基于STM32的紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

紅外測(cè)溫儀是一種將紅外技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合的新型溫度測(cè)量?jī)x器。與傳統(tǒng)接觸式測(cè)溫儀器相比，具有測(cè)溫精度高、非接觸、不影響被測(cè)對(duì)象溫度場(chǎng)、響應(yīng)速度快及穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在電力、石油、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。

熱釋電紅外測(cè)溫儀是利用熱釋電效應(yīng)工作的一種新型紅外測(cè)溫儀。與其他傳統(tǒng)測(cè)溫儀相比，具有不需制冷、能在室溫下工作和光譜響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn)，且其靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)[2]。本文利用熱釋電探測(cè)器，結(jié)合32 bit ARM核處理器低功耗、高性能和低成本的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)以ARM微控制器STM32為核心的紅外測(cè)溫儀。

1 紅外測(cè)溫的原理

一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量，其輻射能量的大小及其波長(zhǎng)的分布與其表面溫度有密切關(guān)系，由維恩位移定律可知，溫度為Tc,的物體，對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)為λ1和λ2的單色輻射功率之比Z 由下式表示：


2 總體構(gòu)成

由于本系統(tǒng)需要測(cè)量的是高溫物體的表面溫度，故采用比色測(cè)溫方案，即利用同一被測(cè)物體在兩個(gè)波長(zhǎng)下的單色輻射亮度之比隨溫度變化這一特性作為其測(cè)溫原理。紅外測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)處理和顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)完成光線的收集和視場(chǎng)大小的確定，紅外探測(cè)器用來(lái)將聚焦在探測(cè)器上的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大、濾波等進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后送至微控制器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理，最后再經(jīng)溫度補(bǔ)償和標(biāo)定后轉(zhuǎn)換為被測(cè)目標(biāo)的溫度并用LCD顯示出來(lái)。


2.1 微控制器STM32

STM32系列基于為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。并帶有512 KB的高速Flash存儲(chǔ)器，其內(nèi)部集成了3個(gè)12 bit的ADC，1個(gè)2通道12 bit DAC，有多達(dá)11個(gè)定時(shí)器，其中有兩個(gè)16 bit帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM高級(jí)控制定時(shí)器。利用此控制器可快速進(jìn)行數(shù)字濾波、溫度補(bǔ)償?shù)葦?shù)據(jù)處理任務(wù)[3]。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)

這部分采用的是反射式光學(xué)系統(tǒng)中典型的牛頓系統(tǒng)，這種系統(tǒng)相對(duì)于透射式和透射--反射組合式光能損失小、不存在色差、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工。

2.3 探測(cè)器及斬波器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是熱釋電傳感器，目前熱釋電傳感器的核心元件——熱釋電材料主要有鋯鈦酸鉛PZT、鈦酸鍶鋇(BST)和鉭鈧酸鉛(PST)等,在這里選擇是用BST薄膜，熱釋電薄膜相對(duì)于熱釋電體材，具有小型輕量、分辨率高、反應(yīng)快、能與微電子技術(shù)兼容等優(yōu)點(diǎn)，因接受到的輻射很微弱且直流放大器存在零點(diǎn)漂移，故在輻射信號(hào)到達(dá)傳感器器前必須對(duì)輻射能進(jìn)行調(diào)制，使其變?yōu)榻蛔冃盘?hào)。本系統(tǒng)使用的扇形調(diào)制盤由STM32的脈寬調(diào)制器輸出口PA8產(chǎn)生的占空比為50%的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

2.4 信號(hào)的調(diào)理

信號(hào)的放大電路分為前置放大電路和后級(jí)放大電路。尤其是前置放大器的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲具有決定性作用。本設(shè)計(jì)采用的放大器是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的OP07， OP07是一種超低失調(diào)的運(yùn)算放大器(一般為10 μV左右),其共模輸入阻抗可達(dá)200 MΩ，輸出阻抗僅為60 Ω,可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。由于STM32的A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)范圍為0～3.3 V，需選擇合適的放大倍數(shù),使最高測(cè)溫時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓在3.3 V內(nèi)。

當(dāng)信號(hào)經(jīng)放大器放大后，其寬帶噪聲較大，因此，在前置放大器和后級(jí)放大器之間加了帶通濾波器來(lái)抑制寬帶噪聲，提高信噪比。但帶通濾波器的帶寬應(yīng)做的寬一些，否則當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，信號(hào)的頻譜很容易偏離濾波器的通頻帶而導(dǎo)致測(cè)量誤差[4]。根據(jù)本系統(tǒng)需要，系統(tǒng)采用二階巴特沃斯型帶通濾波器，其中心頻率設(shè)計(jì)為100 Hz，帶寬約在20 Hz。

2.5 檢波電路

本文設(shè)計(jì)中采用電子開(kāi)關(guān)型檢波器，與模擬乘法器型檢波器相比具有電路簡(jiǎn)單、精度更高、運(yùn)行速度快、沒(méi)有非線性等優(yōu)點(diǎn)，具體的電路如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)．輸入信號(hào)V4是傳感器經(jīng)主放大器放大的輸出信號(hào)，V5是STM32的PWM端口發(fā)出的,經(jīng)過(guò)移相后用于斬波調(diào)制的脈沖信號(hào)；V6為V5的反相電壓，通過(guò)加一反相器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖中R27=R28=R29=R31=R32=0.5 R33，當(dāng)V5為高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，OP07的同相端接地；當(dāng)V5為低電平時(shí)，Q2截止，OP07反相端接地，輸出電壓。

經(jīng)上述電路后信號(hào)中還混有噪聲，主要通過(guò)低通濾波器來(lái)消除這些噪聲。

2.6 溫度補(bǔ)償單元

由于受到環(huán)境溫度的影響，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，本系統(tǒng)采用的是集成溫度傳感器AD592，是美國(guó)AD公司的一款高性能集成溫度傳感器，具有精度高、非線性的誤差小、輸入的范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中的可調(diào)電阻R2用來(lái)校準(zhǔn)輸出電壓V2，當(dāng)環(huán)境溫度為0時(shí)輸出電壓V2為0；R5用來(lái)校準(zhǔn)溫度系數(shù)。經(jīng)校準(zhǔn)后，輸出電壓V2即為溫度系數(shù)與環(huán)境溫度的積，接到STM32的ADC端口PC0。

2.7 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元

STM32內(nèi)置了3個(gè)12 bit的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),每個(gè)ADC共有多達(dá)21個(gè)外部通道，可以實(shí)現(xiàn)單次或掃描轉(zhuǎn)換，在掃描模式下，自動(dòng)進(jìn)行在選定的一組模擬輸入上的轉(zhuǎn)換[5]。其A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)量范圍為0~5 V，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的工作頻率為150 Hz，每周期采樣10次，所以ADC的轉(zhuǎn)換速率設(shè)為1.5 kHz，系統(tǒng)中采用PC1端口對(duì)電壓進(jìn)行采樣。

2.8 輸入輸出單元

STM32擁有多達(dá)80個(gè)多功能雙向I/O口，因此設(shè)計(jì)鍵盤時(shí)可采用5個(gè)獨(dú)立式按鍵，分別為開(kāi)機(jī)、攝氏與華氏溫度轉(zhuǎn)換、輻射率修正和背光顯示鍵，LCD顯示器采用字符型液晶NT7502顯示，微處理器通過(guò)8 bit串行接口向NT7502發(fā)送數(shù)據(jù)/命令,用GPIO實(shí)現(xiàn)LCD的讀寫(xiě)控制時(shí)序以及數(shù)據(jù)信號(hào)，完成對(duì)LCD的操作控制，同時(shí)可用來(lái)顯示環(huán)境溫度的值。液晶顯示器接口電路如圖3所示。


3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)， 包括步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的控制程序、對(duì)目標(biāo)溫度的檢測(cè)、按鍵的識(shí)別、LCD的驅(qū)動(dòng)、對(duì)數(shù)據(jù)的采樣以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理算法等程序。整個(gè)測(cè)溫過(guò)程的流程如圖4 所示。


4 紅外測(cè)溫儀的標(biāo)定

紅外測(cè)溫儀必須經(jīng)標(biāo)定才能正確顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度，傳統(tǒng)的查表方式和擬合曲線法等標(biāo)定方式不僅要測(cè)量多個(gè)溫度點(diǎn)，而且精度低、誤差大。本系統(tǒng)在標(biāo)定的過(guò)程中，采用了三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，其具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)信息并行處理能力。在標(biāo)定過(guò)程中，采用黑體爐模擬被測(cè)目標(biāo)，采集不同溫度下信號(hào)電壓的大小。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次測(cè)量，在10℃~50℃的工作環(huán)境溫度中，測(cè)溫范圍為800℃~1 500℃。并在中頻真空感應(yīng)熔煉爐上與鉑銠熱電偶進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)精度可達(dá)±1‰，分辨率為0.5 ℃，響應(yīng)時(shí)間小于50 ms，基本滿足系統(tǒng)的最初設(shè)計(jì)要求。

本文研制的是一種基于比色測(cè)溫原理的紅外測(cè)溫儀，與其他測(cè)溫儀相比，能夠抵消由于輻射率對(duì)測(cè)溫精度的影響，使得測(cè)量結(jié)果更加接近待測(cè)物體表面真實(shí)溫度，由于采用了32 bit的STM32作為處理芯片，與其他使用8 bit或16 bit處理器相比，使數(shù)據(jù)處理能力大大增強(qiáng)，測(cè)溫性能得到很大提高，同時(shí)也減小了測(cè)溫儀的體積，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可靠性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。