單片機(jī)在紅外測(cè)溫上的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

1　引　言

在紅外測(cè)溫中，智能紅外輻射測(cè)溫儀是應(yīng)用紅外技術(shù)和微電子技術(shù)研制出的一種新型溫度測(cè)量?jī)x器。它根據(jù)被測(cè)物體的紅外輻射能量確定其溫度，為非接觸測(cè)溫方式。具有溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、不擾動(dòng)被測(cè)目標(biāo)溫度分布場(chǎng)、測(cè)量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)也有測(cè)量值受被測(cè)物體發(fā)射率、反射熱源、氣氛干擾影響的弱點(diǎn)。特別是溫度傳感器遠(yuǎn)離被測(cè)對(duì)象，在低溫區(qū)(0～500℃)熱輻射信號(hào)非常微弱，因此這種測(cè)溫技術(shù)難度較大。本文介紹運(yùn)用MCS-51單片機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)紅外低溫測(cè)溫儀中“單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)”的全過(guò)程。

2　總體設(shè)計(jì)方案

2.1　基本測(cè)溫原理

一切高于絕對(duì)零度的物體都能輻射紅外線(xiàn)，描述黑體輻射光譜分布的普朗克公式和黑體全輻出度與溫度關(guān)系的斯蒂芬—玻耳茲曼定律是輻射測(cè)溫法的基本理論依據(jù)，即　

由它們可推導(dǎo)出輻射體溫度與檢測(cè)電壓之間的關(guān)系式：　　
V=RaεσT4=KT4

式中K=Raεσ，由實(shí)驗(yàn)確定，定標(biāo)時(shí)ε取1
　　T—被測(cè)物體的絕對(duì)溫度
　　R——探測(cè)器的靈敏度
　　a——與大氣衰減距離有關(guān)的常數(shù)
　　ε——輻射率
　　σ——斯蒂芬—玻耳茲曼常數(shù)

因此，可以通過(guò)檢測(cè)電壓而確定被測(cè)物體的溫度，上式表明探測(cè)器輸出信號(hào)與目標(biāo)溫度呈非線(xiàn)性關(guān)系，V與T的四次方成正比，所以要進(jìn)行線(xiàn)性化處理。

線(xiàn)性化處理后得到物體的表觀(guān)溫度，需進(jìn)行輻射率修正為真實(shí)溫度，校正式為　　

    式中Tr——輻射溫度(表觀(guān)溫度)
　　　　ε(T)——輻射率，取0.1～0.9

由于調(diào)制片輻射信號(hào)的影響，輻射率修正后的真實(shí)溫度為高于環(huán)境的溫度，還必須作環(huán)溫補(bǔ)償，即真實(shí)溫度加上環(huán)溫才能最終得到被測(cè)物體的實(shí)際溫度。

2.2　總體設(shè)計(jì)框圖

本測(cè)溫儀為低溫區(qū)(0～500℃)全輻射測(cè)溫儀，采用折射式光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外探測(cè)器和調(diào)制型前置放大系統(tǒng)，解決低溫區(qū)微弱信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題，使用 MCS-51系列中性能優(yōu)越的CHMOS單片機(jī)進(jìn)行硬、軟件設(shè)計(jì)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具有自動(dòng)液晶顯示、打印、記錄、人機(jī)通訊等功能，備有模擬量和數(shù)字量?jī)煞N標(biāo)準(zhǔn)輸出口。總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，它主要由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)和電信號(hào)處理系統(tǒng)三部分構(gòu)成。

                    圖1　總體設(shè)計(jì)框圖

2.3　主要技術(shù)指標(biāo)
　　測(cè)溫范圍：0～500℃
　　工作環(huán)境溫度：-40～50℃
　　紅外波段：7～18μm
　　距離系數(shù)：L∶D=30∶1
　　最小可測(cè)目標(biāo)：?=10mm
　　輻射率修正：ε=0.1～0.9
　　測(cè)量精度：±1%
　　顯示分辨率：0.1℃
　　響應(yīng)時(shí)間：<0.5s
　　輸出方式：四位液晶顯示，電流輸出4～20mA(線(xiàn)性)
　　功耗：<1W
　　工作電源：兩節(jié)6V疊層電池或交流220V

3　硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

           圖2　單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1　信號(hào)的接收 放大電路

從前置放大、解調(diào)電路輸出的直流電壓信號(hào)，經(jīng)OP-07放大器放大到0～4V后送入A/D轉(zhuǎn)換器。OP-07單運(yùn)放設(shè)計(jì)成可編程放大器(可提高測(cè)溫精度)，由多路模擬開(kāi)關(guān)4051和74LS173選通八路電壓放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸入電壓從7.8mV到1V的輸出放大。

3.2　A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器采用雙積分4(1)/(2)位A/D芯片ICL7135，該器件精度高，自穩(wěn)零，對(duì)周期變化的干擾信號(hào)積分為零，因而抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度較慢，不過(guò)，能滿(mǎn)足測(cè)溫儀的速度要求。為提高轉(zhuǎn)換速率，時(shí)鐘頻率設(shè)置在500kHz，轉(zhuǎn)換速度12.5次/秒，一次A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間約80ms，分辨率 0.2mV，量化誤差±0.1mV。基準(zhǔn)電壓采用精密電壓基準(zhǔn)源MC1403。

3.3　單片機(jī)系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)處理

單片機(jī)是智能儀表的核心部分，這里采用MCS-51系列中具有功耗低、速度高、抗干擾能力強(qiáng)的CHMOS單片機(jī)。單片機(jī)系統(tǒng)組成包括最小系統(tǒng)80C31、74HC373和27C512以及擴(kuò)展I/O口81C55。

3.3.1　程序存貯器擴(kuò)展

80C31片內(nèi)無(wú)ROM，需外接一片EPROM電路。80C31通過(guò)地址鎖存器74HC373與程序存貯器27C512相連，其尋址空間64k，儀器軟件就固化在EPROM內(nèi)。

3.3.2　定時(shí)和中斷

80C31有兩個(gè)可編程16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1。T0用于定時(shí)，工作于方式0，每10ms向CPU請(qǐng)求一次中斷，中斷服務(wù)程序?yàn)殒I輸入程序，T0還接環(huán)溫電路的輸出；T1作串行口波特率發(fā)生器，工作于方式2。

80C31的INT0作為外部采樣中斷，中斷服務(wù)程序是采樣程序；T0溢出中斷，中斷服務(wù)程序?yàn)殒I輸入程序。INT0中斷高于T0溢出中斷。INT1作一般I/O口，為液晶顯示驅(qū)動(dòng)器提供方波，頻率為50Hz。

3.3.3　擴(kuò)展外部I/O口81C55

81C55為80C31擴(kuò)展的外部可編程RAM/IO接口。81C55 RAM分為顯示緩沖區(qū)、采樣數(shù)據(jù)區(qū)、碼制轉(zhuǎn)換區(qū)(BCD碼與二進(jìn)制碼雙向轉(zhuǎn)換)等。81C55的三個(gè)并行I/O口分別用于：PA口用作接液晶顯示驅(qū)動(dòng)器； PB口接A/D轉(zhuǎn)換器7135，其中PB0～3接7135的BCD碼數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)，PB4～7接7135的BCD碼位驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)，分別選通萬(wàn)位、千位……個(gè)位。PC0～3作為PB口的控制信號(hào)，另外，81C55定時(shí)器將80C31的4M晶振頻率8分頻后得到500kHz頻率，作為A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘脈沖。

3.3.4　單片機(jī)主要數(shù)據(jù)處理內(nèi)容

由基本測(cè)溫原理可知，單片機(jī)系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)處理內(nèi)容有線(xiàn)性化處理、輻射率修正和環(huán)溫補(bǔ)償。這些通過(guò)列溫度值表和ε修正值表，然后，由查表程序查得實(shí)際溫度，送顯示器顯示。

3.4　D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器使用DACO832芯片，它與微處理器完全兼容，分辨率為8位。通過(guò)兩級(jí)LM324運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成0.8～4V電壓，再經(jīng)V-I變換電路得到4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出。

3.5　輸入 輸出接口電路

接口電路包括LCD顯示器、鍵盤(pán)、串行通訊、打印機(jī)。四位液晶顯示器LCD(ED-S805型)用來(lái)顯示0～500℃溫度值，顯示分辨率0.1℃。4個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)器選擇4544，具有自行消隱無(wú)效零的特殊功能。

鍵盤(pán)設(shè)16個(gè)鍵：輻射率補(bǔ)償鍵ε，距離選擇鍵L，打印鍵PRT，執(zhí)行鍵MON，數(shù)字鍵0～9，小數(shù)點(diǎn)鍵。4×4鍵盤(pán)為非編碼式的，80C31的P1口作為與4×4鍵盤(pán)的并行接口，當(dāng)80C31對(duì)鍵盤(pán)采用定時(shí)掃描方式時(shí)，T0每隔10ms產(chǎn)生一次中斷，CPU響應(yīng)T0的溢出中斷請(qǐng)求，對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描。

80C31片內(nèi)含有一個(gè)全雙工串行口，為T(mén)TL電平，而微機(jī)是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，80C31可將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給微機(jī)，微機(jī)將這些數(shù)據(jù)形象地顯示于CRT或打印成各種報(bào)表。

4　軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)全部使用匯編語(yǔ)言編程(個(gè)別輔助計(jì)算用BASIC語(yǔ)言，但不涉及編程部分)，以提高系統(tǒng)的快速性和實(shí)時(shí)性。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，有利于修改和調(diào)式。程序主要分4部分：①主程序；②中斷服務(wù)程序；③監(jiān)控程序；④處理程序。

4.1　主程序設(shè)計(jì)

主程序是軟件設(shè)計(jì)的核心部分，能完成測(cè)溫的主要處理內(nèi)容。主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

  圖3　主程序設(shè)計(jì)流程圖

主程序一開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括對(duì)80C31和80C55初始化以及設(shè)置 4051通道，以便自動(dòng)選擇放大倍數(shù)。開(kāi)中斷后，由于采樣為高級(jí)中斷，所以先判一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束否，未結(jié)束，繼續(xù)轉(zhuǎn)換；結(jié)束，進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波，然后進(jìn)行測(cè)溫的主要數(shù)據(jù)處理，即線(xiàn)性化處理，輻射率修正和環(huán)溫補(bǔ)償，所得溫度數(shù)字量一方面送D/A轉(zhuǎn)換，另一方面送串行通訊，最后判一下是否工作在監(jiān)控狀態(tài)下，再將溫度值送顯示或轉(zhuǎn)鍵處理程序。

4.2　中斷服務(wù)程序

中斷服務(wù)程序?yàn)椴蓸映绦蚝玩I輸入程序。INT0中斷時(shí)，轉(zhuǎn)入采樣中斷服務(wù)程序，執(zhí)行把模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送單片機(jī)計(jì)算，T0溢出中斷時(shí)，轉(zhuǎn)入鍵輸入中斷服務(wù)程序，使CPU對(duì)鍵的一次閉合僅作一次處理。INT0為高級(jí)中斷，T0溢出中斷為低級(jí)中斷。

4.3　監(jiān)控程序

監(jiān)控程序指鍵處理子程序和顯示子程序。鍵處理子程序是對(duì)鍵入的16個(gè)鍵作相應(yīng)處理；顯示子程序使四位液晶顯示器顯示指定內(nèi)容，如顯示溫度測(cè)量值、ε字型等。

4.4　處理程序

處理程序是軟件設(shè)計(jì)的主要部分，能完成測(cè)溫的主要任務(wù)，包括數(shù)字濾波、線(xiàn)性化處理、輻射率修正值查取、環(huán)溫檢測(cè)、輻射率修正、環(huán)溫補(bǔ)償、碼制轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和串行通訊。

軟件設(shè)計(jì)的突出特點(diǎn)是較好地解決了過(guò)去用模擬電路實(shí)現(xiàn)的線(xiàn)性化處理、輻射率修正和環(huán)溫補(bǔ)償問(wèn)題。運(yùn)用這些硬件軟件化手段，不但顯著降低了成本，提高了精度，而且有效地解決了輻射測(cè)溫中必須解決的重要技術(shù)問(wèn)題，效果頗佳。

5　結(jié)束語(yǔ)

本測(cè)溫儀單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，以MCS-51系列中性能優(yōu)越的CHMOS單片機(jī)為主設(shè)計(jì)。硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能較強(qiáng)；軟件設(shè)計(jì)靈活，速度快，實(shí)用性強(qiáng)。在抗干擾方面，采取了許多措施，包括防振、濾波、屏蔽、合理布線(xiàn)等硬件措施，以及雙積分A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波等軟件措施。經(jīng)仿真調(diào)試證明，系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計(jì)合理，功能完備，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

6　參考文獻(xiàn)
　[1]周書(shū)銓.紅外輻射測(cè)量基礎(chǔ).上海：上海交通大學(xué)出版社，1991：1～12
　[2]何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990
　[3]陳粵初等編著.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐.北京航空航天大學(xué)出版社，1991：206～216