带距离补偿的红外辐射温度传感器电路设计与调试

1、常州刘国钧高等职业技术学校毕业论文编号 论文名称 带距离补偿的红外辐射温度传感器电路设计与调试系 部 机电工程系 专 业 机电一体化 班 级 0961 姓 名 闫瑞阳 学 号 15 指导教师 盛希宁 2014年 05 月 04 日摘 要 温度检测是现代工业的命脉，测量温度的方法可以分为接触式和非接触式测温。传统的接触式测温仪因其响应速度慢，测温时间长等缺点，在某些应用领域逐渐被红外非接触测温系统代替。目前，红外测温系统是最主要的非接触测温方式之一，其响应速度快、测量范围宽、灵敏度高等优点，被广泛应用于各行各业。但由于红外测温仪的测量精度很容易受到环境温度，测量距离等外界因素的影响，导致其测量误

2、差增大，因此，减少外界因素对红外测温仪的测量精度影响是具有十分重要的意义。 本课题主要是以降低距离因素以及环境温度因素对红外测温仪测量精度的影响为目的，阐述了红外测温原理及方法，详细的描述了ATmega16单片机、红外测温硬件的系统结构以及硬件的设计与调试，并且主要针对距离因素对红外测温的影响做了相关实验，通过三种成品化的红外测温仪以及本课题中所设计的红外测温系统测量数据分析对比，具有距离补偿以及精确的环境温度补偿的红外测温系统有效的降低了距离、环境温度的外界因素影响，具有低功耗、响应速度快、灵敏度高、准确性高等优点，能够适用于不同环境温度下、测量距离偏长的应用场合。关键词：距离补偿、红外辐射

3、、温度传感器、测温目 录第一章红外辐射测温原理11.1红外辐射的理论基础11.2影响红外辐射的因素2第二章红外辐射测温方法与红外测温仪的结构组成32.1红外测温的方法32.2红外测温仪的结构组成3第三章距离因素对红外辐射测温仪的影响53.1DT-811红外辐射测温仪的温度测量值53.2GM300红外辐射测温仪的温度测量值63.3AR320红外辐射测温仪的温度测量值7第四章带距离补偿的红外辐射测温硬件电路设计94.1硬件总体设计94.2OTP-538U传感器的工作原理和性能94.3目标温度的电信号处理电路114.4超声波测距电路134.5数字化处理及显示电路14第五章电路标定与调试165.1固定

4、测量距离（3cm），改变被测目标温度时，红外辐射测温系统测量结果165.2固定被测目标温度（40），改变测量距离时，红外辐射测温系统测量结果165.3固定被测目标温度（40），补偿测量距离，红外辐射测温系统的测量结果17总 结19致谢辞20参考文献21第一章 红外辐射测温原理1.1 红外辐射的理论基础任何物质(体)，其内部的带电粒子都是处于不断的运动状态的。当物体具有一定的温度，即物体温度高于热力学温度0 K时(摄氏温度-273时)，它就会不断地向周围进行电磁辐射。物体在常温下，发射红外线；当温度升高至500左右，便开始发射部分暗红的可见光；当温度继续升高，物体会向外辐射可见光，且随着温度的升

5、高其波长会变短。红外线是位于可见光中红色光外的一种光线，是一种人眼看不见的光线。但这种光和其他任何光一样，也是一种客观存在的物质。红外线与可见光、紫外线、X射线、射线和微波等无线电磁波一起构成了一个无限连续的电磁波谱。在光谱中的位置如图1-1所示。图1-1 光谱分布红外辐射的物理本质是热辐射。热辐射的程度主要由物体的温度所决定。温度越高，辐射出的红外线越多，红外辐射的能量越强。科学研究表明，太阳光谱各种单色光的热效应，从紫色光到红色光的热效应是逐渐增大的，且最大的热效应出现在红外辐射的频谱范围内。因而，有人又将红外辐射称为热辐射或者是热射线。试验表明，波长在(0.11000)m范围内的电磁波被

6、物体吸收时，可以显著地将电磁能转变为热能。红外辐射与其它辐射一样，能在其射程范围内被物体吸收并转换为热能。即使在高度真空里，通过热辐射也能进行能量的传递。红外辐射和可见光、无线电磁波一样，是以波的形式在空间(同一介质)进行直线传播的，并遵循逆二次方定律，也能反射、折射、散射、干涉和偏振。它在真空中传播的速度等于光在真空中的传播速度。即c=*，及=1/ 式中,红外辐射的波长(cm)；红外辐射的频率(Hz)；红外辐射在真空中1cm的长度内所包含的波长个数；C光在真空中的传播速度,c3.0×1010cm/s。热辐射的另一个特点是辐射光谱呈连续性，在电磁波谱中由于不同波谱的波长相差很大。红外

7、辐射和电磁波传播一样也存在被传输介质吸收和散射等现象，使辐射能在传输过程中会逐渐衰减。1.2 影响红外辐射的因素影响物体红外辐射的主要因素有大气的衰减及物体不同的辐射率。一般来说，大气对可见光是透射性能良好的媒质，但对不同波长的红外辐射却产生不同程度的衰减。造成辐射衰减的主要原因是大气中H2O、CO2、03、CO和 CH4等气体的选择性吸收，以及大气中悬浮的各种微粒的散射所致。在接近地面的空气中，对红外线的衰减起主要作用的是水蒸气和CO2，大气对红外线的吸收情况见图1-2。图1-2 大气对红外线的吸收由图1-2可以看出，在(015)m波长范围内，大致有三个红外波段在大气中透射较好，通常称这些波

8、段为大气窗口,它们分别为0m3m、3m5m、8m14m。利用这三个透明窗口，即使没有一丝可见光线或雾气较重，同样能观测到清晰的红外图像。远红外受散射的影响较小，相对近红外线更适合全天候和远距离传播，从而避免天气状况引起的测量误差。第二章 红外辐射测温方法与红外测温仪的结构组成22.1 红外测温的方法温度检测是现代工业的命脉，测量温度的方法可以分为接触式和非接触式测温。传统温度测量以接触方式为主，主要以热敏电阻、热电偶、半导体传感器测温为主要手段。传统的接触式测温由于其反应速度慢、测温时间长、影响物体的温度场等缺点使其应用范围受到限制。目前，非接触式测温方式主要以红外测温为主，红外测温主要有以下

9、几种方法：（1）全辐射测温法、（2）亮度测温法、（3）双波段测温法、（4）多波段测温法、（5）最大波长测温法。本课题研究的是非接触常温测量，此测温方法适用于工业现场的常低温非接触动态测温场合，即当温度接近于常温，且物体为动态的场合。通过对比以上各种红外测温法的优缺点,本课题选择全辐射测温法。2.2 红外测温仪的结构组成红外测温仪包含以下几个部分:光学系统(用于接收红外辐射)和探测器(感知光线)、处理信息器(处理光线所携带的信息)、扫描设备、显示设备等装置。见图2-1。图2-1 典型红外测温系统框图（1） 红外光学系统：红外测温仪的光学系统就是红外辐射的接收系统，它是红外探测器的窗口。光学系统的

10、主要功能是收集被测目标发射的红外辐射能量，进而把它们汇聚到红外探测器的光敏面上。为了尽可能多地接收目标的红外辐射量，要求光学系统有较大的相对光学孔径。光学系统决定了红外测温仪的视场大小。（2） 红外探测器：红外探测器是红外测温仪的核心部分，它的功能是将被测目标的红外辐射能量转变为电信号。红外探测器对红外测温仪的性能起着关键的作用。热电堆式探测器的工作波长为 225m，测温范围大于50，响应时间约为 0.1s，稳定性比较高。（3） 信号处理系统：对于不同类型、不同测温范围、不同用途的红外测温仪，由于红外探测器种类的不同、设计原理的不同，其信号处理系统也就不同，但信号处理系统要完成的主要功能是相同

11、的，即放大、抑制噪声、线性化处理、发射率修正、环境温度补偿、A/D 和 D/A 转换以及要求输出信号等。（4） 显示系统：红外测温仪的显示系统用于显示被测目标温度值，初期多为表头显示，目前显示器件多采用发光二极管、数码管和液晶等数字显示。数字显示不仅直观，而且精度高。为了便于记录和储存，不少红外测温仪还配备了记录装置或输出打印设备。（5） 附件：红外测温仪的附属部分除电源外，瞄准装置也是一个比较重要的附件。当被测目标距离较远时，为便于把测温仪对准被测部位，需要配备瞄准装置，常用的瞄准装置有目镜、可见光瞄准器和激光瞄准器。本文主要研究内容为：信号处理系统与显示系统，以及如何克服测量距离对测量结果

12、的影响。第三章 距离因素对红外辐射测温仪的影响为了实际验证测量距离因素对实际测量结果值的影响情况，特设计以下实验方案：在无风的室内环境内，环境温度为25，被测目标温度为 40，测量距离范围在1cm10cm的条件下分别用三种成品化的红外辐射测温仪测量被测目标温度值， 并进行数据记录及整理，最后分析测量因素对红外辐射测温仪的影响结果。33.1 DT-811红外辐射测温仪的温度测量值如表3-1及图3-1所示表 3-1 DT-811红外辐射测温仪的温度测量值测量距离（cm）实际测量温度（）测量距离（cm）实际测量温度（）142.32638.90240.85738.22340.61837.53440.2

13、3936.74539.571036.19图3-1 测量距离与实际测量温度的曲线图根据以上数据可得：当红外辐射测温仪距离被测目标小于1cm时，被测目标辐射的热量干扰红外辐射测温仪的环境温度补偿部分，使得实际测量温度误差增大。当红外辐射测温仪距离被测目标在25cm时，实际测量温度与被测目标实际温度值接近。当两者之间的距离大于5cm时，实际测量温度误差与测量距离成正比。距离因素对此红外辐射测温仪的测量准确性造成了很大的影响。3.2 GM300红外辐射测温仪的温度测量值如表3-2及图3-2所示表 3-2 GM300红外辐射测温仪的温度测量值测量距离（cm）实际测量温度（）测量距离（cm）实际测量温度（

14、）143.35640.23242.84739.78342.12839.03441.59938.56540.681037.83图3-2 测量距离与实际测量温度的曲线图根据以上数据可得：当红外辐射测温仪距离被测目标小于4cm时，被测目标辐射的热量干扰红外辐射测温仪的环境温度补偿部分，使得实际测量温度误差增大。当红外辐射测温仪距离被测目标在57cm时，实际测量温度与被测目标实际温度值接近。当两者之间的距离大于7cm时，实际测量温度误差与测量距离成正比。距离因素对此红外辐射测温仪的测量准确性造成了很大的影响。3.3 AR320红外辐射测温仪的温度测量值如表3-3及图3-3所示表 3-3 AR320红外

15、辐射测温仪的温度测量值测量距离（cm）实际测量温度（）测量距离（cm）实际测量温度（）141.15639.21240.38738.83340.26838.26439.92937.53539.551036.81图3-3 测量距离与实际测量温度的曲线图根据以上数据可得：当红外辐射测温仪距离被测目标小于1cm时，被测目标辐射的热量干扰红外辐射测温仪的环境温度补偿部分，使得实际测量温度误差增大。当红外辐射测温仪距离被测目标在25cm时，实际测量温度与被测目标实际温度值接近。当两者之间的距离大于5cm时，实际测量温度误差与测量距离成正比。距离因素对此红外辐射测温仪的测量准确性造成了很大的影响。结论：在红

16、外测温时，传感器应与被测目标距离适中。红外传感器与被测目标的距离太远时，红外传感器采集不到足够的红外辐射，会造成测温仪读数与实际数值偏差。红外传感器与被测目标的距离太近时，红外非接触传感器会受到被测物体的热量干扰，也会造成测温仪读数与实际数值偏差。因此设计出带距离补偿的红外辐射测温电路，基于超声波测距系统，测量红外传感器与被测目标之间的距离，降低距离因素对红外辐射测温仪的影响。第四章 带距离补偿的红外辐射测温硬件电路设计44.1 硬件总体设计硬件设计是非接触红外测温系统的基础，考虑到硬件电路设计的要求和嵌入式系统小型化、低功耗的要求。本章围绕这两个方面对非接触红外测温系统的硬件设计进行详细说明

17、。人体红外测温系统依据红外辐射原理进行温度测量，主要由高精度非接触式的红外热电堆传感器、差分放大单元、环境温度补偿单元、参考电位抬升单元、超声波传感器、主控 CPU单元和其他外围部分组成，其系统框图如图4-1所示。红外非接触式传感器通过差分放大电路将测量目标的红外辐射信号进行放大，同时经过环境温度补偿单元对红外传感器的红外辐射输出信号进行补偿及修正后，输入到主控 CPU单元的AD转换I/O口。超声波传感器利用超声波在空气中传播遇障碍物反射的原理，测量红外传感器与测量目标的距离。传感器信号经主控 CPU 单元运算后，在数码管上显示出人体温度读数，并伴随蜂鸣器响。当环境温度在050变化时，由于红外

18、传感器的特性，输出电压为负值，通过参考电位抬升单元，使得输出信号电压大于OV，避免了使用双电源的烦恼。图4-1 红外辐射测温系统框图4.2 OTP-538U传感器的工作原理和性能 此红外线热电堆传感器由116个热电偶串联组合而成，且传感器封盖有一光学带通滤波器，使传感器能在5-14m的波长范围进行温度感测。因此，温度不同时入射的红外线也不同，便能在各热电偶接点产生不同的热电效应，而得到不同的电压，再经过许多热电偶的串联而输出相当的电压，代表温度的大小。如此便能倚靠红外线的辐射得知温度高低而不必与待测系统接触，其操作温度范围为-20 100 。但由于电压值是由目标物温度及热电堆晶粒所在环境温度共

19、同决定，于是此组件封装除了热电堆晶粒外，还有一热敏电阻，用来监视IR sensor内部温度。在此亦称之为测量时的环境温度，可对温度进行补偿使用。其封装结构如图4-2所示，背面接脚图如图4-3所示。各引脚功能如下：Pin1：热电堆热端输出讯号、Pin2：热敏电阻输出讯号、Pin3：热电堆冷端输出讯号、Pin4：热敏电阻接地端点。 图4-2 非接触红外测温传感器结构图 图4-3 背面接线图非接触式红外测温传感器的特性如表4-1所示表 4-1 传感器特性参数非接触式红外测温传感器输出电压与温度的曲线图如图4-4所示图4-4 传感器输出电压与温度的曲线图4.3 目标温度的电信号处理电路44.3.14.

20、3.212344.14.24.34.3.1 温度传感器输出讯号放大电路设计 热电堆的输出温差信号在环境温度25下测量待测物温度从0 100，其输出信号为-0.8mV3.7mV，为了方便后续电路的信号处理以及补偿电路信号作补偿，因此需将此信号作1000倍的放大。也由于热电堆的输出温差信号非常微小，在放大器的选择上我们选用低漂移的OP07放大器，减少输出信号的失调电压。热电堆的输出电压为温差信号，先将热电堆的热端接脚与冷端接脚通过差动放大器放大10倍的温差信号，再将此信号经由一个放大倍数为100倍的同相放大器，通过放大器的分级放大设计，可将热电堆的输出信号放大1000倍。将放大1000倍后的信号经

21、电压跟随器降低负载效应，再以增益为1的差动放大器与补偿电路信号作温度补偿。为了解决使用双电源的烦恼，增加了参考电位抬升单元。电路图如图4-5所示。图4-5 温度传感器输出讯号放大电路设计4.3.2 环境温度补偿电路 传感器在环境温度0，目标温度0 50下的电压输出曲线为0mV 1.8mV。但由于热电堆传感器的冷端接点易受环境温度的影响，而造成输出信号的漂移，如图4-6所示，由此可得知当环境温度改变时，传感器的输出信号就会跟着改变，所以在设计上必须将环境温度所造成的信号变动补偿回环境温度为0 的电压输出曲线，以利后续作信号处理的部份。图4-6 传感器输出电压与环境温度的关系OTP-538U温度传

22、感器内部设置的热敏电阻，为一负温度系数的热敏电阻，它的温度与阻值的关系并非线性，如图4-7所示，如果直接经惠斯同电桥处理，其输出电压值并非线性，所以需要将热敏电阻做线性化处理。本文在非线性方面采用多重线性修正，先将热敏电阻并联一个电阻以达到非线性修正的目的，再配合惠斯同电桥的设计做第二次线性修正并做电阻对电压的转换，就能把非线性的输出电压，转成线性的输出电压。红外辐射测温仪环境温度补偿电路如图4-8所示。图4-7 热敏电阻阻值与温度的关系图4-8 环境温度补偿电路4.4 超声波测距电路该电路基于渡越时间法原理，采用超声波传感器 TCT40-60T/R 测量红外传感器与人体之间的距离，其测距电路

23、图主要由发射电路和接收电路两部分组成，如图4-9所示。超声波测距发射电路主要由反相器74HC04和超声波发射传感器TCT40-60T构成。主控单元的超声波发送端口OC1产生40KHz的方波信号，一路经一级反相器送到超声波发射传感器的一个电极，另一路经两级反相器送到超声波发射传感器的另一个电极，用这种推挽方式将方波信号加到超声波发射传感器两端，提高超声波的发射强度。输出端采用两个反相器并联，以提高驱动能力。上拉电阻 R4、R5，一方面提高反相器74HC04 输出高电平的驱动能力，另一方面增加超声波发射传感器的阻尼效果，缩短其自由震荡的时间。超声波接收电路主要由集成接收电路 CX20106A 和超

24、声波接收传感器TCT40-60R 构成。集成接收电路CX20106A 是一款红外线检波接收专用芯片，主要由前置放大、自动偏压控制、限幅放大、峰值检波和整形电路组成，常用于电视机红外遥控接收器。由于红外遥控常用的载波频率 38KHz 与超声波频率 40KHz 接近，利用CX20106A 制作超声波检测接收电路。超声波接收传感器 TCT40-60R 接收到反射的超声波信号转换成电信号，通过集成接收电路 CX20106A 放大、整形后输出下降沿脉冲到主控单元的外部中断端口INT0。图4-9 超声波测距电路4.5 数字化处理及显示电路 本数字化处理及显示系统主要由Atmega8单片机、蜂鸣器及驱动电路

25、、数码管及驱动电路等部分组成，如图4-10所示。44.3.34.3.44.3.512344.14.24.34.44.54.5.1 Atmega8单片机简介 ATmega8是增强的AVR  RISC结构的CMOS微控制器，具有高速度、低功耗、片内资源丰富、电源抗干扰能力强等优点。ATmega8具有32个通用工作寄存器及丰富的指令集，带有硬件乘法器以及8K的FLASH和1K的SRAM，还带有8路10位ADC以及三通道的PWM输出，支持ISP功能，可以很方便地对器件进行在线编程及修改。4.5.2 Atmega8单片机实现ADC转换 ATmega8单片机具有8路10位ADC转换通道，可以实现

26、精确的红外非接触测温系统的电压信号转换。为了减少周围元器件的数量，基准电压源AREF采用与AVCC连接,引脚外加LC滤波电路。红外非接触测温系统的电信号与ADC0（PC0）通道连接，通过Atmega8单片机的内部运算，被测物体实际测量温度值在四位数码管上显示，显示分辨率为0.01。图4-10 数字化处理及显示电路第五章 电路标定与调试55.1 固定测量距离（3cm），改变被测目标温度时，红外辐射测温系统测量结果如表5-1以及图5-1所示表 5-1 被测目标温度与实际测量温度的值被测目标温度（）实际测量温度（）被测目标温度（）实际测量温度（）3029.125555.813534.976060.7

27、94040.106566.214544.757071.635050.257576.88图5-1 被测目标温度与实际测量温度值的曲线图根据以上数据可得：此设计的红外辐射测温电路测量低于60的物体时，实际温度测量值与被测目标温度值偏差较小，当大于60时，实际测量值有1.5以上的偏差。5.2 固定被测目标温度（40），改变测量距离时，红外辐射测温系统测量结果如表5-2以及图5-2所示表 5-2 被测目标距离与实际测量温度的值测量距离（cm）实际测量温度（）测量距离（cm）实际测量温度（）140.15636.27239.81735.40339.76834.21438.45933.11537.65103

28、2.08图5-2 测量距离与实际测量温度的曲线图根据以上数据可得：当红外辐射测温仪距离被测目标在13cm时，实际测量温度与被测目标实际温度值接近。当两者之间的距离大于3cm时，实际测量温度误差与测量距离成正比。5.3 固定被测目标温度（40），补偿测量距离，红外辐射测温系统的测量结果如表5-3以及图5-3所示表 5-3 被测目标距离与实际测量温度的值测量距离（cm）实际测量温度（）测量距离（cm）实际测量温度（）140.89639.96240.12739.9340.08839.97439.91939.93540.081039.89图5-3 测量距离与实际测量温度的曲线图根据以上数据可得：当红外辐射测温仪距离被测目标小于1cm时，由于被测目标辐射的热量干扰红外辐射测温仪的环境温度补偿部分，实际测量温度与被测目标实际温度值有0.89的测量偏差。当两者之间的距离在1cm10cm时，由于加上距离补偿，使得红外辐射测温电路的测量值基本与被测目标实际温度一致，降低了距离因素对红外辐射测温电路的影响，达到了正确测量被测物温度的目的。总 结本文基