非接触式红外温度测试仪设计

2016-05-03苏州工业园区工业技术学校谢留婉

电子世界 2016年7期

苏州工业园区工业技术学校　谢留婉

非接触式红外温度测试仪设计

苏州工业园区工业技术学校谢留婉

【摘要】本文分析了当前现有传统测温技术，并通过对传统接触式测温与非接触式测温进行对比，得出非接触式测温独有的优点，并分析了非接触式测温技术中的红外测温技术。最终确定采用红外反射技术设计非接触式红外温度测试仪，文中详细介绍了一种以数字型MLX90614红外温度传感器为温度采集手段，基于STC12C5201AD型单片机为控制核心的一种非接触式红外温度测试仪的设计方案。

【关键词】温度测试仪；非接触式；红外测温；单片机；STC12C5201AD；MLX90614

1　引言

温度的测量，在工业生产、医疗、科学研究等中，有着非常重要的地位。通常我们对于温度的测量一般用的最多的就是接触式测温，因为最直接、精度也最高；但接触式测温需要将测量元件与被测物紧密接触，本身热传递需要一定的时间，才能达到热平衡，再加上在一些特殊条件下，如超高温下，检测元件也将至于高温环境下，这将加剧测量元件的老化；也有些场合更不适合接触式测温，例如在医疗中，特别是在发生重大传染性疫情时，希望能对人流密集的场所设关卡进行疫情筛查，通过测体温的方式识别出有疫情的病人。这些场合使得接触式测温不再那么方便可行了，相反非接触式测温可以弥补这些不足。

非接触式测温，是一种借助于光学系统，对准被测物体，而不必与之进行热接触，因此可以测量温度变化较快的物体的温度，而不对待测物造成任何干扰，可实现测温的无损实时检测[1]。非接触式测温技术最常见的一种是红外测温，原理是根据物体的红外辐射特性，依靠其内部光学系统将物体的红外辐射能量汇聚到探测物，并转换成电信号，再通过线性处理后得到与温度呈线性关系的电信号，从而实现温度测量的目的。

2　系统设计方案

本系统设计思路是采用基于STC12C5201AD型单片机作为控制核心，为了能提高系统检测温度的精确度，以及减少测量误差等外在因素对测量数据准确性的影响，我们采用高精密数字型红外测温模块MLX90614进行温度采集，单片机直接通过I2C通讯方式将红外测温传感器MLX90614的温度数据读取出来，最终转化成温度信息在LCD显示屏上显示出来。本次设计的非接触式测温装置，为了能提高它的实用性和更广的使用场合，本系统设计技术指标定为：测温宽范围-50℃~350℃，精度±1℃；并可设置报警温度，当温度达到预设温度时使用声光报警，为了提高测试仪的功能拓展，预留串口485接口可传输报警温度信息。以下将根据技术指标，介绍具体器件选型、硬件电路设计、软件设计等方案。

2.1硬件电路设计

2.1.1STC12C5201AD芯片简介[2]

STC12C5201AD是由STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM,8路高速8位A/D转换(30万次/秒)，工作频率范围0~35MHz，用户程序空间1K/2K/4K/5K/6K……，集成256字节RAM，有E2PROM功能，内部RC时钟源11MHz~17MHz或外接高精度晶体振荡源，4个16位定时器。6路外部中断I/O等资源。

2.1.2红外测温模块MLX90614简介[3]

MLX90614是一款由Melexis公司生产的非接触式红外测温模块，内部包含红外热电堆感应器和高精度低噪声信号处理芯片，及17-bitADC模块，可实现高精度宽温度范围温度测量，可通过两种方式输出:双线标准SMBus输出获得(0.02℃分辨率)或通过10-bitPWM方式输出。在环境温度-40℃~125℃下可测量-70℃~382.2℃物体温度范围。

2.1.3硬件电路组成

本系统设计采用基于MLX90614非接触式红外测温模块，作为温度采集传感器，通过I2C总线与单片机STC12C5201AD数据通讯，提供实时温度采集数据，单片机进行数据分析和处理，计算出实际测量温度数据；并通过LCD显示模块，将温度数据信息实时显示出来；在有些场合可能需要对危险的温度点及时发出报警提示，设计了声光报警提示电路；考虑到系统检测到危险温度时能提供准确时间数据，同时设计配置DS1302时钟电路；为了能实现报警温度数据后续分析，系统配置了485串行口通讯电路，可与上位机PC机控制系统互联，实现更多的功能扩展。本系统具体硬件电路主要由开关电源电路、MLX90614红外测温电路、单片机控制电路、LCD显示模块、DS1302时钟电路、485通讯接口电路、声光报警提示电路等组成。系统结构图如图1所示。

图1　系统硬件结构图

核心电路功能介绍：

开关电源模块：主要是考虑系统能适应各种工作场合，以及宽电压范围供电，以及有时为了考虑能实现便携式，常会考虑采用锂电池供电，使用精密开关电源可以保障各功能电路的工作稳定。

图2　红外测温传感电路

红外测温模块：电路如图2所示，采用MLX90614非接触式红外测温模块，实现的温度的检测，并精密A/D转换，输出数字化温度采集数据，实现精密温度测量。

单片机控制模块：主要协调各部分电路协同工作，对温度采集的数据处理得出实际温度数值，对采集温度数据进行分析判断，对危险温度数据及时存储到E2PROM区域进行保持，并驱动LCD显示温度数据和控制声光报警电路对测量到危险温度时及时发出声光报警提醒。

时钟电路：采用DS1302时钟计时芯片，实现准确走时。为

系统检测出现危险温度时提高可靠时间依据。

485串口通讯接口：可将记录的危险温度数据传输给上位机软件控制系统进行分析，主要是对本设计的测量系统提供功能拓展，实现更广阔的使用场合。

图3　软件流程图

2.2软件设计

单片机程序设计实现单片机芯片的控制功能，实现控制硬件电路各部件协同工作，最终实现温度测量和显示等功能。程序设计首先考虑对各硬件部件进行初始化，如红外测温模块初始化设置、LCD液晶初始化、需要用到的单片机中断系统初始化、时钟芯片DS1302初始化等操作；接着要设置单片机连续循环以一定时间循环对温度进行采集和计算处理得出温度数据；系统自动判断是否为危险温度数据，并自动作相应声光报警提醒；然后将相关信息在LCD液晶进行显示；在危险温度出现时，及时将测量的温度数据和当前时间记录到单片机的E2PROM区域，可防止掉电数据丢失；预留串口通讯接口，实现接收上位机发送的命令，可将记录在E2PROM区域的危险温度数据发送给上位机软件进行分析处理等。具体软件流程图如图3所示。