基于单片机的扫描辐射测温仪的分析

第1章 绪论

1.1 课题背景
应常州潞城传感器有限公司的委托，哈工大电气学院自动检测与过程控制系统研究所承担了动态辐射扫描温度计的研制任务。温度是一个重要的参数，任何物质状态都离不开温度属性，温度表示一个物体的性状，通过温度可以反映出物态信息，无论工农业生产、国防工业建设、国民基础建设还是航空航天领域，都涉及到温度的测量。哈工大电气学院自动检测与过程控制系统研究所多年来一直从事温度测量研究工作，积累了很多温度测量经验，在国民项目、国防科工项目中发挥了重要作用[1]。
红外辐射测温法相对于传统的温度测量具有无可比拟的优点，其精度高、相应快、稳定性好的一系列特点都深受广大用户的青睐。现在介绍一下红外辐射测温的优点，首先辐射测温法具有非接触的特点，这个特点将操作者从现场测量中解放出来，对于恶劣的环境，例如：高温、高压、高腐蚀和高辐射，有着十分重要的意义；其次非接触被测目标就不会对被测温度场产生干扰，可以使测量更加准确；再次，如果温度太高接触式测量就会对测量器件的材料提出很高的要求，而非接触式测量则不用考虑这点。所有的这些优点使得红外辐射测温法在国民生产建设、国防领域、航空航天领域受到青睐，其具有广阔的市场价值。基于 STC12C5A16S2 单片机所研制的动态扫描温度计相对于传统的红外辐射测温仪具有能对线性目标动态测量的优点，这是以往的红外辐射测温仪所不具备的，该动态扫描温度计可以将线性目标的动态温度随时间实时呈现，基于 STC12C5A16S2 单片机的动态辐射扫描温度计所呈现的产品具有多点测温，能够测量线性目标动态温度，传统测温仪是无法比拟的，所以其应受到越来越广泛的关注。

1.2 国内外研究现状
近些年，人们利用不同探测器发展了多种辐射测温仪，最初以隐丝式为代表，随后以光电式为主流趋势。早在 19 世纪 30 年代隐丝式方法就已经出现，并且到现在仍然一直使用，隐丝式原理是当目标和灯丝亮度基本相同时，它们就会混合到一起，通过测量灯丝温度的方法就可以知道目标温度[2]。在 60 年代中期光电式测温仪就已经出现，这种光电式的高温计在测量目标时具有很高的精度，并且具有不需要直接参与的特点。在 70 年代初以硅光电二极管为代表的探测器出现，这种探测器的出现给高温计的研制带来极为广阔的空间，一批的精度高、灵敏度好、响应速度快、稳定性优良的高温计相继出现，所有这些特性都使其非常适合应用在测温领域，特别地光电二极管的出现无疑实现了辐射测温领域的重大飞跃。
在 20 世纪末我国的一家研究所研制了两种比色温度计，虽然这两种温度计都能够满足合同所要求的性能指标，仍然存在一些不足，例如比较笨重、不灵活、结构复杂，所有的这些不利因素都限制了这两种高温计的推广使用，为了克服这些不利因素，该所又展开了新的高温计的研制，随后又研制成功了新比色温度计，这种温度计采用调制盘分成两种波长的光线，利用插值得到目标的温度；近些年来，随着微处理器、微控制器的更新换代，高温计在数据处理上的压力越来越小，速度更快、精度高。微控制器和微处理器的杰出代表就是FPGA 和 DSP，相信这些微处理器能将辐射测温领域高温计的研制带上一个新的高度。虽然在电子领域、材料领域、加工领域、还有半导体领域等都随之取得了令人喜悦的成绩，并且随着这些领域的飞速发展，辐射测温领域也取得了长足的进步，但是跟先进国家相比，我国制造的高温计还存在一定差距。除了上述所介绍的关于辐射测温的一些信息之外，国外在这一领域也有一些新的技术，下面以Raytek和Royal Institute为例，这两家研究单位很早就采用了光纤传感技术并将之运用，达到了测温的目的，这种高温计寿命更长、稳定性更好[3-7]。

1.3 辐射测温的原理
在人类使用的测量温度的仪器中，无疑接触式测量仪器是最早出现的，例如给病人量体温用的温度计等；这些直接测量的方式随着生产力发展越来越显得力不从心。当人们想要去一些条件恶劣的环境中例如高温、高压、高腐蚀、高辐射、剧毒环境，在这样的环境中就不能在由人直接参与进去，使用直接测量的方案不合适，在对新测量方式的迫切要求情况下，红外辐射测温仪就相应应运而生。要想对辐射测温学有所了解，就首先要了解一些该领域的基本知识，这里对黑体、灰体、辐射功率和单色辐射概念的理解比较重要。现在先来介绍一下黑体，一束光打在某个物体上，这束光就都会被完全吸收，没有任何反射、散射或者折射出来的光线，这种物体就是黑体。黑体的发射率定义为 1；而当一束光照射到某个物体上，该物体不会将所有光都吸收掉，它会吸收一部分也会反射一部分，这个物体的发射率介于 0 与 1 之间，并且是固定的，这种物体的发射率并不会随着照射到该物体光的波长变化而发生改变，这类物体被称为灰体。

    1.4 主要研究内容 ...................13-15
第2章 辐射测温仪的总体设计方案 ...................15-22
    2.1 动态扫描温度计的技术指标 ...................15
    2.2 扫描温度计的总体方案 ...................15-16
    2.3 研制的要点与难点 ...................16-21
        2.3.1 影响测量精度的因素 ...................16-17
        2.3.2 消除干扰的影响 ...................17-20
        2.3.3 对目标开始以及结束的定位 ...................20
        2.3.4 保证测温仪能够满足工业要求 ...................20
        2.3.5 测温仪的便携性 ...................20
        2.3.6 测温仪的稳定性和可维护性 ...................20-21
    2.4 本章小结 ...................21-22
第3章 动态扫描温度计硬件的设计 ...................22-32
    3.1 光学系统的设计 ...................22
    3.2 前置放大电路的设计 ...................22-25
        3.2.1 二级放大电路的设计 ...................22-23
        3.2.2 红外探测器的选择 ...................23-25
    3.3 数据处理电路的设计 ...................25-31
        3.3.1 单片机的选择 ...................26
        3.3.2 新型51 单片机 ...................26-27
        3.3.3 液晶显示芯片的选择 ...................27-28
        3.3.4 光电对管的选择 ...................28
        3.3.5 通讯芯片的选择 ...................28-30
        3.3.6 电源的选择 ...................30-31
    3.4 本章小结 ...................31-32
第4章 扫描辐射温度计的软件设计与标定 ...................32-44
    4.1 软件设计 ...................32-37
        4.1.1 课题的总体流程 ...................32-34
        4.1.2 AD数据采集流程 ...................34-35
        4.1.3 上位机数据处理流程 ...................35-36
        4.1.4 发射率确定流程 ...................36-37
    4.2 软件调试过程中遇到的问题 ...................37-39
    4.3 本课题的标定技术 ...................39-40
    4.4 数据处理 ...................40-43
    4.5 本章小结 ...................43-44
第5章 实验结果与误差分析 ...................44-49
    5.1 实验结果 ...................44
    5.2 实验误差分析 ...................44-48
        5.2.1 系统误差 ...................45-47
        5.2.2 人为误差 ...................47
        5.2.3 随机误差 ...................47-48
    5.3 本章小结 ...................48-49

结 论

STC12C5A16S2 单片机与以往普通的 51 系列单片机相比具有容量大，速度快，需要添加的外围模块很少，能够满足该动态辐射扫描温度计的精度与速度的要求。采用 MAX232 芯片与上位机通信，采用矩阵键盘，键盘的功能包括发射率的设定、扫描频率的设定、扫描测量、复位、与上位机进行通讯、瞄准等功能，键盘的数量与功能能够满足整个课题的需要。液晶屏幕采用 12864-k1 液晶显示屏，该显示屏界面美观，能够很好的呈现动扫描曲线。单片机带动电机旋转使固定在电机上的扫描镜旋转，这样就会实现对被测线性目标的温度扫描。同步信号的给出是由固定在电机圆盘上的两只光电对管提供，圆盘上孔的位置转到光电对管的位置时就会向单片机提供开始或者结束的同步信号。单片机通过控制与一个与继电器相连的激光器实现对被测目标的瞄准，前置放大电路板由双色探测器、前置放大芯片 AD820、反相放大器 OP07 和四组继电器组成。其中双色探测器将光谱转化成模拟电流，前置放大器 AD820 将模拟电流信号转化放大成模拟电压信号，反相放大器 OP07 在将模拟电压信号反相或者反相放大送进单片机内进行处理。单片机在将这些数据送到上位机并将数据以动态曲线的形式反映出来。