| 这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。
图4A/D转换电路图
其中，第5通道的+2.5V参考电压由图5所示的电路输出，采用了一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压可以任意的设置到从Vref（+2.5V）到36V范围内的任何值。本终端输出的是+2.5V参考电压，以提高系统的测量精度。
图52.5V参考电压输出电路
2.3微处理器电路的设计
本终端采用51系列单片机实现对温度的计算，由于51单片机其内部存储容量较小，本终端外置了一片基于IC-BUS的串行EPROM，用于存放终端的器件地址以及辐射率。微处理器电路图如图6所示，串行EPROM电路图如图7所示。
图6微处理器电路图
图6中，利用单片机的P1口对串行E2PROM进行控制，在测温时读取或修改终端的器件地址以及辐射率，利用P2口进行A/D采样数据的读写，而利用单片机的串口进行与上位机软件进行串口通信。
图7串行EPROM电路图
2.4通信电路设计
本终端用于工业应用，采用RS485工业级串口通信芯片实现与上位机的通信，传输距离可达500米以上。电路如图8所示。在输出端，采用三个TVS管，使两极间的电压箝位于一个安全值，有效地保护电子线路中的精密元器件免受浪涌脉冲的破坏，提高了终端的可靠性。
图8串口通信电路图
3底层软件设计
红外测温终端的底层软件需完成由上位机软件发出的命令，包括设置终端的地址（因同一485总线上可挂靠多个终端）及目标物体的辐射率值，计算目标物体的实际温度值，并将测量的温度值传至上位机处理，同时如传感器工作不正常，如测量温度低于或高于测量范围、环境温度低于或高于工作范围、传感器供电异常等信息传至上位机软件处理。底层软件设计主要有如下几个主要模块：初始化模块、A/D转换模块、地址与辐射率设置模块、温度计算模块、通信模块等。软件流程图如图9所示。
图9软件流程图
初始化模块：主要进行串口的初始化，开放全局中断以及定时计数器的初值、工作方式的设置等。
A/D转换模块：其SPI时序图如图10所示。芯片每次转换和数据传送使用16个时钟周期，且在每次传送周期之间插入CS的时序。从时序图可以看出，在CS变低时开始转换和传送过程，I/OCLOCK的前8个上升沿将8个输入数据位键入输入数据寄存器，同时它将前一次转换的数据的其余11位移出DATAOUT端，在I/OCLOCK下降沿时数据变化。当CS为高时，I/OCLOCK和DATAINPUT被禁止，DATAOUT为高阻态。在A/D转换程序中，利用冒泡算法将多次采样的值去掉最大值和最小值后再进行平均，保证了这一数据处理环节的准确性，提高了终端的测量精度。
图10SPI时序图
地址与辐射率设置模块：在外部E2PROM芯片中存储一个原始地址和辐射率，通过上位机的命令，在程序中判断是需要读取或修改相应值，再通过一个I2C读写程序进行读取或修改。
温度计算模块：由单片机进行目标温度和环境温度计算，输出的目标温度电压值和环境温度电压值经一个六次方公式计算，可得出目标的黑体辐射温度值T，再经辐射率系数（E）调整，可得出实际温度值T。设物体的辐射率为ε。则，物体实际温度值与其黑体辐射温度值的关系如式（1）所示，其中T、T的单位均为摄氏度，故式（1）中首先进行了开氏温度转换，然后用辐射率系数进行计算。而辐射率系数与辐射率的关系如式（2）所示。
 （1）
 （2）
根据红外测温的原理，在进行温度测量时，应该首先明确被测目标的辐射率，实际测定被测对象的辐射率，否则将造成严重的测量误差。
通信模块：串口通信的接收部分采用中断方式，发送部分采用查询方式。另外，由于RS485是半双工串口通信方式，不能同时进行发送，故在进行发送与接收前，需于每次接收和发送前，在程序中设置RS485的使能端（1为发送，0为接收）。
4结束语
本文运用了红外测温技术，数字信号处理技术等设计了一台非接触式红外测温终端，完整地完成了终端的硬件电路及软件设计，采用了稳定的参考基准电压和轨对轨运算放大器等手段，提高了终端的测量精度。本文所设计的终端能够准确地测量被测目标的温度值，精度达到了±1℃,目前，该终端已成功应用于开关柜节点温度的测量，取得了良好的应用效果。
参考文献
1 田裕鹏.红外检测与诊断技术[M].北京:化学工业出版社,2006.
2 蔡向东.单片机软件模拟I/O接口的解决方案.信息技术,2006,30(6):134-135,145.
3 李明.单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学.2007. 2/2 首页 上一页 1 2 |
