PTAT得到一個(gè)輸入信號(hào)源

1、PTAT得到一個(gè)輸入信號(hào)源，TP為一個(gè)環(huán)境溫度測(cè)試(原文件名:A2TPMI336熱電堆紅外測(cè)溫傳感器.jpg) (原文件名:A2TPMI334熱電堆紅外測(cè)溫傳感器.jpg) A2TPMI系列熱電堆紅外測(cè)溫傳感器四川火狐公司提供的熱電堆紅外測(cè)溫傳感器直接感應(yīng)熱輻射，為非接觸溫度測(cè)量提供完美的解決方案，它的具有創(chuàng)新的硅基微極好的光電特性。熱電堆紅外傳感器使非接觸溫度測(cè)量系統(tǒng)具備很低的價(jià)格。它不需要冷卻，但在整個(gè)溫度測(cè)量范圍內(nèi)能達(dá)到±1的精度。對(duì)于比較窄的溫度測(cè)量范圍，例如體溫測(cè)量，精度可以達(dá)到±0.1。相關(guān)原理如下：非接觸紅外測(cè)溫技術(shù)可快速方便地測(cè)量物體的表

2、面溫度，不需要機(jī)械地接觸被測(cè)物體而快速測(cè)得溫度讀數(shù)，能可靠地測(cè)量熱的、危險(xiǎn)的或難以接觸的物體，而不會(huì)污染或損壞被測(cè)物體。紅外測(cè)溫有著響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)、設(shè)備在線故障診斷、安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了正在發(fā)揮著重要作用。一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周?chē)臻g發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射特性一輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布一與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此,通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。紅外位于可見(jiàn)光和無(wú)線電波之間，紅外波長(zhǎng)常用微米表示，波長(zhǎng)范圍為0.7微米

3、1000微米，實(shí)際上，0.7微米14微米波帶用于紅外測(cè)溫。         紅外測(cè)溫由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照其內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。有幾個(gè)決定精確測(cè)溫的重要因素，最重要的因素是發(fā)射率、視場(chǎng)、光學(xué)分辨率（光斑的距離和光斑的位置）。發(fā)射率所有物體會(huì)反射、透過(guò)和發(fā)射能量，只有發(fā)射的能量能指示物體的溫度。自

4、然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體。所有實(shí)際物體的輻射量除依賴(lài)于輻射波長(zhǎng)及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類(lèi)、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)、材料厚度、制備方法、熱過(guò)程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實(shí)際物體，必須引入一個(gè)與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率，該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數(shù)值之間。黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量,沒(méi)有能量的反射和透過(guò)，其表面的發(fā)射率為1。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。視場(chǎng)確保被測(cè)目標(biāo)大于儀器測(cè)量時(shí)的光斑尺寸，目標(biāo)越小，就應(yīng)離它越

5、近。當(dāng)精度特別重要時(shí)，要確保目標(biāo)至少倍于光斑尺寸，建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場(chǎng)，背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀，干擾測(cè)溫讀數(shù)，造成誤差。相反，如果目標(biāo)大于測(cè)溫儀的視場(chǎng)，測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影響。紅外測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)從圓形測(cè)量光斑收集能量并聚焦在探測(cè)器上，光學(xué)分辨率定義為測(cè)溫儀到目標(biāo)的距離與被測(cè)光斑直徑S之比（D：）。比值越大，測(cè)溫儀的分辨率越高，被測(cè)光斑尺寸也就越小。紅外光學(xué)的最新改進(jìn)是增加了硅透鏡的近焦特性,可對(duì)小目標(biāo)區(qū)域提供精確測(cè)量，還可防止背景溫度的影響。一、特點(diǎn)：·應(yīng)用在TO-39和TO-18封裝·單、雙或者四單元

6、3;8單元線性陣列和4X4矩形陣列，具備帶多路復(fù)用的專(zhuān)用集成電路和各種各樣的光學(xué)透鏡·優(yōu)異的光電特性，極低的溫度系數(shù)·適合窄帶和寬帶應(yīng)用的各種光學(xué)濾波器·內(nèi)置環(huán)境溫度參考（熱電阻）·在整個(gè)紅外光譜范圍連續(xù)響應(yīng)·由于低內(nèi)阻（<100k），對(duì)電磁脈沖（EMP）不敏感·基于CMOS硅微機(jī)械技術(shù)A2TPMI系列熱電堆紅外傳感器模塊DataSheet點(diǎn)擊此處下載 ourdev_541580.pdf(文件大小:317K) (原文件名:A2TPMI系列熱電堆紅外傳感器模塊.pdf)    &#

7、160;                                     基于A2TPMI的高精度紅外測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度測(cè)量主要有兩種方式：一種是傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量，另一種是以紅外測(cè)溫為代表的非接觸式測(cè)量。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量不僅反應(yīng)速度慢，而且必須與被測(cè)物體接觸。紅外測(cè)溫以紅外傳感器為核心進(jìn)行非接觸式測(cè)量，特別適用于高溫和危險(xiǎn)場(chǎng)合的非接觸測(cè)溫，得到

8、了廣泛的應(yīng)用。本文將詳細(xì)介紹如何設(shè)計(jì)基于SOC級(jí)微處理器的高精度紅外測(cè)溫系統(tǒng)，及其在電力溫度檢測(cè)、設(shè)備故障診斷方面的應(yīng)用。1紅外測(cè)溫儀的工作原理自然界一切溫度高于絕對(duì)零度的物體，都在不停地向外發(fā)出紅外線。物體發(fā)出的紅外線能量大小及其波長(zhǎng)分布同它的表面溫度有密切關(guān)系，物體的輻射能量與溫度的 4 次方成正比，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克定律。因此我們通過(guò)測(cè)量物體輻射出的紅外能量的大小就能測(cè)定物體的表面溫度。微小的溫度變化會(huì)引起明顯的輻射能量變化，因此利用紅外輻射測(cè)量溫度的靈敏度很高。實(shí)際物體的輻射度除了依賴(lài)于溫度和波長(zhǎng)外，還與構(gòu)成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。只要引入一個(gè)隨

9、材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的輻射系數(shù)，則就可把黑體的基本定律應(yīng)用于實(shí)際物體。這個(gè)輻射系數(shù)，就是發(fā)射率，或稱(chēng)之為比輻射率，其定義為實(shí)際物體與同溫度黑體輻射性能之比，該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在0和1的數(shù)值之間。紅外測(cè)溫儀的工作原理(原文件名:圖1紅外測(cè)溫儀的工作原理.jpg) 紅外測(cè)溫儀的工作原理如圖 1所示：被測(cè)物體輻射出的紅外能量通過(guò)空氣傳送到紅外測(cè)溫儀的物鏡，物鏡把紅外線匯聚到紅外探測(cè)器上，探測(cè)器將輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，又通過(guò)前置放大器、主放大器將信號(hào)放大、整形、濾波后，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路處理后輸入微處理器。微處理器進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償，并對(duì)溫度值進(jìn)行校正后驅(qū)動(dòng)顯示

10、電路顯示溫度值。同時(shí)，微處理器還發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，并且接受按鍵輸入的發(fā)射率以完成發(fā)射率設(shè)定。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本紅外線溫度檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器 A2PTMILM358有源濾波電路AD轉(zhuǎn)換電路微處理器顯示電路等幾個(gè)部分組成。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅男盘?hào)為0-5V，剛好滿足 AD轉(zhuǎn)換的要求，故在本設(shè)計(jì)中省略了放大電路，只對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行了濾波處理。另外，本系統(tǒng)還有信號(hào)變換電路輸出420mA、15V等模擬信號(hào)，并有RS232、RS485接口輸出數(shù)字信號(hào)來(lái)與上位機(jī)通信。21傳感器A2PTMI原理及其應(yīng)用PerkinElmer A2TPMI 是一種內(nèi)部集成了專(zhuān)用信號(hào)處理電路以及環(huán)境溫度補(bǔ)償電路的多用途紅外熱電堆

11、傳感器，這種集成紅外傳感器模塊將目標(biāo)的熱輻射轉(zhuǎn)換成模擬電壓。該傳感器自帶距離系數(shù) D：S=8：1的光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)該透鏡接收空氣中的紅外輻射，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)一個(gè) 8 bit分辨率的可編程放大器放大。根據(jù)熱電堆溫度測(cè)量原理，熱電堆電壓可能是正或者負(fù)，取決于目標(biāo)溫度是否高于或者低于 A2TPMI 的環(huán)境溫度。為了使負(fù)電壓信號(hào)能在單電源系統(tǒng)處理，所有的內(nèi)部信號(hào)都連接到 1.255 V內(nèi)部電壓參考(Vref)，作為虛擬模擬地信號(hào)。為了熱電堆放大電路偏置電壓的調(diào)整，放大器上帶了一個(gè)能產(chǎn)生有 8 bit 分辨率偏置電壓的可編程調(diào)整部分。此外， A2TPMI 內(nèi)部還集成有溫度傳感器來(lái)探測(cè)

12、環(huán)境溫度，這個(gè)信號(hào)被放大后匹配熱電堆放大信號(hào)曲線的反向特性，進(jìn)行信號(hào)處理。為了溫度補(bǔ)償，放大的熱電堆信號(hào)和溫度參考信號(hào)相加于一個(gè)放大器。經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償放大后的信號(hào)輸出到 VTobj 腳，溫度參考信號(hào)或者參考電壓輸出到 Vtamb腳。A2TPMI的工作特性由一個(gè)內(nèi)部隨機(jī)存取寄存器進(jìn)行配置，所有的參數(shù) /配置永久地存在并行 E2PROM 內(nèi)?？刂茊卧峁┑膬删€、雙向同步串口 (SDAT, SCLK)，可以訪問(wèn)所有寄存器的 A2TPMI內(nèi)部參數(shù)。A2TPMI 傳感器通常不需要使用串口， SDAT，SCLK 引腳被內(nèi)部連到 VDD。22濾波電路設(shè)計(jì)A2TPMI放大器采用斬波放大器技術(shù)，由于這種技術(shù)本身具

13、有的特性，輸出信號(hào) VTobj 和 VTamb 中包含了大約10 mV 峰值、 250 kHz 的交流信號(hào)。這些交流信號(hào)能被一個(gè)電子低通濾波電路或者類(lèi)似的軟件濾波抑制掉。在高阻抗負(fù)載應(yīng)用中，象 LM358 這樣的rail to rail 運(yùn)算放大器電路，可以作為輸出信號(hào)的濾波器。濾波電路設(shè)計(jì)(原文件名:圖2有源濾波電路圖.jpg) 在本設(shè)計(jì)中采用第二種濾波電路，因?yàn)榧蛇\(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又低，所以有源濾波電路有一定的電壓放大和緩沖作用，濾波效果好，提高了傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確度。23 AD轉(zhuǎn)換電路   TLC2543 是 12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近

14、模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其設(shè)置方法如下：DATA INPUT端串行輸入的 8位數(shù)據(jù)，它規(guī)定了 TLC2543要轉(zhuǎn)換的模擬量通道、轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、輸出數(shù)據(jù)的格式。其中高4位(D7 D4)決定通道號(hào)。對(duì)于0通道至l0通道，該4位分別為 0000IOIOH，當(dāng)為 10111101時(shí)，用于對(duì) TLC2543的自檢，當(dāng)為 1110時(shí) ，TLC2543進(jìn)入休眠狀態(tài)。低 4位決定輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及格式。其中 D3、D2決定輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，0l表示輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 8位，11表示輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 16位 ，其他為 12位。D1決定輸出數(shù)據(jù)是高位先送出 ，還是低位先送出，為 0表示高位先送出。D0決定輸出數(shù)據(jù)是單極性(二 進(jìn)

15、制 )還是雙極性(2的補(bǔ)碼)，若為單極性，該位為0，反之為1。當(dāng)片選 cs從高到低的時(shí)候，開(kāi)始一次工作周期，此時(shí) EOC為高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為 0，輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是隨機(jī)的。開(kāi)始時(shí)，片選 CS為高，IOCLOCK、DATAINPUT被禁止，DATAOU呈高阻狀態(tài)，EOC為高。使變低，IOCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOU脫離高阻狀態(tài) 。12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)從 IOCLOCK端依次加入，隨著時(shí)鐘信號(hào)的加入，控制字從 DATAINPUT一位一位地在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)被送入TLC2543(高位先送入)，同時(shí)上一周期轉(zhuǎn)換的AD數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從 DATAOUT一位一位地移

16、出。TLC2543收到第 4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后，通道號(hào)也已收到，此時(shí)TLC2543開(kāi)始對(duì)選定通道的模擬量進(jìn)行采樣，并保持到第 12個(gè)時(shí)鐘的下降沿。在第 12個(gè)時(shí)鐘下降沿，EOC變低，開(kāi)始對(duì)本次采樣的模擬量進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間約需lOt1s，轉(zhuǎn)換完成后 EOC變高，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個(gè)工作周期輸出。該芯片與微處理器接口的時(shí)候只需占用四個(gè) IO口，其 12個(gè)時(shí)鐘的工作時(shí)序看參考相關(guān)手冊(cè)。24 SOC級(jí)微處理器特性本系統(tǒng)所采用的是 SOC級(jí) STC系列單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 51單片機(jī)，工作頻率可達(dá)48HZ，本設(shè)計(jì)中使用的微處理器為 6時(shí)鐘周期，故其工作頻率相當(dāng)于普通 51單片機(jī)

17、的96MHZ，為本系統(tǒng)提供了速度保證。另外，本設(shè)計(jì)選用的 STC89C58RD含有 32K的程序存儲(chǔ)區(qū)，并在內(nèi)部擴(kuò)展了 32K的數(shù)據(jù) FLASH存儲(chǔ)器，從而使本設(shè)計(jì)能方便的擴(kuò)展相關(guān)功能，如參數(shù)的記憶功能等。該微處理器還支持 IAP與ISP，不需專(zhuān)用的編程器，通過(guò)普通串口即可調(diào)試程序?？垢蓴_也是選用該單片機(jī)的理由之一，本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)控，故抗干擾十分重要。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)紅外線溫度檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要有如下幾個(gè)主要模塊：初始化模塊I/O口查詢(xún)模塊AD轉(zhuǎn)化模塊數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)糾正模塊顯示驅(qū)動(dòng)模塊等。另外還一個(gè)中斷程序處理模塊：0外部中斷，主要用于參數(shù)設(shè)定。軟件設(shè)計(jì)流程如圖 3所

18、示。(原文件名:圖3軟件流程圖.jpg) 軟件設(shè)計(jì)流程整個(gè)程序采用 c51編寫(xiě)，初始化模塊主要是初始化各路報(bào)警信號(hào)，將發(fā)射率等參數(shù)設(shè)定成默認(rèn)的值并顯示。主程序不斷通過(guò) I/O口查詢(xún)模塊掃描 AD轉(zhuǎn)換模塊送過(guò)來(lái)的 12位數(shù)字信號(hào)，本程序中采用的是 SPI總線的通信方式，串行的接口方式節(jié)約了大量 IO口。接受過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊處理之后按查表的方式得出溫度值，把該溫度值經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)糾正模塊糾正后送顯示模塊顯示，并將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)界面進(jìn)行顯示，從而完成了一路溫度測(cè)量。在程序的運(yùn)行過(guò)程中，隨時(shí)可以對(duì)發(fā)射率，報(bào)警值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)功能鍵按下的時(shí)候觸發(fā)單片機(jī)的 0外部中斷，在中斷程序中對(duì)

19、參數(shù)設(shè)定按鍵進(jìn)行掃描，并將結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)。每路測(cè)溫結(jié)束后系統(tǒng)通過(guò) RS485將溫度值傳送給上位機(jī)，在 VB界面上顯示。1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及發(fā)射率整定2  實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最小二乘法擬合對(duì)于一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，其精度和準(zhǔn)確度是非常重要的。雖然本設(shè)計(jì)選用 12位AD，給本設(shè)計(jì)的高精度奠定了基礎(chǔ)，但是由于傳感器，AD等電子器件自身不可避免的誤差和外界的干擾，測(cè)量結(jié)果難免會(huì)有些偏差。因此和研究其他儀器儀表一樣，在本設(shè)計(jì)中，也進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)一步提高了準(zhǔn)確度。采用的主要方法是曲線擬合的最小二乘法?，F(xiàn)將其原理介紹如下：在函數(shù)的最佳平方逼近中,函數(shù) f(x)Ca,b，如果 f(x

20、)只在一組離散點(diǎn)集xi，i=0,1,m上給定，那么我們就需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（xi，yi），i=0,1,m進(jìn)行曲線擬合，其中，yi= f(xi)。若要求函數(shù) y="S" （(*)x）與所給數(shù)據(jù)（xi，yi），i=0,1,m擬合，則誤差i= S *（x）-yi。設(shè) 1（x），2（x），, n（x）是Ca,b上線性無(wú)關(guān)函數(shù)族，在 =span1（x），2（x），, n（x）中找一函數(shù)S （(*)x），使其誤差平方和最小即可。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量很大，故在實(shí)際運(yùn)算中，可以借助MATLAB等數(shù)學(xué)工具，通過(guò)調(diào)用或者編寫(xiě)相關(guān)函數(shù)來(lái)完成曲線擬合，最后選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果輸出。42 發(fā)射率的整定根據(jù)紅外測(cè)溫的原理，我們?cè)跈z測(cè)時(shí)，應(yīng)該首先明確被測(cè)物體的發(fā)射率。在較高的測(cè)溫應(yīng)用中，應(yīng)實(shí)際測(cè)定被測(cè)對(duì)象的發(fā)射率，否則將造成嚴(yán)重的誤差。而對(duì)于電力設(shè)備，其發(fā)射率一般在 0.85-0.95之間。測(cè)得的是被測(cè)對(duì)象的黑體輻射溫度，在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中，需要把黑體輻射溫度 T P換算到真實(shí)溫度T。換算公式為:T