单片机在红外测温上的开发应用

1　引　言

    在红外测温中，智能红外辐射测温仪是应用红外技术和微电子技术研制出的一种新型温度测量仪器。它根据被测物体的红外辐射能量确定其温度，为非接触测温方式。具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点；同时也有测量值受被测物体发射率、反射热源、气氛干扰影响的弱点。特别是温度传感器远离被测对象，在低温区(0～500℃)热辐射信号非常微弱，因此这种测温技术难度较大。本文介绍运用MCS-51单片机开发设计红外低温测温仪中“单片机检测系统”的全过程。

2　总体设计方案

2.1　基本测温原理

    一切高于绝对零度的物体都能辐射红外线，描述黑体辐射光谱分布的普朗克公式和黑体全辐出度与温度关系的斯蒂芬—玻耳兹曼定律是辐射测温法的基本理论依据，即　　

    由它们可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系式：　　

V=RaεσT4=KT4

　　式中K=Raεσ，由实验确定，定标时ε取1
　　T—被测物体的绝对温度
　　R——探测器的灵敏度
　　a——与大气衰减距离有关的常数
　　ε——辐射率
　　σ——斯蒂芬—玻耳兹曼常数

    因此，可以通过检测电压而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号与目标温度呈非线性关系，V与T的四次方成正比，所以要进行线性化处理。

    线性化处理后得到物体的表观温度，需进行辐射率修正为真实温度，校正式为　　

    式中Tr——辐射温度(表观温度)
　　　　ε(T)——辐射率，取0.1～0.9

    由于调制片辐射信号的影响，辐射率修正后的真实温度为高于环境的温度，还必须作环温补偿，即真实温度加上环温才能最终得到被测物体的实际温度。

2.2　总体设计框图

    本测温仪为低温区(0～500℃)全辐射测温仪，采用折射式光学系统、热释电红外探测器和调制型前置放大系统，解决低温区微弱信号的检测问题，使用 MCS-51系列中性能优越的CHMOS单片机进行硬、软件设计，对信号进行数据处理，具有自动液晶显示、打印、记录、人机通讯等功能，备有模拟量和数字量两种标准输出口。总体设计框图如图1所示，它主要由光学系统、探测系统和电信号处理系统三部分构成。

图1　总体设计框图[page]

2.3　主要技术指标

　　测温范围：0～500℃
　　工作环境温度：-40～50℃
　　红外波段：7～18μm
　　距离系数：L∶D=30∶1
　　最小可测目标：=10mm
　　辐射率修正：ε=0.1～0.9
　　测量精度：±1%
　　显示分辨率：0.1℃
　　响应时间：<0.5s
　　输出方式：四位液晶显示，电流输出4～20mA(线性)
　　功耗：<1W
　　工作电源：两节6V叠层电池或交流220V

3　硬件结构

    根据设计要求，单片机检测系统硬件结构框图如图2所示。

图2　单片机硬件结构框图

3.1　信号的接收 放大电路

    从前置放大、解调电路输出的直流电压信号，经OP-07放大器放大到0～4V后送入A/D转换器。OP-07单运放设计成可编程放大器(可提高测温精度)，由多路模拟开关4051和74LS173选通八路电压放大倍数，实现输入电压从7.8mV到1V的输出放大。

3.2　A/D转换器

    A/D转换器采用双积分4(1)/(2)位A/D芯片ICL7135，该器件精度高，自稳零，对周期变化的干扰信号积分为零，因而抗干扰能力强，但转换速度较慢，不过，能满足测温仪的速度要求。为提高转换速率，时钟频率设置在500kHz，转换速度12.5次/秒，一次A/D转换时间约80ms，分辨率 0.2mV，量化误差±0.1mV。基准电压采用精密电压基准源MC1403。

3.3　单片机系统组成及数据处理

    单片机是智能仪表的核心部分，这里采用MCS-51系列中具有功耗低、速度高、抗干扰能力强的CHMOS单片机。单片机系统组成包括最小系统80C31、74HC373和27C512以及扩展I/O口81C55。

3.3.1　程序存贮器扩展

    80C31片内无ROM，需外接一片EPROM电路。80C31通过地址锁存器74HC373与程序存贮器27C512相连，其寻址空间64k，仪器软件就固化在EPROM内。

3.3.2　定时和中断

    80C31有两个可编程16位定时器/计数器T0和T1。T0用于定时，工作于方式0，每10ms向CPU请求一次中断，中断服务程序为键输入程序，T0还接环温电路的输出；T1作串行口波特率发生器，工作于方式2。

    80C31的INT0作为外部采样中断，中断服务程序是采样程序；T0溢出中断，中断服务程序为键输入程序。INT0中断高于T0溢出中断。INT1作一般I/O口，为液晶显示驱动器提供方波，频率为50Hz。

3.3.3　扩展外部I/O口81C55

    81C55为80C31扩展的外部可编程RAM/IO接口。81C55 RAM分为显示缓冲区、采样数据区、码制转换区(BCD码与二进制码双向转换)等。81C55的三个并行I/O口分别用于：PA口用作接液晶显示驱动器； PB口接A/D转换器7135，其中PB0～3接7135的BCD码数据输出线，PB4～7接7135的BCD码位驱动信号线，分别选通万位、千位……个位。PC0～3作为PB口的控制信号，另外，81C55定时器将80C31的4M晶振频率8分频后得到500kHz频率，作为A/D转换器的时钟脉冲。

3.3.4　单片机主要数据处理内容

    由基本测温原理可知，单片机系统主要数据处理内容有线性化处理、辐射率修正和环温补偿。这些通过列温度值表和ε修正值表，然后，由查表程序查得实际温度，送显示器显示。

3.4　D/A转换器

    D/A转换器使用DACO832芯片，它与微处理器完全兼容，分辨率为8位。通过两级LM324运算放大器转换成0.8～4V电压，再经V-I变换电路得到4～20mA标准电流输出。[page]

3.5　输入 输出接口电路

    接口电路包括LCD显示器、键盘、串行通讯、打印机。四位液晶显示器LCD(ED-S805型)用来显示0～500℃温度值，显示分辨率0.1℃。4个显示驱动器选择4544，具有自行消隐无效零的特殊功能。

    键盘设16个键：辐射率补偿键ε，距离选择键L，打印键PRT，执行键MON，数字键0～9，小数点键。4×4键盘为非编码式的，80C31的P1口作为与4×4键盘的并行接口，当80C31对键盘采用定时扫描方式时，T0每隔10ms产生一次中断，CPU响应T0的溢出中断请求，对键盘进行扫描。

    80C31片内含有一个全双工串行口，为TTL电平，而微机是RS-232C标准接口，经电平转换后，80C31可将测温数据发送给微机，微机将这些数据形象地显示于CRT或打印成各种报表。

4　软件设计

    单片机检测系统的软件设计全部使用汇编语言编程(个别辅助计算用BASIC语言，但不涉及编程部分)，以提高系统的快速性和实时性。软件采用模块化设计方法，有利于修改和调式。程序主要分4部分：①主程序；②中断服务程序；③监控程序；④处理程序。

4.1　主程序设计

    主程序是软件设计的核心部分，能完成测温的主要处理内容。主程序设计流程图如图3所示。

图3　主程序设计流程图

    主程序一开始对系统进行初始化，包括对80C31和80C55初始化以及设置 4051通道，以便自动选择放大倍数。开中断后，由于采样为高级中断，所以先判一次A/D转换结束否，未结束，继续转换；结束，进行码制转换和数字滤波，然后进行测温的主要数据处理，即线性化处理，辐射率修正和环温补偿，所得温度数字量一方面送D/A转换，另一方面送串行通讯，最后判一下是否工作在监控状态下，再将温度值送显示或转键处理程序。

4.2　中断服务程序

    中断服务程序为采样程序和键输入程序。INT0中断时，转入采样中断服务程序，执行把模拟电压量转换为数字量，送单片机计算，T0溢出中断时，转入键输入中断服务程序，使CPU对键的一次闭合仅作一次处理。INT0为高级中断，T0溢出中断为低级中断。

4.3　监控程序

    监控程序指键处理子程序和显示子程序。键处理子程序是对键入的16个键作相应处理；显示子程序使四位液晶显示器显示指定内容，如显示温度测量值、ε字型等。

4.4　处理程序

    处理程序是软件设计的主要部分，能完成测温的主要任务，包括数字滤波、线性化处理、辐射率修正值查取、环温检测、辐射率修正、环温补偿、码制转换、D/A转换和串行通讯。

    软件设计的突出特点是较好地解决了过去用模拟电路实现的线性化处理、辐射率修正和环温补偿问题。运用这些硬件软件化手段，不但显著降低了成本，提高了精度，而且有效地解决了辐射测温中必须解决的重要技术问题，效果颇佳。

5　结束语

    本测温仪单片机检测系统，以MCS-51系列中性能优越的CHMOS单片机为主设计。硬件电路结构简单，功能较强；软件设计灵活，速度快，实用性强。在抗干扰方面，采取了许多措施，包括防振、滤波、屏蔽、合理布线等硬件措施，以及双积分A/D转换、数字滤波等软件措施。经仿真调试证明，系统的硬、软件设计合理，功能完备，运行稳定、可靠。

6　参考文献
　[1]周书铨.红外辐射测量基础.上海：上海交通大学出版社，1991：1～12
　[2]何立民.单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，1990
　[3]陈粤初等编著.单片机应用系统设计与实践.北京航空航天大学出版社，1991：206～216