基于热释电传感器的红外测温调速风扇

张钦亮 电子083 0830331301

摘 要：本设计由STC89C51单片机，与热释电探测器，直流电机，1602液晶显示器组成。其功能主要是实现热释电探测器探测一光学系统发散出的热量，经过信号放大处理以及斩波器（风扇实现），再由相敏检测器，低通滤波器后传至单片机，最后实现调节风扇的功能以及液晶显示风扇转速等相关功能

关键字：单片机，直流电机，液晶显示，驱动电路,红外 实验要求：（1） 设计热释电测温电路； （2） 设计电机调速电路；

（3） 设计单片机PWM调速和稳速闭环电路； （4） 进行相关智能模块设计（液晶显示等）

1方案论证与比较

1.1 几种测温方案特点及比较

方案一：全辐射测量法

全辐射测温仪测温的理论基础是斯蒂芬一玻耳兹曼定律，即

Mr=E0dT4 (1-1)

0由此可见黑体在整个波长范围内的辐射功率与绝对温度的4次方成正比，是温度的单一函数，它是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的辐射温度。

通常，红外测温仪是以黑体(=1)定标的，此方法所使用的仪表结构简单、读数客观并能连续记录。缺点是温度计示值受环境及发射率影响较大，从而降低了其测温结果的准确度。在实际测量时，需要把辐射温度转换成真实温度，可通过下式进行换算:

- 1 -

TTP() (1-2) 由它引起的真实温度误差为

14T1 (1-3) T4式中：Tp为黑体的温度；

T为真实温度；

为总发射率误差。

方案二：亮度测量法

亮度测温法的理论基础是普朗克定律，即

111ln (1-4) TSTc2(,T)其中：(,T)为实际物体温度为T时，在波长下的光谱发射率；

T为实际物体的真实温度；

TS为实际物体的亮度温度；

由此式可得出：实际物体的亮度温度永远小于它的真实温度，即TS在实际测温中，物体的真实温度总是一定的值，因而，亮度温度成为一个与波长联系的量，因此亮度法测温时必须注明亮度温度的数值与其所取得波长值。

方案三：比色测温法

比色测温法又叫做双波段测温法。由于它是利用同一被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化这一特性作为其测温原理的。因此其测温时没必要精确知道被测物体的光谱发射率，而只需要知道两个波长下光谱发射率的比值即可，所以比色测温法可使读出的温度接近于物体的真实温度。

由维恩位移定律可知，温度为Tc的黑体，对于波长为1和2的单色辐射功率之比Z由下式表示：

- 2 -

ZM(1)C(2)5exp[2(12)] (1-5) M(2)1Tc12式中：M(1)表示波长为1处的单色辐射功率；

M(2)表示波长为2处的单色辐射功率； C2表示第二辐射常数。

将（2-9）两边取对数可得：

1212 (1-6) Tc2lnZ5ln1C2

即波长确定后，可根据所测得的Z值计算如黑体的温度Tc．

实际中的比色测温仪通过滤光片把红外辐射能量分为两个波段，通过每个滤光片的红外辐射被两个独立的红外探测器接收并转换成电信号，然后通过信号处理器来计算两个信号的比值及环境温度补偿后给出测温数据并显示输出。

各种测温方案的特点和适用范围：

除去以上三种主要测温方法之外，其它的测温方案还有多波段测温法和最大波长测温法。多波段测温法的测温原理是依次取多个波段，通过计算这些波段辐射功率之问的复杂关系来确定物体的温度，该测温法精度比较高，但测温仪的结构复杂。最大波长测温法的测温原理是依据维恩位移定律中黑体辐射峰值波长与绝对温度之积为一常数，此方法测温结构简单，只适用于极高温度的测量．

各种测温方案的优缺点如表2-1所示:

表1-1：各类测温方法特点

- 3 -

测温方法 全辐射测温 亮度测温法 优点 结构简单，成本较低 无需环境温度补偿，发射率误差较小，测温精度高 光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘影响小，测温误差小 测量结果与发射率无关，精度高 结构简单 缺点 测温精度稍差，受物体辐射率影响大 工作于短波区，只适合高温测量 双波段测温法 必须选择适当波段，使波段发射率相差不大 结构复杂，需选择适当波段 仅用于测极高温 多波段测温法 最大波长测温法

1.2 热释电传感器选择方案

方案一:热释电红外传感器是最常用的红外探测器之一，系统采用德国海曼公司的LHI878热释电传感器作为探测器，LHl878是一种双元探测器，采用双灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性．

LHI878芯片的主要性能如表3—1．

热释电红外测温仪的视场由菲涅耳透镜决定，菲涅耳透镜主要用来提供聚焦作用，本系统设计采用的是反射式红外测温仪。因此菲涅耳透镜在这里面的功能就是把来自多个方向的红外信号有效地集中反射到传感器上，同时滤除一些波长大于红外线的噪声信号，本文采用的菲涅耳透镜为光束式透镜，其有效探测距离达30米，可使测温仪用来探测远距离目标的表面温度。

表3-1 LHI878主要性能

型号 灵敏元面积 灵敏度 偏置电压 工作电压 噪音等效功率 噪音 工作温度 储存温度

LH1878 2×1mm 4000v/W(100℃,1Hz时) 0.2～1.55v (Rs=47K,25℃) 2～15v(Rs=47K,25℃) 7.5×10102 W/Hz (1HzBw,100℃, 1Hz时) 20uVpp,(25℃,0.3～10Hz) -40～85℃ -40～85℃ - 4 -

P288，LHI958，LHI954等均为常用热释电传感器，在此方案中，考虑到完成实验目标，故不过多论证。选择LHI878。

2 系统的设计与实现

2.1 整体硬件电路介绍

整体电路介绍：

由于本系统需要测量的是中低温物体的表面温度，且考虑到成本因素，所以本文采用全辐射测温方案，即通过测量目标发出整波段的辐射功率来测量物体温度，红外测温仪的组成如图1，主要由光学系统、光电探测器，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，光电探测器用来将聚焦在光电探测器上的红外能量转换成电信号，经过放大器、滤波器进行信号调理，并送至微控制器进行模数转换及信号处理，最后再经过目标辐射率修正后转换为被测目标的温度值传至单片机，经处理调节风扇转速以及液晶显示。

图1 整体硬件流程图

2.2 探测器信号处理电路

前置放大电路：

当光信号经过热释电探测器后，就变为脉冲信号，由于热释电探测器接收到的辐射信号很微弱，需要经过放大后才能供后续电路进行处理，前置放大器是引入噪声的主要部件之一，它产生的噪声会被后续的各级放大器进一步放大，所以前置放大器中有源器件的选择是非常重要的。如图2

- 5 -

图2 前置放大电路 带通滤波电路

当信号经过放大后，其宽带噪声较大，因此在前置放大器和后级放大器之间加了带通滤波器来抑制宽带噪声，提高信噪比．但带通滤波器的带宽不能做得太窄，否则当温度发生变化时，信号的频谱有可能偏离带通滤波器的通频带而导致测量误差。根据本系统测温需要，系统采用二阶无限增益多路巴特沃斯型带通滤波器，其中心频率设计为30Hz左右，带宽在10Hz左右． 相应的电路如图3：

图3 带通滤波电路

经过查表计算：其通带增益KpR12C70.95

R10(C6C7)固有角频率W0R10R11

R10R11R12C6C7 阻尼度

R10R11

R12C6C7(R10R11)- 6 -

主放大器电路：

采用集成运放LM324，其特点是低失调、低噪声、低漂移，广泛用于精密仪用放大器、传感放大器等场合，电路中R7是阻值为100K的可调电位器，用来对传感器输出信号的增益进行调节．

图4 主放大器电路

低通滤波器：

当探测器的传感器信号经过放大电路、带通滤波电路和相敏检测电路后，里面仍混有一定的高频噪声，因此需要加一个低通滤波电路来抑制噪声，改善锁定放大器的信噪比。只要低通滤波器的时间常数RC越大，等效噪声带宽越窄，其抑制噪声的能力越强；但是RC越大，其响应速度越慢，所以在设计低通滤波器时需要选择一个合适的RC值．

系统中采用的低通滤波器为二阶无限增益巴特沃思型低通滤波器，其电路简单，具体的连接电路见图5:

图5 低通滤波电路

- 7 -

该低通滤波器的中心频率在35Hz左右，通常增益为-1. 其固有的角频率为：w01R15R16C19C20

阻尼度：R15R16C20111 C19RRR15168

AD转换电路：

当信号经过低通滤波器之后不能直接传至单片机中，在此之前加一个模数转换电路，经过单片机解码，可算出温度大小。

此电路采用ADC0809，ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。

2.3 直流电机驱动电路

调速采用PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制，工作原理：通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。PWM的定义:脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值 。如图6

图6 PWM调速电路

- 8 -

2.4电机转速检测电路

在该电路中，加比较器LM311的目的，是使模拟量转化为开关量，便于处理。为使发射有一定的功率，发射回路要求不小于20mA的电流。根据

I51.7R120mA，故可选择R1=150Ω。如图6

图6 电机转速检测电路

3 理论分析与计算

3.1 程序设计流程图

程序设计流程图，如图7

图7程序流程图

- 9 -

3.2 电机转度的测量

在编程过程中利用单片机内部时钟，该时钟使用定时器0中断计时，通过外

v60(转/分)T计算出电机转

部中断可使其复位，记录并读取时间T，从而利用式速v。

在测试过程中，通过示波器发现一个周期会出现两个脉冲，这个问题可以通过软件解决，当两个脉冲时间小于100毫秒时，忽略此次触发可消除双脉冲干扰。

4 测试结果

4.1 测试仪器

秒表计数器；DS1052E示波器；温度计；VC890C万用表;

4.2 功能实现

（1）当外界温度改变的时候，液晶会显示温度大小；

（2）外界改变温度的同时，风扇的转速也将改变； （3）风扇的转速可以显示在液晶屏幕上面

5 总结

本设计创新点在于运用单片机为控制核心, 以热释电传感器为主的一组调控电路，通过温度的改变而改变风扇的转速，达到光电自动化一体的效果。此次设计因为自身诸多不足，致使自己在焊接电路过程中多次拆了重焊，对电路板的整体效果影响很大，在此之后多多总结经验。还了解到团队合作的重要性，一个人的能力微乎其微，只有团队的力量才能让个人的力量得到最大发挥。

[参考文献]

[1]《单片机原理及应用》.张毅刚.高等教育出版社 2003.

[2] 谢自美.电子线路设计实验测试.华中科技大学出版社.2000.5 [3] 康华光。 电子技术基础(第四版).北京：高等教育出版社.1999.4

[4]《c程序设计》. 谭浩强.北京:清华大学出版社.1999

[5]《电路与电子技术基础-数字电路基础》.李青.浙江：科学技术出版社.2005..2 [6]《单片机快速入门》.徐玮 沈建良.北京：北京航天航空大学出版社.2008..5 [7]程光. 指动脉搏动波光电传感器的研制[J].南京医学院学报,1991,4:329-330. [8] 《集成电路原理及应用》.谭博学 苗汇静.北京：电子工业出版社.2008.1 [9] 《51单片机C语言开发详解》.张天凡.北京：电子工业出版社.2008.6

[10] 《电路与电子技术基础-模拟电子技术基础》.李青.浙江：科学技术出版社.2005.2

- 10 -