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单片机控制的红外测温系统设计与应用
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更新于2024-07-02
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"基于单片机的红外温度测量系统利用单片机技术和红外测温原理,设计了一种能够非接触、远距离测量温度的系统。该系统适用于多种场合,包括产品质量控制、设备故障诊断、安全保护和节能管理。" 在本文中,作者探讨了基于单片机的红外温度测量系统的实现方法。红外测温技术的基础在于所有高于绝对零度的物体都会发出红外辐射,这是由物体分子运动产生的。通过红外探测器,可以捕获这些辐射并将其转化为电信号。红外检测器吸收辐射后,其温度会升高,进而将温度变化转化为电子信号。这种非接触式的测量方式具有快速响应、高精度、宽测量范围以及同时测量目标和环境温度的能力。 单片机,如文中提到的SPCE061A,是智能控制和自动化的核心,因其体积小巧、功能强大、成本低廉和应用广泛而被广泛应用。在温度测量和控制系统中,单片机可以接收、处理和显示来自红外温度传感器的信号。在这个设计中,选择了带有SPI接口的TN系列红外温度传感器,它能够测量温度信号,同时提供目标温度和环境温度的数据。 SPCE061A单片机对这些数据进行处理,并将结果显示在数码管上,提供直观的数字读数。此外,该系统还利用了单片机的语音功能,可以播报当前的温度值,增加了系统的易用性和人性化。这样的设计使得温度计不仅在精度和速度上有优势,而且在用户交互上也有了显著提升,使其更便于日常生活和各种应用场景。 关键词“红外测温”和“TN9”指的是文中使用的红外测温技术和特定型号的红外传感器,而“单片机”则强调了系统的核心控制元件。整个系统的设计和实现,充分展示了单片机在现代智能测温设备中的应用价值,以及红外技术在非接触式温度测量中的优势。
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此定律表明,黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此,实际做红外检测时。
应尽可能选择在被测表面法线方向进行,如果在与法线成 角方向检测,则接
收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的 倍。
2. 红外辐射规律在实际应用中的问题
前面所说的辐射定律是对理想辐射源-黑体而言的,黑体的发射系数为 1。
自然界中存在的实际物体,几乎都不是黑体,它们的发射系数都小于 1。这些
物体与黑体的差别就体现在发射率、反射率及透射率上。我们知道,自然界充
满着电磁辐射,一切物体都处于电磁辐射之中,一切物体都在不断地辐射、吸
收、反射或透过红外辐射。根据基尔霍夫定律,在热平衡状态下,物体辐射的
功率等于它吸收的功率。物体的辐射率、反射率和透过率总和为 1。用公式表
示,即 E+R+T=1,E 为发射率,R 为反射率,T 为透射率。
实验表明,实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外,还与构成该物体的
材料性质及表面状态等因素有关。这里,我们引入一个随材料性质及表面状态
变化的辐射系数,则就可把黑体的基本定律应用于实际物体。这个辐射系数,
就是常说的发射率,或称之为比辐射率,其定义为实际物体与同温度黑体辐射
性能之比。
德国物理学家基尔霍夫通过实验发现:在相同的温度下,各种物体在同一
波长的发射率与吸收率的比值都相等,并等于该温度下黑体在同一波长的发射
率。数学表示见式(2—4):
(2—4)
其中 λ 为波长、 T 为物体绝对温度, 表示黑体在特定温度和波长下
的本领,为常数。该定律指出物体发射本领和吸收率之间的普遍关系,通俗地
说就是辐射能力越强的物体,其吸收能力也越强。
物体的辐射出射度 M(T)和吸收本领 的比值 M/ 与物体的性质无关,等于同
一温度下黑体的辐射出射度 M
0
(T)。其表明,吸收本领大的物体,其发射本领
大,如果该物体不能发射某一波长的辐射能,也决不能吸收此波长的辐射能。
3. 生物波谱
生物波谱又称生物频谱,是生物自身发出的生物物理信息的光波或频率的
综合称谓,它构成生物体周围的生物信息场。科学研究表明,生物体(包括人
体)可产生温度场、电场和磁场等,统称为生物信息场,可以用物理学中的电
磁波谱频率或波长、温度等物理因子来表述。
生物波谱的波长覆盖范围在电磁波谱中的紫外线到弱微波之间,人体的生
物波谱则主要在红外线到弱微波区域,尤其集中在红外线波段范围。因此它遵
循电磁波的一切特性。
生物波谱的这种物理信息的存在、变化是与生物体自身功能状态密切相关
的,同样可以反映生物体的健康状态。
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在人体生物信息场已知物理参数的实验测量中,对辐射能量比较集中的波
谱分布,取得比较一致的数值结果,J·D 哈里认为,人体辐射能量与皮肤表面温
度及辐射率有关。活体皮肤光谱范围约为 3-50 m,其中 8-14 m 波段的辐射
量占总能量的 46%,峰值波长约为 9.5 m,虽然人体生物波谱分布范围较宽,
从可见光到微波波段,但在非能量集中区域,信号强度较低,尤其在远端的数
值极其微弱。
经科学检测,不管人的肤色如何,干燥皮肤的红外辐射率(emissivity)均为
0.98,近似为黑体。根据普朗克定律,其波长主要分布在 2.5-25 m 红外波段范
围内,根据 Wien 定律 λm·T=2898(Kμm),人体皮肤辐射的峰值波长约 9.5
m 。
2.1.2 非接触红外测温优点
非接触红外测温优点如下:
1. 远距离和非接触测量
红外测温不需要与被测温度场的内部或表面,因此,不会干扰被测温度场
的状态,测温仪本身也不受温度场的损伤。并可远距离测量,它特别适合于对
高速运动物体、旋转体、带电体和高温高压下物体的温度测量。
2. 响应速度快
红外测温不象热电偶、温度计那样,需要与被测量体接触以达到热平衡,
只要接到目标的红外辐射即可测量,其响应时间在毫秒甚至微秒数量级。
3. 灵敏度高
因物体温度的微小变化会引起辐射功率的较大变化,容易被探测器探出,
故红外测温的可测温差很小,可达零点几摄氏度。
4. 准确度高
红外测温是非接触测量,不破坏物体本身的温度分布,因而所测温度真是、
准确、误差可达 0.1
o
C 以下。
5. 测温范围广
测温范围可从负几十摄氏度到正几千摄氏度
【
4
】
。因其是非接触测温,所以
测温系统并不处在较高或较低的温度场中,而是工作在正常的温度或测量系统
允许的条件下。
2.2 基于单片机的智能仪器设计方法
微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了
巨大的冲击和革命的影响。微处理器在 20 世纪 70 年代初期问世不久,就被引
进电子测量和仪器领域,所占比重在各项计算机应用领域中名列前茅。在这之
后,随着微处理器在体积小、功能强、价格低等方面的进一步的发展,电子测
量与仪器和计算机技术的结合就愈加紧密,形成了一种全新的微型计算机化仪
器。目前,人们习惯将这种内含微型计算机并带有相关通信接口的电子仪器称
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为智能仪器,以区别于传统的电子仪器
【
5
】
。
2.2.1 智能仪器的组成及特点
以单片机为核心的智能测量仪器的基本组成如图 2-2 所示。单片机是仪器
的主体,对于小型仪器来说,单片机内部的存储器已经足够;大型仪器要进行
复杂的数据处理,或者要完成复杂的控制功能,其监控程序较大,测量、处理
的数据很多,这是需要在单片机外部扩展片外存储器,被测量的模拟信号经过
A/D 转换之后,通过输入通道进入单片机内部;单片机根据由键盘置入的各种
命令,或者送往打印机打印,或者经过 D/A 转换后成为能够完成某种控制的模
拟电压。通信接口的功能是通过接口总线与其他仪器甚至计算机作远距离通信,
以达到资源共享的目的。
图 2-2 智能仪器通用结构框图
现在传感器也正在受着微电子技术的影响,不断发展变化。传感器正朝着
小型、固态、多功能和集成化的方向发展。有许多国家正致力于将微处理器与
传感器集成于一体,以构成超小型、廉价的测量仪器的主体。
近 20 年来,由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛,智能化测量
控制仪表已经取得了巨大的进展。从技术背景上来说,硬件集成电路的不断发
微处理器
MPU
程序存储器
ROM
数据存储器
RAM
I/O 接口
键盘显示接口
标准仪用
通信接口
A/D
转换器
D/A
转换器
键 盘
显 示
外部仪用
标准总线
输入
电路
模拟
执行器
被测量
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