摘 要： 利用嵌入式高性能ARM的Cortex-M3內(nèi)核微控制器芯片STM32進行紅外測溫儀的研制，給出了硬件設計的原理框圖。重點闡述了信號處理、帶通濾波和檢波部分的設計，并進行了相關軟件的設計。由于STM32芯片內(nèi)部集成度比較高，使硬件結構得到簡化。該紅外測溫儀具有擴展方便、配置簡單、可靠性高、成本低等特點。
關鍵詞： 紅外測溫； 熱釋電傳感器； STM32； 神經(jīng)網(wǎng)絡
紅外測溫儀是一種將紅外技術與微電子技術相結合的新型溫度測量儀器。與傳統(tǒng)接觸式測溫儀器相比，具有測溫精度高、非接觸、不影響被測對象溫度場、響應速度快及穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點，在電力、石油、化工、醫(yī)療等領域得到廣泛應用[1]。
熱釋電紅外測溫儀是利用熱釋電效應工作的一種新型紅外測溫儀。與其他傳統(tǒng)測溫儀相比，具有不需制冷、能在室溫下工作和光譜響應寬等優(yōu)點，且其靈敏度高、響應速度快、抗干擾能力強[2]。本文利用熱釋電探測器，結合32 bit ARM核處理器低功耗、高性能和低成本的優(yōu)點，設計了一個以ARM微控制器STM32為核心的紅外測溫儀。
1 紅外測溫的原理
一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量，其輻射能量的大小及其波長的分布與其表面溫度有密切關系，由維恩位移定律可知，溫度為Tc,的物體，對應于波長為λ1和λ2的單色輻射功率之比Z 由下式表示：
2 總體構成
由于本系統(tǒng)需要測量的是高溫物體的表面溫度，故采用比色測溫方案，即利用同一被測物體在兩個波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化這一特性作為其測溫原理。紅外測溫儀的結構組成如圖1所示，主要由光學系統(tǒng)、紅外探測器、信號處理和顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)完成光線的收集和視場大小的確定，紅外探測器用來將聚焦在探測器上的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大、濾波等進行信號調(diào)理，然后送至微控制器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號處理，最后再經(jīng)溫度補償和標定后轉(zhuǎn)換為被測目標的溫度并用LCD顯示出來。
2.1 微控制器STM32
STM32系列基于為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。并帶有512 KB的高速Flash存儲器，其內(nèi)部集成了3個12 bit的ADC，1個2通道12 bit DAC，有多達11個定時器，其中有兩個16 bit帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器。利用此控制器可快速進行數(shù)字濾波、溫度補償?shù)葦?shù)據(jù)處理任務[3]。
2.2 光學系統(tǒng)
這部分采用的是反射式光學系統(tǒng)中典型的牛頓系統(tǒng)，這種系統(tǒng)相對于透射式和透射--反射組合式光能損失小、不存在色差、結構簡單、易于加工。
2.3 探測器及斬波器設計
本系統(tǒng)采用的是熱釋電傳感器，目前熱釋電傳感器的核心元件——熱釋電材料主要有鋯鈦酸鉛PZT、鈦酸鍶鋇(BST)和鉭鈧酸鉛(PST)等,在這里選擇是用BST薄膜，熱釋電薄膜相對于熱釋電體材，具有小型輕量、分辨率高、反應快、能與微電子技術兼容等優(yōu)點，因接受到的輻射很微弱且直流放大器存在零點漂移，故在輻射信號到達傳感器器前必須對輻射能進行調(diào)制，使其變?yōu)榻蛔冃盘枴１鞠到y(tǒng)使用的扇形調(diào)制盤由STM32的脈寬調(diào)制器輸出口PA8產(chǎn)生的占空比為50%的方波信號驅(qū)動步進電機。
2.4 信號的調(diào)理
信號的放大電路分為前置放大電路和后級放大電路。尤其是前置放大器的噪聲系數(shù)對整個檢測系統(tǒng)的噪聲具有決定性作用。本設計采用的放大器是美國MAXIM公司生產(chǎn)的OP07， OP07是一種超低失調(diào)的運算放大器(一般為10 μV左右),其共模輸入阻抗可達200 MΩ，輸出阻抗僅為60 Ω,可滿足系統(tǒng)設計需要。由于STM32的A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號范圍為0～3.3 V，需選擇合適的放大倍數(shù),使最高測溫時對應的輸出電壓在3.3 V內(nèi)。
當信號經(jīng)放大器放大后，其寬帶噪聲較大，因此，在前置放大器和后級放大器之間加了帶通濾波器來抑制寬帶噪聲，提高信噪比。但帶通濾波器的帶寬應做的寬一些，否則當溫度發(fā)生變化時，信號的頻譜很容易偏離濾波器的通頻帶而導致測量誤差[4]。根據(jù)本系統(tǒng)需要，系統(tǒng)采用二階巴特沃斯型帶通濾波器，其中心頻率設計為100 Hz，帶寬約在20 Hz。
2.5 檢波電路
本文設計中采用電子開關型檢波器，與模擬乘法器型檢波器相比具有電路簡單、精度更高、運行速度快、沒有非線性等優(yōu)點，具體的電路如圖2所示。
由圖2可見．輸入信號V4是傳感器經(jīng)主放大器放大的輸出信號，V5是STM32的PWM端口發(fā)出的,經(jīng)過移相后用于斬波調(diào)制的脈沖信號；V6為V5的反相電壓，通過加一反相器來實現(xiàn)的。圖中R27=R28=R29=R31=R32=0.5 R33，當V5為高電平時，Q2導通，OP07的同相端接地；當V5為低電平時，Q2截止，OP07反相端接地，輸出電壓。
經(jīng)上述電路后信號中還混有噪聲，主要通過低通濾波器來消除這些噪聲。
2.6 溫度補償單元
由于受到環(huán)境溫度的影響，需要對系統(tǒng)進行溫度補償，本系統(tǒng)采用的是集成溫度傳感器AD592，是美國AD公司的一款高性能集成溫度傳感器，具有精度高、非線性的誤差小、輸入的范圍寬等優(yōu)點。系統(tǒng)中的可調(diào)電阻R2用來校準輸出電壓V2，當環(huán)境溫度為0時輸出電壓V2為0；R5用來校準溫度系數(shù)。經(jīng)校準后，輸出電壓V2即為溫度系數(shù)與環(huán)境溫度的積，接到STM32的ADC端口PC0。
2.7 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元
STM32內(nèi)置了3個12 bit的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),每個ADC共有多達21個外部通道，可以實現(xiàn)單次或掃描轉(zhuǎn)換，在掃描模式下，自動進行在選定的一組模擬輸入上的轉(zhuǎn)換[5]。其A/D轉(zhuǎn)換器測量范圍為0~5 V，因為本系統(tǒng)的工作頻率為150 Hz，每周期采樣10次，所以ADC的轉(zhuǎn)換速率設為1.5 kHz，系統(tǒng)中采用PC1端口對電壓進行采樣。
2.8 輸入輸出單元
STM32擁有多達80個多功能雙向I/O口，因此設計鍵盤時可采用5個獨立式按鍵，分別為開機、攝氏與華氏溫度轉(zhuǎn)換、輻射率修正和背光顯示鍵，LCD顯示器采用字符型液晶NT7502顯示，微處理器通過8 bit串行接口向NT7502發(fā)送數(shù)據(jù)/命令,用GPIO實現(xiàn)LCD的讀寫控制時序以及數(shù)據(jù)信號，完成對LCD的操作控制，同時可用來顯示環(huán)境溫度的值。液晶顯示器接口電路如圖3所示。
4 紅外測溫儀的標定
紅外測溫儀必須經(jīng)標定才能正確顯示出被測目標的溫度，傳統(tǒng)的查表方式和擬合曲線法等標定方式不僅要測量多個溫度點，而且精度低、誤差大。本系統(tǒng)在標定的過程中，采用了三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法對測溫數(shù)據(jù)進行標定，其具有自學習、自適應信息并行處理能力。在標定過程中，采用黑體爐模擬被測目標，采集不同溫度下信號電壓的大小。經(jīng)過反復多次測量，在10℃~50℃的工作環(huán)境溫度中，測溫范圍為800℃~1 500℃。并在中頻真空感應熔煉爐上與鉑銠熱電偶進行對比實驗，該系統(tǒng)精度可達±1‰，分辨率為0.5 ℃，響應時間小于50 ms，基本滿足系統(tǒng)的最初設計要求。
本文研制的是一種基于比色測溫原理的紅外測溫儀，與其他測溫儀相比，能夠抵消由于輻射率對測溫精度的影響，使得測量結果更加接近待測物體表面真實溫度，由于采用了32 bit的STM32作為處理芯片，與其他使用8 bit或16 bit處理器相比，使數(shù)據(jù)處理能力大大增強，測溫性能得到很大提高，同時也減小了測溫儀的體積，并具有結構簡單、操作方便、可靠性好、價格低等優(yōu)點。
參考文獻
[1] 唐慧強,王友鵬.基于LPC2132的紅外測溫儀的研究[J].壓電與聲光, 2008, 30(2):161-163.
[2] 曾亦可.熱釋電紅外測溫系統(tǒng)[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術, 2004(2):273-276．
[3] STM32F103CDE增強型系列數(shù)據(jù)手冊[S]. 2009:2-5.
[4] 高晉占. 微弱信號檢測[M].北京:清華大學出版社,2004:170-172.
[5] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社，2005:297-302.