【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 式表示： 51 2 2 1 22 1 1 2() ( ) e x p [ ( ) ]()MCZ M Tc? ? ? ?? ? ? ???? (15) 式中： 1()M? 表示波長(zhǎng)為 1? 處的單色輻射功率； 2()M? 表示波長(zhǎng)為 2? 處的單色輻射功率； 2C 表示 第二輻射常數(shù)。 將（ 29）兩邊取對(duì)數(shù)可得： 1221221ln 5 lncCTZ????????? (16) 即波長(zhǎng)確定后，可根據(jù)所測(cè)得的 Z 值計(jì)算如黑體的溫度 Tc． 實(shí)際中的比色 測(cè)溫儀通過濾光片把紅外輻射能量分為兩個(gè)波段，通過每個(gè)濾光片的紅外輻射被兩個(gè)獨(dú)立的紅外探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過信號(hào)處理器來(lái)計(jì)算兩 7 個(gè)信號(hào)的比值及環(huán)境溫度補(bǔ)償后給出測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)并顯示輸出。 各種測(cè)溫方案的特點(diǎn)與適用范圍 除去以上三種主要測(cè)溫方法之外，其它的測(cè)溫方案還有多波段測(cè)溫法和最大波長(zhǎng)測(cè)溫法。多波段測(cè)溫法的測(cè)溫原理是依次取多個(gè)波段，通過計(jì)算這些波段輻射功率之問的復(fù)雜關(guān)系來(lái)確定物體的溫度，該測(cè)溫法精度比較高，但測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。最大波長(zhǎng)測(cè)溫法的測(cè)溫原理是依據(jù)維恩位移定律中黑體輻射峰值波長(zhǎng)與絕對(duì) 溫度之積為一常數(shù)，此方法測(cè)溫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只適用于極高溫度的測(cè)量． 各種測(cè)溫方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表 21 所示 : 表 11：各類測(cè)溫方法特點(diǎn) 測(cè)溫方法 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 全輻射測(cè)溫 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低 測(cè)溫精度稍差，受物體輻射率影響大 亮度測(cè)溫法 無(wú)需環(huán)境溫度補(bǔ)償，發(fā)射率誤差較小，測(cè)溫精度高 工作于短波區(qū)，只適合高溫測(cè)量 雙波段測(cè)溫法 光學(xué)系統(tǒng)可局部遮擋，受煙霧灰塵影響小，測(cè)溫誤差小 必須選擇適當(dāng)波段，使波段發(fā)射率相差不大 多波段測(cè)溫法 測(cè)量結(jié)果與發(fā)射率無(wú)關(guān)，精度高 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需選擇適當(dāng)波段 最大波長(zhǎng)測(cè)溫法 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 僅用于測(cè)極高溫 第二章 ARM 核微處理器 8 ARM處理器簡(jiǎn)介 ARM 公司是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)， ARM 是 Advanced RISC Machines 的縮寫，它是一個(gè)設(shè)計(jì)公司，本身不生產(chǎn)和銷售芯片。 ARM 公司的處理器具有性能高、成本低和能耗小的特點(diǎn)，適用于多種領(lǐng)域，如嵌入控制、消費(fèi) /教育類多媒體、 DSP 和移動(dòng)式應(yīng)用等。 ARM 公司將其技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和 OEM 廠商，包括INTEL、 IBM、 LG 半導(dǎo)體、 NEC、 SONY、 PHILIPS 和國(guó)家半導(dǎo)體等 大公司，每個(gè)廠商得到的都是一套獨(dú)一無(wú)二的 ARM 相關(guān)技術(shù)及服務(wù)，從而導(dǎo)致了大量的開發(fā)工具和豐富的第三方資源，它們共同保證了基于 ARM 處理器核的設(shè)計(jì)可以很快投放市場(chǎng)，使得ARM 公司在 32 位 RISC 處理器占市場(chǎng)率超過了 75％以上。 與傳統(tǒng)的 4/8 位單片機(jī)相比， ARM 微處理器的性能和處理能力大大加強(qiáng)， ARM 微處理器一般具有以下特點(diǎn)： 1. 體積小、低功耗、低成本、高性能 2. 支持 Thumb(16 位 )/ARM(32 位 )雙指令集，能很好的兼容 8 位 /16 位器件； 3. 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快 4. 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成 5. 尋 址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高 6. 指令長(zhǎng)度固定． LPC2132 主要特性 本系統(tǒng)所選擇的 ARM 微控制器是 PHILIPS 公司生產(chǎn)的 ARM7 系列中的 LPC2132芯片， LPC2132 是基于一個(gè)實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的 32/16 位 ARM7TDMIs，并帶有64KB 嵌入的高速 Flash 存儲(chǔ)器， 128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼在最大的時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模由嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用 16 位 Thumb 模式將代碼規(guī)模降低超過 30％，而性能的損失卻很小。 較小的封裝和很低的功耗使 LPC2132特別適用 于訪問控制和 POS機(jī)等小型應(yīng)用中；由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口和 16kB 的片內(nèi) SRAM，它也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟件 modem、語(yǔ)音識(shí)別、低端成像，為這些應(yīng)用提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強(qiáng)大的處理功能。多個(gè) 32 位定時(shí)器、 1 個(gè)或 2 個(gè) 10 位 8 路的 ADC、 10 位 DAC、 PWM通道、 47 個(gè) GPIO 以及多達(dá) 9 個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制 9 應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng) ． 圖 21 LPC2132管腳配置 第三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件部分是紅外測(cè)溫儀工作的基礎(chǔ)，一個(gè)優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)嵌入式系 統(tǒng)產(chǎn)品，往往具有良好的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。硬件電路設(shè)計(jì)不僅需要考慮電路的基本組成結(jié)構(gòu)，也要考慮到嵌 10 入式系統(tǒng)的小型化和低功耗的要求．本章主要圍繞這兩個(gè)方面對(duì)紅外測(cè)溫儀的硬件設(shè)計(jì)作了說(shuō)明． 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 由于本系統(tǒng)需要測(cè)量的是中低溫物體的表面溫度，且考慮到成本因素，所以本文采用全輻射測(cè)溫方案，即通過測(cè)量目標(biāo)發(fā)出整波段的輻射功率來(lái)測(cè)量物體溫度，紅外測(cè)溫儀的組成如圖 4． 1 所示，主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器，信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)完成視場(chǎng)大小的確定，光電探測(cè)器用來(lái)將聚焦在光電探測(cè)器上的紅外能量轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)，經(jīng)過放大器、濾波器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并送至微控制器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理，最后再經(jīng)過目標(biāo)輻射率修正后轉(zhuǎn)換為被測(cè)目標(biāo)的溫度值． 圖 31紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)框圖 光學(xué)部分的設(shè)計(jì) 熱釋電傳感器的選擇 熱釋電紅外傳感器是最常用的紅外探測(cè)器之一，系統(tǒng)采用德國(guó)海曼公司的 LH878熱釋電傳感器作為探測(cè)器， LHl878 是一種雙元探測(cè)器，采用雙靈敏元互補(bǔ)的方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了傳感器的工作穩(wěn)定性． 11 LHI878 芯片的主要性能如表 3—1． 熱釋電紅外測(cè)溫儀的視場(chǎng)由菲涅耳透鏡決定，菲涅耳透鏡 主要用來(lái)提供聚焦作用，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是反射式紅外測(cè)溫儀。因此菲涅耳透鏡在這里面的功能就是把來(lái)自多個(gè)方向的紅外信號(hào)有效地集中反射到傳感器上，同時(shí)濾除一些波長(zhǎng)大于紅外線的噪聲信號(hào)，本文采用的菲涅耳透鏡為光束式透鏡，其有效探測(cè)距離達(dá) 30 米，可使測(cè)溫儀用來(lái)探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的表面溫度。 表 31 LHI878主要性能 斬波器的設(shè)計(jì)與控制 熱釋電型探測(cè)器只能檢測(cè)溫度差，它可以直接用來(lái)制作自動(dòng)門的開關(guān)、防盜器等，但是對(duì)于恒定的溫度信號(hào)，即使目標(biāo)物體溫度再 高，其輸出也是零。解決的途徑就是使用斬波器，斬波器把接收到的光信號(hào)變成交替變化的光信號(hào)，再經(jīng)過熱釋電探測(cè)器后生成交流信號(hào)，本系統(tǒng)所使用的斬波裝置如圖 4． 2 所示，它分成 1O 個(gè)明區(qū)和 10 個(gè)暗區(qū)，當(dāng)它以一定的速度周期轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，探測(cè)器接收到的信號(hào)變化 10 次，探測(cè)器發(fā)出 10 個(gè)脈沖信號(hào)。探測(cè)器接收到的是被測(cè)物體與斬波器表面的溫度差，當(dāng)被測(cè)物體的溫度高于斬波器的溫度時(shí)，輸出為正值，反之則為負(fù)值，只有兩者的溫度相同時(shí)輸出才為零。 型號(hào) LH1878 靈敏元面積 21mm2 靈敏度 4000v/W(100℃ ,1Hz 時(shí) ) 偏置電壓 ～ (Rs=47K? ,25℃ ) 工作電壓 2～ 15v(Rs=47K? ,25℃ ) 噪音等效功率 10 10? W/Hz (1HzBw,100℃ , 1Hz 時(shí) ) 噪音 20uVpp,(25℃ ,～ 10Hz) 工作溫度 40～ 85℃ 儲(chǔ)存溫度 40～ 85℃ 12 圖 32載波器示意圖 信號(hào) 處理電路 由于本系統(tǒng)測(cè)溫儀測(cè)溫范圍在中低溫區(qū)段，目標(biāo)信號(hào)十分微弱，大多掩埋在強(qiáng)噪聲之中，如探測(cè)器 與周圍環(huán)境熱交換的起伏引起的熱噪聲、電子器件的復(fù)合噪聲及其它 噪聲等 ]19[ 。信號(hào)處理電路部分主要采用鎖定放大 ]20[ 的方式對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，鎖定放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示：包括信號(hào)通道、參考通道、相敏檢測(cè)器 (PSD)和低通濾波器等 ． 圖 34 鎖定放大器原理圖 信號(hào)通道對(duì)熱釋電傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大，并且濾除部分干擾和噪聲，以提 高相敏檢測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍；參考通道一般為正弦信號(hào)或方波開關(guān)信號(hào)，通常采用系統(tǒng)內(nèi)原先用于調(diào)制的載波信號(hào)或者用于斬波的信號(hào)，同時(shí)對(duì)參考輸入信號(hào)進(jìn)行移相處理，以使各種不同的相移信號(hào)檢測(cè)結(jié)果達(dá)到最佳． 13 本系統(tǒng)的信號(hào)輸入通道包括以下幾個(gè)部分：前置放大器、帶通濾波器、主放大器。參考通道部分主要功能是對(duì)斬波信號(hào)進(jìn)行移相，以確保檢測(cè)結(jié)果最佳。 信號(hào)放大電路 當(dāng)光信號(hào)經(jīng)過斬波器和熱釋電探測(cè)器后，就變?yōu)榻蛔兊拿}沖信號(hào)，由于熱釋電探測(cè)器接收到的輻射信號(hào)很微弱，需要經(jīng)過放大后才能供后續(xù)電路進(jìn)行處理，前置放大器是引入噪聲的 主要部件之一，它產(chǎn)生的噪聲會(huì)被后續(xù)的各級(jí)放大器進(jìn)一步放大，所以前置放大器中有源器件的選擇是非常重要的。 由于大部分紅外探測(cè)器輸出的信號(hào)十分微弱，只有微伏或納微伏數(shù)量級(jí)，因此前置放大器必須是高增益和低噪聲的。高增益是用來(lái)把微弱信號(hào)放大到一定電平，以便進(jìn)一步再做處理；低噪聲是為了保持盡可能高的信噪比． 由于前置放大器的放大倍數(shù)不能做的太大，所以本系統(tǒng)把信號(hào)的放大電路分為前置放大電路和后級(jí)放大電路進(jìn)行處理，前置放大器的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲具有決定性作用，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的前置放大部分采用低失調(diào)精密運(yùn)算放大芯片 AD707，其主要功能參數(shù)如下： 1. 偏移電壓： 15uV 2. 失調(diào)電壓： ℃ 3. 輸入偏置電流： =LnA 4. 共 模 抑制比： 130dB 5. 電源電壓抑制比： 120dB 6. 轉(zhuǎn)換速率： O． 3V/us 7. 閉環(huán)帶寬： 0． 9MHz 本系統(tǒng)的前置放大器的電路圖 4． 5 如下： 14 圖 35 前置放大電路 圖中電容 C23 用于濾除信號(hào)中的直流信號(hào)，電路的增益為 11。 主放大器電路采用集成運(yùn)放 OP07，其特點(diǎn)是低失調(diào)、低噪聲、低漂移，廣泛用于精密儀用放大器、傳感放大器等場(chǎng)合，電路中 R53 是阻值為 100K 的可調(diào)電位器，用來(lái)對(duì)傳感器 輸出信號(hào)的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)． 圖 36 主放大器電路 環(huán)境溫度檢測(cè)電路 由于探測(cè)器測(cè)量的是被測(cè)物與斬波器的輻射能量差，因此需要在信號(hào)處理電路中增加環(huán)境溫度的檢測(cè)電路。設(shè)被測(cè)目標(biāo)的溫度為 T1 ，環(huán)境溫度為 T2 ，被測(cè)目標(biāo)輻射率為? 1 ，斬 波器的輻射率為 2? ，則傳感器的輸出信號(hào)可表示為 : 422411 TATAQ ???? ?? ,相應(yīng)的輸出電壓 ]18[ ： ? ?4241 TTSV ?? 這里面 A 表示光學(xué)系統(tǒng)的光線通過率； ? 表示斯蒂芬一玻耳茲曼常數(shù)； S 為熱釋電響應(yīng)特性及物體表面發(fā)射率有關(guān)的常數(shù)． 本系統(tǒng)采用集成溫度傳感器 AD592 進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 AD592 是美國(guó) AD 公司的一款高性能的集成溫度傳感器，能線性地將溫度轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)輸出，具有測(cè)溫精度高、非線性誤差小、寬范圍輸入等優(yōu)點(diǎn)。其主要特性如下 ]21[ ： 1. 線性度：在 0℃ 到 70℃ 時(shí)，最大 ℃ 15 2. 測(cè)溫范圍： 25℃ ～ 105℃ 3. 輸 入電源電壓： +4V 到 +30V 4. 輸出精度 :1/AK? 設(shè)計(jì)中采用 MCl403 基準(zhǔn)電壓源來(lái)提供 2． 5V 的基準(zhǔn)電壓，其中可調(diào)電阻 R2 用來(lái)校準(zhǔn)當(dāng)環(huán)境溫度為 0℃ 時(shí)輸出電壓 V2 的值為 OV， R5 用來(lái)對(duì)溫度系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)．經(jīng)校準(zhǔn)后，輸出的電壓值 V3 即為溫度系數(shù)與環(huán)境溫度的積，接到 LPC2132 的 AD 端口P0． 27．實(shí)現(xiàn)的電路如圖 37 所示： 圖 37 基準(zhǔn)電壓源電路 ARM 最小系統(tǒng)和外圍電路 電源電路 電源設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面，一為電源的選擇，二是電源的分配，三是電源的抗干擾設(shè)計(jì)．電源的設(shè)計(jì)應(yīng)在保證電源的驅(qū)動(dòng)能力的前提下，盡可能降低系統(tǒng)內(nèi)部和外部的干擾。 LPC2132 微控制器的內(nèi)核和 I/O 口使用同一電源電壓．只需要 3． 3V 的供電電源，所以系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)為 3． 3V應(yīng)用系統(tǒng)，而一般器件通常為 5v 供電，系統(tǒng)需要電源轉(zhuǎn)換模塊將 5V 轉(zhuǎn)換為 3． 3V電壓。系統(tǒng)采用 SPXIll7 系列 LDO 芯片 (低壓差電源芯片 )，其輸出電流可達(dá) 800mA，穩(wěn)壓輸出 3． 3v 電壓，系 統(tǒng)的電源電路如圖： 16 圖 312 LCP2132系統(tǒng)電源電路圖 由于本系統(tǒng)采用了 LPC2132 內(nèi)置的 A／ D 轉(zhuǎn)換器作為數(shù)據(jù)采集器，圖中為了降低噪聲和出錯(cuò)幾率，使用了 10uH 電感 L3 和 L4 隔離模擬電源和數(shù)字電源，同時(shí)需要在 PCB板大面積敷地來(lái)降低噪聲． 除去系統(tǒng)電源外，本系統(tǒng)還需要士 12V 和 +15V 電壓