單片機(jī)在紅外測溫上的開發(fā)應(yīng)用

1　引　言

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(biāo)溫度分布場、測量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；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(diǎn)。特別是溫度傳感器遠(yuǎn)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(yùn)用MCS-51單片機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)紅外低溫測溫儀中“單片機(jī)檢測系統(tǒng)”的全過程。

2　總體設(shè)計(jì)方案

2.1　基本測溫原理

一切高于絕對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(shí)驗(yàn)確定，定標(biāo)時ε取1
　　T—被測物體的絕對溫度
　　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(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，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(shí)溫度為高于環(huán)境的溫度，還必須作環(huán)溫補(bǔ)償，即真實(shí)溫度加上環(huán)溫才能最終得到被測物體的實(shí)際溫度。

2.2　總體設(shè)計(jì)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系列中性能優(yōu)越的CHMOS單片機(jī)進(jìn)行硬、軟件設(shè)計(jì)，對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具有自動液晶顯示、打印、記錄、人機(jī)通訊等功能，備有模擬量和數(shù)字量兩種標(biāo)準(zhǔn)輸出口。總體設(shè)計(jì)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。

圖1　總體設(shè)計(jì)框圖

2.3　主要技術(shù)指標(biāo)
　　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
　　最小可測目標(biāo)：=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

3　硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，單片機(jī)檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1　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(yùn)放設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)輸入電壓從7.8mV到1V的輸出放大。

3.2　A/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，因而抗干擾能力強(qiáng)，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(zhǔn)電壓采用精密電壓基準(zhǔn)源MC1403。

3.3　單片機(jī)系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)處理

單片機(jī)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、抗干擾能力強(qiáng)的CHMOS單片機(jī)。單片機(jī)系統(tǒng)組成包括最小系統(tǒng)80C31、74HC373和27C512以及擴(kuò)展I/O口81C55。

3.3.1　程序存貯器擴(kuò)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)。

3.3.2　定時和中斷

80C31有兩個可編程16位定時器/計(jì)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?yàn)殒I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?yàn)殒I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。

3.3.3　擴(kuò)展外部I/O口81C55

81C55為80C31擴(kuò)展的外部可編程RAM/IO接口。81C55 RAM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(jìn)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。