基于MSP430單片機(jī)的非接觸式紅外測(cè)溫儀設(shè)計(jì)

尹大禹 李 冶

(沈陽(yáng)師范大學(xué) 科信軟件學(xué)院，吉林 公主嶺110034)

0 引言

本設(shè)計(jì)利用TPS434紅外測(cè)溫模組，采用超低功耗的MSP430單片機(jī)[4]，實(shí)現(xiàn)了非接觸式紅外測(cè)溫儀。它體積小巧，能夠很方便地測(cè)量近距離物體的表面溫度，完全可以滿足常溫領(lǐng)域的測(cè)量。

1 測(cè)量原理

紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫原理是黑體輻射定律[5]。眾所周知，自然界中一切高于絕對(duì)零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定，即：

圖1是不同溫度下的黑體光譜輻射度圖：

圖1 不同溫度下的黑體光譜輻射度

從上圖中曲線可以看出黑體輻射具有幾個(gè)特征：

1）在任何溫度下，黑體的光譜輻射度都隨著波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線只有一個(gè)極大值；

2）隨著溫度的升高，與光譜輻射度極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)減小，這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長(zhǎng)輻射所占比例增加；

3）隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長(zhǎng)處，與較高溫度相應(yīng)的光譜輻射度也較大，反之亦然。

由普朗克公式可推導(dǎo)出輻射體溫度與檢測(cè)電壓之間的關(guān)系

V=RaεσT4=KT4

式中：K=Raεσ，由實(shí)驗(yàn)確定，定標(biāo)時(shí)ε取1

T——被測(cè)物體的絕對(duì)溫度，R——探測(cè)器的靈敏度

a——與大氣衰減距離有關(guān)的常數(shù),ε——輻射率,σ——斯蒂芬—玻耳茲曼常數(shù)

因此，可以通過檢測(cè)電壓而確定被測(cè)物體的溫度，上式表明探測(cè)器輸出信號(hào)與目標(biāo)溫度呈非線性關(guān)系，V與T的四次方成正比，所以要進(jìn)行線性化處理。線性化處理后得到物體的表觀溫度，需進(jìn)行輻射率修正為真實(shí)溫度,其校正式為。式中：Tr——輻射溫度(表觀溫度),ε(T)——輻射率，取0.1-0.9。

由于調(diào)制片輻射信號(hào)的影響，輻射率修正后的真實(shí)溫度為高于環(huán)境的溫度，還必須作環(huán)境溫度補(bǔ)償，即實(shí)測(cè)溫度加上環(huán)境溫度才能最終得到被測(cè)物體的實(shí)際溫度。

2 測(cè)溫系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

紅外測(cè)溫儀的系統(tǒng)，主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)完成視場(chǎng)大小的確定，熱電堆紅外傳感器用將聚焦在探測(cè)器上的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并送至單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，最后在LED顯示單元中顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度值。

3 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 紅外采集電路

紅外測(cè)溫儀器使用的是TPS434熱電堆紅外傳感器。熱電堆紅外傳感器的原理是將多個(gè)熱電偶[6]串聯(lián)起來，使其具有較高靈敏度。光學(xué)系統(tǒng)起到收集紅外輻射并將其聚焦到紅外探頭上的作用，由于紅外信號(hào)相對(duì)來說比較微弱，因此要實(shí)現(xiàn)測(cè)溫儀精確測(cè)溫必須設(shè)計(jì)一個(gè)光路簡(jiǎn)單、紅外輻射損失小的光學(xué)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中可以在被測(cè)物體和紅外傳感器之間加一個(gè)透鏡，以便聚焦紅外線。

3.2 信號(hào)放大電路

AD623是一個(gè)集成單電源儀表放大器，AD623能在單電源（+3-+12V）下提供滿電源幅度的輸出，并且允許使用單個(gè)增益電阻設(shè)置增益大小，具有很強(qiáng)的靈活性。在無外接增益電阻的條件下，增益倍數(shù)為1；外接增益電阻后，可編程設(shè)置增益，其增益最高可達(dá)1000倍。其增益公式G=100kΩ Rg,式中，G為放大器的增益倍數(shù)；Rg為放大器的增益電阻阻值。放大電路如圖2所示。在此放大電路中，采用二階濾波器，截止頻率為20Hz。放大器的增益倍數(shù)G由增益電阻Vr3動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，范圍為92-1000倍。紅外傳感器輸出為幾百微伏到幾十毫伏的微弱電壓，在放大的電壓參考端接入1.5V的參考電壓，并經(jīng)放大電路后，輸出電壓范圍為1-3V。

圖2 信號(hào)放大電路圖

3.3 AD轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)放大電路放大后的模擬電信號(hào)需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集選用TLC549集成芯片進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 TLC內(nèi)部框圖

3.4 溫度補(bǔ)償電路

由于紅外溫度傳感器的輸出受環(huán)境溫度影響，所以為了得到高精度的測(cè)量，需要進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償。在本系統(tǒng)中，環(huán)境溫度由集成溫度芯片AD590測(cè)得。AD590是Analog Devices公司利用PN結(jié)構(gòu)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型溫度傳感器[7]。通過調(diào)節(jié)電位器Ra，是Ra與R1的電阻值相加為5K。溫度每變化1度，輸出電壓變化5mV。輸出的電壓經(jīng)過單片機(jī)的P6.0進(jìn)入后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后計(jì)算得出環(huán)境溫度值。測(cè)得環(huán)境溫度后，通過軟件溫度補(bǔ)償方式提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在對(duì)該系統(tǒng)的精度做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中，以黑體為目標(biāo)物體，分別用接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度測(cè)量物體的溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，單次測(cè)量的最大誤差在2%以內(nèi)。

表1 非接觸式紅外測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以非接觸式紅外測(cè)量為研究?jī)?nèi)容，詳細(xì)闡明了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的全過程，該設(shè)計(jì)以MSP430單片機(jī)為核心，具有超低功耗的性能，采用儀表放大器AD623作為前級(jí)放大，提高了放大的精確度；并通過溫度補(bǔ)償方式對(duì)測(cè)得溫度做精準(zhǔn)校正，大大提高了非接觸式紅外測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度。本系統(tǒng)具有電路工作穩(wěn)定、測(cè)量快速準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。

［1］宋文,楊帆.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2004.

［2］孫華東,李艾華.非接觸式紅外測(cè)溫技術(shù)在點(diǎn)檢系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝,2007(11):60-61.

［3］馮美英,付偉.一種高精度壓力檢測(cè)系統(tǒng)溫度補(bǔ)償技術(shù)研究[J].煤炭技術(shù),2011,30(2).

［4］楊平,王威.MSP430系列超低功耗單片機(jī)及應(yīng)用[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2008,27(12).

［5］陳曉明.黑體輻射定律及實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)問題探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(5).