一種高精度紅外測溫系統(tǒng)的設(shè)計

　　摘要：溫度測量主要有兩種方式：一種是傳統(tǒng)的接觸式測量，另一種是以紅外測溫為代表的非接觸式測量。傳統(tǒng)的溫度測量不僅反應(yīng)速度慢，而且必須與被測物體接觸。紅外測溫以紅外傳感器為核心進行非接觸式測量，特別適用于高溫和危險場合的非接觸測溫，得到了廣泛的應(yīng)用。本文將詳細介紹如何設(shè)計基于SOC級微處理器的高精度紅外測溫系統(tǒng)，及其在電力溫度檢測、設(shè)備故障診斷方面的應(yīng)用。　　
　　1．紅外測溫儀的工作原理
　　
　　自然界一切溫度高于零度的物體，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。因此我們通過測量物體輻射出的紅外能量的大小就能測定物體的表面溫度。微小的溫度變化會引起明顯的輻射能量變化，因此利用紅外輻射測量溫度的靈敏度很高。實際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長外，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)用于實際物體。這個輻射系數(shù)，就是發(fā)射率ε，或稱之為比輻射率，其定義為實際物體與同溫度黑體輻射性能之比，該系數(shù)表示實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。
　　
　　紅外測溫儀的工作原理如圖1所示：被測物體輻射出的紅外能量通過空氣傳送到紅外測溫儀的物鏡，物鏡把紅外線匯聚到紅外探測器上，探測器將輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，又通過前置放大器、主放大器將信號放大、整形、濾波后，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換電路處理后輸入微處理器。微處理器進行環(huán)境溫度補償，并對溫度值進行校正后驅(qū)動顯示電路顯示溫度值。同時，微處理器還發(fā)出相應(yīng)的報警信號，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
　　
　　本紅外線溫度檢測系統(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﹑顯示電路等幾個部分組成。因為傳感器輸出的信號為0-5V，剛好滿足AD轉(zhuǎn)換的要求，故在本設(shè)計中省略了放大電路，只對傳感器的信號進行了濾波處理。另外，本系統(tǒng)還有信號變換電路輸出4～20mA、1～5V等模擬信號，并有RS232、RS485接口輸出數(shù)字信號來與上位機通信。
　　
　　2．1傳感器A2PTMI原理及其應(yīng)用
　　
　　PerkinElmerA2TPMI是一種內(nèi)部集成了信號處理電路以及環(huán)境溫度補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，該信號通過一個8bit分辨率的可編程放大器放大。根據(jù)熱電堆溫度測量原理，熱電堆電壓可能是正或者負，取決于目標溫度是否高于或者低于A2TPMI的環(huán)境溫度。為了使負電壓信號能在單電源系統(tǒng)處理，所有的內(nèi)部信號都連接到1.255V內(nèi)部電壓參考（Vref），作為虛擬模擬地信號。為了熱電堆放大電路偏置電壓的調(diào)整，放大器上帶了一個能產(chǎn)生有8bit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探測環(huán)境溫度，這個信號被放大后匹配熱電堆放大信號曲線的反向特性，進行信號處理。為了溫度補償，放大的熱電堆信號和溫度參考信號相加于一個放大器。經(jīng)過溫度補償放大后的信號輸出到VTobj腳，溫度參考信號或者參考電壓輸出到Vtamb腳。A2TPMI的工作特性由一個內(nèi)部隨機存取寄存器進行配置，所有的參數(shù)/配置*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
　　
　　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VTobj和VTamb中包含了大約10mV峰值、250kHz的交流信號。這些交流信號能被一個電子低通濾波電路或者類似的軟件濾波抑制掉。在高阻抗負載應(yīng)用中，象LM358這樣的railtorail運算放大器電路，可以作為輸出信號的濾波器。
　　
　　在本設(shè)計中采用第二種濾波電路，因為集成運放的開環(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，提高了傳感器信號的準確度。
　　
　　AD轉(zhuǎn)換電路#e#
　　
　　2．3AD轉(zhuǎn)換電路
　　
　　TLC2543是12位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其設(shè)置方法如下：DATAINPUT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)長度、輸出數(shù)據(jù)的格式。其中高4位（D7～D4）決定通道號。對于0通道至l0通道，該4位分別為0000～IOIOH，當為1011～1101時，用于對TLC2543的自檢，當為1110時，TLC2543進入休眠狀態(tài)。低4位決定輸出數(shù)據(jù)長度及格式。其中D3、D2決定輸出數(shù)據(jù)長度，0l表示輸出數(shù)據(jù)長度為8位，11表示輸出數(shù)據(jù)長度為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（二進制）還是雙極性（2的補碼），若為單極性，該位為0，反之為1。當片選cs從高到低的時候，開始一次工作周期，此時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)容是隨機的。開始時，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個時鐘信號從I／OCLOCK端依次加入，隨著時鐘信號的加入，控制字從DATAINPUT一位一位地在時鐘信號的上升沿時被送入TLC2543（高位先送入），同時上一周期轉(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個時鐘信號后，通道號也已收到，此時TLC2543開始對選定通道的模擬量進行采樣，并保持到第12個時鐘的下降沿。在第12個時鐘下降沿，EOC變低，開始對本次采樣的模擬量進行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間約需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，待下一個工作周期輸出。該芯片與微處理器接口的時候只需占用四個IO口，其12個時鐘的工作時序看參考相關(guān)手冊。　　
　　2．4SOC級微處理器特性

       本系統(tǒng)所采用的是SOC級STC系列單片機，指令代碼*兼容傳統(tǒng)51單片機，工作頻率可達48HZ，本設(shè)計中使用的微處理器為6時鐘周期，故其工作頻率相當于普通51單片機的96MHZ，為本系統(tǒng)提供了速度保證。另外，本設(shè)計選用的STC89C58RD含有32K的程序存儲區(qū)，并在內(nèi)部擴展了32K的數(shù)據(jù)FLASH存儲器，從而使本設(shè)計能方便的擴展相關(guān)功能，如參數(shù)的記憶功能等。該微處理器還支持IAP與ISP，不需的編程器，通過普通串口即可調(diào)試程序。抗干擾也是選用該單片機的理由之一，本設(shè)計主要應(yīng)用于對工業(yè)設(shè)備進行溫度監(jiān)控，故抗干擾十分重要。
　　
　　3．系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　
　　紅外線溫度檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要有如下幾個主要模塊：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)動模塊等。另外還一個中斷程序處理模塊：0外部中斷，主要用于參數(shù)設(shè)定。
　　
　　軟件設(shè)計流程如圖3所示。　　
　　整個程序采用c51編寫，初始化模塊主要是初始化各路報警信號，將發(fā)射率等參數(shù)設(shè)定成默認的值并顯示。主程序不斷通過I/O口查詢模塊掃描AD轉(zhuǎn)換模塊送過來的12位數(shù)字信號，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。接受過來的數(shù)字信號通過數(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)傳給上位機界面進行顯示，從而完成了一路溫度測量。在程序的運行過程中，隨時可以對發(fā)射率，報警值等參數(shù)進行設(shè)定。當功能鍵按下的時候觸發(fā)單片機的0外部中斷，在中斷程序中對參數(shù)設(shè)定按鍵進行掃描，并將結(jié)果存儲起來。每路測溫結(jié)束后系統(tǒng)通過RS485將溫度值傳送給上位機，在VB界面上顯示。
　　
　　1實驗數(shù)據(jù)處理及發(fā)射率整定
　　
　　2實驗數(shù)據(jù)的zui小二乘法擬合
　　
　　對于一個測量系統(tǒng)，其精度和準確度是非常重要的。雖然本設(shè)計選用12位AD，給本設(shè)計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，測量結(jié)果難免會有些偏差。因此和研究其他儀器儀表一樣，在本設(shè)計中，也進行了大量實驗，通過對實驗數(shù)據(jù)的處理，進一步提高了準確度。采用的主要方法是曲線擬合的zui小二乘法。現(xiàn)將其原理介紹如下：
　　
　　在函數(shù)的*平方逼近中,函數(shù)f（x）∈C[a,b]，如果f（x）只在一組離散點集{xi，i=0,1,…,m}上給定，那么我們就需要對實驗數(shù)據(jù){（xi，yi），i=0,1,…,m}進行曲線擬合，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)Φ1（x），Φ2（x），…,Φn（x）是C[a,b]上線性無關(guān)函數(shù)族，在Φ=span{Φ1（x），Φ2（x），…,Φn（x）}中找一函數(shù)S（（*）x），使其誤差平方和zui小即可。因為實驗數(shù)據(jù)量很大，故在實際運算中，可以借助MATLAB等數(shù)學(xué)工具，通過調(diào)用或者編寫相關(guān)函數(shù)來完成曲線擬合，zui后選擇適當?shù)慕Y(jié)果輸出。
　　
　　4．2發(fā)射率ε的整定
　　
　　根據(jù)紅外測溫的原理，我們在檢測時，應(yīng)該首先明確被測物體的發(fā)射率。在較高的測溫應(yīng)用中，應(yīng)實際測定被測對象的發(fā)射率ε，否則將造成嚴重的誤差。而對于電力設(shè)備，其發(fā)射率一般在0.85-0.95之間。測得的是被測對象的黑體輻射溫度，在實際測量應(yīng)用中，需要把黑體輻射溫度TP換算到真實溫度T。換算公式為:T=TPε-?
　　
　　發(fā)射率確定方法如下：首先選定一個被測物體，確定被測物體的真實溫度T（例如溫300K），當然也可以選擇其它溫度，溫度值可以通過熱電阻或者其它測溫設(shè)備測出來。然后，將測溫系統(tǒng)，對準被測物體，得到一個溫度值TP=T0,通過以上公式，得到ε的設(shè)定值；然后將ε值輸入系統(tǒng)，再測試，通過微調(diào)ε值，直到T0=T時，所得到的ε值，就是該物體的實際發(fā)射率。同一種被測物體的實際發(fā)射率ε，基本上是一樣的。如果被測物體的材料，形狀有變化，將改變它的發(fā)射率，用同樣的方法可以測出它的實際發(fā)射率。本設(shè)計中有發(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，使用同一個測溫設(shè)備，通過調(diào)整發(fā)射率，滿足各種材料的測溫要求。
　　
　　5.結(jié)束語
　　
　　非接觸紅外測溫儀采用紅外技術(shù)可快速方便地測量物體的表面溫度。不需要機械的接觸被測物體而快速測得溫度讀數(shù)。只需瞄準，即可在顯示屏上讀出溫度數(shù)據(jù)。紅外測溫儀重量輕、體積小，使用方便，并能可靠地測量熱的、危險的或難以接觸的物體，而不會污染或損壞被測物體。另外，紅外測溫儀每秒可測若干個讀數(shù)，而接觸測溫儀每次測量就需要數(shù)秒的時間。經(jīng)實驗對比，本測溫儀和美國福祿克公司生產(chǎn)的紅外測溫儀的誤差在一度以內(nèi)，但本測溫儀有參數(shù)設(shè)定功能并且價格較低，因此本測溫儀具有較高的性價比，目前已應(yīng)用于電力設(shè)備中，對高壓柜中的銅板溫度進行監(jiān)測，效果良好。
　　
　　創(chuàng)新觀點：將熱電堆紅外傳感器應(yīng)用于測溫系統(tǒng)，并且采用SOC級微處理器控制，從而實現(xiàn)了快速，測量。并將多個溫度表的數(shù)據(jù)統(tǒng)一用上位機的數(shù)據(jù)庫管理，實現(xiàn)了一個功能完善的復(fù)雜系統(tǒng)。