單片機在紅外測溫上的開發(fā)應(yīng)用

        摘要：在紅外測溫中，智能紅外輻射測溫儀是應(yīng)用紅外技術(shù)和微電子技術(shù)研制出的一種新型溫度測量儀器。它根據(jù)被測物體的紅外輻射能量確定其溫度，為非接觸測溫方式。具有溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、不擾動被測目標溫度分布場、測量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點；同時也有測量值受被測物體發(fā)射率、反射熱源、氣氛干擾影響的弱點。特別是溫度傳感器遠離被測對象，在低溫區(qū)(0～500℃)熱輻射信號非常微弱，因此這種測溫技術(shù)難度較大。本文介紹運用MCS-51單片機開發(fā)設(shè)計紅外低溫測溫儀中“單片機檢測系統(tǒng)”的全過程。
　　
　　1、總體設(shè)計方案
　　
　　1.1基本測溫原理
　　
　　一切高于零度的物體都能輻射紅外線，描述黑體輻射光譜分布的普朗克公式和黑體全輻出度與溫度關(guān)系的斯蒂芬—玻耳茲曼定律是輻射測溫法的基本理論依據(jù)，即　　
　　由它們可推導(dǎo)出輻射體溫度與檢測電壓之間的關(guān)系式：
　　
　　V=RaεσT4=KT4
　　
　　式中K=Raεσ，由實驗確定，定標時ε取1
　　
　　T—被測物體的溫度
　　
　　R——探測器的靈敏度
　　
　　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，可以通過檢測電壓而確定被測物體的溫度，上式表明探測器輸出信號與目標溫度呈非線性關(guān)系，V與T的四次方成正比，所以要進行線性化處理。
　　
　　線性化處理后得到物體的表觀溫度，需進行輻射率修正為真實溫度，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)制片輻射信號的影響，輻射率修正后的真實溫度為高于環(huán)境的溫度，還必須作環(huán)溫補償，即真實溫度加上環(huán)溫才能zui終得到被測物體的實際溫度。
　　
　　1.2總體設(shè)計框圖
　　
　　本測溫儀為低溫區(qū)(0～500℃)全輻射測溫儀，采用折射式光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外探測器和調(diào)制型前置放大系統(tǒng)，解決低溫區(qū)微弱信號的檢測問題，使用MCS-51系列中性能*的CHMOS單片機進行硬、軟件設(shè)計，對信號進行數(shù)據(jù)處理，具有自動液晶顯示、打印、記錄、人機通訊等功能，備有模擬量和數(shù)字量兩種標準輸出口。總體設(shè)計框圖如圖1所示，它主要由光學(xué)系統(tǒng)、探測系統(tǒng)和電信號處理系統(tǒng)三部分構(gòu)成。　　　　
　　1.3主要技術(shù)指標
　　
　　測溫范圍：0～500℃
　　
　　工作環(huán)境溫度：-40～50℃
　　
　　紅外波段：7～18μm
　　
　　距離系數(shù)：L∶D=30∶1
　　
　　zui小可測目標：=10mm
　　
　　輻射率修正：ε=0.1～0.9
　　
　　測量精度：±1%
　　
　　顯示分辨率：0.1℃
　　
　　響應(yīng)時間：<0.5s
　　
　　輸出方式：四位液晶顯示，電流輸出4～20mA(線性)
　　
　　功耗：<1W
　　
　　工作電源：兩節(jié)6V疊層電池或交流220V
　　
　　2、硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　根據(jù)設(shè)計要求，單片機檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。　　　　
　　2.1信號的接收放大電路
　　
　　從前置放大、解調(diào)電路輸出的直流電壓信號，經(jīng)OP-07放大器放大到0～4V后送入A/D轉(zhuǎn)換器。OP-07單運放設(shè)計成可編程放大器(可提高測溫精度)，由多路模擬開關(guān)4051和74LS173選通八路電壓放大倍數(shù)，實現(xiàn)輸入電壓從7.8mV到1V的輸出放大。
　　
　　2.2A/D轉(zhuǎn)換器
　　
　　A/D轉(zhuǎn)換器采用雙積分4(1)/(2)位A/D芯片ICL7135，該器件精度高，自穩(wěn)零，對周期變化的干擾信號積分為零，因而抗*力強，但轉(zhuǎn)換速度較慢，不過，能滿足測溫儀的速度要求。為提高轉(zhuǎn)換速率，時鐘頻率設(shè)置在500kHz，轉(zhuǎn)換速度12.5次/秒，一次A/D轉(zhuǎn)換時間約80ms，分辨率0.2mV，量化誤差±0.1mV。基準電壓采用精密電壓基準源MC1403。
　　
　　2.3單片機系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)處理
　　
　　單片機是智能儀表的核心部分，這里采用MCS-51系列中具有功耗低、速度高、抗*力強的CHMOS單片機。單片機系統(tǒng)組成包括zui小系統(tǒng)80C31、74HC373和27C512以及擴展I/O口81C55。
　　
　　2.3.1程序存貯器擴展
　　
　　80C31片內(nèi)無ROM，需外接一片EPROM電路。80C31通過地址鎖存器74HC373與程序存貯器27C512相連，其尋址空間64k，儀器軟件就固化在EPROM內(nèi)。
　　
　　2.3.2定時和中斷
　　
　　80C31有兩個可編程16位定時器/計數(shù)器T0和T1。T0用于定時，工作于方式0，每10ms向CPU請求一次中斷，中斷服務(wù)程序為鍵輸入程序，T0還接環(huán)溫電路的輸出；T1作串行口波特率發(fā)生器，工作于方式2。
　　
　　80C31的INT0作為外部采樣中斷，中斷服務(wù)程序是采樣程序；T0溢出中斷，中斷服務(wù)程序為鍵輸入程序。INT0中斷高于T0溢出中斷。INT1作一般I/O口，為液晶顯示驅(qū)動器提供方波，頻率為50Hz。
　　
　　2.3.3擴展外部I/O口81C55
　　
　　81C55為80C31擴展的外部可編程RAM/IO接口。81C55RAM分為顯示緩沖區(qū)、采樣數(shù)據(jù)區(qū)、碼制轉(zhuǎn)換區(qū)(BCD碼與二進制碼雙向轉(zhuǎn)換)等。81C55的三個并行I/O口分別用于：PA口用作接液晶顯示驅(qū)動器；PB口接A/D轉(zhuǎn)換器7135，其中PB0～3接7135的BCD碼數(shù)據(jù)輸出線，PB4～7接7135的BCD碼位驅(qū)動信號線，分別選通萬位、千位……個位。PC0～3作為PB口的控制信號，另外，81C55定時器將80C31的4M晶振頻率8分頻后得到500kHz頻率，作為A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘脈沖。
　　
　　2.3.4單片機主要數(shù)據(jù)處理內(nèi)容
　　
　　由基本測溫原理可知，單片機系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)處理內(nèi)容有線性化處理、輻射率修正和環(huán)溫補償。這些通過列溫度值表和ε修正值表，然后，由查表程序查得實際溫度，送顯示器顯示。
　　
　　2.4D/A轉(zhuǎn)換器
　　
　　D/A轉(zhuǎn)換器使用DACO832芯片，它與微處理器*兼容，分辨率為8位。通過兩級LM324運算放大器轉(zhuǎn)換成0.8～4V電壓，再經(jīng)V-I變換電路得到4～20mA標準電流輸出。
　　
　　2.5輸入輸出接口電路
　　
　　接口電路包括LCD顯示器、鍵盤、串行通訊、打印機。四位液晶顯示器LCD(ED-S805型)用來顯示0～500℃溫度值，顯示分辨率0.1℃。4個顯示驅(qū)動器選擇4544，具有自行消隱無效零的特殊功能。
　　
　　鍵盤設(shè)16個鍵：輻射率補償鍵ε，距離選擇鍵L，打印鍵PRT，執(zhí)行鍵MON，數(shù)字鍵0～9，小數(shù)點鍵。4×4鍵盤為非編碼式的，80C31的P1口作為與4×4鍵盤的并行接口，當80C31對鍵盤采用定時掃描方式時，T0每隔10ms產(chǎn)生一次中斷，CPU響應(yīng)T0的溢出中斷請求，對鍵盤進行掃描。
　　
　　80C31片內(nèi)含有一個全雙工串行口，為TTL電平，而微機是RS-232C標準接口，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，80C31可將測溫數(shù)據(jù)發(fā)送給微機，微機將這些數(shù)據(jù)形象地顯示于CRT或打印成各種報表。
　　
　　3、軟件設(shè)計
　　
　　單片機檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計全部使用匯編語言編程(個別輔助計算用BASIC語言，但不涉及編程部分)，以提高系統(tǒng)的快速性和實時性。軟件采用模塊化設(shè)計方法，有利于修改和調(diào)式。程序主要分4部分：①主程序；②中斷服務(wù)程序；③監(jiān)控程序；④處理程序。
　　
　　3.1主程序設(shè)計
　　
　　主程序是軟件設(shè)計的核心部分，能完成測溫的主要處理內(nèi)容。主程序設(shè)計流程圖如圖3所示。　　　　
　　主程序一開始對系統(tǒng)進行初始化，包括對80C31和80C55初始化以及設(shè)置4051通道，以便自動選擇放大倍數(shù)。開中斷后，由于采樣為中斷，所以先判一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束否，未結(jié)束，繼續(xù)轉(zhuǎn)換；結(jié)束，進行碼制轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波，然后進行測溫的主要數(shù)據(jù)處理，即線性化處理，輻射率修正和環(huán)溫補償，所得溫度數(shù)字量一方面送D/A轉(zhuǎn)換，另一方面送串行通訊，zui后判一下是否工作在監(jiān)控狀態(tài)下，再將溫度值送顯示或轉(zhuǎn)鍵處理程序。
　　
　　3.2中斷服務(wù)程序
　　
　　中斷服務(wù)程序為采樣程序和鍵輸入程序。INT0中斷時，轉(zhuǎn)入采樣中斷服務(wù)程序，執(zhí)行把模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送單片機計算，T0溢出中斷時，轉(zhuǎn)入鍵輸入中斷服務(wù)程序，使CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理。INT0為中斷，T0溢出中斷為低級中斷。
　　
　　3.3監(jiān)控程序
　　
　　監(jiān)控程序指鍵處理子程序和顯示子程序。鍵處理子程序是對鍵入的16個鍵作相應(yīng)處理；顯示子程序使四位液晶顯示器顯示內(nèi)容，如顯示溫度測量值、ε字型等。
　　
　　3.4處理程序
　　
　　處理程序是軟件設(shè)計的主要部分，能完成測溫的主要任務(wù)，包括數(shù)字濾波、線性化處理、輻射率修正值查取、環(huán)溫檢測、輻射率修正、環(huán)溫補償、碼制轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和串行通訊。
　　
　　軟件設(shè)計的突出特點是較好地解決了過去用模擬電路實現(xiàn)的線性化處理、輻射率修正和環(huán)溫補償問題。運用這些硬件軟件化手段，不但顯著降低了成本，提高了精度，而且有效地解決了輻射測溫中必須解決的重要技術(shù)問題，效果頗佳。
　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　本測溫儀單片機檢測系統(tǒng)，以MCS-51系列中性能*的CHMOS單片機為主設(shè)計。硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，功能較強；軟件設(shè)計靈活，速度快，實用性強。在抗干擾方面，采取了許多措施，包括防振、濾波、屏蔽、合理布線等硬件措施，以及雙積分A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波等軟件措施。經(jīng)仿真調(diào)試證明，系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計合理，功能完備，運行穩(wěn)定、可靠。