0403093李學仿飛碟式美發(fā)智能加熱器的設計

1、濟南大學畢業(yè)設計1前言1.1 國內外研究現狀溫度傳感器方面，通常分為接觸型和非接觸型，但接觸型傳感器往往容易受到環(huán)境的影響，從而導致數據的失真。測量師根據關于物體在一定溫度下反射出的能量物體定律。對于理想輻射或者黑體輻射來說，全波長輻射能是與絕對溫度的四次方成正比的。測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于1800以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術的發(fā)展，輻射測溫逐漸由可見光向紅外線擴展，700以下直至常溫都已采用，且分辨率很高1。遠紅外加熱技術在 70 年代僅限于 0450 的中溫加熱領域；到了 80 年代已達到600750的中溫加熱領域；到9

2、0 年代中期研制成功的遠紅外定向強輻射器，在電能輻射轉換效率方面有新的突破。遠紅外線加熱成為當今世界上比較流行的加熱技術。遠紅外線的傳熱方式是以放射方式直接向被加熱體投射，因此被稱為“直熱”，具有直進性、穿透性和選擇性，同時還具有內外同步加熱的特征可確保產品層次，各部位均勻受熱。遠紅外加熱技術從我國 70 年代的碳化硅、金屬管、電阻帶、陶瓷、半導體、搪瓷等元件；到 80 年代的石英管、鍍金石英管、微晶玻璃燈等元件；一直到目前的遠紅外定向強輻射器，經過三個階段，邁出三大步。遠紅外元件的電能輻射轉換效率由4050% 提高到78% 以上?？傊?，我國的遠紅外加熱技術經過 20 多年的發(fā)展取得了可喜的成

3、績2。在工作臂任意角度自鎖控制這一論題中，生活中有許多的應用實例的變形，諸如筆記本電腦、文曲星等電子設備顯示屏的任意角度定位、拉伸型臺燈關節(jié)定位等，都是巧妙地通過轉動關節(jié)處的巧妙地摩擦來實現自鎖功能，使其能在任意空間角度定位。但這只能針對力矩很小的結構，而對于存在較大力矩的裝置，則會產生由于摩擦力無法抵消重力矩而失衡的現象3。非接觸溫度傳感器、遠紅外加熱、自鎖機構等技術得到了很好的應用和普及，與此同時，我們發(fā)現在遠紅外加熱技術的現實應用中，存在這樣一個問題，美容美發(fā)店在發(fā)藝造型、燙染過程中，通常需要在定型或者施加染發(fā)劑之后對頭發(fā)進行加熱處理，催化化學藥品快速反應，以期達到理想的處理效果。雖然經

4、過了產品的多次更新?lián)Q代，但在使用加熱器的過程中，加熱溫度無法達到精確地控制，工作過程無法具體量化，沒有解決溫度的智能可控性，而暴露出加熱溫度過高產生不適，或者局部溫度冷熱不均而影響美容效果的問題。1.2 選題意義人們對科學技術的追逐是永不止步的，對美的追求也是永不停歇。據說，埃及是世界上發(fā)明燙發(fā)最早的地方。那時，婦女把頭發(fā)卷在木棒上，涂上含有大量硼砂的堿性泥，在日光下曬干，然后把泥洗掉，頭發(fā)便出現美麗的渦卷。隨著社會的進步，國家的發(fā)展，越來越多的人士更加注重自身外在形象，美容美發(fā)店也開拓出越來越多的美容產品。頭發(fā)的燙、染、保養(yǎng)越來越多的受到大眾的歡迎，成為普及性極強的一項美容產品。美容美發(fā)店在

5、發(fā)藝造型、燙染過程中通常需要在定型或者施加染發(fā)劑之后對頭發(fā)進行加熱處理，催化化學藥品快速反應。在這個程序中，加熱裝置在過去的十幾年中得到了一次次更新?lián)Q代，從最初的“電帽子”到現在的遠紅外加熱器、ptc加熱裝置，技術得到了極大地提高。雖然經過了產品的多次更新?lián)Q代，但在使用加熱器的過程中，加熱溫度無法達到精確地控制，控制過程無法具體量化。于此基礎上，該課題圍繞智能溫度監(jiān)控進行探究，在加熱器中添加溫度傳感器、角度傳感器等裝置，對發(fā)質表面的溫度進行實時監(jiān)控、反饋，經過單片機的數據再處理，做出輸出溫度修正，實現加熱溫度在設定范圍內窄幅波動，從而有效避免溫度控制的難題。1.3 設計內容發(fā)廊智能飛碟加熱器采

6、用遠紅外線加熱方式，利用遠紅外線具有激發(fā)水的活性的特長，把它利用在加熱器上，為進一步設計和改造加熱器的方案選擇上提供了理論依據。飛碟式美發(fā)智能加熱器是美容美發(fā)店在發(fā)藝造型、燙染過程中常用的加熱裝置。但由于在使用時，設備缺少溫度監(jiān)控系統(tǒng)，導致常常在使用的過程中，顧客會由于加熱溫度過高產生不適，或者局部溫度冷熱不均而影響美容效果。在此現狀下，在智能飛碟加熱器的工作過程中，使用溫度監(jiān)控系統(tǒng)對顧客頭發(fā)表面溫度實施實時檢測與調控，實現加熱溫度在設定范圍內窄幅波動，從而達到良好的加熱效果。該課題圍繞智能溫度監(jiān)控進行探究，采用溫度傳感器對各點溫度進行測量，并及時反饋給數據處理系統(tǒng)，實現溫度的智能可控性、設備

7、使用的人性化。該系統(tǒng)的使用指標如下：1) 用途：飛碟加熱器的溫度智能化控制；2) 使用場所：美容美發(fā)店；3) 性能：可靠、靈敏、調節(jié)方便；4) 硬件配置：價格經濟，能滿足使用即可；5) 檢測范圍：0-80°2總體方案設計2.1 機械部分2.1.1 機械總體設計采用壁掛式，在墻壁上鉆眼，用螺絲加固機身。機械工作臂1靠近壁掛端采用一個橫向軸承使工作臂1能夠在水平范圍內180度轉動，在工作臂1和工作臂2的末端安裝縱向軸，使加熱器頭部能夠在豎直平面上靈活調節(jié)。通過三節(jié)工作臂的設計，加熱器頭部實現了在水平和豎直范圍內較好的移動，使其更容易針對不同的顧客身高條件予以調節(jié)。圖2.1 總體結構示意圖

8、2.1.2 工作臂自鎖總體方案設計在工作臂2的設計中，技術上要求工作臂能夠在任意位置保持平衡，設計方案中參考了多種自鎖形式。按原理來分大體上可以分為摩擦自鎖式、彈簧四桿機構變形自鎖、彈簧摩擦結合自鎖等共三種方式，每種方式都具有一定程度的可行性，現逐一分析四種實現方式的優(yōu)缺點。摩擦自鎖方式如圖(2-2)所示，在旋轉軸處提供摩擦力，通過摩擦力產生的反向力矩來抵消重力產生的重力矩，從而實現力矩平衡，達到自鎖的目的。但是摩擦自鎖機構在工作的過程中，需要被提供足夠大的摩擦力，由此造成工作臂操作中靈活性的缺失，同時，對設計要求的比較苛刻，此種只存在理論上的可能性，對力矩較大的機構并不具有現實使用價值4。圖

9、2.2 摩擦自鎖彈簧四桿變形機構自鎖方式如圖(2-3)所示，在中空管中安裝可移動滑塊，兩段連接彈簧，工作過程中，憑借外力促使滑塊在中空管中移動，在此過程中彈簧始終處于被拉伸狀態(tài)，當工作臂需要在某一空間位置停止時，彈簧拉力、旋轉軸處支持力、重力三力平衡，進而達到工作臂自鎖的目的。圖2.3 彈簧四桿變形機構自鎖此方案雖然能夠解決在某一位置的受力平衡問題，但是在工作臂2的空間位置移動的過程中，不能夠保持良好的平衡性，并且四桿機構的變形使用，需要可移動滑塊在定位過程中，與管壁保持足夠的摩擦力，這就造成了一個兩難問題，如果保持足夠的摩擦，雖然解決了定位問題，但卻使工作臂的旋轉變得笨重；相反，若減小這種摩

10、擦力去解決工作臂的旋轉問題，又會使固定平衡問題凸顯出來。摩擦彈簧自鎖機構如圖(2-4),結合以上方法，將摩擦自鎖和彈簧結合起來，在水平位置，首先使彈簧處于被拉伸狀態(tài)，在重力的作用下，實現力矩平衡；由于在設計過程中，彈簧與工作臂2所成的角度很小，這也就造成在旋轉過程中彈簧的形變量很小，添加旋轉軸摩擦的目的就在于通過摩擦來抵消彈簧的額外形變所產生力矩變化。 圖2.4 摩擦彈簧自鎖通過三節(jié)工作臂的設計，并添加了工作臂自鎖功能，加熱器頭部實現了在水平和豎直范圍內較好的移動，使其更容易針對不同的顧客身高條件予以調節(jié)。在不使用加熱器的時候，可以將其折疊到墻壁上，充分節(jié)省工作空間；工作時，將其伸展拉出，進行

11、良好的工作。因為壁掛梁采用三節(jié)連臂設計，三段移動臂擁有最大的自由移動空間：高度、水平位置、工作角度都可以得到有效地調節(jié)，突破傳統(tǒng)，擁有新潮的外形，并且充分的體現了設計人性化的特點。圖2.5 工作臂4在細節(jié)上，加熱器頭部設計成一定角度的傾斜，這個角度根據顧客頭部發(fā)髻的輪廓和水平的傾斜程度，定為45°(如圖2-5)。這樣工作轉動過程中，能夠實現更大范圍的加熱覆蓋，改善了加熱效果。2.1.3 防纏繞設計工作頭部的遠紅外加熱管在工作的過程中需要電力供應，但是由于工作頭部是不斷旋轉的，這就造成若是采用普通的電源線將造成由于不斷旋轉而產生電源線纏繞的問題。解決此問題的思路是引入了直流電動機中采用

12、的電磁滑環(huán)裝置。圖2.7 直流電動機原理圖直流電機作為發(fā)電機運行時，電樞有原動機驅動而在磁場中旋轉，在電樞線圈的兩根有效邊中便感應出電動勢，顯然，每一有效邊中的電動勢是交變的，即在n極下是一個方向，當它轉到s極下時，是另一個方向。但是由于電刷a總是同與n極下的有效邊相連的轉向片接觸，而電刷b總是同與s極下的有效邊相連的轉向片接觸，因此在電刷間就出現一個極性不變的電動勢或者電壓，所以，換向器的作用在于將發(fā)電機電樞繞阻內的交流電動勢變換成電刷間的極性不變的電動勢。當電刷之間接有負載時，在電動勢的作用下就在電路中產生一定方向的電流。在電源輸入到頭部的線路設計中，在直流電動機的電刷技術的基礎上，旋轉滑

13、環(huán)體這一發(fā)明專利，能夠很好的解決在工作過程中所產生的線路纏繞問題，在根本思路上取得了突破和創(chuàng)新5。2.2 控制系統(tǒng)的設計控制系統(tǒng)是發(fā)廊智能飛碟加熱器的神經中樞，它負責加熱器溫度的控制及現場角度傳感器信號的處理?？刂葡到y(tǒng)的功能就是對飛碟加熱器的各分系統(tǒng)進行協(xié)調和控制，因而應該具有靈敏的數據檢測和反饋處理能力。選擇80c51單片機作為控制系統(tǒng)的神經中樞，輔以74ls374、icl7135、74ls273、moc3041等芯片，ts118-2紅外線溫度傳感器、fl86byg92步進電動機、光電耦合器、功率驅動器、報警二極管、開關等外部設備。通過紅外線溫度傳感器，在工作表面溫度過高時，及時反饋溫度過高

14、檢測信號回控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進行數據處理，發(fā)出降低加熱溫度的信號到遠紅外線加熱管，完成溫度的反饋校正。在工作表面溫度過低時，及時反饋溫度過低檢測信號回控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進行數據處理，發(fā)出提高加熱溫度的信號到遠紅外加熱管，完成溫度的再次校正。設計成具有溫度設定、溫度監(jiān)測與反饋、溫度控制、報警提示等多功能的工作控制系統(tǒng)6。圖2.8 控制系統(tǒng)示意圖3機械系統(tǒng)設計3.1 工作臂的設計3.1.1 工作臂自鎖原理工作臂受重力產生一個以旋轉軸為中心的力矩，現設計一個結構來抵消產生的這種力矩。但由于工作臂所受重力比較大，傳統(tǒng)的采用摩擦來抵消力矩的設計方案無法達到良好的效果，經過反復推敲，決定首先以一根

15、彈簧的拉力來抵消重力所產生的力矩；由于彈簧與工作臂所成的角度比較小，所以在工作臂上升、下降的過程中所引起的力矩變化不大，而這部分產生的力矩變化，由旋轉軸處的預緊摩擦力矩來抵消，從而達到工作臂任意自鎖的目的7。3.1.2 工作臂2結構設計計算（1）工作臂受力分析根據solidworks質量計算器算得，此部分所受重力約為g=60n。圖3.1 水平狀態(tài)在工作臂2水平平衡時，根據相似三角形原理： (3-1)在這種情況下，彈簧拉力產生的力臂為：假設重力g與拉力f1產生的力矩平衡： (3-2)這種情況下，需要的拉力為：。圖3.2 上揚45°狀態(tài)當工作臂2與水平成30°時，f2所產生的力

16、臂h2為：假設此時拉力f2與重力g力矩平衡： (3-3)這種情況下，需要的拉力為。圖3.3 下伸45°狀態(tài)當工作臂2與水平成-45°時，f3所產生的力臂h3為：假設此時重力g與拉力f3所產生的力矩平衡，則： (3-4)所以此時所需的拉力為(2) 圓柱螺旋拉伸彈簧設計根據機械設計，由表格16-2取切變模量g=82000mpa，預先取彈簧的圈數為n=20；彈簧鋼絲直徑：d=6mm；旋繞比：c=7； 中徑 (3-5) 內徑 (3-6) 外徑 (3-7) 圓截面彈簧絲的曲度系數k： (3-8)根據gb/t 4357-1989標準，彈簧鋼絲的拉伸強度極限暫時選用b級1470n，則許用

17、切應力： (3-9) (3-10) 符合設計要求。彈簧鋼絲直徑應滿足： (3-11) 所以預選小徑能夠滿足要求。由以上數據可計算彈簧的剛度： (3-12)拉簧的初切應力為： (3-13) 初拉力為： (3-14)所以在工作臂處于水平位置時，彈簧的拉伸量為： (3-15)此時彈簧的總長度為： (3-16) 參考此數據來設定彈簧的兩個連接點間的距離，使工作臂2處于水平位置時，彈簧的拉力矩與重力產生的重力矩達到平衡。 而當工作臂向上或向下旋轉時，彈簧拉力與重力各自產生的力矩的差值發(fā)生變化： (3-17) 在旋轉過程中，重力矩與彈簧拉力矩的差值不穩(wěn)定變化，采取旋轉軸摩擦靜力矩來進行實時的抵消，從而達到

18、自鎖的目的。對旋轉軸處進行壓花處理，增加摩擦系數到，并且安裝碟簧這一裝置，用以控制鎖緊壓力的大小。摩擦力所產生的力臂為，此時需要的最大摩擦力為： (3-18)在這種狀況下，所需的最小預緊力為： (3-19)依照安全性原則，給旋轉軸施加預緊力：4。3.1.3 工作臂3結構設計計算設計中若要保持工作臂3豎直向下，由于設計機構所受重力方向未在工作臂3垂直方向，所以同樣需要一個自鎖機構來提供反向的動力矩，借以實現工作臂3保持垂直狀態(tài)。假設采用同樣的自鎖機構，分析原理及步驟同上。順序計算出水平狀態(tài)、上揚45°、向下旋轉45°的極限位置彈簧所產生的拉力。由solidworks三維設計軟

19、件中的質量計算器計算出頭部重力約為：g=40n拉力所產生的力臂，根據力矩平衡： (3-20)拉力所產生的力臂，根據力矩平衡： (3-21)拉力所產生的力臂，根據力矩平衡： (3-22) 經過受力分析，此處由于重力所產生的力矩比較小，若同樣采用前一種方案，不符合設計經濟性的原則，單一采用軸部摩擦鎖緊的方式同樣可以達到設計要求，并且降低了了產品的生產成本。 直接采用摩擦自鎖的方式，旋轉軸處摩擦力所產生的力臂為工作臂3垂直方向保持平衡，則需要的最小摩擦力為： (3-23)對旋轉軸處進行壓花處理，增加摩擦系數到，則需要對旋轉軸施加最小的壓力為： (3-24) 依照安全性原則，給旋轉軸施加預緊力4。3.

20、1.4 工作臂行程設計運行機構的設計中，本著設計的機構具有靈活、精巧特性的出發(fā)點，方案設定其為連桿拉伸-折疊的機構工作方式。具有兩個橫向轉動軸與兩個縱向轉動軸，使美發(fā)加熱器在工作的過程中能夠實現最大范圍的工作行程。圖3-4 為美發(fā)加熱器俯視圖，工作臂2可以圍繞a點，在圖示300°的范圍內做水平旋轉運動。工作臂3可以圍繞b點(b點為機身固定在墻壁上的安裝固定點)，在180°的范圍內做水平旋轉運動。建立空間坐標，算得美發(fā)加速器在水平方向，能夠在以2m為半徑的半圓內的任意位置實現定位。這就從最大程度上拓展了工作空間，特別適用于工作空間不是十分寬敞的發(fā)廊，去根據實際情況合理定位工作

21、點，并且十分具有現代氣息，從外形到實用性都達到了一個很高的標準。圖3.4 工作臂行程俯視圖圖3-5 為美發(fā)加熱器的主視基準面視圖，旋轉軸c與旋轉軸d能夠在豎直平面內運動，實現工作平面的垂直方向定位。機構設計過程中，設定上揚45°到下伸30°工作極限范圍。這個設計能夠根據不同顧客的身高特征，來調節(jié)垂直方向的高度，使工作頭部的熱源在工作的過程中能夠很好的覆蓋加熱表面，均勻受熱，進而實現更好的加熱工作效果。并且，在美發(fā)加熱器不工作的時候，將工作臂上揚45°，再進行a、b旋轉軸的旋轉調節(jié)，將美發(fā)加熱器貼靠到到固定其機身的墻壁上。這種設計的好處就是能夠在不需要此工作裝置時，

22、不需要繼續(xù)占用工作位，最大限度的提高空間利用價值。圖3.5 工作臂行程水平視圖3.2 電動機的選擇(1)等效轉動慣量計算預選混合式步進電機fl86byg92為備選型號。估算工作頭部的旋轉半徑為r=250mm，小圓半徑r=80mm，工作頭部的質量為1kg8。可以近似看做圓環(huán)，轉動慣量為： (3-25) 轉子的轉動慣量：。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的傳動慣量為： (3-26） 考慮步進電動機與傳動系統(tǒng)慣量相匹配的問題： (3-27)基本滿足慣量匹配的要求。表3.1 86圓形步進電動機系列步進電機型號步距角靜力矩電流電阻電感引線數機身長轉動慣量重量°n.mamhno.mmg.cm 2kgf

23、l86byg621.81.81.92.69.76626401.6fl86byg921.83.93.31.11049213002.6fl86byg941.84.431.21149410003.5*以上表中所列步進電機型號有庫存，可根據客戶要求定制。(2)電機力矩計算工作轉速定為：，起動時間為：,起動轉矩為： (3-28) 由表查出，當步進電動機為三相六拍時，。最大靜轉矩： (3-29)計算過程中，因為工作過程摩擦力的作用很小，忽略了摩擦力矩和附加摩擦力矩，按此最大靜轉矩從表中查出，fl86byg92的最大靜力矩為3.9nm，遠大于所需的最大靜力矩，選型成功。圖3-6 fl86byg92外形圖 4

24、控制系統(tǒng)設計4.1 遠紅外線技術介紹遠紅外線是有益的電磁波。紅外線是電磁波一種，任何物體於絕對零度以上，都可放出紅外線，而紅外線波長在0.75至1000微米之間，又依能量含量不同，可分成近紅外線(波長在0.75 1.5微米)、中紅外線(波長在1.5 5.6微米)及遠紅外線(波長在5.6 1000微米)。雖然在19世紀初就發(fā)現了紅外輻射，但真正廣泛的應用于工業(yè)生產、軍事和各種科學研究領域卻是到了第二次世界大戰(zhàn)期間。30年代，美國福特汽車公司首先把紅外輻射技術應用于汽車涂漆的烘干工藝上。當時使用紅外燈泡作為輻射源，由于受玻璃燈罩的限制，只利用其中的近紅外能量。直到日本研制成功氧化鎂管和碳化硅板,

25、并宣傳了遠紅外加熱技術的優(yōu)點，這一技術重新引起了大家的注意。對許多化合物，應用遠紅外比用近紅外線，其加熱效果要好得多。應用于生產，從此遠紅外加熱技術迅速發(fā)展成為一個新興領域，由于其明顯的節(jié)能效果，越來越多的國家重視這一技術的發(fā)展和應用。經過許多科學工作者的研究, 先后制造出了比溫度計靈敏度高的多的紅外探測器、人造紅外輻射源、精密的紅外光譜分析儀器紅外光譜儀。目前探測器的靈敏度可以比普通的水銀溫度計高1 萬倍；利用激光技術生產的紅外束，可使照到樣品上的功率密度比太陽能高1億倍；紅外光譜儀分解光譜的性能也比牛頓分光法高出1千倍9。遠紅外加熱技術在70年代僅限于0450的中溫加熱領域。到了80年代已

26、達到600750的中溫加熱領域。在以前的遠紅外加熱烘道、烘箱中雖然強調以輻射為主加熱,但是還有一部分熱能以傳導、對流的形式加熱。因此烘道、烘箱都要求做到密閉、保溫。到90年代中期研制成功的遠紅外定向強輻射器,在電能輻射轉換效率方面有新的突破。其電能輻射轉換效率高達78%以上,法向發(fā)射率大于92%，熱響應時間小于2分鐘。該產品以極強的紅外輻射源在空間垂直沿內形成寬譜波定向輻射, 熱穩(wěn)定性好,長期使用,特性不退變, 使用溫度在 60900之間任意可調。其發(fā)出的熱光子束流，在輻射平面內均勻分布, 克服了國內各種紅外加熱元件溫度分布不均勻的問題。為在我國工業(yè)結構中推廣世界先進水平的開放式快速干燥機型提

27、供了必備條件(該產品是開放式干燥機型的核心環(huán)節(jié))。即烘道、烘箱再不要求密閉、保溫。該產品由于在材料應用中采用國際、國內最先進的技術手段, 使用壽命大大提高,遠遠超出了目前國內同類產品的使用壽命, 并在維修上非常簡單,可重復使用多年,克服了國內外同類產品一次性使用的弊端, 是目前最為理想的烘烤加熱元件。遠紅外加熱技術從我國70年代的碳化硅、金屬管、電阻帶、陶瓷、半導體、搪瓷等元件到80年代的石英管、鍍金石英管、微晶玻璃燈等元件，一直到目前的遠紅外定向強輻射器, 經過三個階段，邁出三大步。遠紅外元件的電能輻射轉換效率由40 50%提高78%以上。烘道、烘箱由密閉、保溫型發(fā)展到開放型?？傊?，我國的遠

28、紅外加熱技術經過20多年的發(fā)展取得了可喜的成績。在當前我國電力十分緊張的情況下，遠紅外加熱水平的提高，在節(jié)能和提高加熱干燥物質量方面具有十分重要的意義。應在加熱干燥領域大力推廣這一技術104.2 溫度傳感器的選擇4.2.1 溫度傳感器的分類接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，溫度計通過傳導或對流達到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內，溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。非接觸式

29、溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法（見光學高溫計）、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計）。各類輻射測溫方法只能測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實溫度11。菲涅爾透鏡 (fresnel lens) 是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉及

30、擾射和根據相對靈敏度和接收角度要求來設計的，簡單的說就是在透鏡的一側有等距的齒紋。通過這些齒紋，可以達到對指定光譜范圍光帶通(反射或者折射)的作用12。4.2.2 測溫方式的選擇非接觸測溫優(yōu)點：測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于1800以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術的發(fā)展，輻射測溫逐漸由可見光向紅外線擴展，700以下直至常溫都已采用，且分辨率很高。 其中一種距離我們現實生活最近的應用便是熱釋電紅外線傳感器人體測溫裝置。經過非典、h1n1型流感等以發(fā)熱為癥狀表現的傳染病的出現，人體測溫裝置得到了長遠的發(fā)展。熱釋電遠紅外線傳感器主要是由一種

31、高熱電系數的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2×1mm的探測元件。在每個探測器內裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號，經裝在探頭內的場效應管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設一個菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出1020米范圍內人的行動。非接觸測溫普遍采用菲涅爾透鏡原理，利用透鏡的特殊

32、光學原理，在探測器前方產生一個交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而強其能量幅度13。 鑒于遠紅外傳感器的種種優(yōu)點，在此次智能飛碟加熱器的設計中，決定采用紅外線傳感器對工作溫度進行實時監(jiān)測，選用傳感器型號如下：型號：ts118-2紅外溫度傳感器；類型：紅外溫度傳感器；量程：跟處理電路相關（普通-20100）；精確度：±1；輸出：8.0±2.0mv；工作溫度：-20100；特點：尺寸小，安裝方便；典型應用：無接觸溫度測量，移

33、動物體測溫，溫度控制，火災報警，醫(yī)療儀器。4.3 電路設計4.3.1 系統(tǒng)芯片介紹（1）80c51 中央處理器（cpu）能處理8位二進制數和代碼，即一個字節(jié)。 內部存儲器單片機內部存儲器包括程序存儲器和數據存儲器。定時與中斷系統(tǒng)80c51內部集成了2個16位的定時器/計數器，用于實現定時或者技術功能；同時，一起定時或者計數的結果來實現控制功能。80c51單片機具有中斷功能，以滿足控制應用的需要。80c51共有5個中斷源，即外部中斷2個，定時器/計數器中斷2個，串行口中斷1個。全部中斷可分為高級和低級兩個優(yōu)先級別。 i/o口80c51單片機內部共有4個8位的并行i/o口（p0、p1、p2、p3）

34、，以實現數據的并行輸入和輸出。80c51單片機還有一個全雙工的串行口，以實現單片機與單片機之間以及單片機與外部設備之間的穿行數據的傳送。 時鐘電路 時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列，用于協(xié)調和控制單片機的工作。80c51單片機的內部有時鐘電路，在采用內部時鐘時須外接石英晶體振蕩器和微調電容。系統(tǒng)允許的最高時鐘頻率為12mhz。 在一般的使用情況下，p1和p2口可作為通用i/o口提供給用戶，且無需上拉電阻；p0口作為數據總線使用；而p3口通常工作在第二功能狀態(tài)。當然，在芯片外連接有ram和i/o口時，p2口作為地址總線使用14。（2）moc3041圖4.1 moc3041moc3041芯片是一種

35、集成的帶有光耦合的雙向可控硅驅動電路。它內部集成了發(fā)光二極管，雙向可控硅和過零觸發(fā)電路等器件。在本設計當中，單片集成可控硅驅動器件moc3041 作為對輸出的驅動和控制。它由輸入和輸出兩部分組成，輸入部分是一個砷化鎵發(fā)光二極管，在515ma正向電流的作用下，發(fā)出足夠強度的紅外光去觸發(fā)輸出部分。輸出部分包括一個硅光敏雙向可控硅和過零觸發(fā)器。在紅外線的作用下，雙向可控硅可雙向導通，與過零觸發(fā)器一起輸出同步觸發(fā)器，去控制執(zhí)行機構外部的雙向可控硅15。（3）74l374八上升沿d觸發(fā)器(3s，時鐘輸入有回環(huán)特性)。374的輸出端o1o7可直接與總線相連。當三態(tài)允許控制端oe為高電平時，o1o7呈高阻態(tài)

36、，即不去動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。當時鐘端cp脈沖上升沿的作用下，o隨數據d而變。由于cp端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mv。 表4.1 引出端符號引腳作用d0d7數據輸入端oe 三態(tài)允許控制端（低電平有效）cp時鐘輸入端o1o7輸出端外部管腳/邏輯圖：圖4.2 74ls374（4）icl7135 icl7135c 轉換器用德州儀器公司高效率cmos工藝制造。這種4 1/2 數位、雙斜率積分(dual-slope-integrating)模擬-數字轉換器是為提供與微處理器和可視顯示二者的接口而設計的。數字驅動輸出端d1至d4以及

37、多路復用的二十進制代碼(binary-coded-decimal)輸出端b1、b2、b4和b8提供適用于led或lcd譯碼器/驅動器和微處理器的接口。icl7135c 和 tlc7135c 提供 50-ppm的分辨率，其最大線性度誤差為 1 個計數值。零點誤差小于10v ，零點漂移小于0.5v/。低輸入電流(小于 10pa)使源阻抗(source-impedance)誤差為最小。翻轉誤差(rollover error)限制至±1計數值16。圖4.3 icl7135 busy，strobe，run/hold，over range以及under range控制信號支持基于微處理器的測量系

38、統(tǒng)。控制信號也能支持通過通用異步接收器發(fā)送器(uart)進行數據傳送的遠程數據采集系統(tǒng)。 icl7135c的工作溫度范圍為0至70。4.3.2 電路原理 本裝置的任務是對溫度進行實時監(jiān)測和控制。首先，由溫度傳感器對溫度進行采樣和轉換，將測量結果送給單片機；單片機將輸入的溫度值與內部制定單元的給定溫度值進行比較，根據比較結果，通過一個執(zhí)行機構可控硅，對加熱源(遠紅外加熱管)的開斷狀態(tài)進行控制。 該系統(tǒng)以高性能/價格比的80c51為核心，采用新型遠紅外溫度傳感器來測量溫度，由雙向可控硅驅動電路moc3041和雙向可控硅組成輸出控制通道。此外，還有鍵盤/顯示電路、報警輸出電路等。整個系統(tǒng)結果緊湊，性

39、能可靠。(1) 輸入通道的設計該部分主要完成對溫度信號的采集和轉換工作，由遠紅外溫度傳感器ts118-2及其與單片機的接口部分組成。由于采用了該芯片，溫度測量電路變得非常簡單。ts118-2就像三極管一樣，有一根地線，一根信號線，和一根電源線。 通過dq線與單片機的一根i/o口線相連，就能實現單片機對ts118-2模式控制，溫度值讀取等操作。(2) 輸出通道的設計在設計當中采納了單片機成可控硅驅動期間moc3041來作為對輸出的驅動和控制，由moc3041組成的過零觸發(fā)雙向可控硅電路簡單可靠，電路圖如圖4-4。圖4-4 加熱回路 其中： r1：限流電阻，控制led的觸發(fā)電流 r2：門極電阻，提高控制級的抗干擾能力 r3：控制回路限流電阻，保護moc3041中的雙向可控硅 r4，c4：構成吸收回路，承受反向電壓該部分的工作過程是：當單片機輸出為低電平時，moc3041內部導通，出現同步觸發(fā)脈沖，控制可控硅導通，打開加熱器；當輸出為高電平時，moc3041內部截止，可控硅斷開，關閉加熱器17。4.3.3 系統(tǒng)功能(1) 主要功能 實時顯示溫度，系統(tǒng)的精度為1； 控制溫度，默認的設定溫度為上次設定溫度。低于或者等于下限溫度時加熱，高于或者等于上限溫度時保溫。設定時上限比下限大2； 用按鍵可隨時修改上下限溫度； 通過報警器件輸出報警； 系統(tǒng)