浅谈非接触式高精度红外测温终端的设计
论文摘要：本文采用集成的红外温度传感器、51系列单片机、外部E PROM 芯片、12位高速A/D转换芯片以及工业级RS485串口通信芯片等，设计了一台非接触式高精度红外测温终端。本文详细介绍了终端硬件电路设计方案、通信接口设计和底层软件设计等，经试验，该终端的基本测量精度达到了±1℃或满量程的1%。
论文关键词：红外,测温,高精度
引言
一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射特性决定了其辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。红外位于可见光和无线电波之间，红外波长常用微米表示，波长范围为0.7微米～1000微米，实际上，0.7微米～14微米波带用于红外测温。
采用红外测温技术进行电力设备温度监测，可在远离目标的安全处测量物体的表面温度，通过探测电气设备和线路的热缺陷及时发现、处理、预防重大事故的发生。红外测温技术的这项优点使得红外测温产品成为电气维护的必不可少的工具。本文正是针对高低压开关柜内母排连接处，开关节点等易发热部位的温度监测需求，设计了一台非接触式高精度红外测温终端，实现对电力开关柜接触节点的非接触式温度监控。
1终端设计要求
本终端用于测量电力高低压开关柜内接触节点的非接触式温度测量，其技术及环境要求如下：
a)测量范围：-20℃～300℃
b)测量精度：±1℃或量程的1%
c)工作环境：-20℃～60℃
d)通讯方式：RS485
2原理及电路设计
自然界一切温度高于绝对零度的物体，都在不停地向外发出红外线。物体发出的红外线能量大小及其波长分布同它的表面温度有密切关系，红外测温设备借助光学系统的滤光作用，使目标物体表面的红外辐射进入仪器的只能是预定工作波段。超过工作波段的其它辐射波长都被限制进入。红外测温终端利用物体表面温度与发射的红外辐射量有一定的函数关系，通过接收被测目标表面的红外辐射能量来进行温度测量。终端的测温原理如图1所示。
本终端由红外温度传感器、信号滤波与放大处理电路、A/D转换电路、微处理器电路、串口通信电路等组成，红外温度传感器采集由物体发射的红外能量并将其转换成电压信号，由信号滤波与放大处理电路进行滤波、放大，再由A/D转换电路进行数模转换，后送至微处理器电路进行数据处理，得到物体的温度信息，经串口通信电路传送至上位机软件进行显示、处理等，图1中，从红外温度传感器分别输出目标表面值和环境值进行处理，参考电压电路加入了一路标准参考电压信号，提高测量的精度。
图1红外温度监测终端测量原理
2.1红外温度传感器
红外温度传感器是本终端的核心元器件之一。本终端选取了一款外部集成封装了硅透镜光路系统，内部集成了专用信号处理电路以及环境温度补偿电路的红外温度传感器，传感器的内部电路结构如图2所示。
图2红外温度传感器内部电路结构图
图2中，V为目标温度的输出电压，V为环境温度的输出电压，V为1.225V内部参考电压，TP是热电堆传感器，PTAT是环境温度传感器。此传感器通过外部集成的光路系统以及TP接收目标物体的红外辐射，转换成相应的电压信号，该信号通过可编程放大器放大。根据热电堆温度测量原理，热电堆电压可能是正或者负，取决于目标温度是否高于或者低于传感器的环境温度。为了使负电压信号能在单电源系统处理，所有的内部信号都连接到内部电压参考(V)，作为虚拟模拟地信号。放大的热电堆信号和环境温度参考信号相加于一个放大器来进行环境温度补偿，最终得到V和V两路电压信号供后续处理。
2.2信号处理电路的设计
由于传感器采样的电压信号很微弱，加之在采样过程中可能会有噪声干扰，输出信号中会包含一些低频交流信号，所以，在进行A/D转换之前，需对其进行滤波、放大。
本终端的电源电压为5V，而根据传感器特性，其放大后的电压信号可能接近甚至超过5V。故需采用轨对轨（railtorail）运算放大器进行滤波和放大，这样不仅能提高线性度，而且输出电压的摆幅就能接近于电源电压，提高系统的测量幅度以及测量精度。滤波及放大电路如图3所示，VDD经四个滤波电容接5V电源，V和V分别为输出的目标电压值和环境电压值，分别经滤波、放大器输出处理后的V和V，以便后续处理。
图3滤波、放大电路图
信号滤波与放大后，进行最后的数据准备：A/D转换。其电路图如图4所示，A/D芯片选择了一款12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机的I/O资源。A/D与单片机的串行通信是采用51单片机的IO口模拟SPI串行通信。SPI是一种串行同步通信方式，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。
（1）SDO–主设备数据输出，从设备数据输入（图中MCU_MOSI）
（2）SDI–主设备数据输入，从设备数据输出（图中MCU_MISO）
（3）SCLK–时钟信号，由主设备产生（图中MCU_SCK）
（4）CS–从设备使能信号，由主设备控制（图中MCU_CS）
其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。 这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。
图4A/D转换电路图
其中，第5通道的+2.5V参考电压由图5所示的电路输出，采用了一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压可以任意的设置到从Vref（+2.5V）到36V范围内的任何值。本终端输出的是+2.5V参考电压，以提高系统的测量精度。
图52.5V参考电压输出电路
2.3微处理器电路的设计
本终端采用51系列单片机实现对温度的计算，由于51单片机其内部存储容量较小，本终端外置了一片基于IC-BUS的串行EPROM，用于存放终端的器件地址以及辐射率。微处理器电路图如图6所示，串行EPROM电路图如图7所示。
图6微处理器电路图
图6中，利用单片机的P1口对串行E2PROM进行控制，在测温时读取或修改终端的器件地址以及辐射率，利用P2口进行A/D采样数据的读写，而利用单片机的串口进行与上位机软件进行串口通信。
图7串行EPROM电路图
2.4通信电路设计
本终端用于工业应用，采用RS485工业级串口通信芯片实现与上位机的通信，传输距离可达500米以上。电路如图8所示。在输出端，采用三个TVS管，使两极间的电压箝位于一个安全值，有效地保护电子线路中的精密元器件免受浪涌脉冲的破坏，提高了终端的可靠性。
图8串口通信电路图
3底层软件设计
红外测温终端的底层软件需完成由上位机软件发出的命令，包括设置终端的地址（因同一485总线上可挂靠多个终端）及目标物体的辐射率值，计算目标物体的实际温度值，并将测量的温度值传至上位机处理，同时如传感器工作不正常，如测量温度低于或高于测量范围、环境温度低于或高于工作范围、传感器供电异常等信息传至上位机软件处理。底层软件设计主要有如下几个主要模块：初始化模块、A/D转换模块、地址与辐射率设置模块、温度计算模块、通信模块等。软件流程图如图9所示。
图9软件流程图
初始化模块：主要进行串口的初始化，开放全局中断以及定时计数器的初值、工作方式的设置等。
A/D转换模块：其SPI时序图如图10所示。芯片每次转换和数据传送使用16个时钟周期，且在每次传送周期之间插入CS的时序。从时序图可以看出，在CS变低时开始转换和传送过程，I/OCLOCK的前8个上升沿将8个输入数据位键入输入数据寄存器，同时它将前一次转换的数据的其余11位移出DATAOUT端，在I/OCLOCK下降沿时数据变化。当CS为高时，I/OCLOCK和DATAINPUT被禁止，DATAOUT为高阻态。在A/D转换程序中，利用冒泡算法将多次采样的值去掉最大值和最小值后再进行平均，保证了这一数据处理环节的准确性，提高了终端的测量精度。
图10SPI时序图
地址与辐射率设置模块：在外部E2PROM芯片中存储一个原始地址和辐射率，通过上位机的命令，在程序中判断是需要读取或修改相应值，再通过一个I2C读写程序进行读取或修改。
温度计算模块：由单片机进行目标温度和环境温度计算，输出的目标温度电压值和环境温度电压值经一个六次方公式计算，可得出目标的黑体辐射温度值T，再经辐射率系数（E）调整，可得出实际温度值T。设物体的辐射率为ε。则，物体实际温度值与其黑体辐射温度值的关系如式（1）所示，其中T、T的单位均为摄氏度，故式（1）中首先进行了开氏温度转换，然后用辐射率系数进行计算。而辐射率系数与辐射率的关系如式（2）所示。
（1）
（2）
根据红外测温的原理，在进行温度测量时，应该首先明确被测目标的辐射率，实际测定被测对象的辐射率，否则将造成严重的测量误差。
通信模块：串口通信的接收部分采用中断方式，发送部分采用查询方式。另外，由于RS485是半双工串口通信方式，不能同时进行发送，故在进行发送与接收前，需于每次接收和发送前，在程序中设置RS485的使能端（1为发送，0为接收）。
4结束语
本文运用了红外测温技术，数字信号处理技术等设计了一台非接触式红外测温终端，完整地完成了终端的硬件电路及软件设计，采用了稳定的参考基准电压和轨对轨运算放大器等手段，提高了终端的测量精度。本文所设计的终端能够准确地测量被测目标的温度值，精度达到了±1℃,目前，该终端已成功应用于开关柜节点温度的测量，取得了良好的应用效果。
参考文献
1 田裕鹏.红外检测与诊断技术[M].北京:化学工业出版社,2006.
2 蔡向东.单片机软件模拟I/O接口的解决方案.信息技术,2006,30(6):134-135,145.
3 李明.单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学.2007.
论文关键词：红外,测温,高精度
引言
一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射特性决定了其辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。红外位于可见光和无线电波之间，红外波长常用微米表示，波长范围为0.7微米～1000微米，实际上，0.7微米～14微米波带用于红外测温。
采用红外测温技术进行电力设备温度监测，可在远离目标的安全处测量物体的表面温度，通过探测电气设备和线路的热缺陷及时发现、处理、预防重大事故的发生。红外测温技术的这项优点使得红外测温产品成为电气维护的必不可少的工具。本文正是针对高低压开关柜内母排连接处，开关节点等易发热部位的温度监测需求，设计了一台非接触式高精度红外测温终端，实现对电力开关柜接触节点的非接触式温度监控。
1终端设计要求
本终端用于测量电力高低压开关柜内接触节点的非接触式温度测量，其技术及环境要求如下：
a)测量范围：-20℃～300℃
b)测量精度：±1℃或量程的1%
c)工作环境：-20℃～60℃
d)通讯方式：RS485
2原理及电路设计
自然界一切温度高于绝对零度的物体，都在不停地向外发出红外线。物体发出的红外线能量大小及其波长分布同它的表面温度有密切关系，红外测温设备借助光学系统的滤光作用，使目标物体表面的红外辐射进入仪器的只能是预定工作波段。超过工作波段的其它辐射波长都被限制进入。红外测温终端利用物体表面温度与发射的红外辐射量有一定的函数关系，通过接收被测目标表面的红外辐射能量来进行温度测量。终端的测温原理如图1所示。
本终端由红外温度传感器、信号滤波与放大处理电路、A/D转换电路、微处理器电路、串口通信电路等组成，红外温度传感器采集由物体发射的红外能量并将其转换成电压信号，由信号滤波与放大处理电路进行滤波、放大，再由A/D转换电路进行数模转换，后送至微处理器电路进行数据处理，得到物体的温度信息，经串口通信电路传送至上位机软件进行显示、处理等，图1中，从红外温度传感器分别输出目标表面值和环境值进行处理，参考电压电路加入了一路标准参考电压信号，提高测量的精度。
图1红外温度监测终端测量原理
2.1红外温度传感器
红外温度传感器是本终端的核心元器件之一。本终端选取了一款外部集成封装了硅透镜光路系统，内部集成了专用信号处理电路以及环境温度补偿电路的红外温度传感器，传感器的内部电路结构如图2所示。
图2红外温度传感器内部电路结构图
图2中，V为目标温度的输出电压，V为环境温度的输出电压，V为1.225V内部参考电压，TP是热电堆传感器，PTAT是环境温度传感器。此传感器通过外部集成的光路系统以及TP接收目标物体的红外辐射，转换成相应的电压信号，该信号通过可编程放大器放大。根据热电堆温度测量原理，热电堆电压可能是正或者负，取决于目标温度是否高于或者低于传感器的环境温度。为了使负电压信号能在单电源系统处理，所有的内部信号都连接到内部电压参考(V)，作为虚拟模拟地信号。放大的热电堆信号和环境温度参考信号相加于一个放大器来进行环境温度补偿，最终得到V和V两路电压信号供后续处理。
2.2信号处理电路的设计
由于传感器采样的电压信号很微弱，加之在采样过程中可能会有噪声干扰，输出信号中会包含一些低频交流信号，所以，在进行A/D转换之前，需对其进行滤波、放大。
本终端的电源电压为5V，而根据传感器特性，其放大后的电压信号可能接近甚至超过5V。故需采用轨对轨（railtorail）运算放大器进行滤波和放大，这样不仅能提高线性度，而且输出电压的摆幅就能接近于电源电压，提高系统的测量幅度以及测量精度。滤波及放大电路如图3所示，VDD经四个滤波电容接5V电源，V和V分别为输出的目标电压值和环境电压值，分别经滤波、放大器输出处理后的V和V，以便后续处理。
图3滤波、放大电路图
信号滤波与放大后，进行最后的数据准备：A/D转换。其电路图如图4所示，A/D芯片选择了一款12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机的I/O资源。A/D与单片机的串行通信是采用51单片机的IO口模拟SPI串行通信。SPI是一种串行同步通信方式，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。
（1）SDO–主设备数据输出，从设备数据输入（图中MCU_MOSI）
（2）SDI–主设备数据输入，从设备数据输出（图中MCU_MISO）
（3）SCLK–时钟信号，由主设备产生（图中MCU_SCK）
（4）CS–从设备使能信号，由主设备控制（图中MCU_CS）
其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。 这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。
图4A/D转换电路图
其中，第5通道的+2.5V参考电压由图5所示的电路输出，采用了一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压可以任意的设置到从Vref（+2.5V）到36V范围内的任何值。本终端输出的是+2.5V参考电压，以提高系统的测量精度。
图52.5V参考电压输出电路
2.3微处理器电路的设计
本终端采用51系列单片机实现对温度的计算，由于51单片机其内部存储容量较小，本终端外置了一片基于IC-BUS的串行EPROM，用于存放终端的器件地址以及辐射率。微处理器电路图如图6所示，串行EPROM电路图如图7所示。
图6微处理器电路图
图6中，利用单片机的P1口对串行E2PROM进行控制，在测温时读取或修改终端的器件地址以及辐射率，利用P2口进行A/D采样数据的读写，而利用单片机的串口进行与上位机软件进行串口通信。
图7串行EPROM电路图
2.4通信电路设计
本终端用于工业应用，采用RS485工业级串口通信芯片实现与上位机的通信，传输距离可达500米以上。电路如图8所示。在输出端，采用三个TVS管，使两极间的电压箝位于一个安全值，有效地保护电子线路中的精密元器件免受浪涌脉冲的破坏，提高了终端的可靠性。
图8串口通信电路图
3底层软件设计
红外测温终端的底层软件需完成由上位机软件发出的命令，包括设置终端的地址（因同一485总线上可挂靠多个终端）及目标物体的辐射率值，计算目标物体的实际温度值，并将测量的温度值传至上位机处理，同时如传感器工作不正常，如测量温度低于或高于测量范围、环境温度低于或高于工作范围、传感器供电异常等信息传至上位机软件处理。底层软件设计主要有如下几个主要模块：初始化模块、A/D转换模块、地址与辐射率设置模块、温度计算模块、通信模块等。软件流程图如图9所示。
图9软件流程图
初始化模块：主要进行串口的初始化，开放全局中断以及定时计数器的初值、工作方式的设置等。
A/D转换模块：其SPI时序图如图10所示。芯片每次转换和数据传送使用16个时钟周期，且在每次传送周期之间插入CS的时序。从时序图可以看出，在CS变低时开始转换和传送过程，I/OCLOCK的前8个上升沿将8个输入数据位键入输入数据寄存器，同时它将前一次转换的数据的其余11位移出DATAOUT端，在I/OCLOCK下降沿时数据变化。当CS为高时，I/OCLOCK和DATAINPUT被禁止，DATAOUT为高阻态。在A/D转换程序中，利用冒泡算法将多次采样的值去掉最大值和最小值后再进行平均，保证了这一数据处理环节的准确性，提高了终端的测量精度。
图10SPI时序图
地址与辐射率设置模块：在外部E2PROM芯片中存储一个原始地址和辐射率，通过上位机的命令，在程序中判断是需要读取或修改相应值，再通过一个I2C读写程序进行读取或修改。
温度计算模块：由单片机进行目标温度和环境温度计算，输出的目标温度电压值和环境温度电压值经一个六次方公式计算，可得出目标的黑体辐射温度值T，再经辐射率系数（E）调整，可得出实际温度值T。设物体的辐射率为ε。则，物体实际温度值与其黑体辐射温度值的关系如式（1）所示，其中T、T的单位均为摄氏度，故式（1）中首先进行了开氏温度转换，然后用辐射率系数进行计算。而辐射率系数与辐射率的关系如式（2）所示。
（1）（2）根据红外测温的原理，在进行温度测量时，应该首先明确被测目标的辐射率，实际测定被测对象的辐射率，否则将造成严重的测量误差。
通信模块：串口通信的接收部分采用中断方式，发送部分采用查询方式。另外，由于RS485是半双工串口通信方式，不能同时进行发送，故在进行发送与接收前，需于每次接收和发送前，在程序中设置RS485的使能端（1为发送，0为接收）。
4结束语
本文运用了红外测温技术，数字信号处理技术等设计了一台非接触式红外测温终端，完整地完成了终端的硬件电路及软件设计，采用了稳定的参考基准电压和轨对轨运算放大器等手段，提高了终端的测量精度。本文所设计的终端能够准确地测量被测目标的温度值，精度达到了±1℃,目前，该终端已成功应用于开关柜节点温度的测量，取得了良好的应用效果。
参考文献
1 田裕鹏.红外检测与诊断技术[M].北京:化学工业出版社,2006.
2 蔡向东.单片机软件模拟I/O接口的解决方案.信息技术,2006,30(6):134-135,145.
3 李明.单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学.2007.
关键字：机械,北京
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