【正文】 物體實際溫度緊密相關。不同物質的輻射率是不同的，常見物質輻射率見附件3，紅外測溫裝置從被測物體上接收到的輻射能量大小正比于它的輻射率。使用紅外測溫裝置測溫時，通常只能測定被測目標表面上某一確定面積的平均值。最終得到溫度信息是被測物體和周圍事物溫度的加權平均值。當被測目標大于測試視場時，測溫裝置就不會受到測量區(qū)域以外事物影響，能夠準確的測量被測物體位于傳感器視角內確定面積的實際溫度，此時傳感器的測試效果最佳。從上述幾種情況可看出在設計測溫裝置時需要對測量實際情況進行實地考察，確定被測物體的尺寸，選取適合的溫度傳感器，保證測量裝置的測量精度。因此在使用紅外傳感器進行溫度信號采集時，需要通過實驗分析選取適合的距離對被測物體進行溫度測量。假設被測物體的溫度為T0，環(huán)境溫度為T1，因此該物體單位面積發(fā)出的凈輻射能量為= (28)式中A為單位面積，α為物體吸收率，ε為物體發(fā)射率，σ為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)。 系統(tǒng)總設計方案根據(jù)系統(tǒng)設計的要求，主要實現(xiàn)高壓開關柜溫度非接觸在線監(jiān)測，只需通過計算機，就可以了解開關柜的實時溫度情況，判斷是否存在異常和安全隱患。數(shù)據(jù)處理模塊包括前置放大濾波、AD轉換、數(shù)據(jù)處理、LCD顯示等功能，硬件電路與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸采用中斷方式，當硬件電路收到上位機的查詢要求時產生中斷執(zhí)行相應程序，將數(shù)據(jù)通過RS232傳至上位機。圖 21 系統(tǒng)結構 硬件電路功能系統(tǒng)硬件電路主要完成溫度信號采集、信號調理、數(shù)據(jù)處理、溫度顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽虼丝梢詫⒂布娐贩譃橐韵聨讉€模塊。紅外溫度傳感器感知被測物體的溫度和環(huán)境溫度，然后通過內部調理電路處理，分別將被測物體紅外輻射能量和環(huán)境溫度信號轉化為電壓信號和電阻信號，再送入后續(xù)調理電路進行相應處理。傳感器輸出為一直流信號和K級電阻值，所以該部分電路實現(xiàn)微弱直流信號低通濾波和放大。 數(shù)據(jù)處理由前兩部分電路輸出的信號都是模擬信號，而單片機只能處理數(shù)字信號，因此需要先將溫度信號進行模數(shù)轉換，模數(shù)轉換完成后的數(shù)據(jù)才能送入單片機進行處理。本設計中采用的MSP430F247系列單片機集成了12位的AD，對于本次設計已經滿足測量精度要求，因此在該部分電路中無需外加AD，直接使用單片機集成AD即可。 數(shù)據(jù)傳輸與通信經單片機處理后的數(shù)據(jù)分為兩路信號，一路直接從單片機送到LCD顯示，另一路則用于與PC進行信息交互實現(xiàn)單片機與上位機的通信，該系統(tǒng)中采用RS232方式。 上位機軟件功能上位機軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收處理以及溫度顯示的功能，由串口設置、溫度顯示、曲線繪制等幾部分組成。 實時溫度顯示為了能讓設備檢測人員實時了解開關柜的溫度情況，實時溫度數(shù)據(jù)顯示是一種最直接有效的方法。 溫度曲線繪制實時溫度顯示實現(xiàn)對當前目標溫度的顯示，而不能展現(xiàn)一段時間內開關柜溫度情況，溫度曲線是為了描繪某一時間段內開關柜的溫度情況。同時對運用紅外溫度傳感器測量溫度時的一些重要影響因素和設計時應需要注意的問題，如何減小測量結果的誤差做了簡單說明。59第3章 硬件電路設計 設計方案基于紅外傳感器的溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化結構設計，主要由傳感器模塊、信號調理模塊、MSP430F247單片機控制單元、顯示器模塊、PC機通信模塊以及必需的電源模塊組成，整體結構[4]如Error! Reference source not 。它的功能是要將物體紅外輻射量轉化成一個電壓信號。 mV上升時間：20177。 工作溫度：20～100℃?zhèn)鞲衅鲀炔侩姎膺B接如Error! Reference source not ，引腳3分別為被測物體測量信號的正負輸出端，被測物體輻射能量被熱電堆接收轉化為電壓信號。圖 32 傳感器內部電氣連接底視圖 運算放大器系統(tǒng)采用的傳感器輸出信號為毫伏級直流信號，不宜檢測且直流號在傳輸過程中很容易受到干擾，因此設計放大電路時須考慮放大器本身特性對信號的影響，盡量選擇溫飄較小，比較穩(wěn)定的運放，本設計采用的是Intersil公司的ICl7650和Ti公司的OP07兩種運放。OP07芯片[7]是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為177。具體性能參數(shù)如下：超低偏移 150μV Max； 低輸入偏置電流 ；低失調電壓漂移 ℃ ； 超穩(wěn)定時間 2μV/month；最大高電源電壓范圍 177。22V。每個接收器將EIA/TIA232E電平輸入轉換為5V TTL/CMOS電平。30V的輸入。30V輸入電平管腳排列圖 33 MAX232管腳圖 微控制器[8]結合實際運用環(huán)境，整個系統(tǒng)需要的單片機需要集成AD而且要求其性能穩(wěn)定，體積較小，具有一定的處理速度，此外還需具備通信功能。MSP430F247自帶8位的CPU，128字節(jié)的片內數(shù)據(jù)存儲器，4KB的片內程序存儲器、外部的數(shù)據(jù)存儲器以及程序存儲器尋址范圍為64KB、21個專用存儲器、6個8位并行I/O接口、一個14通道的12位的AD轉換器、一個看門狗、兩路USART通信口、一個比較器、一個DCO內部振蕩器和兩個外部時鐘，最高支持8M的時鐘、一個全雙工的串行口2個16位的定時器 /計數(shù)器、3個中斷源、2個中斷優(yōu)先級、111條指令、具有位尋址功能、片內采用單總線結構，其詳細結構如Error! Reference source not 。完全可以滿足溫度監(jiān)測的實時性處理要求。 接口信號說明表 32 FM1602接口說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2Data I/O2VDD電源正極10D3Data I/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4Data I/O4RS數(shù)據(jù)命令選擇端(H/L)12D5Data I/O5R/W讀寫選擇端(H/L)13D6Data I/O6E是能信號14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正極8D1Data I/O16BLK背光源負極 RAM地址映射控制器內部帶有80*8位（80字節(jié)）的RAM緩沖區(qū)，對應關系如Error! Reference source not 。其中5V由USB供電。如Error! Reference source not 。圖 39 傳感器采集傳感器輸TP、TP+輸出端為被測物體輻射能量的微弱直流電壓信號，NiRTD為環(huán)境溫度電阻信號輸出端，其阻值為K級。圖 310 電阻到電壓轉換如上所述紅外傳感器輸出信號不僅小而且易受干擾，要獲取較高測量精度須設計相應的放大濾波電路。因此在設計該部分電路時采用了常用于微弱信號放大的儀用放大器的原理，其原理如Error! Reference source not 。差分式放大電路具有以下特點：(1)、高輸入阻抗，可以減小信號源內阻的影響。(3)、低噪聲、低漂移，主要特征是對信號源的影響小，具有較強的信號獲取能力和穩(wěn)定輸出的特性。雖然上述儀用放大器能夠抑制一部分噪聲信號，但考慮到電路的相互干擾和實際環(huán)境，需在放大之后再加一低通濾波器，濾除其他噪聲。三種濾波器各有特點，巴特沃茲濾波器的幅頻響應在通帶中具有最平幅度特性，但是從通帶到租代衰減比較慢；切比雪夫濾波器能迅速衰減，但允許通帶中有一定文波；而貝塞爾濾波器著重于相頻響應，其相移與頻率基本成正比，可得到失真較小的波形。圖 312 巴特沃茲低通濾波器濾波電路最重要的一個性能指標為通帶截止頻率fc=1/2πRC，根據(jù)直流信號的特點，選取R8=20KΩ，C=510nF，可計算得fc≈15HZ。圖 313 濾波電路幅率響應綜上所述被測物體溫度電壓信號前端處理電路設計如Error! Reference source not 。根據(jù)單片機工作的必備條件和需要實現(xiàn)的功能，該電路設計主要包括外接晶振、JTAG口、上電復位電路以及IO接口電路。圖 315 晶振電路MSP430F247JTAG是單片機程序燒制的必須接口，其標準為IDC 14封裝形式，第9腳GND接地，其余l(xiāng)腳TDO、3腳TDI、5腳TMS、7腳TCK、11腳 RESET分別接到MSP430F247對應接口。復位電路由電阻、電容、二極管以及按鍵組成如Error! Reference source not found.，從電阻和電容、二極管和按鍵之間引出信號接到MSP43OF247的 RST/NMl腳。圖 317 復位電路因此單片機電路連接如Error! Reference source not found.圖 318 單片機電路連接 液晶顯示模塊根據(jù)前面對FM1602液晶顯示器的介紹，其電路連接[9]如Error! Reference source not found.。第3腳接一電位器，調節(jié)電位器控制顯示對比度。圖 319 LCD顯示 串行通信模塊RS232通信模塊[15]的電路如Error! Reference source not ，通過1μF電容接地，濾去高頻。第114腳連接串口，PC機通過串口接收單片機傳出的數(shù)據(jù)并向單片機發(fā)送指令。選擇元器件時對該系統(tǒng)中主要的器件相關參數(shù)以及主要功能進行了詳細的描述，對其他未介紹的模擬器件將根據(jù)電路制作實際情況而定。本次設計采用的單片機開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench，該軟件支持匯編、C以及其他多種編程語言，具備單步調試、變量查看等調試功能。AD轉換部分包含兩路AD轉換(環(huán)境溫度和被測溫度)的啟動、AD轉換結果的讀取和保存等部分；LCD顯示部分負責將被測溫度和環(huán)境溫度在LCD對應位置顯示出來。被測物體溫度根據(jù)環(huán)境溫度，同樣采取結合計算與查表的方式來獲取。圖 41 單片機軟件流程 各部分程序設計 系統(tǒng)初始化時鐘初始化 MSP430F247基礎時鐘模塊提供3種時鐘信號[13][16]:(1)MCLK主時鐘，MCLK可用軟件選擇來自XTZCLK、LFXTICLK以及DCO信號經l、4或8分頻后得到，MCLK用于CPU和系統(tǒng)。(3)SMCLK子時鐘，SMCLK同MCLK主時鐘一樣可通過軟件選擇來自XTZCLK、LFXTICLK以及DCO信號經l、4或8分頻后得到， SMCLK由軟件選作外圍模塊的時鐘信號。 } BCSCTL1 = CALBC1_8MHZ。 P5DIR |= 0x78。 // 、4 }由于外加晶振有可能會出現(xiàn)不起振的情況，故在程序中加入了對DOC振蕩器進行初始化。程序將P5端口的6腳設置為輸出，作為檢測三種時鐘信號的測試口。輸入模擬電壓轉換公式為[13]：NADC=4095VinVRVR+VR (51)參考電壓VR+有三種選擇，分別是模擬電壓正端（AVCC）、A/D轉換器內部參考電源的輸出正端（VREF+）以及外部參考源的正輸入端（VeREF+）；VR可以是模擬電壓負端（AVSS）和A/D轉換器參考電壓負端(VREF/VeREF)。紅外傳感器輸出環(huán)境溫度和被測物體溫度信號，被測物體實際溫度須由這兩個信號進行相關計算，因此采用序列通道多次轉換模式[16][17]。 // 將A0，A1設置為輸入 ADC12CTL0 = ADC12ON。 // 序列通道多次轉換 ADC12MCTL0 = INCH_0 + SREF_0。 // 參考電壓為VCC和VSS ADC12IE = 0x0002。本設計中需要對LCD的顯示方式，光標顯示，字符顯示進行初始化，具體程序如下：void init_LCD1602(){ int i,j。 //顯示清屏write_(0x38)。 //開顯示,無光標顯示 write_(0x06)。void write_(uchar ){check_busy()。 CLR_RW。SET_EN。CLR_EN。 UART初始化[17] 通用串行同步/異步(UART)是一個串行通信接口，它允許7或8位串行位數(shù)據(jù)流以預設的速率或外部時鐘確定的速率移入、移出MSP430F247。void init_uart(void){ UCA0CTL1 = UCSWRST。 //串口通信時鐘為ACLK UCA0BR0 = 0x03。 UCA0MCTL = 0x06。 //、5設置為串口通信模式 UCA0CTL1 amp。 //初始化UCA0狀態(tài)機 IE2 |= UCA0RXIE。由NI1000的性質[18][19]可知該電阻的大小為：R=R01+AT+BT2+CT3+DT4 (51)式中R表示當前的電阻值；R0表示當環(huán)境溫度為0時的電阻值，為1000歐姆；T為當前的溫度值；A、B、C、D為一常數(shù)，10101011017。+B39。R12+D39。R7 (52)其中R表示當前的電阻值；T為當前的環(huán)境溫度值；A39。、C39。、E39。上述可知式52中的最后兩項值比較小，實際計算是忽略不計，因此環(huán)境溫度信息處理程序如下：void int_dataconvert(int array[8]){ float vi,r。 for(i=0。i++) sum=sum+array[i]。 vi=aver*。 temp=(int)(()+*(sqrt(+*r)))；} 目標溫度由于被測物體溫度受環(huán)境溫度影響，因此需要對紅外溫度傳感器輸出信號進行一定補償[20]，補償算法如下：UO=ερTO3T3 (51)其