基于SOC的高精度紅外測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)
溫度測(cè)量主要有兩種方式:一種是傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量,另一種是以紅外測(cè)溫為代表的非接觸式測(cè)量。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量不僅反應(yīng)速度慢,而且必須與被測(cè)物體接觸。紅外測(cè)溫以紅外傳感器為核心進(jìn)行非接觸式測(cè)量,特別適用于高溫和危險(xiǎn)場(chǎng)合的非接觸測(cè)溫,得到了廣泛的應(yīng)用。本文將詳細(xì)介紹如何設(shè)計(jì)基于SOC級(jí)微處理器的高精度紅外測(cè)溫系統(tǒng),及其在電力溫度檢測(cè)、設(shè)備故障診斷方面的應(yīng)用。
1.紅外測(cè)溫儀的工作原理
自然界一切溫度高于絕對(duì)零度的物體,都在不停地向外發(fā)出紅外線。物體發(fā)出的紅外線能量大小及其波長(zhǎng)分布同它的表面溫度有密切關(guān)系,物體的輻射能量與溫度的 4 次方成正比,其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克定律。因此我們通過(guò)測(cè)量物體輻射出的紅外能量的大小就能測(cè)定物體的表面溫度。微小的溫度變化會(huì)引起明顯的輻射能量變化,因此利用紅外輻射測(cè)量溫度的靈敏度很高。實(shí)際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長(zhǎng)外,還與構(gòu)成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。只要引入一個(gè)隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的輻射系數(shù),則就可把黑體的基本定律應(yīng)用于實(shí)際物體。這個(gè)輻射系數(shù),就是發(fā)射率ε,或稱之為比輻射率,其定義為實(shí)際物體與同溫度黑體輻射性能之比,該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度,其值在
0和1的數(shù)值之間。
紅外測(cè)溫儀的工作原理如圖 1所示:被測(cè)物體輻射出的紅外能量通過(guò)空氣傳送到紅外測(cè)
溫儀的物鏡,物鏡把紅外線匯聚到紅外探測(cè)器上,探測(cè)器將輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào),又通過(guò)前置放大器、主放大器將信號(hào)放大、整形、濾波后,經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路處理后輸入微處理器。微處理器進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償,并對(duì)溫度值進(jìn)行校正后驅(qū)動(dòng)顯示電路顯示溫度值。同時(shí),微處理器還發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào),并且接受按鍵輸入的發(fā)射率以完成發(fā)射率設(shè)定。
2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本紅外線溫度檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器 A2PTMI﹑LM358有源濾波電路﹑AD轉(zhuǎn)換電路﹑微處理器﹑顯示電路等幾個(gè)部分組成。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅男盘?hào)為0-5V,剛好滿足 AD轉(zhuǎn)換的要求,故在本設(shè)計(jì)中省略了放大電路,只對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行了濾波處理。另外,本系統(tǒng)還有信號(hào)變換電路輸出4~20mA、1~5V等模擬信號(hào),并有RS232、RS485接口輸出數(shù)字信號(hào)來(lái)與上位機(jī)通信。
2.1傳感器A2PTMI原理及其應(yīng)用
PerkinElmer A2TPMI 是一種內(nèi)部集成了專用信號(hào)處理電路以及環(huán)境溫度補(bǔ)償電路的多用途紅外熱電堆傳感器,這種集成紅外傳感器模塊將目標(biāo)的熱輻射轉(zhuǎn)換成模擬電壓。該傳感器自帶距離系數(shù) D:S=8:1的光學(xué)系統(tǒng),通過(guò)該透鏡接收空氣中的紅外輻射,然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào),該信號(hào)通過(guò)一個(gè) 8 bit分辨率的可編程放大器放大。根據(jù)熱電堆溫度測(cè)量原理,熱電堆電壓可能是正或者負(fù),取決于目標(biāo)溫度是否高于或者低于 A2TPMI 的環(huán)境溫度。為了使負(fù)電壓信號(hào)能在單電源系統(tǒng)處理,所有的內(nèi)部信號(hào)都連接到 1.255 V內(nèi)部電壓參考(Vref),作為虛擬模擬地信號(hào)。為了熱電堆放大電路偏置電壓的調(diào)整,放大器上帶了一個(gè)能產(chǎn)生有 8 bit 分辨率偏置電壓的可編程調(diào)整部分。此外, A2TPMI 內(nèi)部還集成有溫度傳感器來(lái)探測(cè)環(huán)境溫度,這個(gè)信號(hào)被放大后匹配熱電堆放大信號(hào)曲線的反向特性,進(jìn)行信號(hào)處理。為了溫度補(bǔ)償,放大的熱電堆信號(hào)和溫度參考信號(hào)相加于一個(gè)放大器。經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償放大后的信號(hào)輸出到 VTobj 腳,溫度參考信號(hào)或者參考電壓輸出到 Vtamb腳。A2TPMI的工作特性由一個(gè)內(nèi)部隨機(jī)存取寄存器進(jìn)行配置,所有的參數(shù) /配置永久地存在并行 E2PROM 內(nèi)。控制單元提供的兩線、雙向同步串口 (SDAT, SCLK),可以訪問(wèn)所有寄存器的 A2TPMI內(nèi)部參數(shù)。A2TPMI 傳感器通常不需要使用串口, SDAT,SCLK 引腳被內(nèi)部連到 VDD。
2.2濾波電路設(shè)計(jì)
A2TPMI放大器采用斬波放大器技術(shù),由于這種技術(shù)本身具有的特性,輸出信號(hào) VTobj 和 VTamb 中包含了大約10 mV 峰值、 250 kHz 的交流信號(hào)。這些交流信號(hào)能被一個(gè)電子低通濾波電路或者類似的軟件濾波抑制掉。在高阻抗負(fù)載應(yīng)用中,象 LM358 這樣的rail to rail 運(yùn)算放大器電路,可以作為輸出信號(hào)的濾波器。?
?
在本設(shè)計(jì)中采用第二種濾波電路,因?yàn)榧蛇\(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高,輸出阻抗又低,所以有源濾波電路有一定的電壓放大和緩沖作用,濾波效果好,提高了傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確度。
2.3 AD轉(zhuǎn)換電路????
TLC2543是 12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其設(shè)置方法如下:DATA INPUT端串行輸入的 8位數(shù)據(jù),它規(guī)定了 TLC2543要轉(zhuǎn)換的模擬量通道、轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、輸出數(shù)據(jù)的格式。其中高4位(D7~ D4)決定通道號(hào)。對(duì)于0通道至l0通道,該4位分別為 0000~I(xiàn)OIOH,當(dāng)為 1011~1101時(shí),用于對(duì) TLC2543的自檢,當(dāng)為 1110時(shí) ,TLC2543進(jìn)入休眠狀態(tài)。低 4位決定輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及格式。其中 D3、D2決定輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,0l表示輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 8位 ,11表示輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 16位 ,其他為 12位 。D1決定輸出數(shù)據(jù)是高位先送出 ,還是低位先送出,為 0表示高位先送出 。D0決定輸出數(shù)據(jù)是單極性(二 進(jìn) 制 )還是雙極性(2的補(bǔ)碼),若為單極性,該位為0,反之為1。當(dāng)片選 cs從高到低的時(shí)候,開(kāi)始一次工作周期,此時(shí) EOC為高,輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為 0,輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是隨機(jī)的。開(kāi)始時(shí),片選 CS為高,I/OCLOCK、DATAINPUT被禁止,DATAOU呈高阻狀態(tài) ,EOC為高。使變低,I/OCLOCK、DATAINPUT使能,DATAOU脫離高阻狀態(tài) 。12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)從 I/OCLOCK端依次加入,隨著時(shí)鐘信號(hào)的加入,控制字從 DATAINPUT一位一位地在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)被送入TLC2543(高位先送入),同時(shí)上一周期轉(zhuǎn)換的A/D數(shù)據(jù),即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從 DATAOUT一位一位地移出。TLC2543收到第 4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后,通道號(hào)也已收到,此時(shí)TLC2543開(kāi)始對(duì)選定通道的模擬量進(jìn)行采樣,并保持到第 12個(gè)時(shí)鐘的下降沿。在第 12個(gè)時(shí)鐘下降沿,EOC變低,開(kāi)始對(duì)本次采樣的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時(shí)間約需lOt1s,轉(zhuǎn)換完成后 EOC變高,轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)寄存器中,待下一個(gè)工作周期輸出。該芯片與微處理器接口的時(shí)候只需占用四個(gè) IO口,其 12個(gè)時(shí)鐘的工作時(shí)序看參考相關(guān)手冊(cè)。
2.4 SOC級(jí)微處理器特性本系統(tǒng)所采用的是 SOC級(jí) STC系列單片機(jī),指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 51單片機(jī),工作頻率可達(dá)48HZ,本設(shè)計(jì)中使用的微處理器為 6時(shí)鐘周期,故其工作頻率相當(dāng)于普通 51單片機(jī)的96MHZ,為本系統(tǒng)提供了速度保證。另外,本設(shè)計(jì)選用的 STC89C58RD含有 32K的程序存儲(chǔ)區(qū),并在內(nèi)部擴(kuò)展了 32K的數(shù)據(jù) FLASH存儲(chǔ)器,從而使本設(shè)計(jì)能方便的擴(kuò)展相關(guān)功能,如參數(shù)的記憶功能等。該微處理器還支持 IAP與ISP,不需專用的編程器,通過(guò)普通串口即可調(diào)試程序??垢蓴_也是選用該單片機(jī)的理由之一,本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)控,故抗干擾十分重要。
3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
紅外線溫度檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要有如下幾個(gè)主要模塊:初始化模塊﹑I/O口查詢模塊﹑AD轉(zhuǎn)化模塊﹑數(shù)據(jù)處理模塊﹑數(shù)據(jù)糾正模塊﹑顯示驅(qū)動(dòng)模塊等。另外還一個(gè)中斷程序處理模塊:0外部中斷,主要用于參數(shù)設(shè)定。
軟件設(shè)計(jì)流程如圖 3所示。
整個(gè)程序采用 c51編寫(xiě),初始化模塊主要是初始化各路報(bào)警信號(hào),將發(fā)射率等參數(shù)設(shè)定成默認(rèn)的值并顯示。主程序不斷通過(guò) I/O口查詢模塊掃描 AD轉(zhuǎn)換模塊送過(guò)來(lái)的 12位數(shù)字信號(hào),本程序中采用的是 SPI總線的通信方式,串行的接口方式節(jié)約了大量 IO口。接受過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊處理之后按查表的方式得出溫度值,把該溫度值經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)糾正模塊糾正后送顯示模塊顯示,并將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)界面進(jìn)行顯示,從而完成了一路溫度測(cè)量。在程序的運(yùn)行過(guò)程中,隨時(shí)可以對(duì)發(fā)射率,報(bào)警值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)功能鍵按下的時(shí)候觸發(fā)單片機(jī)的 0外部中斷,在中斷程序中對(duì)參數(shù)設(shè)定按鍵進(jìn)行掃描,并將結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)。每路測(cè)溫結(jié)束后系統(tǒng)通過(guò) RS485將溫度值傳送給上位機(jī),在 VB界面上顯示。
1?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及發(fā)射率整定
2? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最小二乘法擬合
對(duì)于一個(gè)測(cè)量系統(tǒng),其精度和準(zhǔn)確度是非常重要的。雖然本設(shè)計(jì)選用 12位AD,給本設(shè)計(jì)的高精度奠定了基礎(chǔ),但是由于傳感器,AD等電子器件自身不可避免的誤差和外界的干擾,測(cè)量結(jié)果難免會(huì)有些偏差。因此和研究其他儀器儀表一樣,在本設(shè)計(jì)中,也進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理,進(jìn)一步提高了準(zhǔn)確度。采用的主要方法是曲線擬合的最小二乘法?,F(xiàn)將其原理介紹如下:
在函數(shù)的最佳平方逼近中,函數(shù) f(x)∈C[a,b],如果 f(x)只在一組離散點(diǎn)集{xi,i=0,1,…,m}上給定,那么我們就需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù){(xi,yi),i=0,1,…,m}進(jìn)行曲線擬合,其中,yi= f(xi)。若要求函數(shù) y=S ((*)x)與所給數(shù)據(jù){(xi,yi),i=0,1,…,m}擬合,則誤差δi= S *(x)-yi。設(shè)Φ 1(x),Φ2(x),…, Φn(x)是C[a,b]上線性無(wú)關(guān)函數(shù)族,在Φ =span{Φ1(x),Φ2(x),…, Φ n(x)}中找一函數(shù)S ((*)x),使其誤差平方和最小即可。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量很大,故在實(shí)際運(yùn)算中,可以借助 MATLAB等數(shù)學(xué)工具,通過(guò)調(diào)用或者編寫(xiě)相關(guān)函數(shù)來(lái)完成曲線擬合,最后選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果輸出。
4.2 發(fā)射率ε的整定
根據(jù)紅外測(cè)溫的原理,我們?cè)跈z測(cè)時(shí),應(yīng)該首先明確被測(cè)物體的發(fā)射率。在較高的測(cè)溫應(yīng)用中,應(yīng)實(shí)際測(cè)定被測(cè)對(duì)象的發(fā)射率ε,否則將造成嚴(yán)重的誤差。而對(duì)于電力設(shè)備,其發(fā)射率一般在 0.85-0.95之間。測(cè)得的是被測(cè)對(duì)象的黑體輻射溫度,在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中,需要把黑體輻射溫度 T P換算到真實(shí)溫度T。換算公式為:T=T Pε-?
發(fā)射率確定方法如下:首先選定一個(gè)被測(cè)物體,確定被測(cè)物體的真實(shí)溫度 T(例如溫300K),當(dāng)然也可以選擇其它溫度,溫度值可以通過(guò)熱電阻或者其它測(cè)溫設(shè)備測(cè)出來(lái)。然后,將測(cè)溫系統(tǒng),對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體,得到一個(gè)溫度值 T P=T0,通過(guò)以上公式,得到ε的設(shè)定值;然后將ε值輸入系統(tǒng),再測(cè)試,通過(guò)微調(diào)ε值,直到 T 0= T時(shí),所得到的ε值,就是該物體的實(shí)際發(fā)射率。同一種被測(cè)物體的實(shí)際發(fā)射率ε,基本上是一樣的。如果被測(cè)物體的材料,形狀有變化,將改變它的發(fā)射率,用同樣的方法可以測(cè)出它的實(shí)際發(fā)射率。本設(shè)計(jì)中有發(fā)射率設(shè)定,調(diào)整部分,可以方便調(diào)整發(fā)射率的值,這樣,使用同一個(gè)測(cè)溫設(shè)備,通過(guò)調(diào)整發(fā)射率,滿足各種材料的測(cè)溫要求。
六.結(jié)束語(yǔ)
非接觸紅外測(cè)溫儀采用紅外技術(shù)可快速方便地測(cè)量物體的表面溫度。不需要機(jī)械的接觸被測(cè)物體而快速測(cè)得溫度讀數(shù)。只需瞄準(zhǔn),即可在顯示屏上讀出溫度數(shù)據(jù)。紅外測(cè)溫儀重量輕、體積小,使用方便,并能可靠地測(cè)量熱的、危險(xiǎn)的或難以接觸的物體,而不會(huì)污染或損壞被測(cè)物體。另外,紅外測(cè)溫儀每秒可測(cè)若干個(gè)讀數(shù),而接觸測(cè)溫儀每次測(cè)量就需要數(shù)秒的時(shí)間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,本測(cè)溫儀和美國(guó)福祿克公司生產(chǎn)的紅外測(cè)溫儀的誤差在一度以內(nèi),但本測(cè)溫儀有參數(shù)設(shè)定功能并且價(jià)格較低,因此本測(cè)溫儀具有較高的性價(jià)比,目前已應(yīng)用于電力設(shè)備中,對(duì)高壓柜中的銅板溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),效果良好。
創(chuàng)新觀點(diǎn):將熱電堆紅外傳感器應(yīng)用于測(cè)溫系統(tǒng),并且采用 SOC級(jí)微處理器控制,從而實(shí)現(xiàn)了快速,精確測(cè)量。并將多個(gè)溫度表的數(shù)據(jù)統(tǒng)一用上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能完善的復(fù)雜系統(tǒng)。
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評(píng)論
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