0403093李學(xué)仿飛碟式美發(fā)智能加熱器的設(shè)計

1、濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計1前言1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)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(dǎo)致數(shù)據(jù)的失真。測量師根據(jù)關(guān)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(shù)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(yuǎn)紅外加熱技術(shù)在 70 年代僅限于 0450 的中溫加熱領(lǐng)域；到了 80 年代已達到600750的中溫加熱領(lǐng)域；到9

2、0 年代中期研制成功的遠(yuǎn)紅外定向強輻射器，在電能輻射轉(zhuǎn)換效率方面有新的突破。遠(yuǎn)紅外線加熱成為當(dāng)今世界上比較流行的加熱技術(shù)。遠(yuǎn)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(nèi)外同步加熱的特征可確保產(chǎn)品層次，各部位均勻受熱。遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)從我國 70 年代的碳化硅、金屬管、電阻帶、陶瓷、半導(dǎo)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(yuǎn)紅外定向強輻射器，經(jīng)過三個階段，邁出三大步。遠(yuǎn)紅外元件的電能輻射轉(zhuǎn)換效率由4050% 提高到78% 以上?？傊覈倪h(yuǎn)紅外加熱技術(shù)經(jīng)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(yīng)用實例的變形，諸如筆記本電腦、文曲星等電子設(shè)備顯示屏的任意角度定位、拉伸型臺燈關(guān)節(jié)定位等，都是巧妙地通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處的巧妙地摩擦來實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，而對于存在較大力矩的裝置，則會產(chǎn)生由于摩擦力無法抵消重力矩而失衡的現(xiàn)象3。非接觸溫度傳感器、遠(yuǎn)紅外加熱、自鎖機構(gòu)等技術(shù)得到了很好的應(yīng)用和普及，與此同時，我們發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)的現(xiàn)實應(yīng)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(xué)藥品快速反應(yīng)，以期達到理想的處理效果。雖然經(jīng)

4、過了產(chǎn)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(chǎn)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(xué)技術(shù)的追逐是永不止步的，對美的追求也是永不停歇。據(jù)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(xué)藥品快速反應(yīng)。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(xiàn)在的遠(yuǎn)紅外加熱器、ptc加熱裝置，技術(shù)得到了極大地提高。雖然經(jīng)過了產(chǎn)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(chǔ)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(zhì)表面的溫度進行實時監(jiān)控、反饋，經(jīng)過單片機的數(shù)據(jù)再處理，做出輸出溫度修正，實現(xiàn)加熱溫度在設(shè)定范圍內(nèi)窄幅波動，從而有效避免溫度控制的難題。1.3 設(shè)計內(nèi)容發(fā)廊智能飛碟加熱器采

6、用遠(yuǎn)紅外線加熱方式，利用遠(yuǎn)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(shè)計和改造加熱器的方案選擇上提供了理論依據(jù)。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(shè)備缺少溫度監(jiān)控系統(tǒng)，導(dǎo)致常常在使用的過程中，顧客會由于加熱溫度過高產(chǎn)生不適，或者局部溫度冷熱不均而影響美容效果。在此現(xiàn)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(diào)控，實現(xiàn)加熱溫度在設(shè)定范圍內(nèi)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(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度的智能可控性、設(shè)備

7、使用的人性化。該系統(tǒng)的使用指標(biāo)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(diào)節(jié)方便；4) 硬件配置：價格經(jīng)濟，能滿足使用即可；5) 檢測范圍：0-80°2總體方案設(shè)計2.1 機械部分2.1.1 機械總體設(shè)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(nèi)180度轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)。通過三節(jié)工作臂的設(shè)計，加熱器頭部實現(xiàn)了在水平和豎直范圍內(nèi)較好的移動，使其更容易針對不同的顧客身高條件予以調(diào)節(jié)。圖2.1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

8、2.1.2 工作臂自鎖總體方案設(shè)計在工作臂2的設(shè)計中，技術(shù)上要求工作臂能夠在任意位置保持平衡，設(shè)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(gòu)變形自鎖、彈簧摩擦結(jié)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(xiàn)逐一分析四種實現(xiàn)方式的優(yōu)缺點。摩擦自鎖方式如圖(2-2)所示，在旋轉(zhuǎn)軸處提供摩擦力，通過摩擦力產(chǎn)生的反向力矩來抵消重力產(chǎn)生的重力矩，從而實現(xiàn)力矩平衡，達到自鎖的目的。但是摩擦自鎖機構(gòu)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(shè)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(gòu)并不具有現(xiàn)實使用價值4。圖

9、2.2 摩擦自鎖彈簧四桿變形機構(gòu)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(dāng)工作臂需要在某一空間位置停止時，彈簧拉力、旋轉(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)變得笨重；相反，若減小這種摩

10、擦力去解決工作臂的旋轉(zhuǎn)問題，又會使固定平衡問題凸顯出來。摩擦彈簧自鎖機構(gòu)如圖(2-4),結(jié)合以上方法，將摩擦自鎖和彈簧結(jié)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(xiàn)力矩平衡；由于在設(shè)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(zhuǎn)過程中彈簧的形變量很小，添加旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生力矩變化。 圖2.4 摩擦彈簧自鎖通過三節(jié)工作臂的設(shè)計，并添加了工作臂自鎖功能，加熱器頭部實現(xiàn)了在水平和豎直范圍內(nèi)較好的移動，使其更容易針對不同的顧客身高條件予以調(diào)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(shè)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(diào)節(jié)，突破傳統(tǒng)，擁有新潮的外形，并且充分的體現(xiàn)了設(shè)計人性化的特點。圖2.5 工作臂4在細(xì)節(jié)上，加熱器頭部設(shè)計成一定角度的傾斜，這個角度根據(jù)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(zhuǎn)動過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的加熱覆蓋，改善了加熱效果。2.1.3 防纏繞設(shè)計工作頭部的遠(yuǎn)紅外加熱管在工作的過程中需要電力供應(yīng)，但是由于工作頭部是不斷旋轉(zhuǎn)的，這就造成若是采用普通的電源線將造成由于不斷旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)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(qū)動而在磁場中旋轉(zhuǎn)，在電樞線圈的兩根有效邊中便感應(yīng)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(dāng)它轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向片接觸，而電刷b總是同與s極下的有效邊相連的轉(zhuǎn)向片接觸，因此在電刷間就出現(xiàn)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(nèi)的交流電動勢變換成電刷間的極性不變的電動勢。當(dāng)電刷之間接有負(fù)載時，在電動勢的作用下就在電路中產(chǎn)生一定方向的電流。在電源輸入到頭部的線路設(shè)計中，在直流電動機的電刷技術(shù)的基礎(chǔ)上，旋轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shè)計控制系統(tǒng)是發(fā)廊智能飛碟加熱器的神經(jīng)中樞，它負(fù)責(zé)加熱器溫度的控制及現(xiàn)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(diào)和控制，因而應(yīng)該具有靈敏的數(shù)據(jù)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(jīng)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(qū)動器、報警二極管、開關(guān)等外部設(shè)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(shù)據(jù)處理，發(fā)出降低加熱溫度的信號到遠(yuǎn)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(shù)據(jù)處理，發(fā)出提高加熱溫度的信號到遠(yuǎn)紅外加熱管，完成溫度的再次校正。設(shè)計成具有溫度設(shè)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(shè)計3.1 工作臂的設(shè)計3.1.1 工作臂自鎖原理工作臂受重力產(chǎn)生一個以旋轉(zhuǎn)軸為中心的力矩，現(xiàn)設(shè)計一個結(jié)構(gòu)來抵消產(chǎn)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(shè)計方案無法達到良好的效果，經(jīng)過反復(fù)推敲，決定首先以一根

15、彈簧的拉力來抵消重力所產(chǎn)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(chǎn)生的力矩變化，由旋轉(zhuǎn)軸處的預(yù)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(jié)構(gòu)設(shè)計計算（1）工作臂受力分析根據(jù)solidworks質(zhì)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(jù)相似三角形原理： (3-1)在這種情況下，彈簧拉力產(chǎn)生的力臂為：假設(shè)重力g與拉力f1產(chǎn)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(dāng)工作臂2與水平成30°時，f2所產(chǎn)生的力

16、臂h2為：假設(shè)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(dāng)工作臂2與水平成-45°時，f3所產(chǎn)生的力臂h3為：假設(shè)此時重力g與拉力f3所產(chǎn)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(shè)計根據(jù)機械設(shè)計，由表格16-2取切變模量g=82000mpa，預(yù)先取彈簧的圈數(shù)為n=20；彈簧鋼絲直徑：d=6mm；旋繞比：c=7； 中徑 (3-5) 內(nèi)徑 (3-6) 外徑 (3-7) 圓截面彈簧絲的曲度系數(shù)k： (3-8)根據(jù)gb/t 4357-1989標(biāo)準(zhǔn)，彈簧鋼絲的拉伸強度極限暫時選用b級1470n，則許用

17、切應(yīng)力： (3-9) (3-10) 符合設(shè)計要求。彈簧鋼絲直徑應(yīng)滿足： (3-11) 所以預(yù)選小徑能夠滿足要求。由以上數(shù)據(jù)可計算彈簧的剛度： (3-12)拉簧的初切應(yīng)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(shù)據(jù)來設(shè)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(chǎn)生的重力矩達到平衡。 而當(dāng)工作臂向上或向下旋轉(zhuǎn)時，彈簧拉力與重力各自產(chǎn)生的力矩的差值發(fā)生變化： (3-17) 在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸處進行壓花處理，增加摩擦系數(shù)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(chǎn)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(yù)緊力為： (3-19)依照安全性原則，給旋轉(zhuǎn)軸施加預(yù)緊力：4。3.1.3 工作臂3結(jié)構(gòu)設(shè)計計算設(shè)計中若要保持工作臂3豎直向下，由于設(shè)計機構(gòu)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(gòu)來提供反向的動力矩，借以實現(xiàn)工作臂3保持垂直狀態(tài)。假設(shè)采用同樣的自鎖機構(gòu)，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(zhuǎn)45°的極限位置彈簧所產(chǎn)生的拉力。由solidworks三維設(shè)計軟

19、件中的質(zhì)量計算器計算出頭部重力約為：g=40n拉力所產(chǎn)生的力臂，根據(jù)力矩平衡： (3-20)拉力所產(chǎn)生的力臂，根據(jù)力矩平衡： (3-21)拉力所產(chǎn)生的力臂，根據(jù)力矩平衡： (3-22) 經(jīng)過受力分析，此處由于重力所產(chǎn)生的力矩比較小，若同樣采用前一種方案，不符合設(shè)計經(jīng)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(shè)計要求，并且降低了了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。 直接采用摩擦自鎖的方式，旋轉(zhuǎn)軸處摩擦力所產(chǎn)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(zhuǎn)軸處進行壓花處理，增加摩擦系數(shù)到，則需要對旋轉(zhuǎn)軸施加最小的壓力為： (3-24) 依照安全性原則，給旋轉(zhuǎn)軸施加預(yù)緊力4。3.

20、1.4 工作臂行程設(shè)計運行機構(gòu)的設(shè)計中，本著設(shè)計的機構(gòu)具有靈活、精巧特性的出發(fā)點，方案設(shè)定其為連桿拉伸-折疊的機構(gòu)工作方式。具有兩個橫向轉(zhuǎn)動軸與兩個縱向轉(zhuǎn)動軸，使美發(fā)加熱器在工作的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)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(nèi)做水平旋轉(zhuǎn)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(nèi)做水平旋轉(zhuǎn)運動。建立空間坐標(biāo)，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(nèi)的任意位置實現(xiàn)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(jù)實際情況合理定位工作

21、點，并且十分具有現(xiàn)代氣息，從外形到實用性都達到了一個很高的標(biāo)準(zhǔn)。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(zhǔn)面視圖，旋轉(zhuǎn)軸c與旋轉(zhuǎn)軸d能夠在豎直平面內(nèi)運動，實現(xiàn)工作平面的垂直方向定位。機構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)定上揚45°到下伸30°工作極限范圍。這個設(shè)計能夠根據(jù)不同顧客的身高特征，來調(diào)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(xiàn)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(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)調(diào)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(shè)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(zhuǎn)動慣量計算預(yù)選混合式步進電機fl86byg92為備選型號。估算工作頭部的旋轉(zhuǎn)半徑為r=250mm，小圓半徑r=80mm，工作頭部的質(zhì)量為1kg8?？梢越瓶醋鰣A環(huán)，轉(zhuǎn)動慣量為： (3-25) 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(shù)機身長轉(zhuǎn)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(jù)客戶要求定制。(2)電機力矩計算工作轉(zhuǎn)速定為：，起動時間為：,起動轉(zhuǎn)矩為： (3-28) 由表查出，當(dāng)步進電動機為三相六拍時，。最大靜轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩從表中查出，fl86byg92的最大靜力矩為3.9nm，遠(yuǎn)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(shè)計4.1 遠(yuǎn)紅外線技術(shù)介紹遠(yuǎn)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(yuǎn)紅外線(波長在5.6 1000微米)。雖然在19世紀(jì)初就發(fā)現(xiàn)了紅外輻射，但真正廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、軍事和各種科學(xué)研究領(lǐng)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(shù)應(yīng)用于汽車涂漆的烘干工藝上。當(dāng)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(yuǎn)紅外加熱技術(shù)的優(yōu)點，這一技術(shù)重新引起了大家的注意。對許多化合物，應(yīng)用遠(yuǎn)紅外比用近紅外線，其加熱效果要好得多。應(yīng)用于生產(chǎn)，從此遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)迅速發(fā)展成為一個新興領(lǐng)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(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。經(jīng)過許多科學(xué)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(shù)生產(chǎn)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(yuǎn)紅外加熱技術(shù)在70年代僅限于0450的中溫加熱領(lǐng)域。到了80年代已

26、達到600750的中溫加熱領(lǐng)域。在以前的遠(yuǎn)紅外加熱烘道、烘箱中雖然強調(diào)以輻射為主加熱,但是還有一部分熱能以傳導(dǎo)、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(yuǎn)紅外定向強輻射器,在電能輻射轉(zhuǎn)換效率方面有新的突破。其電能輻射轉(zhuǎn)換效率高達78%以上,法向發(fā)射率大于92%，熱響應(yīng)時間小于2分鐘。該產(chǎn)品以極強的紅外輻射源在空間垂直沿內(nèi)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(diào)。其發(fā)出的熱光子束流，在輻射平面內(nèi)均勻分布, 克服了國內(nèi)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)品由于在材料應(yīng)用中采用國際、國內(nèi)最先進的技術(shù)手段, 使用壽命大大提高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前國內(nèi)同類產(chǎn)品的使用壽命, 并在維修上非常簡單,可重復(fù)使用多年,克服了國內(nèi)外同類產(chǎn)品一次性使用的弊端, 是目前最為理想的烘烤加熱元件。遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)從我國70年代的碳化硅、金屬管、電阻帶、陶瓷、半導(dǎo)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(yuǎn)紅外定向強輻射器, 經(jīng)過三個階段，邁出三大步。遠(yuǎn)紅外元件的電能輻射轉(zhuǎn)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(yuǎn)

28、紅外加熱技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展取得了可喜的成績。在當(dāng)前我國電力十分緊張的情況下，遠(yuǎn)紅外加熱水平的提高，在節(jié)能和提高加熱干燥物質(zhì)量方面具有十分重要的意義。應(yīng)在加熱干燥領(lǐng)域大力推廣這一技術(shù)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(dǎo)或?qū)α鬟_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(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、小目標(biāo)或熱容量很小的對象則會產(chǎn)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(biāo)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(xué)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(yīng)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(jù)相對靈敏度和接收角度要求來設(shè)計的，簡單的說就是在透鏡的一側(cè)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(shù)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(xiàn)實生活最近的應(yīng)用便是熱釋電紅外線傳感器人體測溫裝置。經(jīng)過非典、h1n1型流感等以發(fā)熱為癥狀表現(xiàn)的傳染病的出現(xiàn)，人體測溫裝置得到了長遠(yuǎn)的發(fā)展。熱釋電遠(yuǎn)紅外線傳感器主要是由一種

31、高熱電系數(shù)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(nèi)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(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)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(shè)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(xué)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(nèi)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(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)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(dāng)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(yuǎn)紅外傳感器的種種優(yōu)點，在此次智能飛碟加熱器的設(shè)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(guān)（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(yīng)用：無接觸溫度測量，移

33、動物體測溫，溫度控制，火災(zāi)報警，醫(yī)療儀器。4.3 電路設(shè)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(shù)和代碼，即一個字節(jié)。 內(nèi)部存儲器單片機內(nèi)部存儲器包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。定時與中斷系統(tǒng)80c51內(nèi)部集成了2個16位的定時器/計數(shù)器，用于實現(xiàn)定時或者技術(shù)功能；同時，一起定時或者計數(shù)的結(jié)果來實現(xiàn)控制功能。80c51單片機具有中斷功能，以滿足控制應(yīng)用的需要。80c51共有5個中斷源，即外部中斷2個，定時器/計數(shù)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(nèi)部共有4個8位的并行i/o口（p0、p1、p2、p3）

34、，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)單片機與單片機之間以及單片機與外部設(shè)備之間的穿行數(shù)據(jù)的傳送。 時鐘電路 時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列，用于協(xié)調(diào)和控制單片機的工作。80c51單片機的內(nèi)部有時鐘電路，在采用內(nèi)部時鐘時須外接石英晶體振蕩器和微調(diào)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(shù)據(jù)總線使用；而p3口通常工作在第二功能狀態(tài)。當(dāng)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(qū)動電路。它內(nèi)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(shè)計當(dāng)中，單片集成可控硅驅(qū)動器件moc3041 作為對輸出的驅(qū)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?qū)?，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(gòu)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(dāng)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(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)時鐘端cp脈沖上升沿的作用下，o隨數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換器用德州儀器公司高效率cmos工藝制造。這種4 1/2 數(shù)位、雙斜率積分(dual-slope-integrating)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器是為提供與微處理器和可視顯示二者的接口而設(shè)計的。數(shù)字驅(qū)動輸出端d1至d4以及

37、多路復(fù)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(qū)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(shù)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(zhuǎn)誤差(rollover error)限制至±1計數(shù)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)?？刂菩盘栆材苤С滞ㄟ^通用異步接收器發(fā)送器(uart)進行數(shù)據(jù)傳送的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)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(wù)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(zhuǎn)換，將測量結(jié)果送給單片機；單片機將輸入的溫度值與內(nèi)部制定單元的給定溫度值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果，通過一個執(zhí)行機構(gòu)可控硅，對加熱源(遠(yuǎn)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(yuǎn)紅外溫度傳感器來測量溫度，由雙向可控硅驅(qū)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(jié)果緊湊，性

39、能可靠。(1) 輸入通道的設(shè)計該部分主要完成對溫度信號的采集和轉(zhuǎn)換工作，由遠(yuǎn)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(xiàn)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(shè)計在設(shè)計當(dāng)中采納了單片機成可控硅驅(qū)動期間moc3041來作為對輸出的驅(qū)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(gòu)成吸收回路，承受反向電壓該部分的工作過程是：當(dāng)單片機輸出為低電平時，moc3041內(nèi)部導(dǎo)通，出現(xiàn)同步觸發(fā)脈沖，控制可控硅導(dǎo)通，打開加熱器；當(dāng)輸出為高電平時，moc3041內(nèi)部截止，可控硅斷開，關(guān)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(rèn)的設(shè)定溫度為上次設(shè)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(shè)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)