红外测温仪的设计

    　0　引　　言

　　21世纪以来,红外传感技术得到快速发展。由于当年非典型肺炎爆发,高精度的红外测温也从原来的工业领域走进了医疗领域和日常生活。用传统的温度计测量温度的缺点十分明显,尤其是其需要测量者与被测目标近距离接触,这不仅会带来测量的不便和较大的误差,在许多情况下还会对测量者的自身安全构成影响(如测量传染性疾病患者的体温或测量高温锅炉的温度)。相比之下,红外测温仪则具有便捷、精确和安全等优点,使得它在工业、医疗、安检等领域的应用有着重要意义。本文就是利用红外热释电技术设计一个非接触式红外测温仪。

　　1　整体系统构架

　　红外热释电效应测温仪的整体系统构架功能模块框图如图1所示。

　　1.1　光学系统设计

　　光学系统由菲涅尔光学透镜和滤光片组成。将该光学透镜置于红外热释电传感器上。光电转换器件采用TS-1NMB。其外部构造如图2所示。由图2可知,TS-1NMB有4个外部引脚:1脚是热电堆的负端输出;2脚是热电堆的正端输出;3脚是冷端补偿电阻的输出端;4脚是外壳地。在25℃的实验室环境下该传感器对于700 K的黑体输出达到最大电动势200 mV。但是对于人体温度感应,其输出电动势只有大约0·1 mV左右,因此必须对输出电压进行直流放大,才能用A/D转换器进行信号采集。TS-1NMB顶部有一个小窗,窗顶集成有一片红外滤光片,因此滤光片不必再自行设计了。

        1.2　电路设计

　　对传感器输出的信号进行放大,使用TI公司生产的TLC4502ID运放芯片。TLC4502是利用1μm 5 V数字CMOS技术制造的高性能自校准双运算放大器,具有非常高的直流增益以及良好的电源抑制比和共模抑制比。使用TLC4502ID设计的放大电路与TS-1NMB的接线如图3所示。

　　图3中用TLC4502ID内部的2个运放构成双级直流放大电路,TLC4502的开环增益很高,该双级放大器可调节最大电压增益可达40 000倍,完全满足TS-1NMB输出信号的放大要求。另外,通过调节R7分压,可以调节A/D测量TS-1NMB中冷端补偿电阻的输出电压,通过换算,可以得到当前冷端温度。

　　A/D转换器采用24位带放大滤波器的AD7710。将TLC4502ID输出的电压信号接至AD7710的两个模拟输入端口,数字量输出可由单片机从AD7710芯片的串行数字接口读取。

　　单片机控制系统主要由AT89S51、X5045、液晶显示器接口、报警电路、定位LED等构成。X5045把4种常用功能:上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和块锁保护的串行EEPROM存储器组成在一个封装内。单片机读取AD7710的数字信号后,通过内部程序处理,将结果显示在液晶屏幕上,同时存储到X5045的EEPROM里面。如果达到报警门限,则驱动报警电路,其电路如图4所示。