基于MSP430单片机的非接触式红外测温仪设计

尹大禹 李 冶

(沈阳师范大学 科信软件学院，吉林 公主岭110034)

0 引言

本设计利用TPS434红外测温模组，采用超低功耗的MSP430单片机[4]，实现了非接触式红外测温仪。它体积小巧，能够很方便地测量近距离物体的表面温度，完全可以满足常温领域的测量。

1 测量原理

红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律[5]。众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定，即：

图1是不同温度下的黑体光谱辐射度图：

图1 不同温度下的黑体光谱辐射度

从上图中曲线可以看出黑体辐射具有几个特征：

1）在任何温度下，黑体的光谱辐射度都随着波长连续变化，每条曲线只有一个极大值；

2）随着温度的升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减小，这表明随着温度的升高，黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加；

3）随着温度的升高，黑体辐射曲线全面提高，即在任一指定波长处，与较高温度相应的光谱辐射度也较大，反之亦然。

由普朗克公式可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系

V=RaεσT4=KT4

式中：K=Raεσ，由实验确定，定标时ε取1

T——被测物体的绝对温度，R——探测器的灵敏度

a——与大气衰减距离有关的常数,ε——辐射率,σ——斯蒂芬—玻耳兹曼常数

因此，可以通过检测电压而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号与目标温度呈非线性关系，V与T的四次方成正比，所以要进行线性化处理。线性化处理后得到物体的表观温度，需进行辐射率修正为真实温度,其校正式为。式中：Tr——辐射温度(表观温度),ε(T)——辐射率，取0.1-0.9。

由于调制片辐射信号的影响，辐射率修正后的真实温度为高于环境的温度，还必须作环境温度补偿，即实测温度加上环境温度才能最终得到被测物体的实际温度。

2 测温系统总体设计

红外测温仪的系统，主要由光学系统、光电转换、信号处理、显示输出等部分组成。光学系统完成视场大小的确定，热电堆红外传感器用将聚焦在探测器上的红外能量转换成电信号，经过放大、滤波后进行模/数转换，并送至单片机进行信号处理，最后在LED显示单元中显示出被测目标的温度值。

3 系统硬件电路结构及工作原理

3.1 红外采集电路

红外测温仪器使用的是TPS434热电堆红外传感器。热电堆红外传感器的原理是将多个热电偶[6]串联起来，使其具有较高灵敏度。光学系统起到收集红外辐射并将其聚焦到红外探头上的作用，由于红外信号相对来说比较微弱，因此要实现测温仪精确测温必须设计一个光路简单、红外辐射损失小的光学系统。在设计中可以在被测物体和红外传感器之间加一个透镜，以便聚焦红外线。

3.2 信号放大电路

AD623是一个集成单电源仪表放大器，AD623能在单电源（+3-+12V）下提供满电源幅度的输出，并且允许使用单个增益电阻设置增益大小，具有很强的灵活性。在无外接增益电阻的条件下，增益倍数为1；外接增益电阻后，可编程设置增益，其增益最高可达1000倍。其增益公式G=100kΩ Rg,式中，G为放大器的增益倍数；Rg为放大器的增益电阻阻值。放大电路如图2所示。在此放大电路中，采用二阶滤波器，截止频率为20Hz。放大器的增益倍数G由增益电阻Vr3动态调节，范围为92-1000倍。红外传感器输出为几百微伏到几十毫伏的微弱电压，在放大的电压参考端接入1.5V的参考电压，并经放大电路后，输出电压范围为1-3V。

图2 信号放大电路图

3.3 AD转换电路

经放大电路放大后的模拟电信号需要转换成数字信号后才能送入单片机进行数据处理，系统数据采集选用TLC549集成芯片进行模/数转换如图3所示。

图3 TLC内部框图

3.4 温度补偿电路

由于红外温度传感器的输出受环境温度影响，所以为了得到高精度的测量，需要进行环境温度补偿。在本系统中，环境温度由集成温度芯片AD590测得。AD590是Analog Devices公司利用PN结构正向电流与温度的关系制成的电流输出型温度传感器[7]。通过调节电位器Ra，是Ra与R1的电阻值相加为5K。温度每变化1度，输出电压变化5mV。输出的电压经过单片机的P6.0进入后，进行数据处理，最后计算得出环境温度值。测得环境温度后，通过软件温度补偿方式提高系统的测量精度。

4 实验结果

在对该系统的精度做实验验证过程中，以黑体为目标物体，分别用接触式温度传感器和非接触式温度测量物体的温度。实验结果如表1所示。可以发现，单次测量的最大误差在2%以内。

表1 非接触式红外测温实验结果

5 结论

本设计以非接触式红外测量为研究内容，详细阐明了系统软硬件设计的全过程，该设计以MSP430单片机为核心，具有超低功耗的性能，采用仪表放大器AD623作为前级放大，提高了放大的精确度；并通过温度补偿方式对测得温度做精准校正，大大提高了非接触式红外测量仪的测量精度。本系统具有电路工作稳定、测量快速准确等优点，有很好的应用前景。

［1］宋文,杨帆.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社,2004.

［2］孙华东,李艾华.非接触式红外测温技术在点检系统中的应用[J].新技术新工艺,2007(11):60-61.

［3］冯美英,付伟.一种高精度压力检测系统温度补偿技术研究[J].煤炭技术,2011,30(2).

［4］杨平,王威.MSP430系列超低功耗单片机及应用[J].国外电子测量技术,2008,27(12).

［5］陈晓明.黑体辐射定律及实验教学相关问题探讨[J].实验室研究与探索,2009,28(5).