基于红外热电堆的矿用测温装置设计.pdf

2 01 3正 第 5期 仪表 技术 与 传 感器 I n s t r u me n t Te ch n iq u e a n d S e n s o r 20l 3 No 5 基 于红外热电堆的矿用测温装置设计 谷 林 柱 ， 任 子 晖 ， 王凯 ， 钱 远银 ( 1 中国矿业大学信息与电气工程学院， 江苏徐州2 2 1 1 1 6 ； 2 黔西南州振兴煤矿， 贵州南州5 6 2 3 0 0 ) 摘要： 目前煤矿测温装置多数采用有线接触式测温方式， 针对传统装置存在的测量精度、 实时性 以及安装难等问题， 设计了一种基于红外热电堆的测温装置。系统采用红外热电堆传感器采集温度信号， 通过无线模块收发信号， 将温度送 至上位机， 便 于组成网络， 实现 多点测温。由于非接触特性， 还能够实现对矿井下运动的设备温度进行测量， 具有可靠性 高、 速度快、 实时性强等特点。 关键词 ： 红外 ； 热电堆 ； 无线模块 ； 温度 中图分类号 ： T P 2 1 6 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 21 8 4 1 ( 2 0 1 3 ) 0 50 0 3 1 0 2 De s ig n o f Te m p e r a t u r e M e a s u r in g De v ice in M in ing Ba s e d o n I nf r a r e d The r mo pil e G U L i n z h u ， R E N Z i h u i ， WA N G K a i ， Q I A N Y U A N y i n ( 1 。 S ch o o l o f I n f o r ma t i o n a n d E l e ct r i ca l E n g l n e e r in g ， C U MT， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h in a ； 2 Qi a n x i Z h e n x in g Min e r a l Gr o u p C o ， L t d ， Nanz h o u 5 6 2 3 0 0， C h in a ) Ab s t r a ct ： A t p r e s e n t mo s t o f t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t e q u ip me n t in t h e co a l min e u s e d is a ca b l e - co n t a ct t e mp e r a t u r e me a s - u r e me n t ， wit h t h e p r o b l e ms o f p r e cis io n a n d r e a l t ime a n d in s t all a t io n d if f icu l t T h is p a p e r d e s ig n e d a t e mp e r a t u r e me a s u ri n g d e v ice b a s e d o n in f r a r e d t h e r mo p il e T h e s y s t e m u s e d in f r a r e d t h e r mo p il e s e n s o r s t o co l l e ct t e mp e r a t u r e s ig n a l ， an d s e n t an d r e ce iv e d s ig - n als t h r o u g h t h e w ir e l e s s mo d u l e， a n d t h e n s e n t t h e t e mp e r a t u r e t o t h e h o s t co mp u t e r ， e a s y t o f o r m a n e t w o r k， mu l t i p o in t t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t Du e t o t h e n a t u r e o f t h e n o n co n t a ct ， t h e d e v ice ca n a ch ie v e t h e mo v in g e q u ip me n t st e mp e r a t u r e ， wit h t h e ch a r - a ct e r is t ics o f h ig h r e l ia b il it y ， s p e e d a n d r e a l t ime K e y wo r d s ： in f r a r e d； t h e r mo p il e； w ir e l e s s mo d u l e ； t e mp e r a t u r e 0 引言 在煤矿安全生产中， 温度测量一直受到关注 。传统接触 有线式测温装置存在布线困难、 安装复杂、 准确度及实时性不高 等缺点， 为此设计一种基于红外热电堆的非接触式测温装置。 1系统组成 系统分为 2个部分， 分别是监测模块和接收模块。监测模 块负责对各点的温度进行采集处理， 控制报警设备， 通过无线模 块发送出去； 接收模块负责接收各监测模块发送过来的数据， 最 后送至上位机， 进行数据处理。系统设计框图如图 1 所示。 图 1系统设计框 图 2系统硬件 电路设计 2 1 无线收发模块 C C l l 0 0 无线模块芯片采用的是 C C 1 1 0 0 ， 它具有功耗低、 电压低、 基金项目： 中央高校基本科研业务费专项资金资助( J X l 1 1 7 4 4 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 5 0 9收修 改稿 日期 ： 2 0 1 3 0 21 0 体积小、 灵敏度高等特点。电路通过外围L c 的配置， 使模块工 作在4 3 3 MH z的频率波段 J 。该芯片采用的是 S P I 总线式接 口， 应用电路如图2所示。 发送数据时， 首先进入发送模式， 把要放送的数据通过 S P I 总线发送出去， 发送完成后 ， 把数据缓存区清0 。当接收到数据 时， 进入接收模式。把从 S P I 总线上读取的值存入数据接收缓 存区， 接收完成后 ， 把缓存区的数据清除。 2 2 红外探测模块 红外探测模块采用 A 2 T P MI 3 3 4 L 5 5 O A A 1 2 0红外热电堆型 传感器， 测温范围为0 1 2 0， 能够满足井下温度测量范围要 求 。它内部带有5 5 m截断波长的滤光片、 信号处理电路、 环境温度测量及补偿电路。根据温差电效应， 将 目标物体的温 度辐射转换成电信号， 通过 目标与传感器的金属外壳之间的温 度差产生输出电压。由于传感器采用斩波放大器技术， 输出信 号中包含了峰值为 1 0 m V的交流小信号， 在输出时加一低通滤 波器电路。为了避免由于传感器内部结构造成的死锁现象， 在 传感器电源旁边并联一个小电容。传感器使用电路如图 3所 示 。 2 3 其他硬件模块 系统需要提供 3 3 V和5 V的电压供系统使用 j ， 设计中 传感器输出的电压信号经过 A D采集到微处理器 中进行处 理 ， 采用液晶显示 ， 同时可以通过按键调节报警温度， 并将此 3 2 I n s t r u me n t T e ch n iq u e a n d S e n s o r 图 2 CC l l O 0应用电路 温度值存储到系统 中E E P R O M芯片中。当实测温度值超过报 警值时， 单片机控制声光报警器报警， 提示工作人员注意温度 超标。接收模块通过串口将数据传送至上位机， 进行数据记录 和存储 ， 便于对数据进行分析。 GND 图 3红外探测 电路 3 软件设计 3 1 监测模块 监测模块通过传感器进行温度采集， 单片机对温度信号进 行处理， 分别送至液晶及无线模块进行显示和发送， 同时对温 度信号进行判断， 判别温度值是否超标， 是否开启声光报警 ， 监 测模块设计流程图如图 4所示。 3 2 接收模块 接收模块负责接收温度监测点发出的数据 ， 并对发送来的 数据进行校验 ， 如果接收无误， 将数据传送至上位机进行存储 和数据分析， 设计流程图如图5所示。 为了降低传输误码率， 在接收模块中增加了数据校验。在 传输中采用了前向纠错方式( F E C) 进行差错控制。在发送端 将数据信息进行纠错编码 ， 在接收端通过相应的规则进行译 码， 能够有效发现错误数据并进行 自动纠正。 4 目标温度测量及非线性修正 在系统设计中发现： 输出电压值的大小受环境温度的变化 的影响， 不能绝对地得出输出电压与温度的关系。设计采取 2 0 时目标输出作为标准输出， 同时测量出环境温度对应的电压 ( 塑 ) 主一 系统初始化 E1 攀 ， ， A 踩 集 =二 =二 数据处理 液晶显示 l l 无线发送 开启声光 报警 1f一 Y I 竺 关闭声光报警 (竺 塞 ) 图 4 监测模块软件流程 图 磊 系统初始化 =二!=二 配置 ( U1 1 0 0 l I 接 收 状 态l t 一 Y 数据校验 硼接 卜 发送至串口 ： I ! ： 一 清空缓冲区 二 f 结束) 图 5 接收模块 软件流程 图 输出， 测出输出目标温度与标准温度在某特定温度下的偏差 ， 作为对目标温度的修正。 目标温度与传感器输出电压 有一定的关系， 系统设计 中采用2 0 o c为标准， 此时以输出电压 为横坐标， 目标温度 为纵坐标， 其对应关系图如图6 所示。 设 为输出电压值， Y 。 被测物体温度值， 则得出曲线表达 式为 Yl= 一3 601 x +4 7 3 2x 一2 52 1 x +68 8 5 x 一 1 0 3 8 x + 8 7 4 1 x l 一 3 0 8 1 ( 1 ) ( 下转第 5 4页) ( 上接第 3 2页) 图6 与 关系曲线 为了测出环境温度对目标温度的影响， 设计中测量 了环境 温度在0 1 0 0 q c 时对应的输出值， 输出电压 为横坐标 ， 环 境温度 为纵坐标， 其对应关系图如图7所示。 5 图7 b 与 关 系曲线 设 ： 为输出电压值 ， Y 为环境温度值 。 则得出曲线表达式 为 ： Y 2 =一 4 1 5 1 + 5 4 8 2 ； 一 2 9 1 8 x ： +8 0 0 2 一 l 1 9 9 x ： + 9 7 8 2 x ， 一 3 2 4 9 ( 2 ) 传感器内部对环境温度已经有所补偿， 为了提高精确度， 设计中测量了目标温度受环境温度的影响， 以环境温度 为横 坐标， 以在对应环境温度下测量温度值 与 2 0环境下测量 温度值 的差值( T o T ) 为纵坐标， 其对应关系如图8所示。 3 2 2 1 1 0 一O 一2 0 0 2 0 4 【 J 6 t J 8 U 1 0 0 T 图 8 温度偏差与环境温度关系 曲线 从图中可以看出， 在 1 07 0范围内， 环境温度对被测物 体输出温度的影响在 0 5 q C范围内， 说明传感器具有环境温 度特性， 即使在特殊环境 下， 将图 8拟合成表达式 ， 可以根据表 达式来进行环境温度的修正。设 y ，为被测物体温度与环境温 度差值， 为环境温度值， 则得出成曲线表达式为： Y 3 ： 1 O 0 5 e x p ( 一 7 ) ； 一 1 5 5 6 e x p ( 一 5 ) + 0 0 0 1 1 3 1 x 一 0 0 6 8 0 9 x 3 +1 0 2 7 ( 3 ) 根据式( 1 ) 算出2 0 时目标测量温度 y ， 根据式( 2 ) 算出 环境温度 ， 将 Y ： 带入式( 3 ) 中， 算出温度差值 Y ， 根据 目标温度 Y= Y +Y ， ， 最终得出目标温度值。 5 结束语 基于红外热 电堆测温 装置 ， 采 用无线 传输模 式 ， 相 对于传 统测温装置， 有无需布线 、 安装方便等优点， 同时通过监测模块 能够对矿井下多点进行温度检测， 通过接收模块将数据发送至 上位机 ， 对数据进行存储记录等处理。分析测量数据得出， 系 统能够实时、 准确测量 目标的温度， 能够 保证温 度误差 在 1 5范围内， 能够满足煤矿井下安全生产要求。系统开发 以来运行稳定， 使用安全方便， 有广阔的应用前景。 参考文献 ： 1 任子晖 ， 谷林柱 ， 米兰 ， 等 矿用非接触式 红外测温仪 仪表技术与 传感器， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 2 4 2 5 2 孔令平 基于 A T 8 9 S 5 1和 C C1 1 0 0射频识 别阅读器的设计与研究 ： 学位论 文 济南 ： 山东轻工业学院 ， 2 0 0 9 3 许雄 ， 邓兴成 ， 姜宝 钧 基于的 电磁 炉非接 触式测 温方案 实验科 学与技术 2 0 0 6 ( 5