二维阵列测温与热成像系统

论文总字数：17241字

目 录

摘要 I

Abstract II

1.绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2研究的主要内容 1

1.3国内外研究现状 2

1.4论文主要工作 3

2.系统的总设计方案 3

2.1系统总体功能描述 3

2.2系统总体方案设计 3

3.硬件设计 4

3.1硬件系统框图 4

3.2主控制模块 4

3.3采集模块 6

3.3.1热敏电阻测温阵列 6

3.3.2 阵列单元选通 7

3.3.3 电压放大与跟随 8

3.3.4 电压基准 9

3.4模数转换模块 10

3.4显示模块 11

4.软件设计与调试 11

4.1软件流程图 11

4.2单片机部分 12

4.3 上位机部分 13

5. 系统调试与实验 16

5.1硬件的焊接 16

5.2系统的调试 17

5.3分布式测温实验 17

5.4测试结果分析 20

6.结论与展望 20

参考文献 21

致谢 22

摘要

二维阵列测温与热成像系统

王黎明

, China

Abstract:Thermistor thermal imaging technology is a kind of contact temperature measurement. Because of the increasing number of electrified devices, the common single point temperature measurement is not sufficient in some respects.This paper first studied the principle and method of thermistor temperature measurement technology, is proposed based on 51 single chip microcomputer and MATLAB platform to develop the overall scheme of the planar temperature measuring system. First of all, the drive circuit microcontroller, would trigger multi-channel switch analog signals collected from the thermistor temperature, after conversion chip modulus, then sent to 51 single chip microcomputer. The single chip machine sends thermistor array data to the computer by serial port. Finally, MATLAB data analysis\transformation\display image and other work. The system realizes the display function of temperature measurement, and can obtain clear thermal image from the display. The system is stable and can analyze temperature distribution.

Key words: thermal imaging temperature measurement, a two-dimensional array, thermistors

1.绪论

1.1研究背景及意义

温度，湿度，压力，一直是科学领域研究的课题。我们的生活已经进入了信息化大数据时代，温度从日常生活中的天气预报，到一些高尖端的航空航天技术，几乎都需要温度的具体数值。本文主要针对温度的平面分布进行研究，温度作为一个充斥我们生活各个角落的存在，但是很多时候在平面或者空间分布是不均衡的，若想了解，就需要借助本文的研究内容了。

生活中我们无法避免与温度T接触，但是当我们接触到它时，只能以自己的感官去感受，然后描述，接触式的测温在我们的生活中非常普遍，而且原理方法各有千秋，例如温度计，体温表，高压锅，电水壶等等，存在我们生活的各个角落，但是这些都是间接测量了温度，所以本文的目的是将温度平面转化成图像呈现出来，给我们更加直观的感受，从视觉方面感受温度。尽管红外测温成像技术已经发展相对成熟，但是利用光探测器成本过高，并未在低层次的领域广泛应用，希望通过本文的研究，能为低层次领域提供一个简单，便捷，低成本的测温成像系统。

热敏电阻测温又可以分为点测温和面测温，点测量应用是相当广泛的，例如应用在高原冰川冻土的研究，对铁路进行维护，还有人体的一些部位温度的采集，通常是采用温度计，由于大部分用的是汞温度计，它的污染和测温瞬时性，将会逐渐被淘汰，取而代之的是热敏电阻的单点测温。尽管热敏电阻的单点测温有诸多优点，但是在一些温度密集且差异较大的地方点测量就无法满足了，这时候就必须采用面测量，面测量可以检测一定时间内温度的空间分布，工作的时候，每个热敏电阻独立进行，互不干扰，它们检测到的结果统一传送到电脑进行处理和分析，弥补了点测量的诸多不便，节省了大量的人力物力。

1.2研究的主要内容

现在，随着我们生活水平的提高，需要用到对一个平面温度进行测量的地方越来越多，本论文主要研究的内容是采用NTC热敏电阻采集数据，实现面测量的功能。可用于智能床垫，监测人体睡姿。之前也有利用红外检测人体睡姿的，但是那种方法过于复杂，采用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统，进行成像，而且价格过于昂贵，不能广泛应用，所以如果改用阵列的热敏电阻，不仅可以起到同样的效果，而且降低了成本。此外还可以用小型的贴片热敏电阻制作在柔性电路板上，可检测物体的表面温度分布，这样应用起来就更方便了，只要需要测物体表面温度都可以拿过去用。还有就是检测粮库内部温度分布，可以根据粮库面积，适当分布热敏电阻，进行整个面的实时监测，以便在粮食发热时及时采取措施，减少因为粮食发热而带来的经济损失。 另外在医学方面也有应用，在人体脑组织受到极微小的损伤或者干扰时，可采用置于脑皮层的热敏电阻阵列，不间断地对局部脑血流进行监测，以便在情况异常时及时采取有效措施，保护病人的生命安全。

综上所述，热敏电阻测温成像未来将会应用在诸多领域，向信息融合高端的方向发展。开发一个应用二维阵列的热敏电阻并实现其功能的正常运转，为以后三维立体或者更高层次的研究提供重要的参考资料。

1.3国内外研究现状

热敏电阻有很多种，其中有正温度系数热敏电阻（PTC），它是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度（居里温度）时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。还有负温度系数热敏电阻（NTC），它是一类电阻值随温度增大而减小的一种传感器电阻,以及临界温度热敏电阻（CTR），这是一类电阻值随温度增大而减小的一种传感器电阻。根据功能需要选用NTC热敏电阻，它不仅满足实验对测量温度的范围要求，最重要的是寿命，在经得起各种高精度、高灵敏度、高可靠、超高温、高压力考验后，它仍很长时间稳定工作。不像PTC功率极不稳定，功率衰退辐度极大，极易导致半年或几个月功率发生大幅度衰降而出现水不热的现象。临界温度热敏电阻应用范围有限，就不予考虑了。

NTC热敏电阻可以用于许多电子设备，小到温度计，礼品，大到汽车保护电路，医疗设备。所以被广泛应用于农业，工业，气象，旅游业，海洋，军事等多个领域。

热敏电阻测温在航天领域的应用，由于航天器在太空飞行时，会遇到各种突发状况，太空环境也是相当复杂。所以,航天器在制造时,必须要进行适当的热控制设计,让航天器中的其他仪器设备在适宜的温度条件下工作。设备采集到温度，会发送到地面，地面上的人或者设备经过判断采取热控措施。所以,温度的准确性就非常重要，改进的时候采用多点测量取平均值，就可以大大提高精确度。

热敏电阻在汽车的方面的使用，汽车经过拆分后就是一个热敏电阻集合体，可以说汽车离开热敏电阻就没法运转了。小到舒适度方面的车顶盖和座椅调节，大到空调和发动机，另外遍布全车的设备保护与电源或信号线路相连的各种装置的保护。还有即将被热敏电阻所替代的一些技术是:双金属式电路断电器控制的开关和电位计,导电聚合物开关,扁平式操作开关及电位计。它们可分别用金属膜传感器或一次性熔断丝、电阻装置、硅半导体装置取代。

以上只是从热敏电阻在航天领域的应用，在汽车方面的使用的现状进行了展开性的论述，开头还列举了许多领域，就不一一陈述了。

温度的传统测量方法也有多种，接触式温度传感器测温，红外点温仪和手持式红外成像测温仪。接触式温度传感器与测量目标紧密接触，测量结果通过有线或者无线的的通信方式发给测控主机。具有单点测温成本低，测温结果准确度高的优点，但同时也具有处于高温高压的恶劣环境，可靠性差，容易误警、安装维护极其困难和通信方式很难解决的缺点。红外点温仪虽然采用的是红外测温技术，但使用的红外传感器是非成像的，因此尽管能够进行非接触测温，但不能成像。 具有非接触式测温，安全，价格便宜，适合单点测温，但同时也具有人工操作，需要瞄准，测量结果需人工汇总单点测温，测温点多时操作冗长和测温结果依赖瞄准的准确度的缺点。手持式红外成像仪是目前最普及的工业测温方式，采用非制冷红外焦平面作为温度传感器，具有非接触成像测温的显著优点，在各个行业尤其是电力、钢铁行业得到了大范围的应用。具有非接触式测温，测温结果可视化，使用方便，便于携带的优点，是目前最主要的测温装置。但同时也具有人工操作，人工对准人工聚焦，逐点测温，测温点多时操作冗长，测温点工作状态需要人工判断，测量结果需人工汇总，漏测、误测难免的缺点。 本文的主要工作点是在第一种测温技术上进行升级改造，实现一种接触式的平面测温系统。

1.4论文主要工作

本文主要的研究内容是采用NTC热敏电阻，采用模拟开关控制热敏电阻阵列，采集数据用MATLAB对数据分析进行成像，实现一种低成本，简单，便捷，性价比高的热成像系统。本文将从以下几个地方进行阐述：

1.简述NTC热敏电阻点测量和面测量的区别，选题的背景和意义，未来的发展方向和应用领域。

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