热释电传感器的非接触式测控系统设计

引言
    红外线的辐射波长约0．77～1 000 pm，红外辐射的不同波段有不同的应用。从军事上的红外线制导导弹、红外成像夜视仪，到包含高新尖端技术的红外气象卫星，从工业上普遍应用的红外光电计数器、红外测温仪、红外气体分析仪，到民用的波动式红外防盗报警器、人体红外自动照明开关等，红外传感技术已在空间、工农业、民用等各个领域得到广泛应用。热释电红外探测器简称热释电探测器，是近十年来在热探测领域得到重要发展的一种新型热探测器。据报道这种探测器可以广泛地用于辐射温度测量、红外光谱测量、激光参数测量、非接触式温度测量、T业过程自动监控、安全警戒、红外摄像与空间技术等方面。我国在这方面的研究，虽然起步晚些，但近年来也有重要研究成果报道，这种探测器和以往常用的测辐射热计、温差热电堆等热探测器比较，具有以下特点：
    ①频率特性好。其他热探测器都是在热平衡后输出最大，工作时辐照时间必须大于热平衡的时间常数(一般为数ms至数十ms)。而热释电探测器，是在非热平衡状态下工作的，热平衡时反而没有输出，因此工作时辐照时间必须小于热平衡时间常数(一般为0．1～1 s)。也就是说它的工作速度不受热平衡的限制，其频率的上限主要取决于其等效电容和后续电路。
    ②在室温下工作，不需制冷即能获得很高的灵敏度，可与低温下高灵敏度的测辐射热计相媲美。
    ③输出阻抗是纯电容性的，直流阻抗极高。
    ④体积小、重量轻、坚固。
    因此，热释电探测器是一种很理想的红外辐射探测器，在热探测领域中占有十分重要的位置。

1 测量原理
    红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律。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，物体向外辐射能量的大小及其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。黑体处于温度T时，在波长为λ处的
单色辐射出度由普朗克公式确定，即
   
    热释电红外传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有△T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷，即在两电极之间产生微弱电压△V。热释电探测器检测到变化的温度，经光电转换后，变成一个交流电压信号供信号处理电路进行处理。可由普朗克公式推导出辐射体温度的公式：
   
    其中，T1为测目标的温度；T2为环境温度；ε1为被测目标辐射率；ε2为环境的辐射率；σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数，且σ=5．670 3×10-8W·m-2·K-4；K为表示探测器的灵敏度，且有
    K=R·α·ε·σ1R
    其中，R表示挥测器的灵敏度；ε为辐射体的辐射率，定标时一般取1；α为与大气衰减距离有关的常数。

2 测温系统整体设计
    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，热释电探测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，液晶显示单元显示出被测目标的温度值。

3 信号处理电路设计
3．1 信号放大电路
    当光信号经过热释电传感器后，就变为交变的脉冲信号，热释电传感器接收到的人体辐射信号很微弱，只有微伏或纳微伏数量级，故需要放大后才能进行信号处理。
    本系统把信号的放大电路分为前置放大电路和后级放大电路进行处理。前置放大器必须是高增益和低噪声的，高增益是用来把微弱信号放大到一定电平，以便进一步再作处理，低噪声是为了保持尽可能高的信噪比。
    放大电路采用低失调精密运算放大芯片LM358，其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。系统的信号放大电路如图1所示。

    集成运放LM358特点是低失调、低噪声、低漂移，广泛用于精密仪器放大器、传感放大器等场合。红外传感信号由LM358的引脚3端口进入放大电路，图中电容C1用于滤除信号中的直流信号，电路可调电位器Rv1用来对传感器输出信号的增益进行调节。引脚7端口将放大后的红外传感信号送往信号采集电路单元进行模／数转换。

3．2 信号采集电路
    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2所示。

3．3 环境温度补偿电路
    由于热释电传感器测量的是人体与环境的辐射能量差，因此需要在信号处理电路中增加环境温度的检测电路。系统采用集成温度传感器DS18B20进行环境温度的检测。当DS18B20处于写存储器操作和温度转换操作时，上拉电阻开启时间最大为10μs。采集信号送入单片机，经过单片机分析处理，转换成相应大小的温度数值。DS18B20程序流程如图3所示。

3．4 单片机外围电路
    系统采用美国Atmel公司生产的低电压、高性能8位单片机AT89C51作为控制器。其片内含4 KB的快速可擦写只读存储器和128字节的随机存取存储器(RAM)，内置8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。本系统中单片机的外接电路主要包括以下几部分电路。
3．4．1 复位电路
    当AT89C51单片机的RESET引脚引入高电平并保持两个机器周期时，单片机内部就执行复位操作。若该引脚一直保持高电平，单片机就处于循环复位状态。采用上电与按键均有效的电路，按键复位电路是上电手动复位，在程序跑飞时，不用再重启单片机电源，使用比较方便。
3．4．2 时钟电路
    本系统采用外部晶体振荡器来为系统提供时钟，石英晶体振荡器的时钟频率为11．059 2 MHz。

3．4．3 键盘电路
    键盘电路由4个点动式开关构成，分别送入单片机的P1．3、P1．4、P3．2、P3．3。开始时P1．3、P1．4、P3．2、P3．3口的电位都处于高电位，此时显示屏显示当前环境温度。当按下控制P3．2、P3．3的开关后立即就会显示人体上限温度和下限温度值。如果发现设置的温度上下限过高或过低，再点击控制P3．2、P3．3的开关，就会将温度上下限所设置的温度降低或升高。当需要显示环境温度的时候，点击控制P1．3的开关。当测量人体温度时，将探头对准过往行人额头部位，点击控制P1．4的开关就可以显示人体温度。键盘与单片机的接口电路如图4所示。

3．4．4 报警电路
    当红外传感器所探测的人体温度超过所设置的温度上下限值时，扬声器就会发出持续数秒的报警声，与单片机的接口电路如图5所示。
3．4．5 显示电路
    显示器采用字符型液晶显示芯片SMC1602，可以用来同时显示被测目标和环境温度的值。SMC1602在温度显示方面相比较于LED数码管，其电路连接简单而且观察方便，内置160个不同的点阵字符图形，可以显示2行16个字符，采用标准的16引脚接口。VL为液晶显示器对比度调整端，当接正电源时对比度最高，负电源时对比度最低，对比度的大小通过一个10 kΩ电位器来控制。

4 测量结果分析
    通过改变目标物体到传感器接收窗口的距离来探究距离对输出信号电压差值的影响。如图6所示，由实验结果可知，同一温度下，随着测量距离的减小，同一温度对应的电压差值在增大。在一定的距离范围内保证测量的电压差值偏移在5％内，作为较优的测量距离，实验中为5～15 cm。

    通过运用Matlab软件对测得数据进行分析拟合，得到电压一距离响应曲线，如图7所示。

    可以分析出，随着测量距离的增加，响应的电压差值在逐渐减小。距离越远，部分红外辐射散失到空气中，没有被探头有效地接收。部分系统模块如图8所示。

结语
    在查阅大量文献的基础上，以热释电红外测温技术作为参考，设计了一种基于51单片机的非接触式热释电红外测温仪。它以黑体辐射定律作为理论基础，是光学理论和微电子学综合发展的产物。与传统的测温方式相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、读数方便等优点。
    总的来说，本文设计的系统具有下列特点：运用热释电效应，当测量人体温度时，不需要将仪器对准待测者，当人无障碍经过时就可以在较高的精度下进行体温的测量。如果人体表面温度超过预设值，报警器便会自动报警，提示该人体温异常。
    同时也设计了自动计量过往人数的电路及软件，通过蓝牙和上位机建立通信，在上位机端实时显示当前通过行人的数量，可帮助检测者实时掌握各项数据。