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(jìn)行紅外測(cè)溫儀的研制，給出了硬件設(shè)計(jì)的原理框圖,。重點(diǎn)闡述了信號(hào)處理,、帶通濾波和檢波部分的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相關(guān)軟件的設(shè)計(jì),。由于STM32芯片內(nèi)部集成度比較高,，使硬件結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。該紅外測(cè)溫儀具有擴(kuò)展方便,、配置簡(jiǎn)單,、可靠性高、成本低等特點(diǎn),。
關(guān)鍵詞： 紅外測(cè)溫,； 熱釋電傳感器； STM32,； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

    紅外測(cè)溫儀是一種將紅外技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合的新型溫度測(cè)量?jī)x器,。與傳統(tǒng)接觸式測(cè)溫儀器相比,，具有測(cè)溫精度高、非接觸,、不影響被測(cè)對(duì)象溫度場(chǎng)、響應(yīng)速度快及穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn),，在電力,、石油、化工,、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1],。
   熱釋電紅外測(cè)溫儀是利用熱釋電效應(yīng)工作的一種新型紅外測(cè)溫儀。與其他傳統(tǒng)測(cè)溫儀相比,，具有不需制冷,、能在室溫下工作和光譜響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn)，且其靈敏度高,、響應(yīng)速度快,、抗干擾能力強(qiáng)[2]。本文利用熱釋電探測(cè)器,，結(jié)合32 bit ARM核處理器低功耗,、高性能和低成本的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)以ARM微控制器STM32為核心的紅外測(cè)溫儀,。
1 紅外測(cè)溫的原理
    一切溫度高于絕對(duì)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(zhǎng)的分布與其表面溫度有密切關(guān)系，由維恩位移定律可知,，溫度為Tc,的物體,，對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)為λ1和λ2的單色輻射功率之比Z 由下式表示：

2 總體構(gòu)成
    由于本系統(tǒng)需要測(cè)量的是高溫物體的表面溫度，故采用比色測(cè)溫方案,，即利用同一被測(cè)物體在兩個(gè)波長(zhǎng)下的單色輻射亮度之比隨溫度變化這一特性作為其測(cè)溫原理,。紅外測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由光學(xué)系統(tǒng),、紅外探測(cè)器,、信號(hào)處理和顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)完成光線的收集和視場(chǎng)大小的確定,，紅外探測(cè)器用來(lái)將聚焦在探測(cè)器上的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào),，經(jīng)放大、濾波等進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,，然后送至微控制器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理,，最后再經(jīng)溫度補(bǔ)償和標(biāo)定后轉(zhuǎn)換為被測(cè)目標(biāo)的溫度并用LCD顯示出來(lái)。

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(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核,。并帶有512 KB的高速Flash存儲(chǔ)器，其內(nèi)部集成了3個(gè)12 bit的ADC,，1個(gè)2通道12 bit DAC,，有多達(dá)11個(gè)定時(shí)器，其中有兩個(gè)16 bit帶死區(qū)控制和緊急剎車,，用于電機(jī)控制的PWM高級(jí)控制定時(shí)器,。利用此控制器可快速進(jìn)行數(shù)字濾波、溫度補(bǔ)償?shù)葦?shù)據(jù)處理任務(wù)[3],。
2.2 光學(xué)系統(tǒng)
    這部分采用的是反射式光學(xué)系統(tǒng)中典型的牛頓系統(tǒng),，這種系統(tǒng)相對(duì)于透射式和透射--反射組合式光能損失小、不存在色差,、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、易于加工。
2.3 探測(cè)器及斬波器設(shè)計(jì)
    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(duì)于熱釋電體材,，具有小型輕量,、分辨率高、反應(yīng)快,、能與微電子技術(shù)兼容等優(yōu)點(diǎn),，因接受到的輻射很微弱且直流放大器存在零點(diǎn)漂移，故在輻射信號(hào)到達(dá)傳感器器前必須對(duì)輻射能進(jìn)行調(diào)制,，使其變?yōu)榻蛔冃盘?hào),。本系統(tǒng)使用的扇形調(diào)制盤(pán)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(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。
2.4 信號(hào)的調(diào)理
    信號(hào)的放大電路分為前置放大電路和后級(jí)放大電路,。尤其是前置放大器的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲具有決定性作用,。本設(shè)計(jì)采用的放大器是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的OP07， OP07是一種超低失調(diào)的運(yùn)算放大器(一般為10 μV左右),其共模輸入阻抗可達(dá)200 MΩ,，輸出阻抗僅為60 Ω,可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要,。由于STM32的A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)范圍為0～3.3 V，需選擇合適的放大倍數(shù),使最高測(cè)溫時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓在3.3 V內(nèi),。
    當(dāng)信號(hào)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(jí)放大器之間加了帶通濾波器來(lái)抑制寬帶噪聲,，提高信噪比。但帶通濾波器的帶寬應(yīng)做的寬一些,，否則當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),，信號(hào)的頻譜很容易偏離濾波器的通頻帶而導(dǎo)致測(cè)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(shè)計(jì)為100 Hz,，帶寬約在20 Hz。
2.5 檢波電路
    本文設(shè)計(jì)中采用電子開(kāi)關(guān)型檢波器,，與模擬乘法器型檢波器相比具有電路簡(jiǎn)單,、精度更高、運(yùn)行速度快,、沒(méi)有非線性等優(yōu)點(diǎn)，具體的電路如圖2所示,。

    由圖2可見(jiàn)．輸入信號(hào)V4是傳感器經(jīng)主放大器放大的輸出信號(hào),，V5是STM32的PWM端口發(fā)出的,經(jīng)過(guò)移相后用于斬波調(diào)制的脈沖信號(hào)；V6為V5的反相電壓,，通過(guò)加一反相器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。圖中R27=R28=R29=R31=R32=0.5 R33，當(dāng)V5為高電平時(shí),，Q2導(dǎo)通,，OP07的同相端接地；當(dāng)V5為低電平時(shí),，Q2截止,，OP07反相端接地，輸出電壓,。
    經(jīng)上述電路后信號(hào)中還混有噪聲,，主要通過(guò)低通濾波器來(lái)消除這些噪聲。
2.6 溫度補(bǔ)償單元
    由于受到環(huán)境溫度的影響,，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償,，本系統(tǒng)采用的是集成溫度傳感器AD592，是美國(guó)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(diǎn),。系統(tǒng)中的可調(diào)電阻R2用來(lái)校準(zhǔn)輸出電壓V2,，當(dāng)環(huán)境溫度為0時(shí)輸出電壓V2為0；R5用來(lái)校準(zhǔn)溫度系數(shù),。經(jīng)校準(zhǔn)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(gè)12 bit的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),每個(gè)ADC共有多達(dá)21個(gè)外部通道,，可以實(shí)現(xiàn)單次或掃描轉(zhuǎn)換,，在掃描模式下，自動(dòng)進(jìn)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(cè)量范圍為0~5 V,，因?yàn)楸鞠到y(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(shè)為1.5 kHz,，系統(tǒng)中采用PC1端口對(duì)電壓進(jìn)行采樣。
2.8 輸入輸出單元
    STM32擁有多達(dá)80個(gè)多功能雙向I/O口,，因此設(shè)計(jì)鍵盤(pán)時(shí)可采用5個(gè)獨(dú)立式按鍵,，分別為開(kāi)機(jī)、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(guò)8 bit串行接口向NT7502發(fā)送數(shù)據(jù)/命令,用GPIO實(shí)現(xiàn)LCD的讀寫(xiě)控制時(shí)序以及數(shù)據(jù)信號(hào),，完成對(duì)LCD的操作控制,，同時(shí)可用來(lái)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(cè)溫儀的標(biāo)定
   紅外測(cè)溫儀必須經(jīng)標(biāo)定才能正確顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度,，傳統(tǒng)的查表方式和擬合曲線法等標(biāo)定方式不僅要測(cè)量多個(gè)溫度點(diǎn)，而且精度低,、誤差大,。本系統(tǒng)在標(biāo)定的過(guò)程中，采用了三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定,，其具有自學(xué)習(xí),、自適應(yīng)信息并行處理能力。在標(biāo)定過(guò)程中,，采用黑體爐模擬被測(cè)目標(biāo),，采集不同溫度下信號(hào)電壓的大小。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次測(cè)量,，在10℃~50℃的工作環(huán)境溫度中,，測(cè)溫范圍為800℃~1 500℃。并在中頻真空感應(yīng)熔煉爐上與鉑銠熱電偶進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),，該系統(tǒng)精度可達(dá)±1‰,，分辨率為0.5 ℃，響應(yīng)時(shí)間小于50 ms,，基本滿足系統(tǒng)的最初設(shè)計(jì)要求,。
    本文研制的是一種基于比色測(cè)溫原理的紅外測(cè)溫儀，與其他測(cè)溫儀相比，能夠抵消由于輻射率對(duì)測(cè)溫精度的影響,，使得測(cè)量結(jié)果更加接近待測(cè)物體表面真實(shí)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(qiáng),，測(cè)溫性能得到很大提高，同時(shí)也減小了測(cè)溫儀的體積,，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、操作方便、可靠性好,、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),。
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