非接觸式紅外溫度測試儀設計

蘇州工業園區工業技術學校　謝留婉

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非接觸式紅外溫度測試儀設計

蘇州工業園區工業技術學校謝留婉

【摘要】本文分析了當前現有傳統測溫技術，并通過對傳統接觸式測溫與非接觸式測溫進行對比，得出非接觸式測溫獨有的優點，并分析了非接觸式測溫技術中的紅外測溫技術。最終確定采用紅外反射技術設計非接觸式紅外溫度測試儀，文中詳細介紹了一種以數字型MLX90614紅外溫度傳感器為溫度采集手段，基于STC12C5201AD型單片機為控制核心的一種非接觸式紅外溫度測試儀的設計方案。

【關鍵詞】溫度測試儀；非接觸式；紅外測溫；單片機；STC12C5201AD；MLX90614

1　引言

溫度的測量，在工業生產、醫療、科學研究等中，有著非常重要的地位。通常我們對于溫度的測量一般用的最多的就是接觸式測溫，因為最直接、精度也最高；但接觸式測溫需要將測量元件與被測物緊密接觸，本身熱傳遞需要一定的時間，才能達到熱平衡，再加上在一些特殊條件下，如超高溫下，檢測元件也將至于高溫環境下，這將加劇測量元件的老化；也有些場合更不適合接觸式測溫，例如在醫療中，特別是在發生重大傳染性疫情時，希望能對人流密集的場所設關卡進行疫情篩查，通過測體溫的方式識別出有疫情的病人。這些場合使得接觸式測溫不再那么方便可行了，相反非接觸式測溫可以彌補這些不足。

非接觸式測溫，是一種借助于光學系統，對準被測物體，而不必與之進行熱接觸，因此可以測量溫度變化較快的物體的溫度，而不對待測物造成任何干擾，可實現測溫的無損實時檢測[1]。非接觸式測溫技術最常見的一種是紅外測溫，原理是根據物體的紅外輻射特性，依靠其內部光學系統將物體的紅外輻射能量匯聚到探測物，并轉換成電信號，再通過線性處理后得到與溫度呈線性關系的電信號，從而實現溫度測量的目的。

2　系統設計方案

本系統設計思路是采用基于STC12C5201AD型單片機作為控制核心，為了能提高系統檢測溫度的精確度，以及減少測量誤差等外在因素對測量數據準確性的影響，我們采用高精密數字型紅外測溫模塊MLX90614進行溫度采集，單片機直接通過I2C通訊方式將紅外測溫傳感器MLX90614的溫度數據讀取出來，最終轉化成溫度信息在LCD顯示屏上顯示出來。本次設計的非接觸式測溫裝置，為了能提高它的實用性和更廣的使用場合，本系統設計技術指標定為：測溫寬范圍-50℃~350℃，精度±1℃；并可設置報警溫度，當溫度達到預設溫度時使用聲光報警，為了提高測試儀的功能拓展，預留串口485接口可傳輸報警溫度信息。以下將根據技術指標，介紹具體器件選型、硬件電路設計、軟件設計等方案。

2.1硬件電路設計

2.1.1STC12C5201AD芯片簡介[2]

STC12C5201AD是由STC生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM,8路高速8位A/D轉換(30萬次/秒)，工作頻率范圍0~35MHz，用戶程序空間1K/2K/4K/5K/6K……，集成256字節RAM，有E2PROM功能，內部RC時鐘源11MHz~17MHz或外接高精度晶體振蕩源，4個16位定時器。6路外部中斷I/O等資源。

2.1.2紅外測溫模塊MLX90614簡介[3]

MLX90614是一款由Melexis公司生產的非接觸式紅外測溫模塊，內部包含紅外熱電堆感應器和高精度低噪聲信號處理芯片，及17-bitADC模塊，可實現高精度寬溫度范圍溫度測量，可通過兩種方式輸出:雙線標準SMBus輸出獲得(0.02℃分辨率)或通過10-bitPWM方式輸出。在環境溫度-40℃~125℃下可測量-70℃~382.2℃物體溫度范圍。

2.1.3硬件電路組成

本系統設計采用基于MLX90614非接觸式紅外測溫模塊，作為溫度采集傳感器，通過I2C總線與單片機STC12C5201AD數據通訊，提供實時溫度采集數據，單片機進行數據分析和處理，計算出實際測量溫度數據；并通過LCD顯示模塊，將溫度數據信息實時顯示出來；在有些場合可能需要對危險的溫度點及時發出報警提示，設計了聲光報警提示電路；考慮到系統檢測到危險溫度時能提供準確時間數據，同時設計配置DS1302時鐘電路；為了能實現報警溫度數據后續分析，系統配置了485串行口通訊電路，可與上位機PC機控制系統互聯，實現更多的功能擴展。本系統具體硬件電路主要由開關電源電路、MLX90614紅外測溫電路、單片機控制電路、LCD顯示模塊、DS1302時鐘電路、485通訊接口電路、聲光報警提示電路等組成。系統結構圖如圖1所示。

圖1　系統硬件結構圖

核心電路功能介紹：

開關電源模塊：主要是考慮系統能適應各種工作場合，以及寬電壓范圍供電，以及有時為了考慮能實現便攜式，常會考慮采用鋰電池供電，使用精密開關電源可以保障各功能電路的工作穩定。

圖2　紅外測溫傳感電路

紅外測溫模塊：電路如圖2所示，采用MLX90614非接觸式紅外測溫模塊，實現的溫度的檢測，并精密A/D轉換，輸出數字化溫度采集數據，實現精密溫度測量。

單片機控制模塊：主要協調各部分電路協同工作，對溫度采集的數據處理得出實際溫度數值，對采集溫度數據進行分析判斷，對危險溫度數據及時存儲到E2PROM區域進行保持，并驅動LCD顯示溫度數據和控制聲光報警電路對測量到危險溫度時及時發出聲光報警提醒。

時鐘電路：采用DS1302時鐘計時芯片，實現準確走時。為

系統檢測出現危險溫度時提高可靠時間依據。

485串口通訊接口：可將記錄的危險溫度數據傳輸給上位機軟件控制系統進行分析，主要是對本設計的測量系統提供功能拓展，實現更廣闊的使用場合。

圖3　軟件流程圖

2.2軟件設計

單片機程序設計實現單片機芯片的控制功能，實現控制硬件電路各部件協同工作，最終實現溫度測量和顯示等功能。程序設計首先考慮對各硬件部件進行初始化，如紅外測溫模塊初始化設置、LCD液晶初始化、需要用到的單片機中斷系統初始化、時鐘芯片DS1302初始化等操作；接著要設置單片機連續循環以一定時間循環對溫度進行采集和計算處理得出溫度數據；系統自動判斷是否為危險溫度數據，并自動作相應聲光報警提醒；然后將相關信息在LCD液晶進行顯示；在危險溫度出現時，及時將測量的溫度數據和當前時間記錄到單片機的E2PROM區域，可防止掉電數據丟失；預留串口通訊接口，實現接收上位機發送的命令，可將記錄在E2PROM區域的危險溫度數據發送給上位機軟件進行分析處理等。具體軟件流程圖如圖3所示。

3　結束語

本設計介紹的非接觸式測溫儀具有測溫響應速度快、測溫范圍寬、精度高、實用性強、性能穩定、可移植性強、擴展性靈活等特點，如可將本測溫儀器嵌入到復雜的工業生產系統中進行復雜的測溫控制，避免了接觸式測溫設備的各種不利因素和使用場合的局限性。

參考文獻

[1]徐迅,楊曉華.非接觸式測溫技術[J].科技傳播,2012,(5):159~160.

[2]STC12C5201AD DataSheet[Z].http://www.stcmcu.com/.

[3]MLX90614 DataSheet[Z].http://www.melexis.com/.

謝留婉（1984-），男，江蘇蘇州人，大學本科，蘇州工業園區工業技術學校講師。

作者簡介：