基于STM32的紅外測溫儀的設計與實(shí)現

紅外測溫儀是一種將紅外技術(shù)與微電子技術(shù)相結合的新型溫度測量?jì)x器。與傳統接觸式測溫儀器相比，具有測溫精度高、非接觸、不影響被測對象溫度場(chǎng)、響應速度快及穩定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在電力、石油、化工、醫療等領(lǐng)域得到廣泛應用[1]。

熱釋電紅外測溫儀是利用熱釋電效應工作的一種新型紅外測溫儀。與其他傳統測溫儀相比，具有不需制冷、能在室溫下工作和光譜響應寬等優(yōu)點(diǎn)，且其靈敏度高、響應速度快、抗干擾能力強[2]。本文利用熱釋電探測器，結合32 bit ARM核處理器低功耗、高性能和低成本的優(yōu)點(diǎn)，設計了一個(gè)以ARM微控制器STM32為核心的紅外測溫儀。

1 紅外測溫的原理

一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周?chē)臻g發(fā)出紅外輻射能量，其輻射能量的大小及其波長(cháng)的分布與其表面溫度有密切關(guān)系，由維恩位移定律可知，溫度為T(mén)c,的物體，對應于波長(cháng)為λ1和λ2的單色輻射功率之比Z 由下式表示：


2 總體構成

由于本系統需要測量的是高溫物體的表面溫度，故采用比色測溫方案，即利用同一被測物體在兩個(gè)波長(cháng)下的單色輻射亮度之比隨溫度變化這一特性作為其測溫原理。紅外測溫儀的結構組成如圖1所示，主要由光學(xué)系統、紅外探測器、信號處理和顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統完成光線(xiàn)的收集和視場(chǎng)大小的確定，紅外探測器用來(lái)將聚焦在探測器上的紅外能量轉換成電信號，經(jīng)放大、濾波等進(jìn)行信號調理，然后送至微控制器進(jìn)行模數轉換及信號處理，最后再經(jīng)溫度補償和標定后轉換為被測目標的溫度并用LCD顯示出來(lái)。


2.1 微控制器STM32

STM32系列基于為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專(zhuān)門(mén)設計的ARM Cortex-M3內核。并帶有512 KB的高速Flash存儲器，其內部集成了3個(gè)12 bit的ADC，1個(gè)2通道12 bit DAC，有多達11個(gè)定時(shí)器，其中有兩個(gè)16 bit帶死區控制和緊急剎車(chē)，用于電機控制的PWM高級控制定時(shí)器。利用此控制器可快速進(jìn)行數字濾波、溫度補償等數據處理任務(wù)[3]。

2.2 光學(xué)系統

這部分采用的是反射式光學(xué)系統中典型的牛頓系統，這種系統相對于透射式和透射--反射組合式光能損失小、不存在色差、結構簡(jiǎn)單、易于加工。

2.3 探測器及斬波器設計

本系統采用的是熱釋電傳感器，目前熱釋電傳感器的核心元件——熱釋電材料主要有鋯鈦酸鉛PZT、鈦酸鍶鋇(BST)和鉭鈧酸鉛(PST)等,在這里選擇是用BST薄膜，熱釋電薄膜相對于熱釋電體材，具有小型輕量、分辨率高、反應快、能與微電子技術(shù)兼容等優(yōu)點(diǎn)，因接受到的輻射很微弱且直流放大器存在零點(diǎn)漂移，故在輻射信號到達傳感器器前必須對輻射能進(jìn)行調制，使其變?yōu)榻蛔冃盘?。本系統使用的扇形調制盤(pán)由STM32的脈寬調制器輸出口PA8產(chǎn)生的占空比為50%的方波信號驅動(dòng)步進(jìn)電機。

2.4 信號的調理

信號的放大電路分為前置放大電路和后級放大電路。尤其是前置放大器的噪聲系數對整個(gè)檢測系統的噪聲具有決定性作用。本設計采用的放大器是美國MAXIM公司生產(chǎn)的OP07， OP07是一種超低失調的運算放大器(一般為10 μV左右),其共模輸入阻抗可達200 MΩ，輸出阻抗僅為60 Ω,可滿(mǎn)足系統設計需要。由于STM32的A/D轉換器輸入信號范圍為0～3.3 V，需選擇合適的放大倍數,使最高測溫時(shí)對應的輸出電壓在3.3 V內。

當信號經(jīng)放大器放大后，其寬帶噪聲較大，因此，在前置放大器和后級放大器之間加了帶通濾波器來(lái)抑制寬帶噪聲，提高信噪比。但帶通濾波器的帶寬應做的寬一些，否則當溫度發(fā)生變化時(shí)，信號的頻譜很容易偏離濾波器的通頻帶而導致測量誤差[4]。根據本系統需要，系統采用二階巴特沃斯型帶通濾波器，其中心頻率設計為100 Hz，帶寬約在20 Hz。

2.5 檢波電路

本文設計中采用電子開(kāi)關(guān)型檢波器，與模擬乘法器型檢波器相比具有電路簡(jiǎn)單、精度更高、運行速度快、沒(méi)有非線(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)，具體的電路如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)．輸入信號V4是傳感器經(jīng)主放大器放大的輸出信號，V5是STM32的PWM端口發(fā)出的,經(jīng)過(guò)移相后用于斬波調制的脈沖信號；V6為V5的反相電壓，通過(guò)加一反相器來(lái)實(shí)現的。圖中R27=R28=R29=R31=R32=0.5 R33，當V5為高電平時(shí)，Q2導通，OP07的同相端接地；當V5為低電平時(shí)，Q2截止，OP07反相端接地，輸出電壓。

經(jīng)上述電路后信號中還混有噪聲，主要通過(guò)低通濾波器來(lái)消除這些噪聲。

2.6 溫度補償單元

由于受到環(huán)境溫度的影響，需要對系統進(jìn)行溫度補償，本系統采用的是集成溫度傳感器AD592，是美國AD公司的一款高性能集成溫度傳感器，具有精度高、非線(xiàn)性的誤差小、輸入的范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。系統中的可調電阻R2用來(lái)校準輸出電壓V2，當環(huán)境溫度為0時(shí)輸出電壓V2為0；R5用來(lái)校準溫度系數。經(jīng)校準后，輸出電壓V2即為溫度系數與環(huán)境溫度的積，接到STM32的ADC端口PC0。

2.7 模擬/數字轉換單元

STM32內置了3個(gè)12 bit的模擬/數字轉換器(ADC),每個(gè)ADC共有多達21個(gè)外部通道，可以實(shí)現單次或掃描轉換，在掃描模式下，自動(dòng)進(jìn)行在選定的一組模擬輸入上的轉換[5]。其A/D轉換器測量范圍為0~5 V，因為本系統的工作頻率為150 Hz，每周期采樣10次，所以ADC的轉換速率設為1.5 kHz，系統中采用PC1端口對電壓進(jìn)行采樣。

2.8 輸入輸出單元

STM32擁有多達80個(gè)多功能雙向I/O口，因此設計鍵盤(pán)時(shí)可采用5個(gè)獨立式按鍵，分別為開(kāi)機、攝氏與華氏溫度轉換、輻射率修正和背光顯示鍵，LCD顯示器采用字符型液晶NT7502顯示，微處理器通過(guò)8 bit串行接口向NT7502發(fā)送數據/命令,用GPIO實(shí)現LCD的讀寫(xiě)控制時(shí)序以及數據信號，完成對LCD的操作控制，同時(shí)可用來(lái)顯示環(huán)境溫度的值。液晶顯示器接口電路如圖3所示。


3 系統的軟件設計

系統的軟件設計采用模塊化的設計， 包括步進(jìn)電機設計的控制程序、對目標溫度的檢測、按鍵的識別、LCD的驅動(dòng)、對數據的采樣以及對數據的處理算法等程序。整個(gè)測溫過(guò)程的流程如圖4 所示。


4 紅外測溫儀的標定

紅外測溫儀必須經(jīng)標定才能正確顯示出被測目標的溫度，傳統的查表方式和擬合曲線(xiàn)法等標定方式不僅要測量多個(gè)溫度點(diǎn)，而且精度低、誤差大。本系統在標定的過(guò)程中，采用了三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法對測溫數據進(jìn)行標定，其具有自學(xué)習、自適應信息并行處理能力。在標定過(guò)程中，采用黑體爐模擬被測目標，采集不同溫度下信號電壓的大小。經(jīng)過(guò)反復多次測量，在10℃~50℃的工作環(huán)境溫度中，測溫范圍為800℃~1 500℃。并在中頻真空感應熔煉爐上與鉑銠熱電偶進(jìn)行對比實(shí)驗，該系統精度可達±1‰，分辨率為0.5 ℃，響應時(shí)間小于50 ms，基本滿(mǎn)足系統的最初設計要求。

本文研制的是一種基于比色測溫原理的紅外測溫儀，與其他測溫儀相比，能夠抵消由于輻射率對測溫精度的影響，使得測量結果更加接近待測物體表面真實(shí)溫度，由于采用了32 bit的STM32作為處理芯片，與其他使用8 bit或16 bit處理器相比，使數據處理能力大大增強，測溫性能得到很大提高，同時(shí)也減小了測溫儀的體積，并具有結構簡(jiǎn)單、操作方便、可靠性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。