基于SOC的高精度紅外測溫系統設計

溫度測量主要有兩種方式：一種是傳統的接觸式測量，另一種是以紅外測溫為代表的非接觸式測量。傳統的溫度測量不僅反應速度慢，而且必須與被測物體接觸。紅外測溫以紅外傳感器為核心進(jìn)行非接觸式測量，特別適用于高溫和危險場(chǎng)合的非接觸測溫，得到了廣泛的應用。本文將詳細介紹如何設計基于SOC級微處理器的高精度紅外測溫系統，及其在電力溫度檢測、設備故障診斷方面的應用。

1．紅外測溫儀的工作原理

自然界一切溫度高于絕對零度的物體，都在不停地向外發(fā)出紅外線(xiàn)。物體發(fā)出的紅外線(xiàn)能量大小及其波長(cháng)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)測量物體輻射出的紅外能量的大小就能測定物體的表面溫度。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(cháng)外，還與構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)隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的輻射系數，則就可把黑體的基本定律應用于實(shí)際物體。這個(gè)輻射系數，就是發(fā)射率ε，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的數值之間。

紅外測溫儀的工作原理如圖 1所示：被測物體輻射出的紅外能量通過(guò)空氣傳送到紅外測

溫儀的物鏡，物鏡把紅外線(xiàn)匯聚到紅外探測器上，探測器將輻射能轉換成電信號，又通過(guò)前置放大器、主放大器將信號放大、整形、濾波后，經(jīng)過(guò)A／D轉換電路處理后輸入微處理器。微處理器進(jìn)行環(huán)境溫度補償，并對溫度值進(jìn)行校正后驅動(dòng)顯示電路顯示溫度值。同時(shí)，微處理器還發(fā)出相應的報警信號，并且接受按鍵輸入的發(fā)射率以完成發(fā)射率設定。

2．系統硬件設計

本紅外線(xiàn)溫度檢測系統主要由傳感器 A2PTMIpLM358有源濾波電路pAD轉換電路p微處理器p顯示電路等幾個(gè)部分組成。因為傳感器輸出的信號為0-5V，剛好滿(mǎn)足 AD轉換的要求，故在本設計中省略了放大電路，只對傳感器的信號進(jìn)行了濾波處理。另外，本系統還有信號變換電路輸出4～20mA、1～5V等模擬信號，并有RS232、RS485接口輸出數字信號來(lái)與上位機通信。

2．1傳感器A2PTMI原理及其應用

PerkinElmer A2TPMI 是一種內部集成了專(zhuān)用信號處理電路以及環(huán)境溫度補償電路的多用途紅外熱電堆傳感器，這種集成紅外傳感器模塊將目標的熱輻射轉換成模擬電壓。該傳感器自帶距離系數 D：S=8：1的光學(xué)系統，通過(guò)該透鏡接收空氣中的紅外輻射，然后轉換成相應的電壓信號，該信號通過(guò)一個(gè) 8 bit分辨率的可編程放大器放大。根據熱電堆溫度測量原理，熱電堆電壓可能是正或者負，取決于目標溫度是否高于或者低于 A2TPMI 的環(huán)境溫度。為了使負電壓信號能在單電源系統處理，所有的內部信號都連接到 1.255 V內部電壓參考(Vref)，作為虛擬模擬地信號。為了熱電堆放大電路偏置電壓的調整，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整部分。此外， A2TPMI 內部還集成有溫度傳感器來(lái)探測環(huán)境溫度，這個(gè)信號被放大后匹配熱電堆放大信號曲線(xiàn)的反向特性，進(jìn)行信號處理。為了溫度補償，放大的熱電堆信號和溫度參考信號相加于一個(gè)放大器。經(jīng)過(guò)溫度補償放大后的信號輸出到 VTobj 腳，溫度參考信號或者參考電壓輸出到 Vtamb腳。A2TPMI的工作特性由一個(gè)內部隨機存取寄存器進(jìn)行配置，所有的參數 /配置永久地存在并行 E2PROM 內?？刂茊卧峁┑膬删€(xiàn)、雙向同步串口 (SDAT, SCLK)，可以訪(fǎng)問(wèn)所有寄存器的 A2TPMI內部參數。A2TPMI 傳感器通常不需要使用串口， SDAT，SCLK 引腳被內部連到 VDD。

2．2濾波電路設計

A2TPMI放大器采用斬波放大器技術(shù)，由于這種技術(shù)本身具有的特性，輸出信號 VTobj 和 VTamb 中包含了大約10 mV 峰值、 250 kHz 的交流信號。這些交流信號能被一個(gè)電子低通濾波電路或者類(lèi)似的軟件濾波抑制掉。在高阻抗負載應用中，象 LM358 這樣的rail to rail 運算放大器電路，可以作為輸出信號的濾波器。