红外无限传感系统.docx
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红外无限传感系统
目录
摘要3
Abstract4
第1章任务要求5
1.1课题概述5
1.1.1研究目标5
1.1.2研究内容5
1.2设计内容与要求6
1.3参数要求6
1.4特点6
第2章引言8
2.1研究背景8
2.1.1红外测温技术的发展历程8
2.1.2红外测温仪的实际应用9
2.1.3红外测温仪工作原理9
2.2工业红外测温研究意义10
第3章方案论证与设计12
3.1总体设计分析12
3.2方案的选择与设计12
3.2.1单片机控制单元选择12
3.2.2测温传感器选择14
3.2.3显示电路单元选择15
3.2.4蜂鸣器的有源与无源的选择15
3.2.5按键选择16
3.2.5电源电路选择16
3.3方案确定16
第4章硬件电路设计17
4.1系统结构整体设计17
4.2总体电路框图设计18
4.3.1传感器电路的设计18
4.3.2单片机最小系统电路的设计19
4.3.3按键设置电路的设计21
4.3.4报警电路的设计21
4.3.5显示电路的设计23
第5章软件设计25
5.1MLX90614红外测温传感器流程图25
5.2按键、报警流程图27
5.3显示流程图27
5.4主函数流程图29
第6章电路调试31
6.2调试步骤31
6.2.1硬件调试31
6.2.2软件调试31
6.2.3调试故障32
6.2.4调试结果32
第7章使用说明33
7.1仪器主要参数33
7.2.1.电源连接33
7.2.2.上下限温度值的设置33
7.2.3.测试方法33
7.2.4.温度值的读取33
7.3贮存与清洁34
7.4注意事项34
7.5测试疑难点34
第8章心得体会35
致谢36
参考文献37
附录38
附件一:
总原理图38
附件二:
PCB图39
附件三:
元件清单39
附件三:
元件清单40
附件四:
程序41
摘要
为了克服传统温度计测量温度的主要缺点——需要测量者与被测目标近距离接触和测量不方便。
在顾及仪器测量高精度前提下,以追求绿色科技为原则,本文研制了非接触式工业红外测温仪,实现了对工业中物体表面温度快速准确的测量。
首先根据红外测温原理,即通过红外测温传感器把采集到的光信号转换成电信号,其次再根据信号处理技术处理后送到单片机中,再根据单片机处理技术,进行了主要针对工业温度的测量的具体设计开发,开发大致包括整体方案,硬件电路,单片机程序。
在分析红外线传感器和信号处理能力的基础上,选择MLX90614ACA红外温度传感器和51单片机等器件设计出来的工业红外测温仪在环境温度-40—125℃之间对工业温度进行测量,其测量的误差为±1℃,提高了测量精度。
实现了一种误差较小的红外线工业测温仪的设计,并达到了预定的设计效果。
关键词:
红外测温;MLX90614ACA;AT89S51单片机;LCD1602
Abstract
Todecreasethelimitationoftraditionalmethodoftemperaturemeasuringsuchasclosecontactbetweenmeasurerandthetargetandinconveniencewhenmeasuring,wedevelopedanon-contacttypepiezoelectricinfraredthermometer,realizesfastandaccuratesurfacetemperaturemeasurements.
第1章任务要求
1.1课题概述
在当今这个科技发展迅速的时代,高新技术日新月异,红外测温作为一门新技术和新方法,它的出现是的发展结果。
近20年来,红外技术在军用和民用方面都发挥着重要的作用。
况且节能环保的红外技术更适合正处于工业蓬勃发展、提倡可持续发展道路、两型社会建设的现代中国。
本课题针对工业和时代发展的需求进行了非接触式工业红外测温仪的设计与研发。
1.1.1研究目标
随着电子技术的发展,当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积重量轻的方向发展。
在其推动下,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。
本论文设计的是一种基于红外线测温原理的便携式非接触式工业测温仪。
采用了非接触式红外传感器,这种传感器是接收物体表面所辐射出来的红外线。
当传感器瞄准物体时,它会自动接收物体的辐射出来的红外能量信号,然后在一系列的信号处理电路的作用下,将这个红外光学信号转化为电学数字信号,再传送给单片机,并通过单片机控制显示终端显示,达到非接触式测温的效果。
1.1.2研究内容
(1)针对传统测温仪的局限性展开研究
(2)针对人体红外测温仪的广泛应用展开研究
(3)研发一种具有一定智能化程度的工业红外测温仪,在进行工业测温时,物体温度超过预设范围温度值,装置就会启动报警提示功能。
此外在进行测量时,我们也可以通过按键来调节装置的测量范围,以满足工业生产需求。
(4)研究工业红外测温仪的显示,以便能较直观的获取到所测物体表面的温度。
(5)研究工业红外测温仪的按键控制,以便能满足各种工业场合的需求。
1.2设计内容与要求
内容:
a、系统集成方案设计
b、传感器的选择与信号采集模块的制作
c、单片机编程与信号处理模块的制作
d、显示模块的设计与制作
e、报警模块的设计与制作
f、按键设置模块的设计与制作
g、参考温度装置的设计与制作
h、实物的包装设计与制作
要求:
1)确定设计方案,绘制电路原理图。
2)设计印刷板电路。
3)试制本机(含外观设计)。
4)确定本机测试方案。
5)本课题组必须制作两组实物。
6)现场测试、写出测试报告
1.3参数要求
1)测量温度范围:
-70—380℃
2)测量的精度为:
1℃
3)工作环境温度范围:
-40~125℃
4)额定工作电压:
5.5V
5)正常工作电压:
5.0V
6)最小工作电压:
4.5V
7)额定工作电流:
2mA
8)正常工作电流:
1mA
9)额定编程电流:
2.5mA
3)测温响应时间:
1S
1.4特点
1.无需采取接触式,扩充了其使用范围。
2.采用LCD有多任务显示,性能比数码管可靠、先进,并增强了该使用产品的使用寿命,能即时、方便读取实时温度。
3.本产品选用的都是性能可靠、使用范围广、价格便宜的元件材料,适合用于众多环境下。
第2章引言
2.1研究背景
2.1.1红外测温技术的发展历程
自从1800年英国天文学家F·W·赫歇尔发现红外辐射至今,红外技术的发展经历了将近两个世纪。
从那时开始,红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展,但发展比较缓慢,直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。
当时,德国研制成硫化铅和几种红外透射材料,利用这些元、部件制成一些军用红外系统,如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统,机载轰炸机探测仪和火控系统等等。
其中有些达到实验室试验阶段,有些已小批量生产,但都未来得及实际使用。
此后,美国、英国、前苏联等国竞相发展。
特别是美国,大力研究红外技术在军事方面的应用。
目前,美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。
红外技术发展的先导是红外探测器的发展。
1800年,F·W·赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计,这是最原始的热敏型红外探测器。
1830年以后,相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。
在1940年以前,研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。
19世纪,科学家们使用热敏型红外探测器,认识了红外辐射的特性及其规律,证明了红外线与可见光具有相同的物理性质,遵守相同的规律。
它们都是电磁波之一,具有波动性,其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。
20世纪初开始,测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱,证明了红外技术在物质分析中的价值。
30年代,首次出现红外光谱代,以后,它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。
40年代初,光电型红外探测器问世,以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器,其性能优良、结构牢靠。
50年代,半导体物理学的迅速发展,使光电型红外探测器得到新的推动。
到60年初期,对于1~3、3~5和8~13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。
在同一时期内,固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展,使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。
在红外技术的发展中,需要特别指出的是:
60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展,很多重要的激光器件都在红外波段,其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术,使雷达和通信都可以在红外波段实现,并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。
在此之前,红外技术仅仅能探测非相干红外辐射,外差接收技术用于红外探测,使探测性能比功率探测高好几个数量级。
现代的红外测温技术已发展到可对有热变化表面进行扫描测温,确定其温度分布图像,迅速检测出隐藏的温差,这就是红外热像仪.红外热像仪最先应用于军事上,美国TI公司19“年研制出世界上第一台红外扫描侦察系统。
以后,红外热成像技术在西方国家陆续用于飞机、坦克、军舰和其他武器上,作为侦察目标的热瞄系统,大大提高了搜索、命中目标的能力。
另外,由于这类应用的需要,促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式,推动红外技术向更先进的方向发展。
2.1.2红外测温仪的实际应用
红外测温仪已被证实是检测和诊断工业设备故障的有效工具。
设备故障红外诊断最核心的问题,是要求准确地获得被测设备的温度分布或故障相关部位温度值与温升值。
这个温度信息不仅是判断设备有无故障的依据,也是判断故障属性、位置、严重程度的客观依据。
用红外测温仪,可节省大量开支。
2.1.3红外测温仪工作原理
自然界一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体,由于分子的热运动,都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波,其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。
红外辐射原理—辐射定律:
(2.1)
式中:
为辐射出射度数,
;
为斯蒂芬―波尔兹曼常数,
;
为物体的辐射率;
为物体的温度,单位
;
为物体周围的环境温度,单位
。
测量出所发射的
,就可得出温度。
利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度仪表。
这种测量不需要与被测对象接触,因此属于非接触式测量。
在不同的温度范围,对象发出的电磁波能量的波长分布不同,在常温(0~100℃)范围,能量主要集中在中红外和远红外波长。
用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪表,其具体的设计也不同。
根据式(2.1)的原理,仪表所测得的红外辐射为:
(2.2)
式中:
为光学常数,与仪表的具体设计结构有关;
为被测对象的辐射率;
为红外温度计的辐射率;
为被测对象的温度(K);
为红外温度计的温度(K);它由一个内置的温度检测元件测出。
辐射率
是一个用以表达物体发射电磁波能力的系数,数值由0至1.0。
所有真实的物体,包括人体各部位的表面,其
值都是某个低于1.0的数值。
通过对物体自身辐射红外能量的测量,便能准确地测定物体表面温度。
通过对物体辐射的红外能量的测量,便能准确地测定物体表面温度。
红外温度测量技术的最大优点是测试速度快,1秒以内可测试完毕。
红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。
2.2工业红外测温研究意义
在工业温度控制应用中,红外测温比起传统测温仪来它有以下现代应用意义。
第一,红外测温使用便捷。
红外测温仪可快速提供温度测量,在用热偶读取一个渗漏连接点的时间内,用红外测温仪几乎可以读取所有连接点的温度。
另外由于红外测温仪坚实、轻巧(都轻于10盎司),且不用时易于存放。
所以当你在工厂巡视和日常检验工作时都可携带。
第二,红外测温测量的数据精确。
红外测温仪的另一个先进之处是精确,通常精度都是1度以内。
这种性能在你做预防性维护时特别重要,如监视恶劣生产条件和将导致设备损坏或停机的特别事件时。
因为大多数的设备和工厂运转365天,停机等同于减少收入,要防止这样的损失,通过扫描所有现场电子设备-断路器、变压器、保险丝、开关、总线和配电盘以查找热点。
用红外测温仪,你甚至可快速探测操作温度的微小变化,在其萌芽之时就可将问题解决,减少因设备故障造成的开支和维修的范围。
第三,红外测温使用更安全!
安全是使用红外测温仪最重要的益处。
不同于接触测温仪,红外测温仪能够安全地读取难以接近的或不可到达的目标温度,你可以在仪器允许的范围内读取目标温度。
非接触温度测量还可在不安全的或接触测温较困难的区域进行,像蒸汽阀门或加热炉附近,他们不需在冒接触测温时一不留神就烧伤手指的风险。
高于头顶25英尺的供/回风口温度的精确测量就象在手边测量一样容易。
红外测温仪有激光瞄准,便于识别目标区域。
有了它你的工作变的轻松多了。
第四,红外测温更加节能环保。
红外测温以它快速精准的测温不仅提高了工业生产效率,而且更加环保节能。
红外测温给工业生产带来了极大的方便,正因如此,他将将促进高效节能成套新技术、新设备、新材料产业的大发展,实现传统工业测温的更新改造,同时也产生了强大的能源环境效益,伴随着巨大的经济效益和社会效益,因此,研究红外测温及其应用,有着非常重要的意义。
2.3论文章节安排
本论文大致可分为三个部分:
第一部分包含第一章至第三章,讲述了选择该课题的原因,论述了课题研究背景,目标和意义以及选定了制作该课题的最终方案;第二部分包含第四章至第七章,给出该课题制作的原理分析,完成后的调试与故障分析及使用说明;第三部分包括第七章,是论文的总结及对未来相关展望。
第3章方案论证与设计
3.1总体设计分析
本课题设计的是工业红外测温仪,用于实际工业测温,也可用于相关家用产品测温,用途广泛。
此设计以单片机为控制单元,以红外测温传感器作为温度采集方式,以按键作为人为控制设备,以硬件显示,声光报警作为信息的输出终端。
该电路有设计简单,量程广泛,精度较高,可靠性好,成本低廉等特点.
人为控制
图3.1系统设计总体框架图
3.2方案的选择与设计
3.2.1单片机控制单元选择
方案一:
AT89S51单片机
方案二:
ATMEL公司的AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁储存器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89S51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器(FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)8位CMOS微控制器,使用高密度、非易失存储技术制造,并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。
芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。
AT89S51(以下简称89C51)将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在一个芯片上,为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案,其性能价格比较高。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,8kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
此外,AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
AT89S51与AT89C51相比,外型管脚完全相同,AT89C51的HEX程序无须任何转换可直接在AT89S51运行,结果一样。
AT89S51比AT89C51新增了一些功能,支持在线编程和看们狗是其中主要特点。
它们之间主要区别在于以下几点:
1.引脚功能:
管脚几乎相同,变化的有,在AT89S51中P1.5,P1.6,P1.7具有第二功能,即这3个引脚的第二功能组成了串行ISP编程的接口。
2.编程功能:
AT89C51仅支持并行编程,而AT89S51不但支持并行编程还支持ISP再线编程。
在编程电压方面,AT89C51的编程电压除正常工作的5V外,另Vpp需要12V,而AT89S51仅仅需要4-5V即可。
3.烧写次数更高:
AT89S51标称烧写次数是1000次,实为1000-10000次,这样更有利初学者反复烧写,降低学习成本。
4.工作频率更高:
AT89C51极限工作频率是24MHZ,而AT89S51最高工作频率是33MHZ,(AT89S51芯片有两中型号,支持最高工作频率分别为24MHZ和33MHZ)从而具有更快的计算速度。
5.电源范围更宽:
AT89S51工作电压范围,达4-5.5V,而AT89C51在底于4.8V和高于5.3V的时侯则无法正常工作。
6.抗干扰性更强:
AT89S51内部集成看门狗计时器(WatchdogTimer),而AT89C51需外接看门狗计时器电路,或者用单片机内部定时器构成软件看门狗来实现软件抗干扰。
7.加密功能更强:
AT89S51系列提供了三层的加密算法(LB1,LB2,LB3三个可编程的加密位),这使得AT89S51的解密变为几乎不可能,程序的保密性大大加强。
经过权衡对比,考虑到引脚功能,使用寿命,抗干扰性等最终采用了AT89S51单片机。
3.2.2测温传感器选择
红外测温传感器的选择:
通过小组讨论研究我们选出了两个符合我们项目的热释电传感器。
方案一:
凌阳TN9系列的红外测温传感器
方案二:
MLX90614ACA型号的红外测温传感器
方案一中的TN9红外测温模块解决了传统测温中需接触的问题,并且具备回应速度快、测量精度高、测量范围广和可同时测量环境温度和目标温度的特点,配合凌阳的SPCE061A测量距离可以达到30米的红外线的温度测量,但是其所需的外围电路复杂,容易出现问题,产品可靠性不高等。
主要功能:
测温理想距离可达100英尺(30米),回应时间比较短,大约0.5秒
基本特性与参数指标:
(1)测量范围在-33℃至200℃;
(2)测量误差在±0.6℃,或温度值的1%;
(3)工作范围在-10℃至50℃;
方案二中的MLX90614系列模块是一组通用的红外测温模块。
在出厂前该模块已进行校验及线性化,具有非接触、体积小、精度高,成本低等优点。
被测目标温度和环境温度能通过单通道输出,并有两种输出接口,适合于汽车空调、室内暖气、家用电器、手持设备以及医疗设备应用等。
MLX90614集成了由迈来芯开发和生产的两款芯片:
其一是红外热电堆传感器MLX81101,其二是信号处理专用集成芯片MLX90302,专门用于处理红外传感器输出信号。
器件为工业标准TO-39封装。
由于集成了低噪声放大器、17位模数转换器和强大的数字信号处理芯MLX90302,使得高精度和高分辨度的温度计得以实现。
计算所得物体温度和环境温度存储在MLX90302的RAM单元,温度分辨率为0.01˚C,并可通过兼容协议接口过两线usSMB(0.02°C分辨率)或是10位PWM(脉宽调制)输出模式出。
MLX90614出厂校准的温度范围为:
环境温度-40…125˚C,物体温度-70…382.2˚C。
传感器测量的温度为视场里所有物体温度的平均值。
MLX90614室温下的标准精度为±0.5ºC。
医疗应用版本的传感器可在人体温度范围内达到±0.1ºC的精度。
在应用设计中需要注意上述精度是当传感器在热平衡和等温条件下才能保证和达到的,此外,MLX90614ACA型号的红外测温传感器的外围电路简单,调试不难,性能稳定,电路可靠性比较高符合工业要求。
根据以上所述,选择MLX90614ACA型号的红外测温传感器可以做到成本更低,精确度更高,测试范围更广,还可以获得较高的可靠性,符合我们设计的工业红外测温仪的特点。
3.2.3显示电路单元选择
方案一:
LCD1602显示
方案二:
数码管显示
方案一LCD1602显示电路液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
在本设计采用的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器,根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等。
也具用+5V电压,对比度可调;内含复位电路,提供各种控制电路,如:
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能,有80字节数据存取器DDRAM,内建有160个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM,8个可由用户自定义的5X7的字符发送器CGRAM。
可以显示中文,数字,英文字母,特殊图形,图形字符滚动,多样显示。
并且使用方便,满足我们设计任务的相关要求。
方案二是数码管显示。
数码管是一种半导体发光器件,其基本单元是发光二极管。
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管,八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示);按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管;按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
它要用驱动电路来驱动数码管的各个段码,按驱动方式的不同,可以分为静态式和动态式两类。
数码管是一类显示屏,通过对其不同的管脚输入相对的电流,会使其发亮。
从而显示出数字,可以显示,时间,日期,温度,等索用可以用数字代替的参数。
由于它的价格便宜,使用简单,在电器,特别是家电领域应用极为广泛,空调,热水器,冰箱,等等;绝大多数,热水器用的都是数码管,其他家电,也用液晶屏与,荧光屏。
驱动电压比LCD小但故障率比LCD高,且有亮度显示不均匀问题。
由于要加外围电路来驱动8个数码管,所以整体成本就增大了,相比LCD优劣性就显现出来了。
综上所述,选择LCD1602显示可以做到功耗更低、显示内容更丰富、功能更丰富、电路更简单,符合我们设计的红外工业测温仪的特点。
3.2.4蜂鸣器的有源与无源的选择
方案一:
有源蜂鸣器
方案二:
无源蜂鸣器
方案一中的有源蜂鸣器其内置有振荡电路,当直接接上额定电源就可连续发声,通常频率固定。
方案二中的无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样,需要通过外部的频率信号的驱动,通常可以根据人为设置的频率发出所需的声音,即声音的频率可变,若直接加电源只能发出很轻微的振动声。
在本设计中,无源蜂鸣器更能显示其优势,所以选择无源蜂鸣器做为报警装置。
3.2.5按键选择
方案一:
微动按键
方案二:
自锁按键
方案一中的微动按键是自动复位的,体积较小,方案二中的自锁按键是机械复位。
由于此次按键的使用
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