管內(nèi)附有jept及厚膜電阻，以達(dá)到阻抗變換的目的11。在管殼的頂部設(shè)有濾光鏡。熱釋電探測器是利用熱釋電晶體的自發(fā)極化效應(yīng)制成的。其自發(fā)極化強(qiáng)度是溫度的函數(shù)。由于自發(fā)極化，在與極化軸相垂直的晶體兩外表面上出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷，其密度等于自發(fā)極化強(qiáng)度。但這些面束縛電荷常常被晶體內(nèi)部或外部的電荷所中和，因而顯示不出來。因此不能在靜態(tài)條件下測量自發(fā)極化。但是自由電荷中和面束縛電荷的時間很長，而晶體自發(fā)極化的馳豫時間很短，約10-12s。因此當(dāng)晶體經(jīng)受一定頻率的溫度變化時，其體內(nèi)的自由電荷和外部的雜散電荷便來不及中和變化著的面束縛電荷，因此可在動態(tài)條件下測量自發(fā)極化。如果

33、在熱釋電晶體沿極化軸的端面裝上電極，那么自發(fā)極化在電極上感應(yīng)的電荷量q為 (3-5)式中a為光敏面面積。當(dāng)紅外輻射照射時，熱釋電晶體的溫度升高，自發(fā)極化強(qiáng)度降低，因而電極表面上感應(yīng)電荷減少，這相當(dāng)于“釋放”了一部分電荷，因而稱之為熱釋電現(xiàn)象。若沒有經(jīng)過調(diào)制的紅外輻射照射熱釋電晶體，使溫度升高到一個新的平衡值，那么電極表面的感應(yīng)電荷也變化到新的平衡值，不再“釋放”電荷，也就不再輸出信號。因此，熱釋電探測器與其它的探測器不同，它只有在溫度升降的過程中才有信號輸出。所以利用熱釋電探測器探測的紅外輻射必須要經(jīng)過調(diào)制。如果用頻率為f的紅外信號照射熱釋電晶體，則晶體的溫度，自發(fā)極化強(qiáng)度及其引起的面束縛電荷

34、均以頻率f作周期變化。如果1/f小于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時間，那么在垂直于的晶體的兩個端面之間就會產(chǎn)生開路電壓。如果用負(fù)載電阻把兩個電極連接起來，就會有熱釋電電流通過負(fù)載。熱釋電晶體自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變化，使電極表面感應(yīng)電荷發(fā)生變化，其電路連接和等效電路如圖3-7所示：圖3-7熱釋電探測器的等效電路電流源的電流強(qiáng)度為 (3-6)式中為熱釋電系數(shù)；a為光敏面的面積11。在上的輸出電壓為 (3-7)式中r為熱電偶的內(nèi)阻，為負(fù)載電阻，溫差電動勢率。為接點溫差，在該系統(tǒng)中，輸出電壓約為80mv左右。3.2.2 光學(xué)系統(tǒng)與光電轉(zhuǎn)換組合 為了減少雜散光對系統(tǒng)的影響，從而減少誤差，在透鏡和光電轉(zhuǎn)換

35、直接安裝孔徑光闌?？讖焦怅@位于聚光鏡的下方，被用來控制分辨率、對比度（也稱為反差、襯度、稱比）、景深等要素。這些要素之間是相互關(guān)聯(lián)的，它們不能各自獨立地進(jìn)行調(diào)控?？讖酱笮∨c相關(guān)要素的關(guān)系如表3-2所示。表3-2 孔徑大小與各要素的關(guān)系分辨率對比度景深光亮度孔徑光闌全開高高淺亮孔徑光闌關(guān)小低高深暗孔徑光闌安裝在焦距前方10mm處，以消除雜散光的影響。由下面的公式 （3-7）可計算出孔徑d約等于5 mm。在上式中是透鏡的通光孔徑，v是等于40mm，a是孔徑光闌到探測器的距離。再加上紅外濾光片機(jī)驅(qū)動的調(diào)制盤，整個光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換部分的結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。圖3-8 光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換部分結(jié)構(gòu)3.3

36、紅外信號的調(diào)制調(diào)制實質(zhì)上是指對所需處理的信號或被傳輸?shù)男畔⒆瞿撤N形式上的變換，使之便于處理或傳輸。對于紅外系統(tǒng)，當(dāng)被測物體溫度一定時，由目標(biāo)所發(fā)射的輻射通量總是恒定的，位于一定距離處的紅外系統(tǒng)所接收到的輻射通量也是恒定的。為了探測目標(biāo)，需要對目標(biāo)輻射能進(jìn)行調(diào)制，即把紅外系統(tǒng)接收到的恒定輻射能轉(zhuǎn)換成隨時間變化的斷續(xù)的輻射能，以便熱釋電紅外探測器接收以及后續(xù)電路的處理。3.4 信號的放大和濾波熱釋電探測器接收到紅外輻射能量后，轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔兠}沖電信號。這種電信號是十分微弱的，通常只有幾毫伏至幾十毫伏。對這種微弱的電信號，既無法直接顯示，又很難做進(jìn)一步的分析處理。因此，要將信號進(jìn)行數(shù)字化的處理，則須把信

37、號放大到數(shù)伏量級才能被一般的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所接受。另外，由于信號中不可避免地包含有各種噪聲，所以必須要對探測器檢測到的信號進(jìn)行濾波，以使有用頻率信號通過而同時抑制（或大為衰減）無用頻率信號。以往這種濾波器主要采用無源元件r、l和c組成，六十年代以來，集成運算放大電路獲得了迅速發(fā)展，由它和r、c組成的有源濾波器，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。此外，由于集成運算放大電路的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又低，構(gòu)成有源濾波器后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。3.4.1 有源濾波器3.4.1.1 工作頻率的確定 555定時器產(chǎn)生頻率為100hz的時鐘信號,而時鐘信號的每一個上跳沿都會驅(qū)動步進(jìn)電

38、機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)18,每20個時鐘脈沖就會使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周。根據(jù)斬波器的形狀特點，步進(jìn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，都會使熱釋電探測器接收到的紅外信號變化四次。因此可以計算出紅外測溫儀的工作頻率為20hz。3.4.1.2 集成運算放大器的選擇 lm358是一種超低失調(diào)的集成運算放大器。其共模輸入阻抗可達(dá)200m，輸出阻抗僅為60?？蓮V泛應(yīng)用于精密儀用放大器、傳感放大器、橋式放大器、熱偶放大器、精密測試系統(tǒng)、醫(yī)療器械設(shè)備、自動控制系統(tǒng)、波形發(fā)生與變換電路等領(lǐng)域。lm358的具體參數(shù)如表3-3所示表3-3 lm358的功能參數(shù)參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值輸入失調(diào)電壓0.06mv輸入失調(diào)電流0.8na轉(zhuǎn)換速率0.

39、17v/us輸入偏置電流2na最大輸出電壓13v電源電壓范圍22v開環(huán)增益104db共模抑制比110db電源電壓抑制比104db靜態(tài)功耗4mw輸入電阻3.1*107失調(diào)電壓溫度系數(shù)0.7uv/c開環(huán)帶寬0.6hz噪聲電壓0.25v/hz最大差模輸入電壓30v3.4.2 信號的放大和整形3.4.2.1 增益放大電路 課題中采用的放大電路如圖3-9所示課題中采用兩級相同的放大電路，以消除直流信號的影響。同時，為了通過20hz的低頻信號，在電路中采用了22f的鉭電解電容。在放大電路中，對幅值為80mv，頻率為20hz的方波信號進(jìn)行仿真。單級增益為 （3-8）式中；從而單級增益。雙級增益。電路的仿真結(jié)

40、果如圖3-9所示。圖3-10 仿真結(jié)果圖3-9 放大整波電路3.4.2.2 施密特觸發(fā)的設(shè)計 為有效地對有用信號和隨機(jī)噪聲、外來干擾信號進(jìn)行分離，降低其誤觸發(fā)概率，將低通放大器輸出的動態(tài)模擬信號加至施密特觸發(fā)電路。該觸發(fā)器設(shè)置一門限電平，通常取輸入靜態(tài)噪聲信號的4-5倍。當(dāng)有用的動態(tài)信號大于此門限電平時，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平整形脈沖。則施密特觸發(fā)電路連接如圖3-11所示。圖3-11 施密特觸發(fā)電路電路3.5 電源電路的設(shè)計單片機(jī)等器件的工作離不開直流電源，并且設(shè)計當(dāng)中所用的電源均為5v，因此系統(tǒng)中很有必要設(shè)計一款簡單實用的直流穩(wěn)壓電源作為供電電源。因為采用數(shù)字集成電路，速度快、效率高，所以整

41、機(jī)的功耗都不大。電源部分設(shè)計如圖3-12所示。圖3-12 電源電路圖3.6 單片機(jī)80513.6.1 8051基本結(jié)構(gòu) 8051方框圖如圖3-13。其中包括：8位cpu；振蕩器和時鐘電路；4k字節(jié)的程序存儲器（rom）；128k字節(jié)ram的數(shù)據(jù)存儲器，可以尋址外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器（各64k字節(jié)）；21個特殊功能寄存器；4個8位并行i/o口；1個全雙i串行口；2個16位定時/計數(shù)器；5個中斷源，提供2個中斷優(yōu)先級，可實現(xiàn)二級中斷服務(wù)程序嵌套。可逐位訪問，適于進(jìn)行布爾運算。圖3-13 8051方框圖3.6.2 8051引腳功能介紹 首先我們來連接一下單片機(jī)的引腳圖，具體功能在下面都有介紹。單

42、片機(jī)的40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘、控制和i/o引腳，引腳圖如圖3-14所示。1. 電源：1 vcc（40腳）-芯片電源，接+5v；2 vss（20腳）-接地端；2. 時鐘：xtal1（19腳）、xtal2（18腳）-晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時，19腳接地，18腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，電路中的電容c1、c2可在20pf-100pf之間選擇，此處取20pf，時鐘電路如圖3-16。3. 控制線：控制線共有4根。1 ale/prog（30腳）:地址鎖存允許/片內(nèi)eprom編程脈沖 ale功能：用來鎖存p0口送出的低8位地址 p

43、rog功能：片內(nèi)有eprom的芯片，在eprom編程期間，此引腳輸入編程脈沖。2 psen（29腳）：外rom讀選通信號。3 rst/vpd（9腳）：復(fù)位/備用電源，復(fù)位電路如圖3-15所示。 圖3-14 8051引腳圖 圖3-15 復(fù)位電路 圖3-16 時鐘電路 rst（reset）功能：復(fù)位信號輸入端。 vpd功能：在vcc掉電情況下，接備用電源。4 ea/vpp：內(nèi)外rom選擇/片內(nèi)eprom編程電源。 ea功能：內(nèi)外rom選擇端。 vpp功能：片內(nèi)有eprom的芯片，在eprom編程期間，施加編程電源vpp。4. i/o線：8051共有4個8位并行i/o端口：p0、p1、p2、p3口，

44、共32個引腳。p3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）接線圖如圖3-17。圖3-17 8051接線圖3.7 模數(shù)轉(zhuǎn)換tlc2543是ti公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成a/d轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)i/o資源；且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。主要功能特性如下：(1)12位分辨率a/d轉(zhuǎn)換器；(2)在工作溫度范圍內(nèi)10us轉(zhuǎn)換時間；(3)11個模擬輸入通道；(4)3路內(nèi)置自測試方式；(5)采樣率為66kbps；(6)線性誤差1lsbmax；(7)有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出eoc；(8)具有單、雙極性輸出；

45、(9)可編程的msb或lsb前導(dǎo)；(10)可編程輸出數(shù)據(jù)長度。圖3-19 tlc2543 引腳圖tlc2543除了具有高速的轉(zhuǎn)換速度外，片內(nèi)還集成了14路多路開關(guān)。其中11路為外部模擬量輸入，3路為片內(nèi)自測電壓輸入。tlc2543的引腳功能介紹，其引腳圖如3-19所示。引腳功能如表3-4所示。表3-4 tlc2543 引腳功能引腳號名稱i/o說明19，11,12ain0ain10i模擬量輸入端。11路輸入信號由內(nèi)部多路器選通。對于4.1mhz的i/oclock，驅(qū)動源阻抗必須小于或等于50，而且用60pf電容來限制模擬輸入電壓的斜率15i片選端。在端由高變低時，內(nèi)部計數(shù)器復(fù)位。由低變高時，在設(shè)

46、定時間內(nèi)禁止data input和i/o clock17data inputi串行數(shù)據(jù)輸入端。由4位的串行地址輸入來選擇模擬量輸入通道16data outoa/d轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端。為高時處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，為低時處于激活狀態(tài)19eoco轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的i/oclock下降沿之后，eoc從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸為止10gndo地，gnd是內(nèi)部電路的地回路端。除另有說明外，所有電壓測量都相對gnd而言18i/oclocki輸入/輸出時鐘端。i/oclock接收串行輸入信號并完成以下四個功能：（1）在i/oclock的前8個上升沿，8位輸入數(shù)據(jù)存入輸入數(shù)據(jù)寄存器。（2

47、）在i/oclock的第4個下降沿，被選通的模擬輸入電壓開始向電容器充電，直到i/oclock的最后一個下降沿為止。（3）將前一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的其余11位輸出到data out端，在i/oclock的下降沿時數(shù)據(jù)開始變化。（4）i/oclock的最后一個下降沿，將轉(zhuǎn)換的控制信號傳送到內(nèi)部狀態(tài)控制位14ref+i正基準(zhǔn)電壓端?；鶞?zhǔn)電壓的正端（通常為vcc）被加到ref+，最大的輸入電壓范圍由加于本端與ref-端的電壓差決定13ref-i負(fù)基準(zhǔn)電壓端。基準(zhǔn)電壓的低端（通常為地）被加到ref-20vcco電源由于溫度檢測點為9點，在此系統(tǒng)中選擇模擬量輸入端為ain0ain8，該9個引腳與9路模擬信號相連

48、進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。tlc2543的i/o時鐘、數(shù)據(jù)輸入、片選由并行雙向i/o口1的引腳p1.0、p1.1、p1.3提供。tlc2543的轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)通過口1的p1.2腳接收，通道選擇和方式數(shù)據(jù)通過口3輸入到微控制器。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，eoc引腳變?yōu)楦唠娖?，轉(zhuǎn)換過程中由片內(nèi)時鐘系統(tǒng)提供時鐘，無需外部時鐘。在a/d轉(zhuǎn)換器空閑期間，可以通過編程方式進(jìn)入斷電模式，此時器件耗電只有25pa。tlc2543與單片機(jī)之間只用4根線，轉(zhuǎn)換結(jié)束eoc不用接入單片機(jī)，這是基于兩個工作周期之間的單片機(jī)指令一般大于10，轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，不必判斷eoc。其轉(zhuǎn)換原理如下：上電后，片選必須從高到低，才能開始一次工作周期，此時eoc

49、為高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為0，輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是隨機(jī)的。開始時，片選為高，i/oclock、data input被禁止，data out呈高阻狀態(tài)，eoc為高。使變低，i/oclock、data input使能，data out脫離高阻狀態(tài)。12個時鐘信號從i/oclock端依次加入，隨著時鐘信號的加入，控制字從data input一位一位地在時鐘信號的上升沿時被送入tlc2543(高位先送入)，同時上一周期轉(zhuǎn)換的a/d數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從data out一位一位地移出。tlc2543收到第4個時鐘信號后，通道號也已收到，因此，此時tlc2543開始對選定通道的模擬量進(jìn)行采樣，

50、并保持到第12個時鐘的下降沿。在第12個時鐘下降沿，eoc變低，開始對本次采樣的模擬量進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間約需10，轉(zhuǎn)換完成eoc變高，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個工作周期輸出。此后，可以開始新的工作周期。其接線圖如圖3-20所示。圖3-20 tlc2543 接線圖3.8 外部擴(kuò)展81558155芯片內(nèi)包含有256字節(jié)ram，2個8位、1個6位的可編程并行i/o口，和1個14位定時器/計數(shù)器。由于8155既具有ram又具有i/o口，因而是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一。3.8.1 引腳說明 8155共40個引腳，采用了雙列直插的封裝，8155引腳與邏輯如圖3-21所示：ad

51、7ad0：地址數(shù)據(jù)總線；單片機(jī)和8155之間的地址、數(shù)據(jù)、命令、狀態(tài)信息都是通過它來傳送的。ce：片選信號線，低電平有效。rd：存儲器讀信號線，低電平有效。wr：存儲器寫信號線，低電平有效。ale：地址及片選信號鎖存信號線，高電平有效。在下降沿時將地址及片選信號鎖存到器件中。io/m：io接口與存儲器選擇信號線，高電平選擇i/o，低電平選擇存儲器。pa7pa0：a口輸出/輸入線。pb7pb0：b口輸出/輸入線。pc5pc0：c口輸出/輸入或控制信號線，用作控制信號時其功能如下：pc0：a intr（a口中斷信號線）pc1：a bf（a口緩沖器滿信號線）圖3-21 8155引腳圖表3-3 地址與

52、寄存器映射ad7ad0寄存器a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0 0 0 0命令/狀態(tài)寄存器（命令狀態(tài)口） 0 0 1a口（pa7pa0） 0 1 0b口（pb7pb0） 1 0 0c口（pc7pc0） 1 0 0定時器低8位 1 0 1定時器高6位和2位計數(shù)器方式位pc2：a stb（a口選通線）pc3：b intr（b口中斷信號線）pc4：b bf（b口緩沖器滿信號線）pc5：b stb（b口選通線）timer in：定時器/計數(shù)器輸入端；timer out：定時器/計數(shù)器輸出端；reset：復(fù)位信號線。當(dāng)io/m=0（低電平時），表示ad7ad0輸入的是存儲器地址，尋址范圍為00ffh；當(dāng)io/m=1（高電