基于單片機(jī)的光纖高溫計的研究與設(shè)計

1 引言

高溫區(qū)（800-2000K）的精確測量已成為科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的重要課題。目前主要測量方法有接觸式的熱電偶溫度計和非接觸式的輻射溫度計。與熱電偶溫度計和輻射式溫度計相比，光纖高溫計不僅提高了接觸法測溫的測量上限，延長了使用壽命，而且避免了輻射式測溫的較大誤差[1]，提高了測量精度。藍(lán)寶石（單晶氧化鋁）光纖具有高達(dá)2050℃的熔點，采用藍(lán)寶石光纖制作高溫傳感器，利用單片機(jī)控制進(jìn)行比色測溫，同時，由通信系統(tǒng)將測量結(jié)果傳到控制網(wǎng)絡(luò)，基本可以滿足高溫測量的需求。

2 藍(lán)寶石光纖高溫計測溫原理

藍(lán)寶石光纖高溫計是以黑體輻射理論為基礎(chǔ)的溫度傳感器。傳感器探頭是在單晶藍(lán)寶石光纖的一端制作封閉的圓柱形黑體腔，當(dāng)黑體腔被置入待測溫場后，腔體與外界溫場達(dá)到熱平衡狀態(tài)，并發(fā)出黑體輻射信號，根據(jù)普朗克定律，藍(lán)寶石光纖黑體腔置于溫度為 的區(qū)域時，其單色輻射能通量為

只要求出兩路光強(qiáng)比值，就可計算出被測物體的溫度。

3 藍(lán)寶石光纖高溫計的設(shè)計

藍(lán)寶石光纖測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由藍(lán)寶石光纖黑體腔、傳光光纖、光纖耦合器、波分復(fù)用器、光電探測器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換裝置、單片機(jī)、輸出設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口等組成。傳感器是在藍(lán)寶石光纖上制作的耐高溫黑體腔，黑體腔發(fā)出的光信號由藍(lán)寶石光纖耦合到傳光的石英光纖，然后經(jīng)波分復(fù)用器分成兩路不同波長的光信號，分別通過探測器轉(zhuǎn)換為電信號，電信號再經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行比色法的數(shù)據(jù)處理，最后由顯示器輸出測量結(jié)果。高溫計可通過現(xiàn)場總線接口接入控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)通信功能。

圖1 藍(lán)寶石測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 光纖高溫探頭的結(jié)構(gòu)分析

探頭是高溫計的關(guān)鍵部分，探頭的性能決定了高溫計測溫的上限、精度、重復(fù)性和穩(wěn)定性。由于探頭直接接觸高溫環(huán)境，所以對它的性能要求非常高。理想的高溫探頭應(yīng)具備熱輻射能力強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)快、體積小等特點。因為黑體能夠吸收全部入射輻射能并能完全發(fā)射出去，所以用燒結(jié)法在藍(lán)寶石光纖一端形成一層氧化鋯鍍層，包圍藍(lán)寶石光纖形成一個圓柱腔，選擇合適的參數(shù)，可以使這個腔的輻射特性接近理想黑體的輻射特性，這樣形成的圓柱型黑體腔就是藍(lán)寶石光纖高溫探頭。當(dāng)黑體腔長度與直徑之比為10時，其發(fā)射率大于0.99，探頭黑體腔十分接近理想黑體。同時，在較寬的溫度范圍內(nèi)，數(shù)值變化極小，即黑體腔具有穩(wěn)定的熱輻射。如果取更大的長度值，不但輻射強(qiáng)度不能增加，而且，黑體腔不再是等溫腔，熱容量增大造成測量靈敏度下降，空間分辨率降低。所以，若藍(lán)寶石光纖直徑為 0.7mm，探頭鍍膜的長度為7mm。黑體腔的厚度要盡可能薄以提高它的熱響應(yīng)頻率。

5 波分復(fù)用器

石英光纖傳出的光信號要進(jìn)行分束，選取兩個不同波長的輻射光波進(jìn)行比色法測溫，通常用分光鏡和干涉濾光片進(jìn)行分光。由于插入損耗非常大，使光纖中本來就不強(qiáng)的信號更加微弱，檢測十分困難。另外，干涉濾光片和分光棱鏡的體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低，與光纖不兼容。采用全光纖波分復(fù)用器，入射光波中不同波長的光波分別進(jìn)入不同的傳輸光纖，只用一個器件就同時完成了光波的分束和濾波，減少了濾波損耗，提高了信噪比，在確保測量精度的同時，還降低了光電測量單元的成本。

全光纖波分復(fù)用器是一種對光波波長進(jìn)行分離或合成的光無源器件，主要采用熔融拉錐法[2]制作，熔錐型全光纖波分復(fù)用器的原理是：器件在過耦合狀態(tài)下耦合比隨波長而變，其耦合機(jī)理是強(qiáng)耦合理論。熔錐型器件中，拉錐的效果是使兩光纖纖芯靠近，使傳播場向外擴(kuò)展，以便在相當(dāng)短的錐體頸部區(qū)域出現(xiàn)有效的功率耦合。因為器件的耦合度與熔區(qū)的波導(dǎo)條件有關(guān)，所以是波長的函數(shù)，當(dāng)器件處于過耦合狀態(tài)時，器件的輸出特性與波長的依賴關(guān)系逐漸增強(qiáng)，以至形成振蕩。于是這種過耦合狀態(tài)下的熔錐耦合器就具有波分復(fù)用的功能。

在光纖通訊中，為了信號的遠(yuǎn)距離傳輸，選用了傳輸損耗小的單模光纖，通信中已有的采用單模光纖制備的波分復(fù)用器，雖然也可以避免干涉濾光片引起的插入損耗，但單模光纖的數(shù)值孔徑極小，只能接收到微弱的信號，同樣難以檢測，因此單模光纖波分復(fù)用分路器不適宜用于高溫傳感器中。在光纖傳感中，為了增加傳輸?shù)男畔⒘?，?yīng)選用頻帶寬、數(shù)值孔徑大的多模光纖制備的波分復(fù)用分路器。

6 顯示與通信系統(tǒng)設(shè)計

由光電探測器輸出的電信號首先要經(jīng)過放大處理，再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)接收A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號，并計算兩路信號強(qiáng)度的比值。由于在光纖測溫系統(tǒng)中，信號強(qiáng)度比值與溫度之間為非線性關(guān)系，所以先要根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計算比值與溫度的對應(yīng)值，列表存入存儲器內(nèi)，實際測量時根據(jù)計算出的比值進(jìn)行查表，就可以得到相應(yīng)的溫度。顯示器輸出測量溫度，現(xiàn)場總線接口設(shè)備用于實現(xiàn)測溫儀表與控制網(wǎng)絡(luò)的通信。

圖2為顯示與通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖2顯示與通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

單片機(jī)是信號處理的核心，完成控制、計算、查表、輸出和通信等功能。ATMEL公司的AT89C55具有256字節(jié)RAM，32線I/O，3個16 位定時器/計數(shù)器，6向量兩級中斷，一個全雙工串行口。支持軟件選擇的兩種節(jié)電運行方式，空閑方式下，使CPU停止工作，而允許RAM、定時器/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式下，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時鐘被凍結(jié)，一切功能停止，只有片內(nèi)RAM的內(nèi)容被保存，直到硬件復(fù)位才恢復(fù)正常工作，以最大的程度降低單片機(jī)本身的功耗。此外，AT89C55設(shè)有靜態(tài)邏輯，用于運行到零頻率。片內(nèi)集成的20K字節(jié)的程序存儲器空間，使用戶無須再進(jìn)行程序存儲器的擴(kuò)展。由單片機(jī)計算并查表得到的溫度值存放在RAM顯示緩沖區(qū)，由LED顯示器輸出。

現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字的雙向多站點通信系統(tǒng)，每個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖隙季哂衅降鹊牡匚唬皇锹毮懿煌?。?zhí)行測控任務(wù)的節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)和所執(zhí)行的操作等信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號向網(wǎng)上發(fā)送，執(zhí)行管理任務(wù)的節(jié)點以數(shù)字形式向網(wǎng)上發(fā)送命令?，F(xiàn)場總線產(chǎn)品主要有 LONWORKS，CAN，PROFIBUS，HART，F(xiàn)F等。其中CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于其通信速率高，可靠性好，價格低廉等特點，特別適用于工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連。

CAN是一種多主總線，采用OSI底層的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。雖然通信協(xié)議比較復(fù)雜，但在開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)時可以將繁雜的協(xié)議撇開，因為專用的CAN控制器芯片能夠完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能，現(xiàn)場儀表只需進(jìn)行簡單的設(shè)計和編程，完成數(shù)據(jù)傳送和處理工作即可。

Philips公司的SJA1000是適用于控制器局域網(wǎng)的高集成度獨立控制器，具有完成CAN總線通信協(xié)議所要求的全部必要特性，可以完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。SJA1000內(nèi)部配備42B的寄存器，使用了32個地址。這些地址可分為控制段、發(fā)送緩沖段和接收緩沖段。單片機(jī)與 SJA1000之間的狀態(tài)、控制和命令信號的交換在控制段中完成。單片機(jī)在初始化時將SJA1000設(shè)置為復(fù)位模式，通過對控制段編程以配置通信參數(shù)。在運行期間，單片機(jī)通過讀狀態(tài)寄存器了解網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

SJA1000由單片機(jī)通過8位地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線和基本讀寫控制信號進(jìn)行控制。SJA1000的中斷請求信號INT連至單片機(jī)的外部中斷輸入端，CAN控制器可通過中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。圖3為采用SJA1000的CAN總線接口。

圖3 CAN總線接口電路圖

SJA1000的發(fā)送輸出端TX0與接收輸入端RX0、RX1分別經(jīng)高速集成光電耦合器6N137隔離后與CAN總線接口驅(qū)動芯片82C250相連，82C250直接與物理總線相連。82C250是CAN控制器和物理總線之間的接口，可驅(qū)動110個同樣采用82C250作為總線接口的節(jié)點。普通光電耦合器中的光敏三極管不能達(dá)到1MB/s的響應(yīng)速度，因此，必須采用高速光電耦合器6N137進(jìn)行光電隔離。6N137中采用了光敏二極管和門電路，可以滿足高速數(shù)字信號的傳輸。6N137的應(yīng)用實現(xiàn)了CAN總線與節(jié)點弱電智能部分間的隔離，有助于提高節(jié)點裝置的安全性和可靠性。

7 主程序設(shè)計

主程序?qū)ο到y(tǒng)的運行起著調(diào)動和監(jiān)控的作用，主要功能為啟動兩路A/D轉(zhuǎn)換、讀取兩路電壓數(shù)據(jù)、計算比值、查表求溫度值、送LED顯示、與CAN總線通信等。