摘要：設計以單片機作為整個測溫儀的核心，結合A／D轉換器、液晶顯示器等外部設備，在軟件設計和硬件設計的基礎上，設計出一種擁有漢字顯示邏輯判斷等智能型電子測溫計。它提供了一種新的溫度測量方案，采用紅外溫度傳感器來測量溫度信號，可同時測量目標溫度和環(huán)境溫度，并將測量的數(shù)據(jù)經過放大器，轉換器送給單片機處理，之后送數(shù)碼管顯示。紅外測溫打破了傳統(tǒng)的測溫模式，它響應快、測量精度高、可靠性高、范圍廣，為非接觸測量，因而不易損壞。該溫度計以準確快捷的測量功能、清晰易懂的數(shù)字化顯示方便人們日常生活使用。
關鍵詞：紅外測溫；單片機；ADC0804；80C51
0 引言
紅外測溫技術在生產過程中，在產品質量控制和監(jiān)測，設備在線故障診斷和安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。用紅外測溫儀進行非接觸溫度測量有許多的優(yōu)點，它的運用范圍從很小或難以接觸到的物體至腐蝕性的化學物和敏感的表面物。這樣那些難以接觸到或運動著的物體就可進行溫度測量，如傳熱性能差的或很小的熱容量材料。
1 紅外基本測溫原理
紅外測溫儀中的光學系統(tǒng)匯集其視場內的目標紅外輻射能量。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?。該信號經過放大器和信號處理電路按照儀器內部的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。
紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產生自身的分子和原子無規(guī)則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎。
紅外測溫是利用測量物體所輻射出來的輻射能量來測量物體溫度，它的理論依據(jù)是斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體的溫度越高，它所輻射出來的能量越多。當溫度為T時，物體在所有波長上(物體的輻射幾乎包括所有的波長)的總輻射強度W為：
式中：δ—斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；
T—物體的絕對溫度-單位K；
ε—物體表面的法向比輻射率。絕對黑體ε=1．0，非絕對0<ε<1．0。
2 結構框圖及電路設計
2．1 整體電路設計
本文所涉及的紅外測溫儀是一種典型的智能化儀表，它以單片機作為核心，在軟件控制下，與其它硬件電路相結合，實現(xiàn)智能化的體溫測量。系統(tǒng)硬件組成環(huán)節(jié)主要有：溫度傳感器、放大電路、A／D轉換電路、單片機系統(tǒng)、液晶顯示模塊、按鍵、PC機與單片機通信部分。其軟件部分包括：A／D轉換、數(shù)字濾波、智能功能以及顯示等程序。
2．2 系統(tǒng)總體結構框圖
本設計主要是通過紅外傳感器把光信號轉換為電信號，然后再經過放大電路把信號放大，傳給A／D轉換器轉換為數(shù)字信號，再傳給單片機，最后通過顯示器顯示出溫度值。同時還可以通過單片機與上位機進行連接，把溫度測量值傳給計算機保存。結構框圖如圖1所示：
3 系統(tǒng)硬件電路的設計
3．1 光學紅外傳感器
光學系統(tǒng)在紅外系統(tǒng)中的作用十分類似于用于接收目標回波的雷達天線，就是接收輻射能量，并把它傳送給傳感器。光學系統(tǒng)起到收集紅外輻射并將其聚焦到紅外探頭上的作用，由于紅外信號相對來說比較微弱，因此要實現(xiàn)測溫儀精確測溫必須設計一個光路簡單、紅外輻射損失小的光學系統(tǒng)，本設計選用紅外探頭來實現(xiàn)這個功能。
3．1．1 紅外測溫電路的設計
本測溫裝置使用紅外線傳感器，它能接收物體發(fā)射出的紅外線并使之轉換成電壓信號。紅外熱輻射測溫儀由三個運算放大器組成的。這三個運算放大器分別作為同相放大器、低通濾波器和跟隨器來發(fā)揮其作用。圖2為本設計的測量電路圖，圖中A1為一同相放大器，輸入信號由47UF電容耦合而來，A1的閉環(huán)放大倍數(shù)AF為20左右；A2為一低通濾波器。A3的輸出與溫度基本成線性關系。A1輸出的電位器和變阻器用于調節(jié)A2輸入信號的大小，調節(jié)它們的阻值可以改變A3的輸出電壓。
本設計用ADC0804進行A／D轉換，ADC0804芯片用CMOS集成工藝制成，分辨率8位，轉換時間100μs，輸入電壓范圍為0～5 V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為5 V。該芯片內有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當與計算機連接時，轉換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線上，無須附加邏輯接口電路。
本設計所選用顯示器顯示方式為動態(tài)顯示，具體與單片機的連接電路圖如圖4所示。
3．2 通信電路的設計
由于單片機接收到信號并經過處理后還需要與上位機進行通信，所以必須設計一個通信電路使溫度計能與計算機相接。因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。
溫度采集裝置采用收、發(fā)、地三線的方式通信，工作方式采用主從方式。PC機為主機。紅外溫度計為從機。下位機采用中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)幀，下位機通過與COM1口連接與PC機進行通信。
MAX485芯片的結構和引腳都非常簡單，內部含有一個驅動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可。綜合上述這些特點所以選用MAX485芯片。
4 紅外測溫儀的軟件設計
4．1 系統(tǒng)主程序流程圈
本課題所設計的系統(tǒng)主程序首先應該進行初始化，開中斷，設置中斷優(yōu)先級，設置定時器初值，然后啟動A／D轉換器，調用中斷服務程序，最后調用動態(tài)顯示程序進行顯示溫度值。具體流程圖如圖5所示。
4．2 系統(tǒng)串口發(fā)送接收程序設計
重點介紹一下本系統(tǒng)所設計的通信電路的發(fā)送和接收程序。本系統(tǒng)所設計的通信電路是通過RS-485來完成單片機與計算機之間的發(fā)送與接收的，通過選擇串口方式，允許發(fā)送和接收，再根據(jù)TI和RI來判斷是否完成發(fā)送和接收。利用匯編程序編寫本設計的發(fā)送程序，如下：
同理，根據(jù)程序框圖也可寫出系統(tǒng)的接收程序。
5 結論
紅外測溫打破了傳統(tǒng)的測溫模式，它響應快、測量精度高、可靠性高、范圍廣，為非接觸測量，因而不易損壞。另外，近幾年來中國的紅外產品市場發(fā)展較快而又平穩(wěn)，少數(shù)國外公司的市場占有率提高得很快，已經在中國市場上占據(jù)相當?shù)膬?yōu)勢，這種市場發(fā)展趨勢，必將對中國的紅外技術和產業(yè)的發(fā)展起到積極的推動作用，必將激勵和加快具有完全中國自主知識產權的紅外技術產品的問世，也必將帶來更廣闊的紅外產品應用市場。因此，紅外測溫儀的應用也必然越來越廣泛，具有廣闊的市場前景和經濟效益。
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