1、第 非接觸式高精度紅外測溫終端的設(shè)計(jì)引言 一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射特性決定了其輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此,通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。紅外位于可見光和無線電波之間，紅外波長常用微米表示，波長范圍為0.7微米1000微米，實(shí)際上，0.7微米14微米波帶用于紅外測溫。 采用紅外測溫技術(shù)進(jìn)行電力設(shè)備溫度監(jiān)測，可在遠(yuǎn)離目標(biāo)的安全處測量物體的表面溫度，通過探測電氣設(shè)備和線路的熱缺陷及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理、預(yù)防重大事故的發(fā)生。紅外測溫技術(shù)的這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)

2、使得紅外測溫產(chǎn)品成為電氣維護(hù)的必不可少的工具。本文正是針對高低壓開關(guān)柜內(nèi)母排連接處，開關(guān)節(jié)點(diǎn)等易發(fā)熱部位的溫度監(jiān)測需求，設(shè)計(jì)了一臺非接觸式高精度紅外測溫終端，實(shí)現(xiàn)對電力開關(guān)柜接觸節(jié)點(diǎn)的非接觸式溫度監(jiān)控。 1終端設(shè)計(jì)要求 本終端用于測量電力高低壓開關(guān)柜內(nèi)接觸節(jié)點(diǎn)的非接觸式溫度測量，其技術(shù)及環(huán)境要求如下： a)測量范圍：-20300 b)測量精度：1或量程的1% c)工作環(huán)境：-2060 d)通訊方式：RS485 2原理及電路設(shè)計(jì) 自然界一切溫度高于絕對零度的物體，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，紅外測溫設(shè)備借助光學(xué)系統(tǒng)的濾光作用，使目標(biāo)物體

3、表面的紅外輻射進(jìn)入儀器的只能是預(yù)定工作波段。超過工作波段的其它輻射波長都被限制進(jìn)入。紅外測溫終端利用物體表面溫度與發(fā)射的紅外輻射量有一定的函數(shù)關(guān)系，通過接收被測目標(biāo)表面的紅外輻射能量來進(jìn)行溫度測量。終端的測溫原理如圖1所示。 本終端由紅外溫度傳感器、信號濾波與放大處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器電路、串口通信電路等組成，紅外溫度傳感器采集由物體發(fā)射的紅外能量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號，由信號濾波與放大處理電路進(jìn)行濾波、放大，再由A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，后送至微處理器電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到物體的溫度信息，經(jīng)串口通信電路傳送至上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示、處理等，圖1中，從紅外溫度傳感器分別輸出目標(biāo)表面值和

4、環(huán)境值進(jìn)行處理，參考電壓電路加入了一路標(biāo)準(zhǔn)參考電壓信號，提高測量的精度。 圖1紅外溫度監(jiān)測終端測量原理 2.1紅外溫度傳感器 紅外溫度傳感器是本終端的核心元器件之一。本終端選取了一款外部集成封裝了硅透鏡光路系統(tǒng)，內(nèi)部集成了專用信號處理電路以及環(huán)境溫度補(bǔ)償電路的紅外溫度傳感器，傳感器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2紅外溫度傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖 圖2中，V為目標(biāo)溫度的輸出電壓，V為環(huán)境溫度的輸出電壓，V為1.225V內(nèi)部參考電壓，TP是熱電堆傳感器，PTAT是環(huán)境溫度傳感器。此傳感器通過外部集成的光路系統(tǒng)以及TP接收目標(biāo)物體的紅外輻射，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，該信號通過可編程放大器放大。根據(jù)熱電堆溫

5、度測量原理，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傳感器的環(huán)境溫度。為了使負(fù)電壓信號能在單電源系統(tǒng)處理，所有的內(nèi)部信號都連接到內(nèi)部電壓參考(V)，作為虛擬模擬地信號。放大的熱電堆信號和環(huán)境溫度參考信號相加于一個(gè)放大器來進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償，最終得到V和V兩路電壓信號供后續(xù)處理。 2.2信號處理電路的設(shè)計(jì) 由于傳感器采樣的電壓信號很微弱，加之在采樣過程中可能會有噪聲干擾，輸出信號中會包含一些低頻交流信號，所以，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，需對其進(jìn)行濾波、放大。 本終端的電源電壓為5V，而根據(jù)傳感器特性，其放大后的電壓信號可能接近甚至超過5V。故需采用軌對軌（railtorail）運(yùn)算放大

6、器進(jìn)行濾波和放大，這樣不僅能提高線性度，而且輸出電壓的擺幅就能接近于電源電壓，提高系統(tǒng)的測量幅度以及測量精度。濾波及放大電路如圖3所示，VDD經(jīng)四個(gè)濾波電容接5V電源，V和V分別為輸出的目標(biāo)電壓值和環(huán)境電壓值，分別經(jīng)濾波、放大器輸出處理后的V和V，以便后續(xù)處理。 圖3濾波、放大電路圖 信號濾波與放大后，進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：A/D轉(zhuǎn)換。其電路圖如圖4所示，A/D芯片選擇了一款12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)的I/O資源。A/D與單片機(jī)的串行通信是采用51單片機(jī)的IO口模擬SPI串行通信。SPI是一種串行同步通信方式，它以

7、主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少4根線。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCK（時(shí)鐘），CS（片選）。 （1）SDO主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入（圖中MCU_MOSI） （2）SDI主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出（圖中MCU_MISO） （3）SCLK時(shí)鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生（圖中MCU_SCK） （4）CS從設(shè)備使能信號，由主設(shè)備控制（圖中MCU_CS） 其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為預(yù)先規(guī)定的使能信號時(shí)（高電位或低電位），對此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個(gè)SPI設(shè)備成為可

8、能。通訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)摹＿@就是SCK時(shí)鐘線存在的原因，由SCK提供時(shí)鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過SDO線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時(shí)鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。 圖4A/D轉(zhuǎn)換電路圖 其中，第5通道的+2.5V參考電壓由圖5所示的電路輸出，采用了一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓可以任意的設(shè)置到從Vref（+2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。本終

9、端輸出的是+2.5V參考電壓，以提高系統(tǒng)的測量精度。 圖52.5V參考電壓輸出電路 2.3微處理器電路的設(shè)計(jì) 本終端采用51系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對溫度的計(jì)算，由于51單片機(jī)其內(nèi)部存儲容量較小，本終端外置了一片基于IC-BUS的串行EPROM，用于存放終端的器件地址以及輻射率。微處理器電路圖如圖6所示，串行EPROM電路圖如圖7所示。 圖6微處理器電路圖 圖6中，利用單片機(jī)的P1口對串行E2PROM進(jìn)行控制，在測溫時(shí)讀取或修改終端的器件地址以及輻射率，利用P2口進(jìn)行A/D采樣數(shù)據(jù)的讀寫，而利用單片機(jī)的串口進(jìn)行與上位機(jī)軟件進(jìn)行串口通信。 圖7串行EPROM電路圖 2.4通信電路設(shè)計(jì) 本終端用于工業(yè)應(yīng)用，

10、采用RS485工業(yè)級串口通信芯片實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，傳輸距離可達(dá)500米以上。電路如圖8所示。在輸出端，采用三個(gè)TVS管，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)安全值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受浪涌脈沖的破壞，提高了終端的可靠性。 圖8串口通信電路圖 3底層軟件設(shè)計(jì) 紅外測溫終端的底層軟件需完成由上位機(jī)軟件發(fā)出的命令，包括設(shè)置終端的地址（因同一485總線上可掛靠多個(gè)終端）及目標(biāo)物體的輻射率值，計(jì)算目標(biāo)物體的實(shí)際溫度值，并將測量的溫度值傳至上位機(jī)處理，同時(shí)如傳感器工作不正常，如測量溫度低于或高于測量范圍、環(huán)境溫度低于或高于工作范圍、傳感器供電異常等信息傳至上位機(jī)軟件處理。底層軟件設(shè)計(jì)主要有如下幾個(gè)主

11、要模塊：初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、地址與輻射率設(shè)置模塊、溫度計(jì)算模塊、通信模塊等。軟件流程圖如圖9所示。 圖9軟件流程圖 初始化模塊：主要進(jìn)行串口的初始化，開放全局中斷以及定時(shí)計(jì)數(shù)器的初值、工作方式的設(shè)置等。 A/D轉(zhuǎn)換模塊：其SPI時(shí)序圖如圖10所示。芯片每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送使用16個(gè)時(shí)鐘周期，且在每次傳送周期之間插入CS的時(shí)序。從時(shí)序圖可以看出，在CS變低時(shí)開始轉(zhuǎn)換和傳送過程，I/OCLOCK的前8個(gè)上升沿將8個(gè)輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時(shí)它將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余11位移出DATAOUT端，在I/OCLOCK下降沿時(shí)數(shù)據(jù)變化。當(dāng)CS為高時(shí)，I/OCLOCK和DATAINPUT被禁止

12、，DATAOUT為高阻態(tài)。在A/D轉(zhuǎn)換程序中，利用冒泡算法將多次采樣的值去掉最大值和最小值后再進(jìn)行平均，保證了這一數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性，提高了終端的測量精度。 圖10SPI時(shí)序圖 地址與輻射率設(shè)置模塊：在外部E2PROM芯片中存儲一個(gè)原始地址和輻射率，通過上位機(jī)的命令，在程序中判斷是需要讀取或修改相應(yīng)值，再通過一個(gè)I2C讀寫程序進(jìn)行讀取或修改。 溫度計(jì)算模塊：由單片機(jī)進(jìn)行目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度計(jì)算，輸出的目標(biāo)溫度電壓值和環(huán)境溫度電壓值經(jīng)一個(gè)六次方公式計(jì)算，可得出目標(biāo)的黑體輻射溫度值T，再經(jīng)輻射率系數(shù)（E）調(diào)整，可得出實(shí)際溫度值T。設(shè)物體的輻射率為。則，物體實(shí)際溫度值與其黑體輻射溫度值的關(guān)系如式（1

13、）所示，其中T、T的單位均為攝氏度，故式（1）中首先進(jìn)行了開氏溫度轉(zhuǎn)換，然后用輻射率系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。而輻射率系數(shù)與輻射率的關(guān)系如式（2）所示。 （1） （2） 根據(jù)紅外測溫的原理，在進(jìn)行溫度測量時(shí)，應(yīng)該首先明確被測目標(biāo)的輻射率，實(shí)際測定被測對象的輻射率，否則將造成嚴(yán)重的測量誤差。 通信模塊：串口通信的接收部分采用中斷方式，發(fā)送部分采用查詢方式。另外，由于RS485是半雙工串口通信方式，不能同時(shí)進(jìn)行發(fā)送，故在進(jìn)行發(fā)送與接收前，需于每次接收和發(fā)送前，在程序中設(shè)置RS485的使能端（1為發(fā)送，0為接收）。 4結(jié)束語 本文運(yùn)用了紅外測溫技術(shù)，數(shù)字信號處理技術(shù)等設(shè)計(jì)了一臺非接觸式紅外測溫終端，完整地完成了終端的硬件電路及軟件設(shè)計(jì)，采用了穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)電壓和軌