基于紅外溫度傳感器的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1、基于紅外溫度傳感器的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計摘要：開關(guān)柜在保障電力系統(tǒng)安全中起著關(guān)鍵作用。長期的運行，必然會出現(xiàn)超負荷運轉(zhuǎn)、開關(guān)老化等現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象極易導致設(shè)備局部溫度升高，出現(xiàn)安全隱患。如果沒有及時排除這種隱患，很可能引起設(shè)備故障甚至引發(fā)火災(zāi)，損毀設(shè)備進而對工業(yè)生產(chǎn)、企業(yè)運作造成巨大損失。因此，對開關(guān)柜內(nèi)易出現(xiàn)高溫的部分進行實時溫度監(jiān)測具有重要意義。針對上述問題，本文設(shè)計實現(xiàn)了一套開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用紅外溫度傳感器TS118-3進行溫度信息采集，傳感器輸出模擬信號經(jīng)放大濾波處理后送入微控制器單元MSP430F247進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理采用多次測量取平均值的方式，從

2、而減小測量誤差。最后被測目標的實時溫度一方面通過液晶屏FM1602顯示出來，以便工作人員現(xiàn)場查看，另一方面則通過RS232上傳至計算機，由上位機軟件對其進行分析處理實現(xiàn)遠程監(jiān)測。本文設(shè)計的實時溫度監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過實驗驗證，能實現(xiàn)對被測物體溫度的實時監(jiān)測。關(guān)鍵詞：紅外溫度傳感器； MSP430F247； 開關(guān)柜；實時監(jiān)測Design of temperature monitoring System based on infrared temperature sensorAbstract: The switch cabinet plays an important role in keeping th

3、e safety of the electricity system. In the long term operation, it will appear equipment overload running or switch aging phenomenon, and these phenomena can easily increase the temperature of the device, and thus incurring hidden danger. If the danger is not promptly eliminated, it is likely to lea

4、d to many problems, such as equipment failure, fire disaster, which will damage to industrial production and cause heavy loss. Therefore, the real-time monitoring of temperature of switch cabinet has a great significance.In view of the above questions, this paper designs and produces a set of on-lin

5、e monitoring system. The system uses infrared temperature sensor TS118-3 to collect temperature information, and the signal is amplified and filtered processing, then sent to MSP430F247 micro controller unit to complete digital converter and corresponding data processing. Data processing employs the

6、 method of measuring many times and taking average to reduce measurement errors. The temperature is displayed by FM1602. The temperature data through RS232 uploaded to the computer, which is analyzed by PC software to realize the remote monitoring.The real-time temperature monitoring system through

7、experiments, verified that the system achieve real-time monitoring the object.Key words: Infrared temperature sensor, MSP430F247, Switchgear, Real-time monitoring目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒 論 11.1 選題目的及意義 11.2 研究技術(shù)現(xiàn)狀 2 2 31.3 主要內(nèi)容和安排 3第2章 紅外測溫原理和方案設(shè)計 52.1 紅外測溫原理 5 5 5 5 62.2 紅外測溫影響因素 6 6 7 7 72.3 系統(tǒng)總設(shè)計方

8、案 82.4 硬件電路功能 8 8 8 9 9 92.5 上位機軟件功能 9 10 10 102.6 本章小結(jié) 10第3章 硬件電路設(shè)計 113.1 設(shè)計方案 113.2 器件選型 11 11 12 13 13 143.3 電路設(shè)計 16 16 17 17 20 22 233.4 本章小結(jié) 23第4章 單片機軟件設(shè)計 244.1 開發(fā)環(huán)境介紹 244.2 程序總體設(shè)計 244.3 各部分程序設(shè)計 25 25 284.4 本章小結(jié) 29第5章 上位機軟件設(shè)計 305.1 方案設(shè)計 305.2 程序設(shè)計 30 31 32 32 33 345.3 本章小結(jié) 35第6章 總結(jié)與展望 366.1 工作總

9、結(jié) 366.2 展望 36致 謝 38參考文獻 39附錄1 41附錄2 47附錄3 48附錄4 49附錄5 50第1章 緒 論1.1 選題目的及意義近年來紅外測溫技術(shù)被越來越多的企業(yè)和廠家所認識和接受，在冶金、石化、電力、交通、水泥、橡膠等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。紅外測溫具有如下優(yōu)點1：(1、不需要接觸被測物體，不會擾亂被測物體的溫度場，不影響溫場分布，從而具有較高的測量準確度；(2、在測量過程中，光電器件不必和被測介質(zhì)達到熱平衡，所以測量速度快，因而能檢測溫度的迅速變化過程，并能測量運動物體的溫度；(3、 測溫范圍廣，采用紅外接受器件，可以測量相當高的溫度，下限可測量-170；(4、測量距離可

10、近可遠，近者可達幾厘米，甚至更小，遠者可達近百公里；(5、可以測量小面積的目標，目前可測量出直徑小至7.5m的目標溫度；(6、測量對象以黑體最為合適，但也可以測量一般物體。正是這些優(yōu)點使得紅外測溫技術(shù)得到越來越受到廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)在溫度測量領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢。隨著電力系統(tǒng)的大容量化、高電壓化、結(jié)構(gòu)復雜化、用電客戶對電網(wǎng)穩(wěn)定性提出越來越高的要求，供電控制設(shè)備的安全運行對社會生產(chǎn)具有非常重要的作用。因此對供電控制設(shè)備進行實時的狀態(tài)監(jiān)測十分必要。電力系統(tǒng)中，開關(guān)柜的應(yīng)用相當廣泛，擔負著開合電氣設(shè)備、保護設(shè)備安全的雙重重任，其內(nèi)部導電連接處的接觸特性直接影響到控制器件工作的可靠性。開關(guān)柜由許多繼

11、電器和強電控制器組成，在設(shè)備長期運行過程中，會出現(xiàn)接觸點老化、接觸不良、接線柱松動等情況。這些情況容易導致設(shè)備局部發(fā)熱或者產(chǎn)生電弧，燒蝕周圍部件，造成設(shè)備損壞、停電事故甚至引發(fā)火災(zāi)，給工廠、企業(yè)單位、國家等造成巨大經(jīng)濟損失。為了確保電力系統(tǒng)的安全運行，最大程度地降低事故發(fā)生率，需要對開關(guān)柜關(guān)鍵部位的溫度進行在線監(jiān)測，達到對設(shè)備運行情況的實時了解，以減少設(shè)備故障次數(shù)，防止重大安全事故的發(fā)生。本文針對該問題旨在設(shè)計實現(xiàn)一套基于紅外測溫傳感器的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。1.2 研究技術(shù)現(xiàn)狀開關(guān)柜大多處于高溫、高壓、強電場、強電磁環(huán)境中，要實現(xiàn)對它的溫度測量，必須保證測量裝置在上述惡劣環(huán)境條件下具有較強的適應(yīng)能力

12、。目前開關(guān)柜測溫方式大多采用接觸式測溫和非接觸式測溫兩種形式23。接觸式測溫是通過設(shè)在測量點的溫度傳感器直接測量溫度，有熱電偶間接測溫法、集成溫度傳感器測溫法等。非接觸式測溫是通過熱輻射原理來測量溫度的，測溫元件不需與被測介質(zhì)接觸，有紅外傳感器測溫法、光纖溫度傳感器測溫法等。接觸式測量的優(yōu)點在于測量點位置不受限制，傳感器安裝布局靈活、簡單、可靠，且測量精度高。其缺點在于必須要求傳感器在高溫、強電場、強磁場環(huán)境條件下具有較強的可靠性，還必須解決傳感器與采集部分的高壓隔離以及傳感器自身的工作電源問題。而且由于測溫元件需與被測介質(zhì)接觸后進行熱交換，才能達到熱平衡，從而具有一定的安全隱患。另外，接觸式

13、傳感器受到耐高溫材料的限制，接觸式測溫不能應(yīng)用于很高溫度的測量。非接觸式測溫的優(yōu)點在于接收器(傳感器可遠離被測對象，解決了高壓隔離以及傳感器環(huán)境溫度高的問題，測溫速度較快，不會破壞被測物體的溫度場。其缺點是只能測量在傳感器視角范圍內(nèi)的測量點的溫度，且受到物體的發(fā)射率，被測對象到測量裝置之間的距離，煙塵和水汽等其它介質(zhì)的影響，一般測溫誤差較大。 上述兩種測溫形式常用的方法有貼色片測溫法、熱敏電阻式測溫、光纖測溫、紅外輻射測溫法。貼色片測溫根據(jù)色片顏色隨溫度的不同而發(fā)生變化的原理來實現(xiàn)溫度的測量，測溫準確度低，可靠性差。熱敏電阻式測溫系統(tǒng)在開關(guān)柜內(nèi)部惡劣的環(huán)境下具有很大的誤差，布線復雜且易損壞、維

14、護量大。光纖測溫是將光纖作為溫度傳感器，通過溫度變化調(diào)制透過光纖的光強來確定溫度，對光源、發(fā)射和接收電路的技術(shù)和穩(wěn)定性要求高，測量速度慢、空間分辨率低、系統(tǒng)實現(xiàn)困難。光纖測溫的另一種形式是以半導體溫度傳感器作為探頭，光纖作為傳光介質(zhì)，該方法缺點在于測量裝置大，減小了開關(guān)柜內(nèi)的絕緣空間，給開關(guān)柜的安全運行帶來隱患，另外還需要外加工作電源，更換電源時需停電，影響系統(tǒng)的運行。紅外輻射測溫法，是通過感知被測目標的溫度變化對應(yīng)紅外輻射變化來確定其溫度，也是一種非接觸測量方式，其測量結(jié)果受環(huán)境影響大，準確度較低，可通過大量實驗數(shù)據(jù)對測量結(jié)果進行校正。1目前國內(nèi)外對高壓開關(guān)柜溫度的測量同樣通過上述兩種方式來

15、實現(xiàn)。國外的ABB配電公司開發(fā)了一種名為“SafeGuard”的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，用于對高壓開關(guān)柜的關(guān)鍵部位進行連續(xù)不斷的溫度測量。其原理是采用一個SAW元件直接安裝在測量點上作為溫度傳感器，利用傳感器的信號通過振蕩電路產(chǎn)生一個頻率與溫度相關(guān)的脈沖信號，使用微處理器進行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)與PC機監(jiān)測的連接。整個系統(tǒng)采用全數(shù)字化設(shè)計以抑制強電磁場干擾，并用微機聯(lián)網(wǎng)對高電位上三相多點的溫度實行二十四小時連續(xù)集中遙測和實現(xiàn)過熱報警。我國北京安伏電子技術(shù)有限公司開發(fā)的SCAN-3000分布式光纖測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一種由光纖傳輸溫度信號的高技術(shù)傳感器，為一種非接觸式測量。由于光纖的高絕緣性能，使其在高壓電器設(shè)

16、備方面有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如中高壓電纜接頭的運行溫度在線監(jiān)測、母線連接點的運行監(jiān)測、主變壓器內(nèi)部有載分接開關(guān)連接處的運行溫度監(jiān)測、避雷針等其它設(shè)備的溫度監(jiān)測。SCAN-3000分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)高壓運行部件的在線監(jiān)測，與傳統(tǒng)的蠟片和色溫法相比，具有良好的實時性和穩(wěn)定性，但是存在光纖沿表面放電的問題，需要很長的沿面放電時間，所以存在一定的缺陷。鑒于以上分析，有必要研究一種應(yīng)用于高壓開關(guān)柜設(shè)備溫度在線監(jiān)測裝置，不僅要實現(xiàn)高壓隔離，溫度實時監(jiān)測，而且還要解決傳感器環(huán)境溫度高、電磁干擾等問題。1.3 主要內(nèi)容和安排本系統(tǒng)采用紅外溫度傳感器對開關(guān)柜溫度進行采集，提高了準確性和安全性。系統(tǒng)采用的

17、紅外溫度傳感器體積小、性能好，再加上穩(wěn)定的運放和精度較高的A/D處理，運用多次采集取平均值的數(shù)據(jù)處理方式，通過一定實驗對測量結(jié)果進行修正，可實現(xiàn)對目標溫度的準確測量。本文所研究的開關(guān)柜溫度在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，主要由三部分構(gòu)成:溫度數(shù)據(jù)采集、單片機數(shù)據(jù)處理和上位機監(jiān)控軟件部分。傳感器對柜內(nèi)開關(guān)觸點的溫度進行采集，目標溫度信號通過放大濾波處理送至單片機MSP430F247，該信號由單片機集成的12位A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，根據(jù)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換為溫度值，然后存儲等待上位機查詢，并送LCD顯示，若上位機發(fā)出數(shù)據(jù)查詢命令則將單片機儲存的數(shù)據(jù)通過串口送到上位機。然后對觸點的溫度數(shù)據(jù)進行存儲、分析，通過相應(yīng)的計算

18、得出目標溫度值并繪制出目標溫度曲線。開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件由在線監(jiān)測和實時分析兩部分組成。軟件具有在線采集、監(jiān)測、繪制溫度曲線、數(shù)據(jù)保存等功能。論文的主要工作是:根據(jù)上述系統(tǒng)要求，設(shè)計合理的方案、選擇適當?shù)钠骷?、設(shè)計可靠的硬件電路，并完成電路焊接調(diào)試，編寫電路控制單元軟件以及上位機軟件。本文章節(jié)安排如下:第1 章:主要介紹本論文的相關(guān)背景、研究現(xiàn)狀、研究目的、主要內(nèi)容。第2章:詳細介紹紅外測溫原理、誤差分析。給出了系統(tǒng)總體框架圖，對各部分的功能進行簡要介紹。第3章:主要介紹了系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計實現(xiàn)，包括原理圖的設(shè)計、電路焊接、調(diào)試。第4章: 簡要介紹了單片機的開發(fā)環(huán)境，重點介紹了單片機軟

19、件的設(shè)計過程及具體實現(xiàn)。 第5章:主要介紹了系統(tǒng)上位機軟件的設(shè)計。第6章:對本課題系統(tǒng)的設(shè)計過程進行了總結(jié)，就目前仍存在的問題，提出了改進的方向和一些實施辦法。第2章 紅外測溫原理和方案設(shè)計2.1 紅外測溫原理2自然界中凡是溫度高于絕對零度的物體都會產(chǎn)生紅外輻射，輻射通量密度是物體溫度的函數(shù)，且與物體本身發(fā)射能力有關(guān)。物體所發(fā)出的紅外輻射能量的強度與其溫度成比例。物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能量越強。紅外傳感器經(jīng)匯聚的紅外光照射后產(chǎn)生信號，該信號傳到處理電路，處理電路對其進行處理并計算出物體的溫度。12溫度為T的物體，其輻射出射度M(,T(輻射源在單位面積上向半球空間發(fā)射的總輻射功率，單位

20、為W/CM2由溫度決定。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，由下式求出：(黑體 (2-1式中為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)；T為物體熱力學溫度。2在任意溫度下，黑體光譜輻射通量最大值所對應(yīng)的峰值波長 與溫度T乘積為一常數(shù)，這就是維恩位移定律，即(2-2其中m為光譜輻射出射度的峰值波長；為一常數(shù)。因此，光譜輻射出射度的峰值波長與絕對溫度成反比。12任何物體都不斷發(fā)出和吸收輻射能量。當物體從周圍吸收的能量功率恰好等于自身輻射減小的能量功率時達到熱平衡。于是，輻射體可以用一個確定的溫度來描述。物體輻射度M(,T和吸收比(,T的比值與物體的性質(zhì)無關(guān)，只是波長和溫度的普適函數(shù)：(2-3不同的物體對外來輻射的吸收，以及它本身

21、向外的輻射都不相同。根據(jù)吸收比定義可知吸收比是被物體吸收的輻射通量與入射的輻射通量之比，它是物體溫度及波長等因素的函數(shù)。當(,T=1時，這種物體被定義為絕對黑體。換言之，絕對黑體是能夠在任何溫度下，全部吸收任何波長的入射輻射的物體。在自然界中，理想的黑體是沒有的，吸收比總是小于1。123單位面積的黑體在半球面方向上單位時間里光譜輻射能量是黑體溫度T和波長的函數(shù)，這就是普朗克定律。它給出了絕對黑體輻射的光譜分布(2-4其中M(,T為絕對黑體的輻射出射度；T為絕對溫度；為波長；C1為第一輻射常數(shù)；C2為第二輻射常數(shù)。此外紅外輻射，又稱紅外線，是物質(zhì)分子在其振動狀態(tài)發(fā)生改變時輻射出的電磁波，其波長在

22、0.76m到1000m之間。紅外輻射是不可見光，但是具有較強的熱效應(yīng)。由以上相關(guān)理論可得到實際測量物體溫度與其紅外輻射度的關(guān)系為：(對于非黑體 (2-5式中為物體表面的發(fā)射率 ；為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)；T為物體熱力學溫度。因此由式(2-5可得，被測目標的溫度為：(2-62.2 紅外測溫影響因素通過以上原理描述可知輻射率的大小決定了物體的紅外能量幅出度與被測物體實際溫度緊密相關(guān)。輻射率是指一般物體相對于黑體的輻射能力大小的物理量，與物體的材料形狀、凹凸度、表面粗糙度等因素有關(guān)，另外也與測量的方向有關(guān)。不同物質(zhì)的輻射率是不同的，常見物質(zhì)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

23、于它的輻射率。紅外溫度傳感器都有一個測量視角，測溫裝置的精度與被測物體尺寸和傳感器視角相關(guān)。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。待測物體的尺寸與傳感器視角有以下幾種關(guān)系：1、當待測物體尺寸小于測試視角時，被測物體周圍事物輻射的能量就會進入傳感器的測量區(qū)域，干擾測溫數(shù)據(jù)，造成誤差。最終得到溫度信息是被測物體和周圍事物溫度的加權(quán)平均值。因此，在實際測溫時，通常要求被測物體尺寸要超過傳感器視角大小的50%。2、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(nèi)確定面積的實際溫度，此時傳感器的測試效果最佳。3、當

24、被測目標等于傳感器測試視角時，由于環(huán)境中物體間的能量在不斷的傳遞，尤其是事物與事物直接相互接觸部位，所以此時被測物體溫度已受到一定程度影響，但一般影響還比較小，測試效果相對可信。從上述幾種情況可看出在設(shè)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。所有能量的傳遞都會有一定程度的衰減，被測物體輻射出的能量在傳送到傳感器的過程中同樣會受到外界環(huán)境的影響，造成能量衰減，衰減程度與傳感器到被測物體的距離相關(guān)，距離越遠衰減越大。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。紅外測溫的準確性還與

25、環(huán)境溫度有很大關(guān)系，被測物體處于一定溫度的環(huán)境中，自身輻射能量的同時會吸收環(huán)境的輻射能量。假設(shè)被測物體的溫度為T0，環(huán)境溫度為T1，此時該被測物體單位面積發(fā)射的輻射能量為A.T04，被它所吸收的環(huán)境輻射能量為T14，因此該物體單位面積發(fā)出的凈輻射能量為 (2-8式中A為單位面積，為物體吸收率，為物體發(fā)射率，為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)。綜合以上分析，在設(shè)計溫度測量裝置時需要充分考慮這些影響因素，采取適當?shù)姆椒p小由這些因素所引起的測量誤差。2.3 系統(tǒng)總設(shè)計方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，主要實現(xiàn)高壓開關(guān)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(guān)柜的實時溫度情況，判斷是否存在異常和安全隱患。因此系統(tǒng)

26、的整體結(jié)構(gòu)如圖 31所示。數(shù)據(jù)處理模塊包括前置放大濾波、AD轉(zhuǎn)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(chǎn)生中斷執(zhí)行相應(yīng)程序，將數(shù)據(jù)通過RS232傳至上位機。上位機軟件具有數(shù)據(jù)實時處理、數(shù)據(jù)分析溫度實時顯示等功能。圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.4 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(diào)理、數(shù)據(jù)處理、溫度顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，因此可以將硬件電路分為以下幾個模塊。系統(tǒng)采用具有安全、準確、快速等優(yōu)點的紅外溫度傳感器進行溫度信號采集。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(nèi)部調(diào)理電路處理，分別將被測物體紅外輻射能量和

27、環(huán)境溫度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號和電阻信號，再送入后續(xù)調(diào)理電路進行相應(yīng)處理。紅外溫度傳感器輸出被測目標溫度信號大都為毫伏級甚至微伏級的電壓信號，且傳感器和整個測量裝置處于高溫、高壓、高磁場的環(huán)境中，其輸出信號攜帶大量噪聲，因此在進行后續(xù)處理前首先應(yīng)該對傳感器信號進行適當?shù)姆糯鬄V波處理，濾除噪聲，放大有用信號。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。此外，由于單片機只對電信號進行處理因此該模塊同時還完成電阻值信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換。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(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)才能送入單片機

28、進行處理。單片機將所接收的數(shù)字信號通過一定的算法轉(zhuǎn)換成實際溫度值，然后送LCD顯示，同時將數(shù)據(jù)儲存起來，等待上位機查詢時，一旦有查詢指令到來就將存儲的數(shù)據(jù)以規(guī)定的格式送出。本設(shè)計中采用的MSP430F247系列單片機集成了12位的AD，對于本次設(shè)計已經(jīng)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。采用LCD對被測物體溫度進行實時顯示，實現(xiàn)人機數(shù)據(jù)交互，方便工作人員在進行設(shè)備巡查時了解其溫度信息。經(jīng)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RS-232方式。本次設(shè)計中只設(shè)計制

29、作單個測溫點不存在多點通信的問題，因此只要單片機接收到串口中斷，就會將存儲區(qū)中存儲的溫度數(shù)據(jù)傳送到上位機，由上位機完成相應(yīng)處理。2.5 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(shè)置、溫度顯示、曲線繪制等幾部分組成。上位機與硬件電路的通信必須保證兩者的數(shù)據(jù)格式、發(fā)送接收速率等完全一致，串口設(shè)置即完成對端口號、波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位、停止位的設(shè)置。為了能讓設(shè)備檢測人員實時了解開關(guān)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。該部分通過相應(yīng)算法，將從硬件電路接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的溫度值，并把這些溫度值實時的顯示出來，供工作人員查看。實時溫度顯示實現(xiàn)對當前目標溫

30、度的顯示，而不能展現(xiàn)一段時間內(nèi)開關(guān)柜溫度情況，溫度曲線是為了描繪某一時間段內(nèi)開關(guān)柜的溫度情況。2.6 本章小結(jié)本章主要介紹了紅外測溫的原理，遵循的理論依據(jù)，根據(jù)原理推導出計算溫度的公式。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(shè)計時應(yīng)需要注意的問題，如何減小測量結(jié)果的誤差做了簡單說明。最后根據(jù)測溫原理設(shè)計出了整個系統(tǒng)的總體方案，簡要介紹了一些重要模塊的相關(guān)功能，每一部分功能的具體實現(xiàn)會將在后續(xù)的章節(jié)加以詳細闡述。第2章 硬件電路設(shè)計3.1 設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、MSP430F247單片機控制單元、顯示器模塊、PC機

31、通信模塊以及必需的電源模塊組成，整體結(jié)構(gòu)4如圖 31所示。圖 31 硬件電路結(jié)構(gòu)3.2 器件選型5傳感器采用江門市安泰電子有限公司的TS118-3型非接觸式紅外溫度傳感器，TS118-3是一種熱電堆傳感器，多應(yīng)用于非接觸式溫度測量。它的功能是要將物體紅外輻射量轉(zhuǎn)化成一個電壓信號。相關(guān)參數(shù)說明如下：精確度：80v/w濾波范圍：814um輸出：4.4±1.1 mV上升時間：20±5ms視角大?。?20° 工作溫度：20100傳感器內(nèi)部電氣連接如圖 32所示，引腳1、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(zhuǎn)化為電壓信號。2引腳為環(huán)境溫度信號輸

32、出端，環(huán)境溫度的大小根據(jù)RTD(Resistance Temperature Detector 電阻溫度探測器的阻值確定。圖 32 傳感器內(nèi)部電氣連接底視圖系統(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(shè)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(shè)計采用的是Intersil公司的ICl7650和Ti公司的OP07兩種運放。ICl7650具有低失調(diào)，超低溫漂，高增益、高輸入阻抗特性，其具體性能參數(shù)6如下所示：超低失調(diào)電壓5V max；超低溫漂0.02V/；超低輸入漂流20pA max；高增益135dB min；高

33、共模抑制比120dB min。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。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。具體性能參數(shù)如下：超低偏移 150V Max； 低輸入偏置電流 1.8nA；低失調(diào)電壓漂移 0.5V/ ； 超穩(wěn)定時間 2V/month；最大高電源電壓范圍 ±3V

34、至±22V。1、概述MAX232是一種雙組驅(qū)動器/接收器，片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器以便在單5V電源供電時提供EIA/TIA-232-E電平。每個接收器將EIA/TIA-232-E電平輸入轉(zhuǎn)換為5V TTL/CMOS電平。這些接收器具有1.3V的典型門限值及0.5V的典型遲滯，而且可以接收±30V的輸入。2、特點(1、單5V電源工作(2、LinBiCMOS工藝技術(shù)(3、兩個驅(qū)動器及連個接收器(4、±30V輸入電平3、管腳排列圖 33 MAX232管腳圖8結(jié)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

35、備通信功能。因此選擇德州儀器（Texas Instruments）公司的MSP430F247。MSP430F247自帶8位的CPU，128字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，4KB的片內(nèi)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(zhuǎn)換器、一個看門狗、兩路USART通信口、一個比較器、一個DCO內(nèi)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(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)，其詳細結(jié)構(gòu)如圖 34所示。可以在線對單片機進行調(diào)試和下載，且J

36、TAG口直接和FET相連，不需另外的仿真工具，方便實用，適合工業(yè)級的運行環(huán)境。完全可以滿足溫度監(jiān)測的實時性處理要求。圖 34 MSP430F247結(jié)構(gòu)圖91、 主要技術(shù)參數(shù)表 31 FM1602相關(guān)參數(shù)顯示容量芯片工作電壓工作電流模塊最佳工作電壓字符尺寸16*2個字符4.5V5.5V2.0mA(5.0V5.0V2.95*4.35(WXHmm本設(shè)計只制作單個測溫節(jié)點，需顯示內(nèi)容包括環(huán)境溫度和被測物體溫度，16*2個字符的顯示容量足夠顯示這兩個溫度信號。2、 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10D3Dat

37、a I/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4Data I/O4RS數(shù)據(jù)命令選擇端(H/L12D5Data I/O5R/W讀寫選擇端(H/L13D6Data I/O6E是能信號14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正極8D1Data I/O16BLK背光源負極3、 RAM地址映射控制器內(nèi)部帶有80*8位（80字節(jié)）的RAM緩沖區(qū)，對應(yīng)關(guān)系如圖 35所示。圖 35 RMA地址映射4、 控制器接口時序說明表 33 基本操作時序時序輸入輸出讀狀態(tài)RS=L，RW=H，E=HD0D7=寫指令RS=L，RW=L，D0D7=指令碼,E=高脈沖無讀數(shù)據(jù)RS=H，RW=H，E=HD0D7=數(shù)據(jù)

38、寫數(shù)據(jù)RS=H，RW=L, D0D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖無(1 讀操作時序圖 36 讀操作時序(2 寫操作時序圖 37 寫操作時序3.3 電路設(shè)計1011根據(jù)上述選擇的器件，系統(tǒng)需要提供5V、3.3V、2.5V電源。其中5V由USB供電。而3.3v則由5V經(jīng)LM317穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換得到，2.5V為單片機AD轉(zhuǎn)換基準電壓，該電源無需外部提供。如圖 38所示，正5伏電壓經(jīng)過LM317通過調(diào)節(jié)電阻器R1讓其穩(wěn)定輸出3.3伏電壓。圖 38 電源模塊傳感器即為溫度信息采集部分，根據(jù)前面器件選型中對TS118-3溫度傳感器電器連接關(guān)系的介紹可知信號采集原理圖如圖 39所示。圖 39 傳感器采集傳感器輸TP-、

39、TP+輸出端為被測物體輻射能量的微弱直流電壓信號，Ni-RTD為環(huán)境溫度電阻信號輸出端，其阻值為K級。1112由于紅外傳感器輸出環(huán)境溫度信號為一電阻值，而單片機只能處理電信號，因此將環(huán)境溫度信號送MCU處理前，必需進行信號轉(zhuǎn)換，在本設(shè)計中將阻值信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，其原理如圖 310所示，將該熱敏電阻與一固定電阻串聯(lián)分壓，取熱敏電阻上的電壓再經(jīng)過一射隨器后輸入MCU，其中射隨器實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號隔離的作用，防止數(shù)字信號受模擬信號的干擾。圖 310 電阻到電壓轉(zhuǎn)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(shè)計相應(yīng)的放大濾波電路。被測物體溫度信號前端處理模塊在整個系統(tǒng)中起

40、著關(guān)鍵作用，該模塊的性能決定了整個系統(tǒng)測量的可靠性和準確度。因此在設(shè)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，其原理如圖 311所示。圖 311 儀用放大原理從圖中可以看出該放大電路由兩級放大組成，分別是由A1、A2組成的第一級差分放大和A3獨自構(gòu)成的第二級差分放大。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(nèi)阻的影響。(2、高共模抑制比（CMRR），信號工頻干擾以及所測量參數(shù)以外的干擾，一般為共模干擾，前置級須采用CMRR高的差動放大形式，達到減少共模干擾向差模干擾轉(zhuǎn)化量的目的。(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

41、出的特性。根據(jù)同相放大電路中兩輸入端的虛短虛斷現(xiàn)象可知R1兩端電壓為V1-V2，則通過其兩端電流為(V1-V2/R1=(V3-V4/(2R2+R1，因此可得出(4-1(4-2于是該差分放大電路的電壓增益為 (4-3整個放大電路的噪聲來源主要是共模輸入信號，由以上描述可知該差分式放大電路對共模信號沒有放大作用，其共模電壓增益幾乎為零，從而有效的抑制了噪聲，提高了測量的準確性。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。目前常用的有源濾波器類型有巴特沃茲、切比雪夫、貝塞爾。三種濾波器各有特點，巴特沃茲濾波器的幅頻響應(yīng)在通帶

42、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(yīng)，其相移與頻率基本成正比，可得到失真較小的波形。針對本設(shè)計中溫度信號為一直流電壓小信號這一特點以及濾波電路實現(xiàn)的難易程度，此處采用巴特沃茲低通濾波器，其原理如圖 312所示。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=1/2RC，根據(jù)直流信號的特點，選取R8=20K，C=510nF，可計算得fc15HZ。電路仿真幅頻響應(yīng)如圖 313所示，從圖中可看出可知大約在200HZ點衰減45dB，基本滿足本設(shè)計的需求。圖 313 濾波電路幅率響應(yīng)綜

43、上所述被測物體溫度電壓信號前端處理電路設(shè)計如圖 314所示。圖 314 前端信號調(diào)理1314控制模塊在整個系統(tǒng)中起著最關(guān)鍵的作用，不僅要實現(xiàn)電路的控制、而且還要進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)的處理傳輸。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(shè)計主要包括外接晶振、JTAG口、上電復位電路以及IO接口電路。晶振為整個系統(tǒng)提供時鐘信號，供單片機的CPU和AD進行數(shù)據(jù)處理使用，由于信號采集速度要求不高，因此本設(shè)計中采用32.768KHz低速晶振。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，其第2腳3.3V，第9腳GND接地，其余l(xiāng)腳TDO、3腳

44、TDI、5腳TMS、7腳TCK、11腳 RESET分別接到MSP430F247對應(yīng)接口。圖 316 JTAG電路單片機長期工作難免會出死機，因此對單片機要進行定時的復位操作。復位電路由電阻、電容、二極管以及按鍵組成如圖 317，3.3V接到二極管然后再接按鍵接地，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。電容和電阻組成上電復位，當單片機上電時自動復位，而在單片機運行過程中則通過按鍵S0進行手動復位。圖 317 復位電路因此單片機電路連接如圖 318圖 318 單片機電路連接根據(jù)前面對FM1602液晶顯示器的介紹，其電路連接9如圖 319。LCD顯示器的

45、第714腳為數(shù)據(jù)IO口，分別與MSP430F247單片機的第5組IO相連，讀寫控制端口和使能端口與單片機第5組IO口的前三個IO相連，通過控制三個IO口的輸出控制LCD的狀態(tài)。第3腳接一電位器，調(diào)節(jié)電位器控制顯示對比度。15腳接+5伏電源，控制LCD背景燈。圖 319 LCD顯示RS-232通信模塊15的電路如圖 320所示，電源使用3.3V，通過1F電容接地，濾去高頻。第11、12腳分別與單片機的UCA0RXD和UCA0TXD相連，用于單片機數(shù)據(jù)的傳輸和命令的接收。第13、14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。圖 320 串口通信3.4 本章小結(jié)本章主要介紹了

46、系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案、元器件的選擇以及每一模塊的具體設(shè)計原理。選擇元器件時對該系統(tǒng)中主要的器件相關(guān)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。第2章 單片機軟件設(shè)計4.1 開發(fā)環(huán)境介紹MSP430F247單片機代碼存儲空間為 4k，適合用C語言進行程序設(shè)計，并且C語言程序具有較強的可讀性和移植性。本次設(shè)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(diào)試、變量查看等調(diào)試功能。4.2 程序總體設(shè)計紅外測溫系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)較為簡單，包含AD轉(zhuǎn)換、LCD顯示、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)發(fā)送等幾部分。AD轉(zhuǎn)換部

47、分包含兩路AD轉(zhuǎn)換(環(huán)境溫度和被測溫度的啟動、AD轉(zhuǎn)換結(jié)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(yīng)位置顯示出來。數(shù)據(jù)處理采用取8次轉(zhuǎn)換結(jié)果求平均的方式，減小因數(shù)據(jù)擾動和AD轉(zhuǎn)換的隨機性誤差對測量結(jié)果造成的影響；環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換采用查表和運算相結(jié)合的方法來實現(xiàn)。被測物體溫度根據(jù)環(huán)境溫度，同樣采取結(jié)合計算與查表的方式來獲取。系統(tǒng)軟件流程如圖 41所示。圖 41 單片機軟件流程4.3 各部分程序設(shè)計1、時鐘初始化 MSP430F247基礎(chǔ)時鐘模塊提供3種時鐘信號1316:(1MCLK主時鐘，MCLK可用軟件選擇來自XTZCLK、LFXTICLK以及DCO信號經(jīng)l、2、4或8

48、分頻后得到，MCLK用于CPU和系統(tǒng)。(2ACLK輔助時鐘，ACLK是LFXTICLK信號經(jīng)1、2、4或8分頻后得到的，可用軟件選擇分頻因子，可通過軟件選作外圍設(shè)備的時鐘信號。(3SMCLK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(jīng)l、2、4或8分頻后得到， SMCLK由軟件選作外圍模塊的時鐘信號。本設(shè)計中時鐘信號由32768HZ的低速晶體整蕩器產(chǎn)生，時鐘初始化程序如下：void int_clock(voidif (CALBC1_8MHZ =0xFF | CALDCO_8MHZ = 0xFF while(1; BCSCTL1 = CA

49、LBC1_8MHZ; / 設(shè)置DCO為8MHzDCOCTL = CALDCO_8MHZ;P5DIR |= 0x78; / 將P5.6、5、4、3 設(shè)置為輸出P5SEL |= 0x70; / 選擇P5.6、5、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。外部晶振失效時自動啟用DOC振蕩器，且將其頻率設(shè)為8HZ，供系統(tǒng)使用。程序?qū)5端口的4、5、6腳設(shè)置為輸出，作為檢測三種時鐘信號的測試口。2、AD初始化 MSP430F247包含一個200ksps的ADC12，該ADC12內(nèi)核是一個12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用兩個可編程的參考電壓（VR+和VR-）定義轉(zhuǎn)換的最

50、大值和最小值，當輸入模擬電壓等于或者高于VR+時，ADC12為滿量程輸出0FFFH，當輸入電壓等于或小于VR-時，AD輸出為0。輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換公式為13：(5-1參考電壓VR+有三種選擇，分別是模擬電壓正端（AVCC）、A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)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(zhuǎn)換器參考電壓負端(VREF-/VeREF-。ADC12有單通道單次轉(zhuǎn)換、序列通道單次轉(zhuǎn)換、單通道多次轉(zhuǎn)換和序列通道多次轉(zhuǎn)換四種轉(zhuǎn)換模式。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(guān)計算，因此采用序列通道多次

51、轉(zhuǎn)換模式1617。void init_adc12(voidP6SEL |= 0x03; / 將A0，A1設(shè)置為輸入ADC12CTL0 = ADC12ON; / 開啟AD12ADC12CTL1 = CONSEQ_3+SHS_1; / 序列通道多次轉(zhuǎn)換ADC12MCTL0 = INCH_0 + SREF_0; ADC12MCTL1 = INCH_1 + SREF_0 + EOS; / 參考電壓為VCC和VSSADC12IE = 0x0002; / 使能ADC12IFG.1標志3、LCD初始化 LCD作用是將被測物體的實時溫度信息顯示出來，此次采用的LM1602液晶顯示在使用前首先得對它顯示方式、操

52、作方法等初始化。本設(shè)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;write_com(0x01; /顯示清屏write_com(0x38; /8位數(shù)據(jù)端口,2行顯示,5*7點陣write_com(0x0c; /開顯示,無光標顯示write_com(0x06; /寫一個字符后，地址加1，光標指針加1 程序中調(diào)用了write_com這一寫命令子函數(shù)，其功能是向LM1602寫一個字節(jié)大小的命令以控制LCD。void write_com(uchar comcheck_busy(;CLR_RS;CLR_RW; /指令寄存器寫

53、入RS=0,RW=0DataPort=com;SET_EN;_NOP(;CLR_EN;以上程序操作順序都必須嚴格按照LM1602的操作時序進行，詳細時序已在第四章器件選型中詳細介紹。4、 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(shè)的速率或外部時鐘確定的速率移入、移出MSP430F247。在本系統(tǒng)中，使用它的異步模式UART，數(shù)據(jù)幀格式定為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗。void init_uart(voidUCA0CTL1 = UCSWRST; /初始化UCA0UCA0CTL1 |= UCSSEL_1; /串口通信時鐘為ACLKUC

54、A0BR0 = 0x03; /波特率為9600UCA0BR1 = 0x00;UCA0MCTL = 0x06;P3SEL = 0x30; /將P3.4、5設(shè)置為串口通信模式UCA0CTL1 &= UCSWRST; /初始化UCA0狀態(tài)機IE2 |= UCA0RXIE; /使能UCA0接收中斷1、 環(huán)境溫度根據(jù)前面元器件介紹可知，本設(shè)計中使用的紅外溫度傳感器輸出環(huán)境溫度信號為一電阻值，單片機只檢測電信號，首先采用串聯(lián)一個2000歐姆電阻分壓的方法將該電阻值進行轉(zhuǎn)換為其分擔的電壓值，外加電源為5伏直流電壓。由NI1000的性質(zhì)1819可知該電阻的大小為：(5-1式中R表示當前的電阻值；R0表

55、示當環(huán)境溫度為0時的電阻值，為1000歐姆； 為當前的溫度值；A、B、C、D為一常數(shù)，其值分別為5.485×10-3、6.650×10-8、2.805×10-11、-2.000×10-17。由此可得當前環(huán)境溫度值為：(5-2其中 表示當前的電阻值； 為當前的環(huán)境溫度值； 同樣為一常數(shù)值，分別為-412.6、140.41、0.00764、-6.25×10-17、-1.25×10-24。上述可知式5-2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 array8fl

56、oat vi,r;long int temp,a,b,c,d,i,aver,sum=0;for(i=0;i<8;i+sum=sum+arrayi;aver=sum/8; vi=aver*3300.0/4095.0;r= vi*2000.0/(5.0-vi/1000.0;temp=(int(-412.6+140.41*(sqrt(1.0+0.00764*r；2、 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：(5-1其中UO表示被測物體輻射能量轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號；T為當前環(huán)境溫度值，T0為被測物體溫度；為一常數(shù)，其值為1.0514×10-5；為被測物體發(fā)射率。被測物體目標溫度程序如下：void int_dataconvert0( int array8,int tfloat vi,;int t0,a,b,c,d,i,temp,aver,sum=0;t0=t;p=1.0;for(i=0;i<8;i