基于ARM核的熱釋電紅外測(cè)溫儀的研制

1、基于ARM核的熱釋電紅外測(cè)溫儀的研制摘要 熱釋電紅外測(cè)溫儀是一種利用物體熱釋電效應(yīng)而制成的新型紅外測(cè)溫儀器，它以黑體輻射定律作為理論基礎(chǔ)，是光學(xué)理論和微電子學(xué)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)的測(cè)溫方式相比，具有響應(yīng)時(shí)間短、非接觸、不干擾被測(cè)溫場(chǎng)、使用壽命長(zhǎng)、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。 本文詳細(xì)介紹了熱釋電紅外測(cè)溫儀測(cè)溫的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，以熱釋電紅外測(cè)溫儀現(xiàn)階段的技術(shù)作為參考，提出并研制了一種基于ARM內(nèi)核的高性能的嵌入式微處理器的熱釋電紅外測(cè)溫系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)方式，給出了硬件原理圖和軟件的設(shè)計(jì)流程圖。文中還對(duì)影響熱釋電紅外測(cè)溫儀測(cè)溫精度的因素和軟硬件的相關(guān)設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的分析，并采取了相

2、應(yīng)措施，本文主要做了以下工作： 闡述了紅外測(cè)溫儀的發(fā)展現(xiàn)狀和分類(lèi)，并指出了本文的研究意義；闡述了熱釋電紅外測(cè)溫儀的原理，并對(duì)目前紅外測(cè)溫儀的幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹；對(duì)ARM核微處理器作了詳細(xì)的介紹，并對(duì)本文用到的ARM核芯片LPC2132的功能特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的介紹;詳細(xì)分析了系統(tǒng)的功能要求，提出了總體設(shè)計(jì)方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，對(duì)每個(gè)部分所完成的功能和設(shè)計(jì)思路作了說(shuō)明；介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，以流程圖的方式介紹了各個(gè)功能的具體實(shí)現(xiàn)；對(duì)影響紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫誤差的因素進(jìn)行了分析，對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的軟硬件干擾問(wèn)題做了相應(yīng)的抗干擾措施；為本文研究的主要結(jié)論，對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步的研究

3、工作進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：熱釋電傳感器，紅外測(cè)溫儀，ARM，LPC2132Abstract PIR thermometer is a kind of infrared thermometer that makles use of the pyroelectricity effect,it uses the blackbody radiation laws as the theories foundation,it is the outcome that the optical theories and microelectronics lear n comprehensive developme

4、ntCompared to the way of traditional temperature measurement,it has a series of merits,such as short in response time,non-contact,noninterference to temperature field ,long useful time and convenient operation,etc This paper introduces the basic principle of PIR and the method of realization in deta

5、ilWilh the technique that the IR thermometer's present stage as a referenceIt put forward and develop a kind of measure system according to the embedded microprocessor of high performance ARMThe paper introduces the composing and the method of that system in detailand gives the hardware principl

6、e diagram and design flow chart of the softtwareThe factors that influence PIR thermometers accuracy and the related interference of hardware and software are analyzed in detail,and adopted to corresponded megtsuresThe following work is done： The present condition and classification of IR thermomete

7、r are introduced elaborately,and the meaning of this research is point out;The principle of PIR is introduced；The way to measure IR radiation is presented；The ARM microprocessor is made detailed introduction,and the function characteristics and structure of the ARM chip LPC2132 is made a good introd

8、uction；The function of the total design project is introduced，The hardware parts base on this system are designed，and made elucidation to the function and the design way ofthinking that each part eomplete；The software parts of PIR thermometer are proposed,the module of each part is realized in flow

9、chart；the factors that interfere measures error are carried on analysis，the interference of the sottware and hardware are discussed,and did some antiinterference measures；The main research conclusion is summarized,the prospect of further research of PIR thermometer is proposedKeywords:PIR,Infrared t

10、hermometer,ARM，LPC2132第一章緒論11課題背景溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)之一，它的測(cè)量與控制在國(guó)防、軍事、科學(xué)研究以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。在工業(yè)生產(chǎn)中，我們需要經(jīng)常對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)確保設(shè)備的安全運(yùn)行，而對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)通常通過(guò)測(cè)量其表面的溫度來(lái)進(jìn)行現(xiàn)代的工業(yè)設(shè)備往往是在高電壓、大電流以及其它危險(xiǎn)情況下運(yùn)行的，傳統(tǒng)依靠人工接觸式檢測(cè)的方法既浪費(fèi)時(shí)間、物力、人力，又帶有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)對(duì)測(cè)溫儀所采用的材質(zhì)也有嚴(yán)格的限制，在這樣的場(chǎng)合下，儀器的使用壽命也成為設(shè)計(jì)接觸式測(cè)溫儀時(shí)的一個(gè)重點(diǎn)考慮問(wèn)題因此有必要去應(yīng)用一種新的方式去檢測(cè)目標(biāo)系統(tǒng)的溫度，確保設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)

11、行。溫度的測(cè)量方法有兩類(lèi)，一種是利用電氣參數(shù)隨溫度變化特性的熱電阻、熱電偶測(cè)溫法以及以膨脹式溫度計(jì)為代表的接觸式測(cè)溫方法，另一種是以熱輻射為代表的非接觸式測(cè)溫方法前者的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)得的溫度是物體的真實(shí)溫度，測(cè)溫簡(jiǎn)單、可靠，其缺點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)性能差，需要接觸被測(cè)物體，測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)需要一定時(shí)間的熱交換才能達(dá)到熱平衡，同時(shí)對(duì)被測(cè)物體的溫度場(chǎng)分布有一定的影響，同時(shí)由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高溫、高壓、腐蝕性等惡劣條件，影響了測(cè)溫儀的精度和使用壽命，大大限制了接觸式測(cè)溫儀的使用；非接觸式測(cè)溫也叫輻射測(cè)溫，一般使用熱電型或光電探測(cè)器作為檢測(cè)元件，其與接觸式測(cè)溫相比，具有響應(yīng)時(shí)間短、非接觸、不干擾被測(cè)溫場(chǎng)、使用壽命長(zhǎng)、

12、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。但受到物體的發(fā)射率、測(cè)溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，其測(cè)量誤差較大。目前應(yīng)用最廣泛的非接觸式測(cè)溫儀是紅外測(cè)溫儀，它測(cè)溫的理論基礎(chǔ)是黑體輻射定律。自然界的任何物體都在不停的向外輻射能量，物體輻射能量的大小及波長(zhǎng)的分布與其表面的溫度有著十分密切的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量物體自身紅外輻射的能量便能確定它的表面溫度12紅外測(cè)溫儀簡(jiǎn)介紅外測(cè)溫儀是一種將紅外技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種新型測(cè)溫儀器，它通過(guò)將被測(cè)物表面發(fā)射的紅外波段輻射能量通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)匯聚到紅外探測(cè)原件上，使其產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)處理，最后以數(shù)字形式直接在顯示屏上顯示溫度值。紅外測(cè)溫儀由光學(xué)部分和

13、信號(hào)處理部分組成，其體積小，便于攜帶，操作簡(jiǎn)單，在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。紅外測(cè)溫儀已經(jīng)有了幾十年的發(fā)展歷史，最早出現(xiàn)的是隱絲式光學(xué)高溫計(jì)，它出現(xiàn)在上世紀(jì)初，直到現(xiàn)在仍在高溫(800以上使用)測(cè)量領(lǐng)域被使用。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)溫范圍廣，但是在使用光學(xué)高溫計(jì)的過(guò)程中，經(jīng)常需要用人的眼睛進(jìn)行亮度平衡，手動(dòng)調(diào)節(jié)燈絲的溫度，使高溫計(jì)燈絲瞄準(zhǔn)區(qū)域均勻地消失在輻射源或被測(cè)物體的背景上，但是由于生理限制，人眼的辨別能力會(huì)帶來(lái)一定的觀察誤差，不適合于自動(dòng)控制系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)，三個(gè)方面的問(wèn)題困擾了紅外測(cè)溫儀的發(fā)展，第一個(gè)是微弱信號(hào)的放大和抗干擾問(wèn)題；二是信號(hào)與所需要的溫度值的非線性對(duì)應(yīng)問(wèn)題；三是探頭所處溫度

14、對(duì)信號(hào)的影響自二次大戰(zhàn)以來(lái)，光電導(dǎo)和光伏探測(cè)器及紅外透光材料的高速發(fā)展，促使了紅外測(cè)溫和紅外技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展。20世紀(jì)60年代后，由于各種高靈敏度紅外探測(cè)器、干涉濾光片以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展。大大促進(jìn)了紅外技術(shù)的應(yīng)用的進(jìn)程。在60年代中期，出現(xiàn)了以光電倍增管作為檢測(cè)器的光電高溫儀，具有較高的靈敏度和精度。在70年代初，硅光電探測(cè)器由于穩(wěn)定性、線性度及靈敏度優(yōu)良，結(jié)構(gòu)牢固，逐漸受到重視，意大利國(guó)家計(jì)量院IMGC首先制成了用硅光電二極管作為檢測(cè)元件的高精度光電高溫計(jì)。與此同時(shí)，輻射溫度計(jì)的工作波長(zhǎng)也從單波長(zhǎng)逐步發(fā)展為多波長(zhǎng)，儀器的功能也漸趨智能化，測(cè)量精度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和分辨率都達(dá)到了相當(dāng)高

15、的水平，測(cè)溫范圍也從以往的中高溫延伸到室溫或更低溫度，輻射測(cè)溫儀的使用范圍也越來(lái)越廣例如在煤礦生產(chǎn)中的膠帶輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，可用紅外測(cè)溫儀來(lái)檢測(cè)膠帶與滾筒的溫度，避免發(fā)生膠帶與滾筒因長(zhǎng)時(shí)間摩擦發(fā)熱直至引發(fā)火災(zāi)等事故；在工業(yè)生產(chǎn)中，可利用紅外測(cè)溫儀對(duì)運(yùn)行著的帶電設(shè)備，如導(dǎo)線、供電裝置等定期檢測(cè)，防止不良事故的發(fā)生；在鋼鐵企業(yè)的熱軋生產(chǎn)過(guò)程中，需要采用紅外測(cè)溫儀對(duì)鋼坯表面溫度進(jìn)行測(cè)量。以嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，確保鋼材的質(zhì)量133紅外測(cè)溫儀的分類(lèi)和發(fā)展l、紅外測(cè)溫儀的分類(lèi)目前市場(chǎng)上紅外測(cè)溫儀種類(lèi)繁多。測(cè)溫范圍可從大約-100低溫到6000高溫，響應(yīng)時(shí)間從千分之一秒到秒不等，針對(duì)不同應(yīng)用可分為便攜式、在

16、線式和掃描式三大系列。從測(cè)溫范圍上又可分為高溫測(cè)溫儀、中溫測(cè)溫儀、低溫測(cè)溫儀。根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀(輻射比色測(cè)溫儀)。對(duì)于單色測(cè)溫儀，在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿測(cè)溫儀視場(chǎng)，一般要求被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50，如果目標(biāo)尺寸小于視場(chǎng)，背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)從而干擾正常測(cè)溫，造成誤差；對(duì)于雙色測(cè)溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來(lái)確定的，因此當(dāng)被測(cè)目標(biāo)很小，未充滿視場(chǎng)，或測(cè)量通路上存在煙霧、塵埃，從而造成輻射能量衰減時(shí)都不會(huì)造成影響，同樣對(duì)運(yùn)動(dòng)中的物體測(cè)量雙色測(cè)溫儀也是個(gè)很好的選擇2、紅外測(cè)溫儀的發(fā)展紅外測(cè)溫儀的研究已經(jīng)有幾十年的歷史，近20年來(lái)

17、，非接觸紅外測(cè)溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強(qiáng)，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)占有率逐年增長(zhǎng)。60年代我國(guó)研制成功第一臺(tái)紅外測(cè)溫儀，1990年以后又陸續(xù)生產(chǎn)小目標(biāo)、遠(yuǎn)距離、適合電業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的測(cè)溫儀器，如西光IRT-1200D型、IRT-3060D型、IRT-3000A型、IRT-400G型、HCW-VA型、DHS-200型、WFHX330型(光學(xué)瞄準(zhǔn)，測(cè)溫距離可達(dá)30m)。美國(guó)雷泰公司生產(chǎn)的ST系列、MX系列、MX6系列、3i系列測(cè)溫儀，德國(guó)HEITRONICS公司的KT19系列、KTl5D、KTl2系列等也有較廣泛的應(yīng)用。目前，世界上最大的紅外測(cè)溫儀生產(chǎn)商是美國(guó)的

18、FLUKE公司，其產(chǎn)品包括便攜式、在線式和掃描式三大類(lèi)數(shù)百多個(gè)品種，澳I溫范圍從-50-6000不等，占有了世界上30以上的銷(xiāo)售份額，我國(guó)紅外測(cè)溫儀的生產(chǎn)單位有西安北方光電有限公司、中科院自動(dòng)化所、西安沃爾儀器公司等，但不僅產(chǎn)品的種類(lèi)較少，而且從精度或讀數(shù)的重復(fù)一致性方面均與國(guó)外有不小的差距。14本課題研究的內(nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高性能的紅外測(cè)溫儀，在總結(jié)各種紅外測(cè)溫方法的基礎(chǔ)上，提出并研制了一種基于ARM內(nèi)核的高性能的嵌入式微處理器的熱釋電紅外測(cè)溫儀。課題采用Philips公司的ARM核芯片LPC2132作為主處理芯片，設(shè)計(jì)的紅外測(cè)溫儀具有配置簡(jiǎn)單，擴(kuò)展方便，可靠

19、性高的特點(diǎn)本文主要完成了以下工作：(1)在對(duì)整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的原理和測(cè)溫方案分析的基礎(chǔ)上。對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了協(xié)調(diào)優(yōu)化，并進(jìn)行了總體部分的設(shè)計(jì)。(2)硬件部分：采用鎖定放大的方式完成微弱信號(hào)的提取，完成了光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器放大電路單元、帶通濾波單元、移相電路、相敏檢測(cè)電路、低遁濾波單元、環(huán)境溫度測(cè)量單元等部分的電路設(shè)計(jì)(3)軟件部分：完成了LPC2132的初始化、中斷處理單元、電機(jī)控制、AD轉(zhuǎn)換、鍵盤(pán)和顯示部分的流程圖設(shè)計(jì)和相關(guān)部分軟件的編寫(xiě)。(4)標(biāo)定部分；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)對(duì)紅外測(cè)溫儀進(jìn)行標(biāo)定。第二章熱釋電紅外測(cè)溫儀的原理本章主要介紹熱釋電紅外測(cè)溫的原理和測(cè)溫的方法，并對(duì)熱探測(cè)器的功能特性

20、作了概括說(shuō)明21輻射測(cè)溫原理紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫原理是黑體輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對(duì)零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)黑體的光譜輻射出射度有普朗克公式確定，即：=(exp(/)-1 (2-1)黑體輻射出射度由斯蒂芬-玻爾茲曼定律確定，即= (2-2)其中=3.7418×10W·m, 稱為第一出射度=1.4388×10m·K,稱為第二出射度=5.6697×10W··,稱為斯蒂芬 玻爾茲曼常數(shù)表示波長(zhǎng)T表示熱

21、力學(xué)溫度由于實(shí)際物體并非黑體，所以實(shí)際物體的輻射度還需要在上式中乘上物體的輻射度常數(shù)，即= ， 表示物體的輻射出射度 （2-3）因此對(duì)于進(jìn)入紅外測(cè)溫光學(xué)系統(tǒng)的光線，經(jīng)過(guò)探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換后，其電壓V= ， （2-4）這里面的K與探測(cè)器的靈敏度，光學(xué)系統(tǒng)中光譜的透過(guò)率等有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)時(shí)確定。22熱釋電探測(cè)器早在1703年左右人類(lèi)就發(fā)現(xiàn)了熱釋電效應(yīng)，在1965年查明這種效應(yīng)對(duì)溫度具有極高的靈敏度，在室溫附近可以檢測(cè)出6×10的溫度變化值。但由于種種條件的限制，以及無(wú)法克服來(lái)源不明的準(zhǔn)直流噪聲干擾，一直未能成功地把該技術(shù)用于非接觸式測(cè)溫?zé)後岆娖骷且环N近十幾年發(fā)展起來(lái)的新型紅外傳感器，在紅外檢

22、測(cè)領(lǐng)域中占有越來(lái)越重要的地位，廣泛用于紅外測(cè)溫、紅外報(bào)警、工業(yè)過(guò)程自動(dòng)監(jiān)控、光譜分析、紅外攝像和空間技術(shù)等諸多方面。利用熱釋電效應(yīng)制成的熱探測(cè)器件，與其他種類(lèi)探測(cè)器相比，熱釋電探測(cè)器具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)具有較高的頻率響應(yīng)工作頻率接近兆赫茲，一般熱釋電探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)典型值在1001S范圍內(nèi)，而熱釋電器件的有效時(shí)問(wèn)常數(shù)可低至103×10s；(2)探測(cè)率高，在熱探測(cè)器中只有氣動(dòng)探測(cè)器的探測(cè)率比熱釋電探測(cè)率稍高，且這一差距正在不斷減小；(3)熱釋電器件可以有均勻的大面積敏感面，而且工作時(shí)可以不必外加偏置電壓；(4)受環(huán)境溫度的變化影響小；(5)熱釋電探測(cè)器件的強(qiáng)度和可靠性比其他多數(shù)探測(cè)器都

23、要好，且制造比較容易圖2-1為典型的熱釋電傳感器結(jié)構(gòu) 、圖2-1熱釋電傳感器熱釋電紅外傳感器器件的材料有很多，在具有熱釋電效應(yīng)的大量晶體中，熱釋電系數(shù)最大的為鐵電晶體材料，因此，我們常見(jiàn)的傳感器基本都是利用鐵電晶體材料做成的目前最重要的材料有硫酸三甘肽(TGS)晶體、鉭酸鋰(LiTaO3)晶體、鋯鈦酸鉛(PZT)類(lèi)陶瓷、聚氟乙烯(PVF)和聚氟乙烯(PZF2)聚合物薄膜等其中TGS熱釋電是發(fā)展最早、工藝最成熟的熱輻射探測(cè)器件，它在常溫下熱釋電系數(shù)較大、介電常數(shù)較小，因此在較寬的頻率范圍內(nèi)，這類(lèi)探測(cè)器的靈敏度高，從而得到了廣泛的應(yīng)用。熱釋電傳感器的品種較多，可按外形結(jié)構(gòu)和內(nèi)部構(gòu)成的不同及性能分類(lèi)

24、。從封裝、外形來(lái)分，有塑封式和金屬封裝(立式和臥式的)等從內(nèi)部結(jié)構(gòu)分，有單探測(cè)元、雙探測(cè)元、四探測(cè)元等。從工作波長(zhǎng)來(lái)分，有：=120um,適用于溫度檢測(cè)=4.350.15um，適用于火焰檢測(cè)=717um，是日常生活常用的，如用于自動(dòng)門(mén)，防盜報(bào)警，節(jié)能自動(dòng)燈等。傳感器的敏感元為BST薄膜，晶體的上下兩面設(shè)置電極，通常的熱釋電器件有面電極和邊電極兩種結(jié)構(gòu)。面電極結(jié)構(gòu)的電極面積較大，極間距離較短，因而極間電容較大，其不適用于高速應(yīng)用；邊電極的電極間距較大，電極面積較小，因而極間電容較小，因此在高速應(yīng)用場(chǎng)合一般使用此種電容由于熟釋電探測(cè)器是微分型的。只能接受到紅外輻射能的一小部分，所以它只能檢測(cè)到變化

25、的溫度，所以在測(cè)溫時(shí)需要在探測(cè)器前設(shè)置一個(gè)調(diào)制盤(pán)，用來(lái)提供一個(gè)交替變化的光學(xué)信號(hào)給紅外探測(cè)器，然后經(jīng)過(guò)探測(cè)器的光一電轉(zhuǎn)換后，其傳感器的輸出電壓正比于目標(biāo)輻射與調(diào)制盤(pán)溫度之差，即(-) (2-5)其中：表示被測(cè)目標(biāo)輻射率表示調(diào)制盤(pán)的輻射率。變成一個(gè)交流電壓信號(hào)供信號(hào)處理電路進(jìn)行處理。23幾種測(cè)溫方案依據(jù)測(cè)溫的原理不同，紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)有三種方法，如果是通過(guò)測(cè)量輻射物體的全波長(zhǎng)的熱輻射來(lái)確定物體的輻射溫度的稱為全輻射溫度計(jì)；如果是通過(guò)測(cè)量物體在一定波長(zhǎng)下的單色輻射亮度來(lái)確定它的亮度溫度的稱為亮度溫度計(jì)，也稱為單波段溫度計(jì)；如果測(cè)量的是同一被測(cè)物體在兩個(gè)波長(zhǎng)下的單色輻射亮度之比隨溫度交化來(lái)定溫的則稱

26、為比色溫度計(jì)。231全輻射測(cè)溫法全輻射測(cè)溫儀測(cè)溫的理論基礎(chǔ)是斯蒂芬一玻耳茲曼定律，即=，由此可見(jiàn)黑體在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射功率與絕對(duì)溫度的4次方成正比，是溫度的單一函數(shù)，它是通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)從零到無(wú)窮大的整個(gè)光譜范圍內(nèi)的輻射功率來(lái)確定物體的輻射溫度 通常，紅外測(cè)溫儀是以黑體(=1)定標(biāo)的，此方法所使用的儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、讀數(shù)客觀并能連續(xù)記錄。缺點(diǎn)是溫度計(jì)示值受環(huán)境及發(fā)射率影響較大，從而降低了其測(cè)溫結(jié)果的準(zhǔn)確度。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，需要把輻射溫度轉(zhuǎn)換成真實(shí)溫度，可通過(guò)下式進(jìn)行換算：T=（） （2-6）由它引起的真實(shí)溫度誤差為=-× （2-7）式中：-黑體的溫度；-真實(shí)溫度；-總發(fā)射率誤差；232亮度

27、測(cè)溫法亮度測(cè)溫法的理論基礎(chǔ)是普朗克定律，即-= （2-8）其中：實(shí)際物體溫度為T(mén)時(shí)，在波長(zhǎng)下的光譜發(fā)射率；-實(shí)際物體的真實(shí)溫度；-實(shí)際物體的亮度溫度；由此式可得出：實(shí)際物體的亮度溫度永遠(yuǎn)小于它的真實(shí)溫度，即Ts<T光譜發(fā)射率越小，亮度溫度偏離真實(shí)溫度越大。反之，當(dāng)光譜發(fā)射率越接近于l。則亮度溫度越接近真實(shí)溫度。在實(shí)際測(cè)溫中，物體的真實(shí)溫度總是一定的值，因而，亮度溫度成為一個(gè)與波長(zhǎng)聯(lián)系的量，因此亮度法測(cè)溫時(shí)必須注明亮度溫度的數(shù)值與其所取得波長(zhǎng)值。233比色測(cè)溫法比色測(cè)溫法又叫做雙波段測(cè)溫法。由于它是利用同一被測(cè)物體在兩個(gè)波長(zhǎng)下的單色輻射亮度之比隨溫度變化這一特性作為其測(cè)溫原理的因此其測(cè)溫時(shí)

28、沒(méi)必要精確知道被測(cè)物體的光譜發(fā)射率，而只需要知道兩個(gè)波長(zhǎng)下光譜發(fā)射率的比值即可，所以比色測(cè)溫法可使讀出的溫度接近于物體的真實(shí)溫度。由維恩位移定律可知，溫度為的黑體，對(duì)于波長(zhǎng)為和的單色輻射功率之比Z由下式表示： （2-9）式中：表示波長(zhǎng)為處的單色輻射功率； 表示波長(zhǎng)為處的單色輻射功率；和表示第一和第二輻射常數(shù)。將（2-9）兩邊取對(duì)數(shù)可得： （2-10）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(guò)濾光片把紅外輻射能量分為兩個(gè)波段，通過(guò)每個(gè)濾光片的紅外輻射被兩個(gè)獨(dú)立的紅外探鍛器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過(guò)信號(hào)處理器來(lái)計(jì)算兩個(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

29、出。234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(guò)計(jì)算這些波段輻射功率之問(wèn)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2-1所示 表2-1：各類(lèi)測(cè)溫方法特點(diǎn)第三章ARM核微處理器微處理器芯片是嵌入式系統(tǒng)控制處理的核心，其性能直接決定了系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理能力，本章主要介紹ARM處理器以及ARM7系列芯片的體系結(jié)構(gòu)，

30、并對(duì)本文采用的ARM核微控制器芯片LPC2132的特性作了詳細(xì)的介紹。31 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(xiě)，它是一個(gè)設(shè)計(jì)公司，本身不生產(chǎn)和銷(xiāo)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(lèi)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(kāi)發(fā)工具和豐富的第三

31、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(guò)了75以上。與傳統(tǒng)的48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311 ARM的體系結(jié)構(gòu)ARM是精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)，其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了外型非常小但性能高的結(jié)構(gòu)。ARM處理器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單使ARM的內(nèi)核非常小，

32、這樣使器件的功耗也非常低它集成了非常典型的RISC結(jié)構(gòu)特性：> 一個(gè)大而統(tǒng)一的寄存器文件；> 裝載保存結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理的操作只針對(duì)寄存器的內(nèi)容，而不直接對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作：> 簡(jiǎn)單的尋址模式，所有裝載，保存的地址都只由寄存器內(nèi)容和指令域決定；> 統(tǒng)一和固定長(zhǎng)度的指令域，簡(jiǎn)化了指令的譯碼。此外，ARM體系結(jié)構(gòu)還采用了一些特有的技術(shù)來(lái)使處理器實(shí)現(xiàn)高性能、低成本和低能耗這些技術(shù)包括：>每一條數(shù)據(jù)處理指令都對(duì)算術(shù)邏輯單元(ALU)和移位器控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)ALU和移位器的最大利用；>地址自動(dòng)增加和自動(dòng)減少的尋址模式實(shí)現(xiàn)了程序循環(huán)的優(yōu)化；> 多寄存器裝載和存儲(chǔ)指令實(shí)現(xiàn)最

33、大數(shù)據(jù)吞吐量；>所有指令的條件執(zhí)行實(shí)現(xiàn)最快速的代碼訪問(wèn)312 ARM7DMI簡(jiǎn)介ARM公司開(kāi)發(fā)了眾多系列的ARM核處理器，提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案，目前使用較多的是ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列，ARM10系列、SecurCore系列和INTEL的StrongARM、XScale系列。ARM7系列中的ARM7TDMI是公司授權(quán)給用戶最多的一種產(chǎn)品。ARM7TDMI基于ARM體系結(jié)構(gòu)的v4版本，它彌補(bǔ)了ARM6核在低于5v電源電壓不能穩(wěn)定工作的缺點(diǎn)。它將ARM7指令集同Thumb擴(kuò)展組合在一起，以減少內(nèi)存容量和系統(tǒng)成本。同時(shí)它還支持EmbededICE

34、JTAG軟件調(diào)試方式，適合于更大規(guī)模的SoC設(shè)計(jì)中ARM7系列廣泛應(yīng)用于多媒體和嵌入式設(shè)備，包括Internct設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備以及移動(dòng)電話、PDA等設(shè)備。在無(wú)線信息設(shè)備領(lǐng)域的前景廣闊，下一代智能化多媒體無(wú)線設(shè)備中也正有越來(lái)越多的廠商采用該產(chǎn)品。32 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3216位ARM7TDMI-s，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

35、用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)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(wèn)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)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)LPC2132的主要特性有：16，32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封裝；低功耗模式：空閑和掉電；通過(guò)片

36、內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程/在應(yīng)用編程(ISPIAP)：EmbeddedlCE RT和嵌入式跟蹤接口通過(guò)片內(nèi)RealMonitor軟件對(duì)代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試和高速跟蹤；1個(gè)8路10位的AD轉(zhuǎn)換器，共提供16路模擬輸入，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間低至244us；1個(gè)10位的D/A轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生不同的模擬輸出;2個(gè)32位定時(shí)器/外部事件計(jì)數(shù)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)和看門(mén)狗；多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART，2個(gè)高速I(mǎi)C總線(400 kbits)、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的SSP；小型的LQFP64封裝上包含多達(dá)47個(gè)通用I/O口(可承受5V電

37、壓)。圖 3-1 LPC2132管腳配置33 LPC2132的主要功能模塊1、片內(nèi)存儲(chǔ)器LPC2132微控制器使用了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)共用一條32位總線。LPC2132的存儲(chǔ)器接口可以使?jié)撛诘男阅艿靡詫?shí)現(xiàn)，這樣減少了存儲(chǔ)器的使用。對(duì)速度有嚴(yán)格要求的控制信號(hào)使用流水線。這樣使系統(tǒng)控制功能以標(biāo)準(zhǔn)的低功耗邏輯實(shí)現(xiàn)，同時(shí)使它片內(nèi)存儲(chǔ)器所支持的“快速突發(fā)訪問(wèn)模式”得到了充分利用LPC2132內(nèi)部集成了一個(gè)16K的片內(nèi)靜態(tài)RAM和一個(gè)64K的FLASH存儲(chǔ)器系統(tǒng)，該存儲(chǔ)器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)對(duì)Flash存儲(chǔ)器的編程可通過(guò)幾種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：通過(guò)內(nèi)置的串行JTAG接口、通過(guò)串行口在系統(tǒng)中編程

38、或通過(guò)在應(yīng)用編程(LAP)當(dāng)通過(guò)串行口在系統(tǒng)編程時(shí)。可以在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)對(duì)Flash進(jìn)行擦除和編程，這樣為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)固件的升級(jí)帶來(lái)了極大的靈活性2，管理連接模塊LPC2132的同一個(gè)引腳可以具有不同的功能，通過(guò)管理連接模塊允許將微控制器的管腳配置為不同的功能。外設(shè)在激活和任何相關(guān)中斷使能之前必須連接到相應(yīng)的引腳，否則認(rèn)為是無(wú)效的。LPC2132的引腳模塊包括3個(gè)寄存器：表3-1：LPC2132的管理連接模塊地址名稱描述訪問(wèn)0xE002C000PINSEL0引腳選擇寄存器0讀/寫(xiě)OxE002C004PINSEL1引腳選擇寄存器1讀/寫(xiě)0Xe002c014PINSEL2引腳選擇寄存器2讀/寫(xiě)沒(méi)

39、有連接到特定外設(shè)功能的引腳由GPIO寄存器進(jìn)行控制，管腳可以動(dòng)態(tài)配置為輸入或輸出寄存器可以同時(shí)對(duì)任意輸出口進(jìn)行置位或清零。輸出寄存器的值以及管腳的當(dāng)前狀態(tài)都可以讀出。3UART口LPC2132包含2個(gè)UART口，均具有16字節(jié)的收發(fā)FIFO，寄存器位置符合16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置波特率發(fā)生器，兩個(gè)串口具有相同的寄存器。 圖3-2 UART0的模式寄存器功能框圖UART0的模式寄存器功能框圖如上所示：其中UOLCR用來(lái)設(shè)置串口的工作模式，UOFCR用于FIFO使能和復(fù)位操作；當(dāng)接受和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志位UOLSR；通過(guò)對(duì)UOIER進(jìn)行設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)串口的發(fā)送、接收、出錯(cuò)中斷等。UOI

40、ER中的位0為接收中斷使能，位1為發(fā)送中斷使能，位2為線狀態(tài)中斷使能(通信出錯(cuò)中斷使能)，若不使能相應(yīng)的中斷，則相應(yīng)的中斷標(biāo)志不會(huì)產(chǎn)生，此時(shí)需要通過(guò)UOLSR讀取串口的狀態(tài)判斷串口操作是否完成。4、IC接口LPC2132包含2個(gè)速度為400Kbits的IC總線控制器，IC是一個(gè)雙向總線，它使用兩條線：串行時(shí)鐘線(scL)和串行數(shù)據(jù)線(SDA)實(shí)現(xiàn)互連芯片的控制，并根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件，不管是微控制器、存儲(chǔ)器、LCD驅(qū)動(dòng)器還是鍵盤(pán)接口，每個(gè)器件通過(guò)唯一的地址來(lái)識(shí)別，這些器件可以是只接收器件，也可以是發(fā)送和接收信息的發(fā)送器發(fā)送器和接收器可以操作為主或從模式盡管該總線沒(méi)有并行總線那樣大的吞吐能力，但

41、由于連接線和連接引腳少，因此其構(gòu)成的系統(tǒng)價(jià)格低，器件間總線簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，而且在總線上增加器件不影響系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)修改和可擴(kuò)展性好。即使有不同的時(shí)鐘速度的器件連接到總線上，也能很方便的確定總線的時(shí)鐘，因此它在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用第四章 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41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

42、通過(guò)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41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(guò)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(guò)目標(biāo)輻射率修正后轉(zhuǎn)換為被測(cè)目標(biāo)的溫度值圖4-1紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)框圖42光學(xué)部分的設(shè)計(jì)421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

43、穩(wěn)定性LHI878芯片的主要性能如表41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4-1 LHI878主要性能型號(hào)LH1878靈敏元面積2×1mm靈敏度4000v/W(100,1Hz時(shí))偏置電壓0.21.55v (Rs=47K,25)工作電壓215v(Rs=47K,25)噪音等效功率7.5×1

44、0 W/Hz (1HzBw,100, 1Hz時(shí))噪音20uVpp,(25,0.310Hz)工作溫度-4085儲(chǔ)存溫度-4085422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(mén)的開(kāi)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(guò)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42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)

45、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。圖 4-2載波器示意圖4221步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)斬波器需要轉(zhuǎn)動(dòng)才能對(duì)探測(cè)器接收的紅外信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，既可以用步進(jìn)電機(jī)也可以用繼電器驅(qū)動(dòng)，本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制斬波器的轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的特種電動(dòng)機(jī)，是工業(yè)過(guò)程控制及儀表中的主要控制元件之一，由于它可以直接接收來(lái)自計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)，而不需要進(jìn)行數(shù)，模轉(zhuǎn)換，所以用起來(lái)特別方便，適用于對(duì)精度要求比較高的工業(yè)過(guò)程控制場(chǎng)合步迸電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、步距值不受各種干擾因素的影響，電壓的大小、電流的數(shù)值和波形、溫度的變化，相對(duì)來(lái)說(shuō)，都不會(huì)影響步

46、距值。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速主要取決于脈沖信號(hào)的頻率，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的總位移量取決于總的脈沖信號(hào)數(shù)2、誤差不長(zhǎng)期積累步進(jìn)電機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度(實(shí)際步距值)與理論步距值之間總有一定的誤差。從某一步到任何一步，即走任意一定的步數(shù)以后，也總有一定的累積誤差，但是每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零所以說(shuō)步距的誤差不長(zhǎng)期累積3、控制性能好步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)及其他任何行為的改變，都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)行方式都不會(huì)丟失一步。步進(jìn)電機(jī)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使得當(dāng)它作為伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于控制系統(tǒng)時(shí)，往往可使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，工作可靠，而且可獲得較高的控制精度。正因?yàn)槿绱耍鞠到y(tǒng)采用了步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制斬波器

47、的轉(zhuǎn)動(dòng)，使光信號(hào)變成一個(gè)周期的脈沖信號(hào)傳遞給熱釋電傳感器。4222步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇驅(qū)動(dòng)芯片采用美國(guó)Allegro公司推出的A3972，A3972是美國(guó)Allegro公司生產(chǎn)的PWM恒流控制微步距驅(qū)動(dòng)二相步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器。它的工作電壓可達(dá)50V，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)15A，一個(gè)A3972即可驅(qū)動(dòng)一臺(tái)二相步進(jìn)電機(jī)芯片內(nèi)部的PWM電流控制電路可通過(guò)串行接口被設(shè)置為電流慢、快、混合衰減模式。它可以工作在整步、半步、l/4步、l8步、116步，132(微步距)多種方式下。其特有的3種電流衰減模式可以使步進(jìn)電機(jī)工作在不同的負(fù)載和轉(zhuǎn)速下，而且都能獲得較理想的電流波形通過(guò)電機(jī)的電流是由電路內(nèi)部的6位數(shù)，模轉(zhuǎn)換器

48、(DAC)輸出和外部參考電壓來(lái)共同決定的。其中的6位DAC決定了輸出電流有64個(gè)等級(jí)。因此，DAC的值每增加1，輸出電流會(huì)增加最大電流I-max的156。另外，A3972還能提供完善的保護(hù)措施，其中包括抑制瞬態(tài)電壓、過(guò)熱保護(hù)、防止電流直通、欠電壓自鎖等功能步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)由LPC2132的脈寬調(diào)制器輸出口P00產(chǎn)生的頻率為100Hz、占空比為50方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，在132微步距下，電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)225度角，每轉(zhuǎn)動(dòng)32步轉(zhuǎn)動(dòng)一周，根據(jù)斬波器的特點(diǎn)以及系統(tǒng)的要求，步進(jìn)電機(jī)的控制頻率設(shè)為3125Hz，其電路如圖4-3所示，其中A3972的lO、11、12引腳分別為A3972串行接口，分別連接到L

49、PC2132的P014、P019、P015引腳。微控制器通過(guò)它來(lái)控制芯片A3972，其中STORE為使能信號(hào)端，CLOCK為時(shí)鐘信號(hào)端，DATA為數(shù)據(jù)輸入信號(hào)端。在開(kāi)始寫(xiě)操作前置使能信號(hào)STORE為零，利用CLOCK時(shí)鐘信號(hào)的上升沿將數(shù)據(jù)輸移入A3972的內(nèi)部移位寄存器，當(dāng)數(shù)據(jù)字全部移入后，STORE引腳置高電平，完成一個(gè)控制字的輸入A3972與微控制器LPC2132的連接如圖4-3所示：圖 4-3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路43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?chē)h(huán)境熱交換的起伏引起的熱噪聲、電子器件的復(fù)合噪聲及其它廣白噪聲等。信號(hào)處

50、理電路部分主要采用鎖定放大的方式對(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 4-4 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(kāi)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。各個(gè)部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)如下：431信號(hào)放

51、大電路當(dāng)光信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)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

52、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：>0.1Uv/(3)輸入偏置電流：<=LnA(4)共態(tài)抑制比：>130dB(5)電源電壓抑制比：>120dB(6)轉(zhuǎn)換速率：O3Vus(7)閉環(huán)帶寬：09MHz本系統(tǒng)的前置放大器的電路圖45如下：圖 4-5 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

53、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 4-6 主放大器電路432帶通濾波電路當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，其寬帶噪聲較大，因此在前置放大器和后級(jí)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不能做得太窄，否則當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，信號(hào)的頻譜有可能偏離帶通濾波器的通頻帶而導(dǎo)致測(cè)量誤差。根據(jù)本系統(tǒng)測(cè)溫需要，系統(tǒng)采用二階無(wú)限增益多路巴特沃斯型帶通濾波器，其中心頻率設(shè)計(jì)為30Hz左右，帶寬在10Hz左右相應(yīng)的電路如圖47：圖 4-7 帶通濾波電路經(jīng)過(guò)查表計(jì)算：其通帶增益固有角頻率阻尼度433移相電路移相電路的作用是將來(lái)自LPC2132的PWM端口的斬波的信號(hào)進(jìn)行頻率遷移，使得對(duì)熱釋電傳感器的

54、輸出檢測(cè)效果最佳.經(jīng)過(guò)頻譜遷移，傳感器的輸出信號(hào)頻譜由w=wo處遷移到w=0處。圖 4-8 移向電路圖中實(shí)現(xiàn)的是0一180移相電路，由場(chǎng)效應(yīng)管和RC電路構(gòu)成。由于場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻極高，故對(duì)RC移相電路影響甚小。同時(shí)，為了避免負(fù)載的影響，增加了源極輸出器434相敏檢波電路相敏檢測(cè)器是鎖定放大器的核心部件，相敏檢波器既鑒幅又鑒相，它的輸出不但取決于輸入信號(hào)的幅度，而且取決于輸入信號(hào)與參考信號(hào)的相位差本系統(tǒng)采用電子開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器，具有動(dòng)態(tài)范圍大、抗過(guò)載能力強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。圖 4-9 相敏檢測(cè)電路圖4-9中，為傳感器經(jīng)過(guò)主放大器后的輸出信號(hào)，為L(zhǎng)PC2132的PWM端口的發(fā)出的經(jīng)過(guò)

55、移相后用于斬波調(diào)制的脈沖信號(hào)，為的反相電壓，通過(guò)加一反相器實(shí)現(xiàn)。圖中電阻，在為高電平的半周期，導(dǎo)通，截止，OP07的同相端接地，輸出電壓；在為低電平的半周期，截止，導(dǎo)通，OP07反相端接地，輸出電壓經(jīng)過(guò)相敏檢波器后，探測(cè)器的輸出信號(hào)變成單向的脈沖信號(hào)，有利于信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。435低通濾波電路當(dāng)探測(cè)器的傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路、帶通濾波電路和相敏檢測(cè)電路后，里面仍混有一定的高頻噪聲，因此需要加一個(gè)低通濾波電路來(lái)抑制噪聲，改善鎖定放大器的信噪比。只要低通濾波器的時(shí)間常數(shù)RC越大，等效噪聲帶寬越窄，其抑制噪聲的能力越強(qiáng)；但是RC越大，其響應(yīng)速度越慢，所以在設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)需要選擇一個(gè)合適的RC值系統(tǒng)中

56、采用的低通濾波器為二階無(wú)限增益巴特沃思型低通濾波器，其電路簡(jiǎn)單，具體的連接電路見(jiàn)圖4-10:該低通濾波器的中心頻率在35Hz左右，通常增益為-1.其固有的角頻率為：阻尼度：436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T(mén)，環(huán)境溫度為T(mén)，被測(cè)目標(biāo)輻射率為，斬波器的輻射率為，則傳感器的輸出信號(hào)可表示為:,相應(yīng)的輸出電壓：這里面A表示光學(xué)系統(tǒng)的光線通過(guò)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)傳統(tǒng)的熱電偶溫度補(bǔ)償主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，但是由于熱電偶的工作端(測(cè)量端)與冷端(參比端)離得很近，而且冷端又暴露在工作環(huán)境之中，因而容易受到周?chē)ぷ鳝h(huán)境溫度波動(dòng)的影響，所以冷端溫度難以保持恒定，造成測(cè)量不準(zhǔn)。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