一種基于MLX90616的黑體過熱保護系統設計

文/張鵬

在黑體升溫工作時，溫度由專業溫控器進行控制，一旦溫控器出現故障，溫度過熱會導致黑體損壞。紅外測溫技術作為一種快速、便捷、精確、安全的非接觸式測溫方式，使用紅外測溫技術對黑體溫度進行實時連續監測，在黑體溫度偏離到設定的危險區間時切斷黑體加熱供電，并利用聲光進行報警。

本文詳細介紹了一種基于MLX90616和單片機的紅外測溫黑體過熱保護系統的設計方案。

1 紅外測溫原理

所有物體都會發出紅外線能量。物體越熱，其分子就愈加活躍，目標輻射波長越短，它所發出的紅外線能量也就越多。紅外測溫傳感器可以收集來自物體的輻射紅外線能量，并把該能量聚焦在探測器上。能量經探測器轉化為電信號,被放大、顯示出來。由普朗克黑體輻射原理：

A-光學常數

E-輻射出射度

σ-斯蒂芬-波爾茲曼常數

ε1-被測對像的輻射率

ε2-紅外溫度計的輻射率

T1-被測對像熱力學溫度K

T2-紅外溫度計熱力學溫度K

據以上規律，通過傳感器接收到的能量峰值信號，經過單片機即可計算出目標溫度。

2 系統總體設計

圖1：紅外測溫黑體過熱保護系統原理圖

圖2：MLX90616結構框圖

黑體過熱保護系統的溫度測量原理的依據是上文介紹的紅外線測溫原理，主要由數字式集成紅外溫度傳感器、AVR單片機、聲光告警單元以及其它外圍電路組成，其工作原理框圖如圖1所示。紅外測溫黑體過熱保護系統和黑體使同一外部電源，當黑體開始加熱工作時，保護系統也同時開始工作，AVR單片機采集數字紅外溫度傳感器傳出的溫度數字信號，與預設的保護溫度門限比較，進入保護溫度門限后，控制繼電器切斷黑體電源，同時驅動告警LED閃爍和驅動告警蜂鳴器鳴叫。

2.1 數字式紅外測溫傳感器

傳感器采用比利時Melexis公司的MLX90616ESF-HCA，其是一款紅外熱電堆傳感器，具有集成信號調節和電子穩定功能，可在苛刻的環境中實現精確的測量。測量的物體溫度范圍為-70℃～+1030℃。

MLX90616主要由紅外熱電堆傳感器、低噪聲放大器、17位ADC和高性能DSP單元等組成，其結構框圖如圖2所示。MLX90616的工作流程由內部狀態機進行，控制，紅外傳感器的輸出經過低噪聲低偏置運算放大器放大后，由17bit的模數轉換器將模擬量轉換為數字信號，被FIR/IIR濾波器處理后送入DSP進行運算處理得出測量結果放入內部RAM中。外部控制器可以通過SMBus/PWM方式讀取內部RAM中的測量結果。

2.2 AVR單片機系統

圖3：軟件流程圖

2.2.1 AVR單片機

AVR單片機采用Ateml公司的Atmega16單片機。該單片機基于AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，具有UART、I2C、SPI、SRAM和512字節EEPROM等豐富的外設。

2.2.2 保護溫度設定

本文設計的保護電路是一種通用保護電路，可以根據黑體類型，由上位機通過RS232下發給Atmega16，Atmega16將設定參數存入內部的EEPROM。工作時先從內部的EEPROM中讀出設定的保護溫度門限參數放入內部SRAM中以便使用。

2.2.3 傳感器數據讀取

Atmega16通過I2C與MLX90616進行連接，以SMBus協議進行通訊，MLX90616內部存儲分為EEPROM和RAM。EEPROM保存MLX90616內部工作參數配置，RAM存放被測物體的溫度值。本設計主要根據黑體的發射率對EEPROM中的發射率配置寄存器進行設置，工作時可以從RAM單元07h地址讀取測溫值，并轉換為攝氏溫度，公式為：

Tareg：從RAM單元07h地址讀取測溫值

3 軟件程序設計

軟件設計采用模塊化設計，主要包括：初始化模塊，紅外溫度檢測模塊、告警模塊、定時器中斷服務子程序和UART中斷服務子程序等，其程序流程如圖3所示。初始化模塊主要完成通用I/O、定時器、I2C、中斷配置等外設進行初始化化設置，并從內部EEPROM中讀出保護溫度門限參數。紅外溫度檢測模塊主要是通過I2C總線按照SMBus協議對MLX90616內部RAM進行讀取操作，并按照公式（1）將讀出的數值轉換為攝氏溫度值，并與保護溫度門限參數進行比較。告警模塊主要是以10Hz的頻率驅動告警LED進行閃爍和蜂鳴器鳴叫。定時器定時10ms中斷一次，進入中斷服務子程序將定時器中斷標志置位后退出。UART中斷服務子程序主要根據上位機發送的命令和數據判斷是否對發射率或保護溫度門限參數進行更改并固化。

4 結束語

本文設計的黑體過熱保護系統是配合某型面源黑體而研制的，經過故障模擬，該系統能夠有效的保護黑體避免過熱損壞，精度達到了±1℃。該系統同樣可以應用在冶金、鑄造等工業領域對爐溫進行檢測，避免溫度過熱對設備造成損壞。