本發(fā)明屬于電學測量技術領域,具體涉及一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術:
在工業(yè)生產中,相關設備的運行狀態(tài)大多都是對其進行溫度的檢測,通過對其溫度變化的分析來解讀其是否正常運行。然而,如今的眾多機械設備一般都工作于強腐蝕、超高電壓的狀態(tài),以前的接觸式監(jiān)測溫度的方式已明顯滿足不了許多生產場所的測溫需求,而非接觸式、遠紅外距離的監(jiān)測溫度的技術則越來越受歡迎。
電網中的許多設備都是工作在超高壓及其危險的環(huán)境中,然而,它們的工作狀態(tài)與供電的可靠性、經濟性、安全性息息相關。在電網的輸電、配電過程中,由于外界環(huán)境以及電網本身的影響,很可能使電網中的某一個小零件或者某個設備的溫度升高,最后成為威脅整個電網安全的因素,而造成大面積停電以及危害人生安全的大事故。此類事件,在過去都曾造成過慘重的損失。由此可見對該電網的相關零件以及設備進行實時的溫度監(jiān)測既有非常重大的意義。然而,普通的溫度監(jiān)測方式又不能適用于這樣的特殊的場合,所以,我們要研究一種比較新的安全的適用于這種特殊場合的溫度監(jiān)測方法。
該發(fā)明可以根據物體向外的紅外輻射來監(jiān)測物質的溫度變化。本系統(tǒng)能在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測如電力網絡的安全檢修上,這對整個電網的設備都有了一個實時監(jiān)測其變化的作用,可以快速的發(fā)現威脅的因素,并及時的去解決這些問題,提高了整個電網的用電安全。
經過了漫長的發(fā)展歷程,傳統(tǒng)溫度監(jiān)測傳感系統(tǒng)已近于成熟。目前,隨著工業(yè)生產技術的不斷發(fā)展,對溫度檢測系統(tǒng)的要求也在日益增強,需求一種在特殊條件(如高溫、高電壓、大電流、強腐蝕等)下的溫度傳感技術是當前研究的重點。
紅外傳感器的種類較多,發(fā)展比較迅速,技術比較成熟,并且且適用范圍比較廣,不僅可以檢測沒一點的溫度,也可以實現大面積的溫度檢測;有的是方便攜帶的,有的是大型的固定在一個地方的,適用范圍十分廣泛,應用起來也比較方便。紅外溫度傳感器在監(jiān)測溫度的時候不需要近距離的接觸到被監(jiān)測溫度的物體,并且監(jiān)測時間較短,不會影響到被監(jiān)測溫度物體的溫度場。因此,紅外傳感技術是一些處于特殊條件、有特殊需求的最適合的選擇。
遠紅外監(jiān)測溫度技術慢慢成為電力、工業(yè)等其他許多行業(yè)中的一項不可或缺的技術。她可以讓整個生產環(huán)境以及生產流程更加安全,讓生產出來的產品質量更加好。遠紅外陣列溫度傳感技術可以應用在許許多多的場合,例如,我們可以利用此項技術來監(jiān)測電網里的相關設備的狀態(tài),可以將遠紅外陣列溫度傳感器應用與空調中等等,總之,該技術的使用范圍十分廣泛。
技術實現要素:
為克服現有技術的不足,本發(fā)明的目的是提供一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測系統(tǒng),解決當前在一些特殊環(huán)境里(如高溫、高電壓、大電流、強腐蝕等)溫度傳感技術問題。
硬件部分:包括傳感器、微處理器(單片機)、LCD顯示模塊、IIC 總線。各模塊之間的連接關系為:以 STM32 為主控芯片,它是數據處理和控制的核心,通過IIC 總線與溫度傳感器相連,也與TFT-LCD 顯示屏相連。主控芯片引出IIC 總線接一個或多個遠紅外傳感器MLX90620作為溫度采集模塊,通過非碰觸式短時間內實現大面積的溫度檢測。TFT-LCD 顯示屏可以實現主控芯片與顯示屏之間的數據通信,將采集的溫度清晰的顯示給用戶。如果溫度測量范圍擴大,主控芯片 STM32 的 IIC 總線上可以掛載多個紅外傳感器或其他有 IIC 接口的傳感器。
所述微處理器采用 ST 公司生產的型號為 STM32F103VET6 的單片機,其負責協(xié)調各個功能模塊的共同工作。
所述溫度傳感器部分采用由邁來芯公司研發(fā)的 MLX90620,負責溫度信息的采集,該傳感器為 16×4 的紅外陣列溫度傳感器,可以同時監(jiān)測 64 個點的溫度變化。為了降低噪聲需要對電源開關噪聲進行退耦。MLX90620 紅外陣列傳感器使用的是 IIC 的通信模式,它能自己一個單獨的來使用,也能好幾個一起并在一起使用,也就是說可以連在一起測量更大的溫度場合,從而也可以得到更高分辨率的溫度顯示圖。
所述LCD顯示模塊的顯示器采用TFT-LCD液晶屏,負責溫度信息的顯示。
軟件部分:本裝置軟件編程主要是用C語言編寫程序以實現紅外陣列溫度傳感監(jiān)測系統(tǒng)主控系統(tǒng)與傳感器間的數據傳輸,其中主要包括以下幾個步驟:獲取傳感器校準數據、寫入器件配置數值和振蕩器修整值、讀取 64 個 IR 熱電堆的溫度值。整個系統(tǒng)結構簡單,通信數據準確,具有較好的兼容性。
附圖說明
圖1是所述一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測系統(tǒng)的結構框圖。
圖2是所述一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測系統(tǒng)的主控系統(tǒng)與傳感器通信流程圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測系統(tǒng)。下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。
圖1所示為所述一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測系統(tǒng)的結構框圖,主要包括傳感器、主控芯片(單片機)、LCD顯示模塊、IIC 總線。各模塊之間的連接關系為:以 STM32 為主控芯片,STM32 類單片機基于是為一些性能要求高、成本核算低、規(guī)定功能損耗小的電路而設計的,它是數據處理和控制的核心,通過IIC 總線與溫度傳感器相連,主控芯片也與TFT-LCD 顯示屏相連。主控芯片引出IIC 總線接一個或多個遠紅外傳感器MLX90620作為溫度采集模塊,通過非碰觸式短時間內實現大面積的溫度檢測。TFT-LCD 顯示屏可以實現主控芯片與顯示屏之間的數據通信,將采集的溫度清晰的顯示給用戶。如果溫度測量范圍擴大,主控芯片 STM32 的 IIC 總線上可以掛載多個紅外傳感器或其他有 IIC 接口的傳感器,以滿足用戶不同的需求。
所述微處理器采用 ST 公司生產的型號為 STM32F103VET6 的單片機,其負責協(xié)調各個功能模塊的共同工作。STM32F103VET6 使用高性能的 ARM Cortex-M3 的 32 位的 RISC 內核,有較高的工作頻率,其為 72MHz, STM32F103VET6 里面含有高速的存儲器,還有許多的增強 I/O通信口以及連接了兩條 APB 通信的外設。它有 3 個通用 16 位定時器、2 個 12 位的 ADC、一個 PWM 定時器、 2 個 IIC 和 SPI、 3 個 USART、 1 個 YSB 和一個 CAN。
所述溫度傳感器部分采用由邁來芯公司研發(fā)的 MLX90620,負責溫度信息的采集,該傳感器為 16×4 的紅外陣列溫度傳感器,可以同時監(jiān)測 64 個點的溫度變化。為了降低噪聲需要對電源開關噪聲進行退耦。MLX90620 紅外陣列傳感器使用的是 IIC 的通信模式,能單獨的使用,也能數個并在一起使用,也就是說可以連在一起測量更大的溫度場合,從而也可以得到更高分辨率的溫度顯示圖。并且,該傳感器的監(jiān)測溫度的范圍為-50℃~300℃,并有 60o x 15o和 40o x 10o兩個視場( FOV)選擇,采用工業(yè)標準的 TO-39封裝,可以用在很多的場合。
所述LCD顯示模塊的顯示器采用TFT-LCD液晶屏,負責溫度信息的顯示。
圖2是所述一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測系統(tǒng)主控系統(tǒng)與傳感器通信流程圖。
為了實現單片機訪問傳感器數據時的功能,本發(fā)明采取以下幾個步驟:
步驟1:初始化;
步驟2:讀取測量數據;
步驟3:計算所得到的數據。
所述步驟1前,需要先對MLX90620 要進行上電復位( POR)。將傳感器連接到電源。片上的 POR 電路提供一個有效的 POR 信號,當電壓上升至大于 0.5V,并將 MLX90620 保持復位至到高于 2.4V。器件會在 POR 后大約 5ms 開始工作。
所述步驟1中,傳感器芯片上電復位 POR 后, DSP 需要對傳感器的一些系統(tǒng)參數進行配置,同時也需要從傳感器中讀到校準信息,以備后期的實際溫度值計算。初始化分為以下幾個步驟:(1)讀取整個EEPROM;(2)寫入振蕩器修整數值;(3)寫入器件配置數值。
所述步驟2中,在初始化完溫度傳感器之后, 單片機逐幀讀取 64 個 IR 中的溫度數據和 PTAT 中的環(huán)境溫度。
所述步驟3中,就是利用傳感器技術手冊中的溫度校準公式,計算各像素點的溫度,計算過程主要分為兩個步驟:(1)芯片環(huán)境溫度計算和(2)像素點溫度計算。
(1)芯片環(huán)境溫度的計算公式為:
常數VTH (25) , KT1 , KT2 是環(huán)境溫度傳感器的三個參數,以十六進制的數值存于EEPROM 中, PTAT_data 是環(huán)境溫度的測量數據,存于 RAM 中。
(2) 第 i 行 j 列的像素點的校準溫度值用TO(i,j) 表示,其計算公式為
式中:
VIR(i, j)_COMPENSATED:無寄生效應的 IR 補償信號
a(i, j):每個獨立像素靈敏度系數,存于 EEPROM
Ta :環(huán)境溫度,計算為 28.16攝氏度
計算VIR(i, j)_COMPENSATED的步驟包括偏移量抵消、熱梯度補償、發(fā)射率補償。
:偏移量抵消公式:
式中:
VIR( i. j):單個像素 IR 數據讀數(讀取 RAM)
Ai(i, j) :作為兩個補碼值存在于 EEPROM 的單個像素偏移量
Bi(i, j):作為兩個補碼值存在于 EEPROM 的單個像素偏移量斜率系數
Bi _ s c a l e :作為無符號存在于 EEPROM 的單個像素偏移量斜率比例因子
Ta:環(huán)境溫度
Ta _0:個常數
:熱梯度補償公式
式中:
VIR(i, j)_TGC_COMP:熱梯度補償像素對應的偏移補償后的 IR 信號
T G C系數作為兩個補碼值存于 EEPROM
:發(fā)射率補償公式:
式中:e:發(fā)射率系數,計算公式為
IIC 通信協(xié)議支持多機通信,但是在一個相同時間點則只可以接入一個主控器件,開始與結束信號均由主控器件來控制,主機發(fā)送 START 起始位啟動通信,獲得總線控制權,發(fā)送 STOP 位結束通信,釋放總線控制權。
所述發(fā)明使用的開發(fā)板,其主要主控芯片是STM32F103VET6,在此開發(fā)板上裝載有一個型號為24C02的EEPROM,我們將用這個EEPROM來進行芯片間的IIC通信,也就是說我們用24C02來模擬IIC通信。
遠紅外熱電堆傳感器MLX90620內部的數據都是通過IIC與外界通信的;該通信模塊的目標是使單片機能獲得在傳感器EEPROM中的校準數據,并且也能配置信息,如傳感器的刷新率寫入傳感器;最重要的是單片機能獲取到傳感器里64個IR熱電堆(又稱像素)里的數據和環(huán)境溫度數據;最終實現視場內64個點的溫度信息采集。
最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制,所屬領域的普通技術人員參照上述實施例依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者等同替換,這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換,均在申請待批的本發(fā)明的權利要求保護范圍之內。