熱釋電傳感器的非接觸式測控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：介紹了利用熱釋電紅外傳感器進(jìn)行非接觸式測溫的基本原理、紅外測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號處理電路的組成。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計了一套非接觸式紅外測溫裝置，用該裝置測定了移動目標(biāo)表面溫度。在模擬實際場景應(yīng)用時，實現(xiàn)了對較遠(yuǎn)距離的運動行人體溫的準(zhǔn)確測量；裝置還增加了高溫報警電路和藍(lán)牙無線通信模塊，豐富了使用功能。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；測控系統(tǒng)；熱釋電傳感器；非接觸式測溫計；無線通信

引言
    紅外線的輻射波長約0．77～1 000 pm，紅外輻射的不同波段有不同的應(yīng)用。從軍事上的紅外線制導(dǎo)導(dǎo)彈、紅外成像夜視儀，到包含高新尖端技術(shù)的紅外氣象衛(wèi)星，從工業(yè)上普遍應(yīng)用的紅外光電計數(shù)器、紅外測溫儀、紅外氣體分析儀，到民用的波動式紅外防盜報警器、人體紅外自動照明開關(guān)等，紅外傳感技術(shù)已在空間、工農(nóng)業(yè)、民用等各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熱釋電紅外探測器簡稱熱釋電探測器，是近十年來在熱探測領(lǐng)域得到重要發(fā)展的一種新型熱探測器。據(jù)報道這種探測器可以廣泛地用于輻射溫度測量、紅外光譜測量、激光參數(shù)測量、非接觸式溫度測量、T業(yè)過程自動監(jiān)控、安全警戒、紅外攝像與空間技術(shù)等方面。我國在這方面的研究，雖然起步晚些，但近年來也有重要研究成果報道，這種探測器和以往常用的測輻射熱計、溫差熱電堆等熱探測器比較，具有以下特點：
    ①頻率特性好。其他熱探測器都是在熱平衡后輸出最大，工作時輻照時間必須大于熱平衡的時間常數(shù)(一般為數(shù)ms至數(shù)十ms)。而熱釋電探測器，是在非熱平衡狀態(tài)下工作的，熱平衡時反而沒有輸出，因此工作時輻照時間必須小于熱平衡時間常數(shù)(一般為0．1～1 s)。也就是說它的工作速度不受熱平衡的限制，其頻率的上限主要取決于其等效電容和后續(xù)電路。
    ②在室溫下工作，不需制冷即能獲得很高的靈敏度，可與低溫下高靈敏度的測輻射熱計相媲美。
    ③輸出阻抗是純電容性的，直流阻抗極高。
    ④體積小、重量輕、堅固。
    因此，熱釋電探測器是一種很理想的紅外輻射探測器，在熱探測領(lǐng)域中占有十分重要的位置。

1 測量原理
    紅外測溫儀的測溫原理是黑體輻射定律。眾所周知，自然界中一切高于絕對零度的物體都在不停向外輻射能量，物體向外輻射能量的大小及其波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強。黑體處于溫度T時，在波長為λ處的
單色輻射出度由普朗克公式確定，即
   
    熱釋電紅外傳感器由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有△T的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上產(chǎn)生電荷，即在兩電極之間產(chǎn)生微弱電壓△V。熱釋電探測器檢測到變化的溫度，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，變成一個交流電壓信號供信號處理電路進(jìn)行處理?？捎善绽士斯酵茖?dǎo)出輻射體溫度的公式：
   
    其中，T1為測目標(biāo)的溫度；T2為環(huán)境溫度；ε1為被測目標(biāo)輻射率；ε2為環(huán)境的輻射率；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，且σ=5．670 3×10-8W·m-2·K-4；K為表示探測器的靈敏度，且有
    K=R·α·ε·σ1R
    其中，R表示揮測器的靈敏度；ε為輻射體的輻射率，定標(biāo)時一般取1；α為與大氣衰減距離有關(guān)的常數(shù)。

2 測溫系統(tǒng)整體設(shè)計
    紅外測溫儀的系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換、信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)完成視場大小的確定，熱釋電探測器用將聚焦在探測器上的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大、濾波后進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，并送至單片機(jī)進(jìn)行信號處理，液晶顯示單元顯示出被測目標(biāo)的溫度值。

3 信號處理電路設(shè)計
3．1 信號放大電路
    當(dāng)光信號經(jīng)過熱釋電傳感器后，就變?yōu)榻蛔兊拿}沖信號，熱釋電傳感器接收到的人體輻射信號很微弱，只有微伏或納微伏數(shù)量級，故需要放大后才能進(jìn)行信號處理。
    本系統(tǒng)把信號的放大電路分為前置放大電路和后級放大電路進(jìn)行處理。前置放大器必須是高增益和低噪聲的，高增益是用來把微弱信號放大到一定電平，以便進(jìn)一步再作處理，低噪聲是為了保持盡可能高的信噪比。
    放大電路采用低失調(diào)精密運算放大芯片LM358，其內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。系統(tǒng)的信號放大電路如圖1所示。

    集成運放LM358特點是低失調(diào)、低噪聲、低漂移，廣泛用于精密儀器放大器、傳感放大器等場合。紅外傳感信號由LM358的引腳3端口進(jìn)入放大電路，圖中電容C1用于濾除信號中的直流信號，電路可調(diào)電位器Rv1用來對傳感器輸出信號的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)。引腳7端口將放大后的紅外傳感信號送往信號采集電路單元進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。
3．2 信號采集電路
    經(jīng)放大電路放大后的模擬電信號需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后才能送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集選用TLC549集成芯片進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換如圖2所示。

3．3 環(huán)境溫度補償電路
    由于熱釋電傳感器測量的是人體與環(huán)境的輻射能量差，因此需要在信號處理電路中增加環(huán)境溫度的檢測電路。系統(tǒng)采用集成溫度傳感器DS18B20進(jìn)行環(huán)境溫度的檢測。當(dāng)DS18B20處于寫存儲器操作和溫度轉(zhuǎn)換操作時，上拉電阻開啟時間最大為10μs。采集信號送入單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)分析處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)大小的溫度數(shù)值。DS18B20程序流程如圖3所示。

3．4 單片機(jī)外圍電路
    系統(tǒng)采用美國Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8位單片機(jī)AT89C51作為控制器。其片內(nèi)含4 KB的快速可擦寫只讀存儲器和128字節(jié)的隨機(jī)存取存儲器(RAM)，內(nèi)置8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元。本系統(tǒng)中單片機(jī)的外接電路主要包括以下幾部分電路。
3．4．1 復(fù)位電路
    當(dāng)AT89C51單片機(jī)的RESET引腳引入高電平并保持兩個機(jī)器周期時，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作。若該引腳一直保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。采用上電與按鍵均有效的電路，按鍵復(fù)位電路是上電手動復(fù)位，在程序跑飛時，不用再重啟單片機(jī)電源，使用比較方便。
3．4．2 時鐘電路
    本系統(tǒng)采用外部晶體振蕩器來為系統(tǒng)提供時鐘，石英晶體振蕩器的時鐘頻率為11．059 2 MHz。
3．4．3 鍵盤電路
    鍵盤電路由4個點動式開關(guān)構(gòu)成，分別送入單片機(jī)的P1．3、P1．4、P3．2、P3．3。開始時P1．3、P1．4、P3．2、P3．3口的電位都處于高電位，此時顯示屏顯示當(dāng)前環(huán)境溫度。當(dāng)按下控制P3．2、P3．3的開關(guān)后立即就會顯示人體上限溫度和下限溫度值。如果發(fā)現(xiàn)設(shè)置的溫度上下限過高或過低，再點擊控制P3．2、P3．3的開關(guān)，就會將溫度上下限所設(shè)置的溫度降低或升高。當(dāng)需要顯示環(huán)境溫度的時候，點擊控制P1．3的開關(guān)。當(dāng)測量人體溫度時，將探頭對準(zhǔn)過往行人額頭部位，點擊控制P1．4的開關(guān)就可以顯示人體溫度。鍵盤與單片機(jī)的接口電路如圖4所示。

3．4．4 報警電路
    當(dāng)紅外傳感器所探測的人體溫度超過所設(shè)置的溫度上下限值時，揚聲器就會發(fā)出持續(xù)數(shù)秒的報警聲，與單片機(jī)的接口電路如圖5所示。
3．4．5 顯示電路
    顯示器采用字符型液晶顯示芯片SMC1602，可以用來同時顯示被測目標(biāo)和環(huán)境溫度的值。SMC1602在溫度顯示方面相比較于LED數(shù)碼管，其電路連接簡單而且觀察方便，內(nèi)置160個不同的點陣字符圖形，可以顯示2行16個字符，采用標(biāo)準(zhǔn)的16引腳接口。VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，當(dāng)接正電源時對比度最高，負(fù)電源時對比度最低，對比度的大小通過一個10 kΩ電位器來控制。

4 測量結(jié)果分析
    通過改變目標(biāo)物體到傳感器接收窗口的距離來探究距離對輸出信號電壓差值的影響。如圖6所示，由實驗結(jié)果可知，同一溫度下，隨著測量距離的減小，同一溫度對應(yīng)的電壓差值在增大。在一定的距離范圍內(nèi)保證測量的電壓差值偏移在5％內(nèi)，作為較優(yōu)的測量距離，實驗中為5～15 cm。

    通過運用Matlab軟件對測得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合，得到電壓一距離響應(yīng)曲線，如圖7所示。

    可以分析出，隨著測量距離的增加，響應(yīng)的電壓差值在逐漸減小。距離越遠(yuǎn)，部分紅外輻射散失到空氣中，沒有被探頭有效地接收。部分系統(tǒng)模塊如圖8所示。

結(jié)語
    在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以熱釋電紅外測溫技術(shù)作為參考，設(shè)計了一種基于51單片機(jī)的非接觸式熱釋電紅外測溫儀。它以黑體輻射定律作為理論基礎(chǔ)，是光學(xué)理論和微電子學(xué)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)的測溫方式相比，具有響應(yīng)時間短、非接觸、不干擾被測溫場、讀數(shù)方便等優(yōu)點。
    總的來說，本文設(shè)計的系統(tǒng)具有下列特點：運用熱釋電效應(yīng)，當(dāng)測量人體溫度時，不需要將儀器對準(zhǔn)待測者，當(dāng)人無障礙經(jīng)過時就可以在較高的精度下進(jìn)行體溫的測量。如果人體表面溫度超過預(yù)設(shè)值，報警器便會自動報警，提示該人體溫異常。
    同時也設(shè)計了自動計量過往人數(shù)的電路及軟件，通過藍(lán)牙和上位機(jī)建立通信，在上位機(jī)端實時顯示當(dāng)前通過行人的數(shù)量，可幫助檢測者實時掌握各項數(shù)據(jù)。