基于SOC的高精度紅外測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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)?？刂茊卧峁┑膬删€、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，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。
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。
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