熱釋電傳感器的非接觸式測控系統(tǒng)設計

摘要：介紹了利用熱釋電紅外傳感器進行非接觸式測溫的基本原理、紅外測溫系統(tǒng)結構和信號處理電路的組成。以此為基礎，設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表面溫度。在模擬實際場景應用時，實現了對較遠距離的運動行人體溫的準確測量；裝置還增加了高溫報警電路和藍牙無線通信模塊，豐富了使用功能。
關鍵詞：單片機；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用。從軍事上的紅外線制導導彈、紅外成像夜視儀，到包含高新尖端技術的紅外氣象衛(wèi)星，從工業(yè)上普遍應用的紅外光電計數器、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等，紅外傳感技術已在空間、工農業(yè)、民用等各個領域得到廣泛應用。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域得到重要發(fā)展的一種新型熱探測器。據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(一般為數ms至數十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(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，當傳感器監(jiān)測范圍內溫度有△T的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上產生電荷，即在兩電極之間產生微弱電壓△V。熱釋電探測器檢測到變化的溫度，經光電轉換后，變成一個交流電壓信號供信號處理電路進行處理?？捎善绽士斯酵茖С鲚椛潴w溫度的公式：
   
    其中，T1為測目標的溫度；T2為環(huán)境溫度；ε1為被測目標輻射率；ε2為環(huán)境的輻射率；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數，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，定標時一般取1；α為與大氣衰減距離有關的常數。

2 測溫系統(tǒng)整體設計
    紅外測溫儀的系統(tǒng)主要由光學系統(tǒng)、光電轉換、信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(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換成電信號，經過放大、濾波后進行模／數轉換，并送至單片機進行信號處理，液晶顯示單元顯示出被測目標的溫度值。

3 信號處理電路設計
3．1 信號放大電路
    當光信號經過熱釋電傳感器后，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量級，故需要放大后才能進行信號處理。
    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精密運算放大芯片LM358，其內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，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、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，電路可調電位器Rv1用來對傳感器輸出信號的增益進行調節(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行模／數轉換。
3．2 信號采集電路
    經放大電路放大后的模擬電信號需要轉換成數字信號后才能送入單片機進行數據處理，系統(tǒng)數據采集選用TLC549集成芯片進行模／數轉換如圖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進行環(huán)境溫度的檢測。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度轉換操作時，上拉電阻開啟時間最大為10μs。采集信號送入單片機，經過單片機分析處理，轉換成相應大小的溫度數值。DS18B20程序流程如圖3所示。

3．4 單片機外圍電路
    系統(tǒng)采用美國Atmel公司生產的低電壓、高性能8位單片機AT89C51作為控制器。其片內含4 KB的快速可擦寫只讀存儲器和128字節(jié)的隨機存取存儲器(RAM)，內置8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元。本系統(tǒng)中單片機的外接電路主要包括以下幾部分電路。
3．4．1 復位電路
    當AT89C51單片機的RESET引腳引入高電平并保持兩個機器周期時，單片機內部就執(zhí)行復位操作。若該引腳一直保持高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。采用上電與按鍵均有效的電路，按鍵復位電路是上電手動復位，在程序跑飛時，不用再重啟單片機電源，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個點動式開關構成，分別送入單片機的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，此時顯示屏顯示當前環(huán)境溫度。當按下控制P3．2、P3．3的開關后立即就會顯示人體上限溫度和下限溫度值。如果發(fā)現設置的溫度上下限過高或過低，再點擊控制P3．2、P3．3的開關，就會將溫度上下限所設置的溫度降低或升高。當需要顯示環(huán)境溫度的時候，點擊控制P1．3的開關。當測量人體溫度時，將探頭對準過往行人額頭部位，點擊控制P1．4的開關就可以顯示人體溫度。鍵盤與單片機的接口電路如圖4所示。

3．4．4 報警電路
    當紅外傳感器所探測的人體溫度超過所設置的溫度上下限值時，揚聲器就會發(fā)出持續(xù)數秒的報警聲，與單片機的接口電路如圖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和環(huán)境溫度的值。SMC1602在溫度顯示方面相比較于LED數碼管，其電路連接簡單而且觀察方便，內置160個不同的點陣字符圖形，可以顯示2行16個字符，采用標準的16引腳接口。VL為液晶顯示器對比度調整端，當接正電源時對比度最高，負電源時對比度最低，對比度的大小通過一個10 kΩ電位器來控制。

4 測量結果分析
    通過改變目標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，由實驗結果可知，同一溫度下，隨著測量距離的減小，同一溫度對應的電壓差值在增大。在一定的距離范圍內保證測量的電壓差值偏移在5％內，作為較優(yōu)的測量距離，實驗中為5～15 cm。

    通過運用Matlab軟件對測得數據進行分析擬合，得到電壓一距離響應曲線，如圖7所示。

    可以分析出，隨著測量距離的增加，響應的電壓差值在逐漸減小。距離越遠，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。

結語
    在查閱大量文獻的基礎上，以熱釋電紅外測溫技術作為參考，設計了一種基于51單片機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，是光學理論和微電子學綜合發(fā)展的產物。與傳統(tǒng)的測溫方式相比，具有響應時間短、非接觸、不干擾被測溫場、讀數方便等優(yōu)點。
    總的來說，本文設計的系統(tǒng)具有下列特點：運用熱釋電效應，當測量人體溫度時，不需要將儀器對準待測者，當人無障礙經過時就可以在較高的精度下進行體溫的測量。如果人體表面溫度超過預設值，報警器便會自動報警，提示該人體溫異常。
    同時也設計了自動計量過往人數的電路及軟件，通過藍牙和上位機建立通信，在上位機端實時顯示當前通過行人的數量，可幫助檢測者實時掌握各項數據。