單片機在紅外測溫上的開發應用

        摘要：在紅外測溫中，智能紅外輻射測溫儀是應用紅外技術和微電子技術研制出的一種新型溫度測量儀器。它根據被測物體的紅外輻射能量確定其溫度，為非接觸測溫方式。具有溫度分辨率高、響應速度快、不擾動被測目標溫度分布場、測量精度高和穩定性好等優點；同時也有測量值受被測物體發射率、反射熱源、氣氛干擾影響的弱點。特別是溫度傳感器遠離被測對象，在低溫區(0～500℃)熱輻射信號非常微弱，因此這種測溫技術難度較大。本文介紹運用MCS-51單片機開發設計紅外低溫測溫儀中“單片機檢測系統”的全過程。
　　
　　1、總體設計方案
　　
　　1.1基本測溫原理
　　
　　一切高于零度的物體都能輻射紅外線，描述黑體輻射光譜分布的普朗克公式和黑體全輻出度與溫度關系的斯蒂芬—玻耳茲曼定律是輻射測溫法的基本理論依據，即　　
　　由它們可推導出輻射體溫度與檢測電壓之間的關系式：
　　
　　V=RaεσT4=KT4
　　
　　式中K=Raεσ，由實驗確定，定標時ε取1
　　
　　T—被測物體的溫度
　　
　　R——探測器的靈敏度
　　
　　a——與大氣衰減距離有關的常數
　　
　　ε——輻射率
　　
　　σ——斯蒂芬—玻耳茲曼常數
　　
　　因此，可以通過檢測電壓而確定被測物體的溫度，上式表明探測器輸出信號與目標溫度呈非線性關系，V與T的四次方成正比，所以要進行線性化處理。
　　
　　線性化處理后得到物體的表觀溫度，需進行輻射率修正為真實溫度，校正式為　　
　　式中Tr——輻射溫度(表觀溫度)
　　
　　ε(T)——輻射率，取0.1～0.9
　　
　　由于調制片輻射信號的影響，輻射率修正后的真實溫度為高于環境的溫度，還必須作環溫補償，即真實溫度加上環溫才能zui終得到被測物體的實際溫度。
　　
　　1.2總體設計框圖
　　
　　本測溫儀為低溫區(0～500℃)全輻射測溫儀，采用折射式光學系統、熱釋電紅外探測器和調制型前置放大系統，解決低溫區微弱信號的檢測問題，使用MCS-51系列中性能*的CHMOS單片機進行硬、軟件設計，對信號進行數據處理，具有自動液晶顯示、打印、記錄、人機通訊等功能，備有模擬量和數字量兩種標準輸出口。總體設計框圖如圖1所示，它主要由光學系統、探測系統和電信號處理系統三部分構成。　　　　
　　1.3主要技術指標
　　
　　測溫范圍：0～500℃
　　
　　工作環境溫度：-40～50℃
　　
　　紅外波段：7～18μm
　　
　　距離系數：L∶D=30∶1
　　
　　zui小可測目標：=10mm
　　
　　輻射率修正：ε=0.1～0.9
　　
　　測量精度：±1%
　　
　　顯示分辨率：0.1℃
　　
　　響應時間：<0.5s
　　
　　輸出方式：四位液晶顯示，電流輸出4～20mA(線性)
　　
　　功耗：<1W
　　
　　工作電源：兩節6V疊層電池或交流220V
　　
　　2、硬件結構
　　
　　根據設計要求，單片機檢測系統硬件結構框圖如圖2所示。　　　　
　　2.1信號的接收放大電路
　　
　　從前置放大、解調電路輸出的直流電壓信號，經OP-07放大器放大到0～4V后送入A/D轉換器。OP-07單運放設計成可編程放大器(可提高測溫精度)，由多路模擬開關4051和74LS173選通八路電壓放大倍數，實現輸入電壓從7.8mV到1V的輸出放大。
　　
　　2.2A/D轉換器
　　
　　A/D轉換器采用雙積分4(1)/(2)位A/D芯片ICL7135，該器件精度高，自穩零，對周期變化的干擾信號積分為零，因而抗*力強，但轉換速度較慢，不過，能滿足測溫儀的速度要求。為提高轉換速率，時鐘頻率設置在500kHz，轉換速度12.5次/秒，一次A/D轉換時間約80ms，分辨率0.2mV，量化誤差±0.1mV。基準電壓采用精密電壓基準源MC1403。
　　
　　2.3單片機系統組成及數據處理
　　
　　單片機是智能儀表的核心部分，這里采用MCS-51系列中具有功耗低、速度高、抗*力強的CHMOS單片機。單片機系統組成包括zui小系統80C31、74HC373和27C512以及擴展I/O口81C55。
　　
　　2.3.1程序存貯器擴展
　　
　　80C31片內無ROM，需外接一片EPROM電路。80C31通過地址鎖存器74HC373與程序存貯器27C512相連，其尋址空間64k，儀器軟件就固化在EPROM內。
　　
　　2.3.2定時和中斷
　　
　　80C31有兩個可編程16位定時器/計數器T0和T1。T0用于定時，工作于方式0，每10ms向CPU請求一次中斷，中斷服務程序為鍵輸入程序，T0還接環溫電路的輸出；T1作串行口波特率發生器，工作于方式2。
　　
　　80C31的INT0作為外部采樣中斷，中斷服務程序是采樣程序；T0溢出中斷，中斷服務程序為鍵輸入程序。INT0中斷高于T0溢出中斷。INT1作一般I/O口，為液晶顯示驅動器提供方波，頻率為50Hz。
　　
　　2.3.3擴展外部I/O口81C55
　　
　　81C55為80C31擴展的外部可編程RAM/IO接口。81C55RAM分為顯示緩沖區、采樣數據區、碼制轉換區(BCD碼與二進制碼雙向轉換)等。81C55的三個并行I/O口分別用于：PA口用作接液晶顯示驅動器；PB口接A/D轉換器7135，其中PB0～3接7135的BCD碼數據輸出線，PB4～7接7135的BCD碼位驅動信號線，分別選通萬位、千位……個位。PC0～3作為PB口的控制信號，另外，81C55定時器將80C31的4M晶振頻率8分頻后得到500kHz頻率，作為A/D轉換器的時鐘脈沖。
　　
　　2.3.4單片機主要數據處理內容
　　
　　由基本測溫原理可知，單片機系統主要數據處理內容有線性化處理、輻射率修正和環溫補償。這些通過列溫度值表和ε修正值表，然后，由查表程序查得實際溫度，送顯示器顯示。
　　
　　2.4D/A轉換器
　　
　　D/A轉換器使用DACO832芯片，它與微處理器*兼容，分辨率為8位。通過兩級LM324運算放大器轉換成0.8～4V電壓，再經V-I變換電路得到4～20mA標準電流輸出。
　　
　　2.5輸入輸出接口電路
　　
　　接口電路包括LCD顯示器、鍵盤、串行通訊、打印機。四位液晶顯示器LCD(ED-S805型)用來顯示0～500℃溫度值，顯示分辨率0.1℃。4個顯示驅動器選擇4544，具有自行消隱無效零的特殊功能。
　　
　　鍵盤設16個鍵：輻射率補償鍵ε，距離選擇鍵L，打印鍵PRT，執行鍵MON，數字鍵0～9，小數點鍵。4×4鍵盤為非編碼式的，80C31的P1口作為與4×4鍵盤的并行接口，當80C31對鍵盤采用定時掃描方式時，T0每隔10ms產生一次中斷，CPU響應T0的溢出中斷請求，對鍵盤進行掃描。
　　
　　80C31片內含有一個全雙工串行口，為TTL電平，而微機是RS-232C標準接口，經電平轉換后，80C31可將測溫數據發送給微機，微機將這些數據形象地顯示于CRT或打印成各種報表。
　　
　　3、軟件設計
　　
　　單片機檢測系統的軟件設計全部使用匯編語言編程(個別輔助計算用BASIC語言，但不涉及編程部分)，以提高系統的快速性和實時性。軟件采用模塊化設計方法，有利于修改和調式。程序主要分4部分：①主程序；②中斷服務程序；③監控程序；④處理程序。
　　
　　3.1主程序設計
　　
　　主程序是軟件設計的核心部分，能完成測溫的主要處理內容。主程序設計流程圖如圖3所示。　　　　
　　主程序一開始對系統進行初始化，包括對80C31和80C55初始化以及設置4051通道，以便自動選擇放大倍數。開中斷后，由于采樣為中斷，所以先判一次A/D轉換結束否，未結束，繼續轉換；結束，進行碼制轉換和數字濾波，然后進行測溫的主要數據處理，即線性化處理，輻射率修正和環溫補償，所得溫度數字量一方面送D/A轉換，另一方面送串行通訊，zui后判一下是否工作在監控狀態下，再將溫度值送顯示或轉鍵處理程序。
　　
　　3.2中斷服務程序
　　
　　中斷服務程序為采樣程序和鍵輸入程序。INT0中斷時，轉入采樣中斷服務程序，執行把模擬電壓量轉換為數字量，送單片機計算，T0溢出中斷時，轉入鍵輸入中斷服務程序，使CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理。INT0為中斷，T0溢出中斷為低級中斷。
　　
　　3.3監控程序
　　
　　監控程序指鍵處理子程序和顯示子程序。鍵處理子程序是對鍵入的16個鍵作相應處理；顯示子程序使四位液晶顯示器顯示內容，如顯示溫度測量值、ε字型等。
　　
　　3.4處理程序
　　
　　處理程序是軟件設計的主要部分，能完成測溫的主要任務，包括數字濾波、線性化處理、輻射率修正值查取、環溫檢測、輻射率修正、環溫補償、碼制轉換、D/A轉換和串行通訊。
　　
　　軟件設計的突出特點是較好地解決了過去用模擬電路實現的線性化處理、輻射率修正和環溫補償問題。運用這些硬件軟件化手段，不但顯著降低了成本，提高了精度，而且有效地解決了輻射測溫中必須解決的重要技術問題，效果頗佳。
　　
　　4、結束語
　　
　　本測溫儀單片機檢測系統，以MCS-51系列中性能*的CHMOS單片機為主設計。硬件電路結構簡單，功能較強；軟件設計靈活，速度快，實用性強。在抗干擾方面，采取了許多措施，包括防振、濾波、屏蔽、合理布線等硬件措施，以及雙積分A/D轉換、數字濾波等軟件措施。經仿真調試證明，系統的硬、軟件設計合理，功能完備，運行穩定、可靠。