论文摘要：本文采用集成的红外温度传感器、51系列单片机、外部E PROM 芯片、12位高速A/D转换芯片以及工业级RS485串口通信芯片等，设计了一台非接触式高精度红外测温终端。本文详细介绍了终端硬件电路设计方案、通信接口设计和底层软件设计等，经试验，该终端的基本测量精度达到了±1℃或满量程的1%。
论文关键词：红外,测温,高精度
引言
一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射特性决定了其辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。红外位于可见光和无线电波之间，红外波长常用微米表示，波长范围为0.7微米～1000微米，实际上，0.7微米～14微米波带用于红外测温。
采用红外测温技术进行电力设备温度监测，可在远离目标的安全处测量物体的表面温度，通过探测电气设备和线路的热缺陷及时发现、处理、预防重大事故的发生。红外测温技术的这项优点使得红外测温产品成为电气维护的必不可少的工具。本文正是针对高低压开关柜内母排连接处，开关节点等易发热部位的温度监测需求，设计了一台非接触式高精度红外测温终端，实现对电力开关柜接触节点的非接触式温度监控。
1终端设计要求
本终端用于测量电力高低压开关柜内接触节点的非接触式温度测量，其技术及环境要求如下：
a)测量范围：-20℃～300℃
b)测量精度：±1℃或量程的1%
c)工作环境：-20℃～60℃
d)通讯方式：RS485
2原理及电路设计
自然界一切温度高于绝对零度的物体，都在不停地向外发出红外线。物体发出的红外线能量大小及其波长分布同它的表面温度有密切关系，红外测温设备借助光学系统的滤光作用，使目标物体表面的红外辐射进入仪器的只能是预定工作波段。超过工作波段的其它辐射波长都被限制进入。红外测温终端利用物体表面温度与发射的红外辐射量有一定的函数关系，通过接收被测目标表面的红外辐射能量来进行温度测量。终端的测温原理如图1所示。
本终端由红外温度传感器、信号滤波与放大处理电路、A/D转换电路、微处理器电路、串口通信电路等组成，红外温度传感器采集由物体发射的红外能量并将其转换成电压信号，由信号滤波与放大处理电路进行滤波、放大，再由A/D转换电路进行数模转换，后送至微处理器电路进行数据处理，得到物体的温度信息，经串口通信电路传送至上位机软件进行显示、处理等，图1中，从红外温度传感器分别输出目标表面值和环境值进行处理，参考电压电路加入了一路标准参考电压信号，提高测量的精度。
图1红外温度监测终端测量原理
2.1红外温度传感器
红外温度传感器是本终端的核心元器件之一。本终端选取了一款外部集成封装了硅透镜光路系统，内部集成了专用信号处理电路以及环境温度补偿电路的红外温度传感器，传感器的内部电路结构如图2所示。
图2红外温度传感器内部电路结构图
图2中，V为目标温度的输出电压，V为环境温度的输出电压，V为1.225V内部参考电压，TP是热电堆传感器，PTAT是环境温度传感器。此传感器通过外部集成的光路系统以及TP接收目标物体的红外辐射，转换成相应的电压信号，该信号通过可编程放大器放大。根据热电堆温度测量原理，热电堆电压可能是正或者负，取决于目标温度是否高于或者低于传感器的环境温度。为了使负电压信号能在单电源系统处理，所有的内部信号都连接到内部电压参考(V)，作为虚拟模拟地信号。放大的热电堆信号和环境温度参考信号相加于一个放大器来进行环境温度补偿，最终得到V和V两路电压信号供后续处理。
2.2信号处理电路的设计
由于传感器采样的电压信号很微弱，加之在采样过程中可能会有噪声干扰，输出信号中会包含一些低频交流信号，所以，在进行A/D转换之前，需对其进行滤波、放大。
本终端的电源电压为5V，而根据传感器特性，其放大后的电压信号可能接近甚至超过5V。故需采用轨对轨（railtorail）运算放大器进行滤波和放大，这样不仅能提高线性度，而且输出电压的摆幅就能接近于电源电压，提高系统的测量幅度以及测量精度。滤波及放大电路如图3所示，VDD经四个滤波电容接5V电源，V和V分别为输出的目标电压值和环境电压值，分别经滤波、放大器输出处理后的V和V，以便后续处理。
图3滤波、放大电路图
信号滤波与放大后，进行最后的数据准备：A/D转换。其电路图如图4所示，A/D芯片选择了一款12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机的I/O资源。A/D与单片机的串行通信是采用51单片机的IO口模拟SPI串行通信。SPI是一种串行同步通信方式，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。
（1）SDO–主设备数据输出，从设备数据输入（图中MCU_MOSI）
（2）SDI–主设备数据输入，从设备数据输出（图中MCU_MISO）
（3）SCLK–时钟信号，由主设备产生（图中MCU_SCK）
（4）CS–从设备使能信号，由主设备控制（图中MCU_CS）
其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。 1/2 1 2 下一页 尾页 |
