【文章內容簡介】 式表示： 51 2 2 1 22 1 1 2() ( ) e x p [ ( ) ]()MCZ M Tc? ? ? ?? ? ? ???? (15) 式中： 1()M? 表示波長為 1? 處的單色輻射功率； 2()M? 表示波長為 2? 處的單色輻射功率； 2C 表示 第二輻射常數(shù)。 將（ 29）兩邊取對數(shù)可得： 1221221ln 5 lncCTZ????????? (16) 即波長確定后，可根據(jù)所測得的 Z 值計算如黑體的溫度 Tc． 實際中的比色 測溫儀通過濾光片把紅外輻射能量分為兩個波段，通過每個濾光片的紅外輻射被兩個獨立的紅外探測器接收并轉換成電信號，然后通過信號處理器來計算兩 7 個信號的比值及環(huán)境溫度補償后給出測溫數(shù)據(jù)并顯示輸出。 各種測溫方案的特點與適用范圍 除去以上三種主要測溫方法之外，其它的測溫方案還有多波段測溫法和最大波長測溫法。多波段測溫法的測溫原理是依次取多個波段，通過計算這些波段輻射功率之問的復雜關系來確定物體的溫度，該測溫法精度比較高，但測溫儀的結構復雜。最大波長測溫法的測溫原理是依據(jù)維恩位移定律中黑體輻射峰值波長與絕對 溫度之積為一常數(shù)，此方法測溫結構簡單，只適用于極高溫度的測量． 各種測溫方案的優(yōu)缺點如表 21 所示 : 表 11：各類測溫方法特點 測溫方法 優(yōu)點 缺點 全輻射測溫 結構簡單，成本較低 測溫精度稍差，受物體輻射率影響大 亮度測溫法 無需環(huán)境溫度補償，發(fā)射率誤差較小，測溫精度高 工作于短波區(qū)，只適合高溫測量 雙波段測溫法 光學系統(tǒng)可局部遮擋，受煙霧灰塵影響小，測溫誤差小 必須選擇適當波段，使波段發(fā)射率相差不大 多波段測溫法 測量結果與發(fā)射率無關，精度高 結構復雜，需選擇適當波段 最大波長測溫法 結構簡單 僅用于測極高溫 第二章 ARM 核微處理器 8 ARM處理器簡介 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，它是一個設計公司，本身不生產和銷售芯片。 ARM 公司的處理器具有性能高、成本低和能耗小的特點，適用于多種領域，如嵌入控制、消費 /教育類多媒體、 DSP 和移動式應用等。 ARM 公司將其技術授權給世界上許多著名的半導體、軟件和 OEM 廠商，包括INTEL、 IBM、 LG 半導體、 NEC、 SONY、 PHILIPS 和國家半導體等 大公司，每個廠商得到的都是一套獨一無二的 ARM 相關技術及服務，從而導致了大量的開發(fā)工具和豐富的第三方資源，它們共同保證了基于 ARM 處理器核的設計可以很快投放市場，使得ARM 公司在 32 位 RISC 處理器占市場率超過了 75％以上。 與傳統(tǒng)的 4/8 位單片機相比， ARM 微處理器的性能和處理能力大大加強， ARM 微處理器一般具有以下特點： 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 址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高 6. 指令長度固定． LPC2132 主要特性 本系統(tǒng)所選擇的 ARM 微控制器是 PHILIPS 公司生產的 ARM7 系列中的 LPC2132芯片， LPC2132 是基于一個實時仿真和嵌入式跟蹤的 32/16 位 ARM7TDMIs，并帶有64KB 嵌入的高速 Flash 存儲器， 128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使 32 位代碼在最大的時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模由嚴格控制的應用可使用 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機等小型應用中；由于內置了寬范圍的串行通信接口和 16kB 的片內 SRAM，它也非常適合于通信網(wǎng)關、協(xié)議轉換器、軟件 modem、語音識別、低端成像，為這些應用提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強大的處理功能。多個 32 位定時器、 1 個或 2 個 10 位 8 路的 ADC、 10 位 DAC、 PWM通道、 47 個 GPIO 以及多達 9 個邊沿或電平觸發(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)硬件設計 硬件部分是紅外測溫儀工作的基礎，一個優(yōu)秀的計算機嵌入式系 統(tǒng)產品，往往具有良好的硬件系統(tǒng)結構。硬件電路設計不僅需要考慮電路的基本組成結構，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方面對紅外測溫儀的硬件設計作了說明． 系統(tǒng)總體設計 由于本系統(tǒng)需要測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溫方案，即通過測量目標發(fā)出整波段的輻射功率來測量物體溫度，紅外測溫儀的組成如圖 4． 1 所示，主要由光學系統(tǒng)、光電探測器，信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)完成視場大小的確定，光電探測器用來將聚焦在光電探測器上的紅外能量轉換成電 信號，經(jīng)過放大器、濾波器進行信號調理，并送至微控制器進行模數(shù)轉換及信號處理，最后再經(jīng)過目標輻射率修正后轉換為被測目標的溫度值． 圖 31紅外測溫儀系統(tǒng)框圖 光學部分的設計 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器之一，系統(tǒng)采用德國海曼公司的 LH878熱釋電傳感器作為探測器， LHl878 是一種雙元探測器，采用雙靈敏元互補的方法抑制溫度變化產生的干擾，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． 熱釋電紅外測溫儀的視場由菲涅耳透鏡決定，菲涅耳透鏡 主要用來提供聚焦作用，本系統(tǒng)設計采用的是反射式紅外測溫儀。因此菲涅耳透鏡在這里面的功能就是把來自多個方向的紅外信號有效地集中反射到傳感器上，同時濾除一些波長大于紅外線的噪聲信號，本文采用的菲涅耳透鏡為光束式透鏡，其有效探測距離達 30 米，可使測溫儀用來探測遠距離目標的表面溫度。 表 31 LHI878主要性能 斬波器的設計與控制 熱釋電型探測器只能檢測溫度差，它可以直接用來制作自動門的開關、防盜器等，但是對于恒定的溫度信號，即使目標物體溫度再 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變成交替變化的光信號，再經(jīng)過熱釋電探測器后生成交流信號，本系統(tǒng)所使用的斬波裝置如圖 4． 2 所示，它分成 1O 個明區(qū)和 10 個暗區(qū)，當它以一定的速度周期轉動時，每轉動一周，探測器接收到的信號變化 10 次，探測器發(fā)出 10 個脈沖信號。探測器接收到的是被測物體與斬波器表面的溫度差，當被測物體的溫度高于斬波器的溫度時，輸出為正值，反之則為負值，只有兩者的溫度相同時輸出才為零。 型號 LH1878 靈敏元面積 21mm2 靈敏度 4000v/W(100℃ ,1Hz 時 ) 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 ) 噪音 20uVpp,(25℃ ,～ 10Hz) 工作溫度 40～ 85℃ 儲存溫度 40～ 85℃ 12 圖 32載波器示意圖 信號 處理電路 由于本系統(tǒng)測溫儀測溫范圍在中低溫區(qū)段，目標信號十分微弱，大多掩埋在強噪聲之中，如探測器 與周圍環(huán)境熱交換的起伏引起的熱噪聲、電子器件的復合噪聲及其它 噪聲等 ]19[ 。信號處理電路部分主要采用鎖定放大 ]20[ 的方式對傳感器的輸出信號進行處理，鎖定放大器的基本結構如圖所示：包括信號通道、參考通道、相敏檢測器 (PSD)和低通濾波器等 ． 圖 34 鎖定放大器原理圖 信號通道對熱釋電傳感器的信號進行放大，并且濾除部分干擾和噪聲，以提 高相敏檢測器的動態(tài)范圍；參考通道一般為正弦信號或方波開關信號，通常采用系統(tǒng)內原先用于調制的載波信號或者用于斬波的信號，同時對參考輸入信號進行移相處理，以使各種不同的相移信號檢測結果達到最佳． 13 本系統(tǒng)的信號輸入通道包括以下幾個部分：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斬波信號進行移相，以確保檢測結果最佳。 信號放大電路 當光信號經(jīng)過斬波器和熱釋電探測器后，就變?yōu)榻蛔兊拿}沖信號，由于熱釋電探測器接收到的輻射信號很微弱，需要經(jīng)過放大后才能供后續(xù)電路進行處理，前置放大器是引入噪聲的 主要部件之一，它產生的噪聲會被后續(xù)的各級放大器進一步放大，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器輸出的信號十分微弱，只有微伏或納微伏數(shù)量級，因此前置放大器必須是高增益和低噪聲的。高增益是用來把微弱信號放大到一定電平，以便進一步再做處理；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)把信號的放大電路分為前置放大電路和后級放大電路進行處理，前置放大器的噪聲系數(shù)對整個檢測系統(tǒng)的噪聲具有決定性作用，本系統(tǒng)所設計的前置放大部分采用低失調精密運算放大芯片 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 用于濾除信號中的直流信號，電路的增益為 11。 主放大器電路采用集成運放 OP07，其特點是低失調、低噪聲、低漂移，廣泛用于精密儀用放大器、傳感放大器等場合，電路中 R53 是阻值為 100K 的可調電位器，用來對傳感器 輸出信號的增益進行調節(jié)． 圖 36 主放大器電路 環(huán)境溫度檢測電路 由于探測器測量的是被測物與斬波器的輻射能量差，因此需要在信號處理電路中增加環(huán)境溫度的檢測電路。設被測目標的溫度為 T1 ，環(huán)境溫度為 T2 ，被測目標輻射率為? 1 ，斬 波器的輻射率為 2? ，則傳感器的輸出信號可表示為 : 422411 TATAQ ???? ?? ,相應的輸出電壓 ]18[ ： ? ?4241 TTSV ?? 這里面 A 表示光學系統(tǒng)的光線通過率； ? 表示斯蒂芬一玻耳茲曼常數(shù)； S 為熱釋電響應特性及物體表面發(fā)射率有關的常數(shù)． 本系統(tǒng)采用集成溫度傳感器 AD592 進行溫度補償。 AD592 是美國 AD 公司的一款高性能的集成溫度傳感器，能線性地將溫度轉換為電流信號輸出，具有測溫精度高、非線性誤差小、寬范圍輸入等優(yōu)點。其主要特性如下 ]21[ ： 1. 線性度：在 0℃ 到 70℃ 時，最大 ℃ 15 2. 測溫范圍： 25℃ ～ 105℃ 3. 輸 入電源電壓： +4V 到 +30V 4. 輸出精度 :1/AK? 設計中采用 MCl403 基準電壓源來提供 2． 5V 的基準電壓，其中可調電阻 R2 用來校準當環(huán)境溫度為 0℃ 時輸出電壓 V2 的值為 OV， R5 用來對溫度系數(shù)進行校準．經(jīng)校準后，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．實現(xiàn)的電路如圖 37 所示： 圖 37 基準電壓源電路 ARM 最小系統(tǒng)和外圍電路 電源電路 電源設計主要包括三個方面，一為電源的選擇，二是電源的分配，三是電源的抗干擾設計．電源的設計應在保證電源的驅動能力的前提下，盡可能降低系統(tǒng)內部和外部的干擾。 LPC2132 微控制器的內核和 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)需要設計為 3． 3V應用系統(tǒng)，而一般器件通常為 5v 供電，系統(tǒng)需要電源轉換模塊將 5V 轉換為 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 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 內置的 A／ D 轉換器作為數(shù)據(jù)采集器，圖中為了降低噪聲和出錯幾率，使用了 10uH 電感 L3 和 L4 隔離模擬電源和數(shù)字電源，同時需要在 PCB板大面積敷地來降低噪聲． 除去系統(tǒng)電源外，本系統(tǒng)還需要士 12V 和 +15V 電壓