由于本系統(tǒng)需要測量的是高溫物體的表面溫度，故采用比色測溫方案，即利用同一被測物體在兩個波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化這一特性作為其測溫原理。紅外測溫儀的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由光學系統(tǒng)、紅外探測器、信號處理和顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)完成光線的收集和視場大小的確定，紅外探測器用來將聚焦在探測器上的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大、濾波等進行信號調(diào)理，然后送至微控制器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號處理，最后再經(jīng)溫度補償和標定后轉(zhuǎn)換為被測目標的溫度并用LCD顯示出來。
1.微控制器STM32
    STM32系列基于為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。并帶有512 KB的高速Flash存儲器，其內(nèi)部集成了3個12 bit的ADC，1個2通道12 bit DAC，有多達11個定時器，其中有兩個16 bit帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器。利用此控制器可快速進行數(shù)字濾波、溫度補償?shù)葦?shù)據(jù)處理任務。
2.光學系統(tǒng)
    這部分采用的是反射式光學系統(tǒng)中典型的牛頓系統(tǒng)，這種系統(tǒng)相對于透射式和透射--反射組合式光能損失小、不存在色差、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工。
3.探測器及斬波器設計
    本系統(tǒng)采用的是熱釋電傳感器，目前熱釋電傳感器的核心元件——熱釋電材料主要有鋯鈦酸鉛PZT、鈦酸鍶鋇(BST)和鉭鈧酸鉛(PST)等,在這里選擇是用BST薄膜，熱釋電薄膜相對于熱釋電體材，具有小型輕量、分辨率高、反應快、能與微電子技術兼容等優(yōu)點，因接受到的輻射很微弱且直流放大器存在零點漂移，故在輻射信號到達傳感器器前必須對輻射能進行調(diào)制，使其變?yōu)榻蛔冃盘?。本系統(tǒng)使用的扇形調(diào)制盤由STM32的脈寬調(diào)制器輸出口PA8產(chǎn)生的占空比為50%的方波信號驅(qū)動步進電機。
4.信號的調(diào)理
    信號的放大電路分為前置放大電路和后級放大電路。尤其是前置放大器的噪聲系數(shù)對整個檢測系統(tǒng)的噪聲具有決定性作用。本設計采用的放大器是美國MAXIM公司生產(chǎn)的OP07， OP07是一種超低失調(diào)的運算放大器(一般為10 μV左右),其共模輸入阻抗可達200 MΩ，輸出阻抗僅為60 Ω,可滿足系統(tǒng)設計需要。由于STM32的A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號范圍為0～3.3 V，需選擇合適的放大倍數(shù),使最高測溫時對應的輸出電壓在3.3 V內(nèi)。
    當信號經(jīng)放大器放大后，其寬帶噪聲較大，因此，在前置放大器和后級放大器之間加了帶通濾波器來抑制寬帶噪聲，提高信噪比。但帶通濾波器的帶寬應做的寬一些，否則當溫度發(fā)生變化時，信號的頻譜很容易偏離濾波器的通頻帶而導致測量誤差。根據(jù)本系統(tǒng)需要，系統(tǒng)采用二階巴特沃斯型帶通濾波器，其中心頻率設計為100 Hz，帶寬約在20 Hz。
5.檢波電路
    本文設計中采用電子開關型檢波器，與模擬乘法器型檢波器相比具有電路簡單、精度更高、運行速度快、沒有非線性等優(yōu)點，
6. 溫度補償單元
    由于受到環(huán)境溫度的影響，需要對系統(tǒng)進行溫度補償，本系統(tǒng)采用的是集成溫度傳感器AD592，是美國AD公司的一款高性能集成溫度傳感器，具有精度高、非線性的誤差小、輸入的范圍寬等優(yōu)點。系統(tǒng)中的可調(diào)電阻R2用來校準輸出電壓V2，當環(huán)境溫度為0時輸出電壓V2為0;R5用來校準溫度系數(shù)。經(jīng)校準后，輸出電壓V2即為溫度系數(shù)與環(huán)境溫度的積，接到STM32的ADC端口PC0。
7. 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元
    STM32內(nèi)置了3個12 bit的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),每個ADC共有多達21個外部通道，可以實現(xiàn)單次或掃描轉(zhuǎn)換，在掃描模式下，自動進行在選定的一組模擬輸入上的轉(zhuǎn)換。其A/D轉(zhuǎn)換器測量范圍為0~5 V，因為本系統(tǒng)的工作頻率為150 Hz，每周期采樣10次，所以ADC的轉(zhuǎn)換速率設為1.5 kHz，系統(tǒng)中采用PC1端口對電壓進行采樣。
8. 輸入輸出單元
    STM32擁有多達80個多功能雙向I/O口，因此設計鍵盤時可采用5個獨立式按鍵，分別為開機、攝氏與華氏溫度轉(zhuǎn)換、輻射率修正和背光顯示鍵，LCD顯示器采用字符型液晶NT7502顯示，微處理器通過8 bit串行接口向NT7502發(fā)送數(shù)據(jù)/命令,用GPIO實現(xiàn)LCD的讀寫控制時序以及數(shù)據(jù)信號，完成對LCD的操作控制，同時可用來顯示環(huán)境溫度的值。