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立式铣削光纤红外测温系统研究 摘要 论文针对当前国内外铣削切削温度测量技术的现状，采用热辐射比色测温方 法，在收集并研究了增强型5 1 单片机开发、v c 界面编程、数据处理等相关技术资 料的基础上，通过元件选型，软硬件设计、调试与模拟试验，开发出了一套体积小、 成本低的光纤式温度测量系统。该系统主要用来测量立铣实时切削温度，为铣刀刀 片的破损原因及槽型优选提供试验数据和理论依据。本文主要论述了基于光纤红外 测温技术的低功耗测温系统设计开发过程。 本文的主要研究内容为： ( 1 ) 通过分析比较确定了比色的测温方法，并设计选取了双波长。 描述了光纤红外测温原理的热辐射定律及三种测温方式，分析对比并确定了系 统采用比色测温法；完成了光纤测温系统的光路部分、硬件电路部分和软件部分的 功能分析，并设计选择了光纤装置部分的双波长。 ( 2 ) 进行测温系统硬件电路设计和电子元件选型。 通过分析采用体积小、功耗低的嵌入式s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机作为硬件部分的 控制中心，并设计了复位和晶振电路、信号调理电路、电源电路及串口通信电路等 单元电路模块。 ( 3 ) 设计开发红外测温系统温度数据采集与处理软件，进行了软硬件系统调 试。 设计了k e i lpv i s i o n 开发环境下的数据采集，数字滤波和串口发送等下位机软 件模块；实现了基于m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 和m s c o m m 、t e e c h a r t 等控件的串口 通信，实时曲线，数据存储，图像在线保存和打印预览等下位机软件功能；描述了 硬件调试的项目、过程及软件调试串口收发和模拟光辐射源试验。 关键词：立式铣削，切削温度，红外测温，光纤 s t u d y o ni n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m o fe n d m i l l i n gw i t ho p t i c a lf i b e r a b s t r a c t i nv i e wo ft h ec l d r r e n ts t a t u si nm i l l i n gt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi n d o m e s t i ca n da b r o a d ，b a s e do nc o l l e c t i n ga n ds t u d y i n gt h ed o c u m e n t a t i o nw h i c hr e f e rt o e n h a n c e d51 - m c ud e v e l o p m e n t , v ci n t e r f a c ep r o g r a m m i n ga n dd a t ap r o c e s s i n g ， t h r o u g hs e l e c t i o nt ot h e r m a lr a d i a t i o nc o l o r i m e t r i ct h e r m o m e t r ya n dc o m p o n e n t ，d e s i g n o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，d e b u g g i n ga n d r e a l t i m ec u t t i n gt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t d e v e l o p e d s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，as e to ff i b e r - o p t i c s y s t e mw i t hs m a l lv o l u m ea n dl o wc o s ti s t h es y s t e mi sm a i n l yu s e dt om e a s u r er e a l - t i m ec u t t i n gt e m p e r a t u r ei ne n dm i l l i n g , p r o v i d i n ge x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef a i l u r er e a s o no fm i l l i n gi n s e r t a n do p t i m i z a t i o no fi n s e r tg r o o v e s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t p r o c e s so ft h el o w - e n e r g y - c o n s u m p t i o nt h e r m o m e t r ys y s t e mu s i n gi n f r a r e dt h e r m o m e t r y t e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ( 1 ) b ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，c o l o r i m e t r i ct h e r m o m e t r yi sc h o s e na n dt h ed u a l w a v e l e n g t hi sd e t e r m i n e d t h e r m a lr a d i a t i o nl a wt h a ti n f r a r e dt h e r m o m e t r yp r i n c i p l ef o l l o wa n dt h r e ed i f f e r e n t m e t h o d so ft h e r m o m e t r ya r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e nf i b e r - o p t i cc o l o r i m e t r i ct h e r m o m e t r yi s c h o s e nb yc o m p a r a t i v ea n a l y s i s t h i sp a r td e s c r i b e st h ef u n c t i o no fl i g h t p a t h ，h a r d w a r e c i r c u i ta n ds o f t w a r ei nt h i so p t i c a lf i b e rt h e r m o m e t r ys y s t e m ，m e a n w h i l e ，i td e s i g n sa n d c h o o s e sd u a lw a v e l e n g t ho ft h eo p t i c a lf i b e rd e v i c e ( 2 ) h a r d w a r ec i r c u i ti nt h e r m o m e t r ys y s t e mi sd e s i g n e da n de l e c t r o n i ci t e m so f t h i s w o r ka r es e l e c t e d t h r o u g ha n a l y s i s ，t h ew o r k u s e ss t c12 c 5 a 6 0 s 2w i t hs m a l lv o l u m ea n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o na st h es y s t e m c o n t r o lc e n t e r , a n dd e s i g n sh a r d w a r ec i r c u i tm o d u l e s i n c l u d i n gr e s e tc i r c u i ta n dc r y s t a lo s c i l l a t o rc i r c u i t , s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，p o w e r s u p p l yc i r c u i ta n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ( 3 ) t h i sw o r kd e v e l o p sd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs o f t w a r ei nt h ei n f r a r e d t h e r m o m e t r ys y s t e m ，a n dd e b u g ss o f t w a r ea n d h a r d w a r ep a r t s t h i sw o r kd e s i g n st h el o w e rc o m p u t e rs o f t w a r em o d u l e ss u c ha sd a q ，d i g i t a lf i l t e r a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o ni nk e i lpv i s i o ni d e b a s e do nv i s u a lc + + 6 0a n dm s c o m m ， t e e c h a r ta n do t h e ra c t i v e xc o n t r o l s ，t h eu p p e rc o m p u t e ri m p l e m e n t ss o m ef u n c t i o n s ， i n c l u d i n g s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，r e a l t i m ec u r v e s ，d a t as t o r a g e ，i m a g e so i l l i n e p r e s e r v a t i o na n dp r i n tp r e v i e w , e t c t h e n , t h i sp a p e rd e p i c t sp r o c e d u r e so fh a r d w a r e d e b u g g i n g ，a n ds e r i a lt ra n dl i g h te m i t t e rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti ns o r w a r ed e b u g g i n g k e yw o r d s ：e n dm i l l i n g , c u t t i n gt e m p e r a t u r e ，i n f r a r e dt h e r m o m e t r y , o p t i c a lf i b e r i i i 广东海洋大学全日制学术型硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究目的及意义 在金属切削中，当刀具还没有达到磨钝标准，甚至在刀具尚未产生明显磨损时， 就丧失切削能力，通常把这种非正常磨损造成的刀具损坏，称为刀具破损。刀具的 破损是刀具的主要失效形式之一，也是典型的随机现象，严重影响工件表面加工质 量、生产效率及生产安全。因此对高速切削刀具的破损机理进行系统研究，对立铣 刀的刃区改进或优化，改善刀具的抗破损能力，提高刀具使用寿命是自动化生产过 程中待解决的关键技术之一。 铣削是切削加工中应用最广泛的一种断续切削方式。目前，铣刀刀片的材料主 要采用硬质合金、金属陶瓷等脆性材料。这类材料硬度高但韧性较差，在断续切削 过程时易造成刀具破损。其原因是切削温度直接影响刀具体内的热应力分布，尤其 在铣削过程中，刀片频繁切入切出，刀具受到周期性的热冲击，易使硬质合金刀片 产生热裂纹而导致破损。因此测量出铣削温度，并以此为基础对铣刀片的温度场以 及受热密度函数特别是表面受热密度函数进行研究，为铣刀刀片的破损原因及槽型 优选提供关键数据和依据【卜3 1 。 1 2 切削温度测量技术概述 1 2 1 切削温度的测量方法 切削温度的测量是切削试验中的重要技术，在进行切削理论研究，刀具切削性 能及加工材料性能研究等方面有重要作用。切削温度的测量方法主要有热电偶法、 光热辐射法、金相结构法等【4 9 1 。 1 热电偶法 热电偶法是目前较成熟也较常用的切削温度测量方法。采用热电偶法的测温装 置结构简单，测量方便。根据不同的测量原理和用途，热电偶法又可分为3 种【1 0 4 3 】： ( 1 ) 自然热电偶法：它是利用刀具和工件分别作为自然热电偶的两极，组成 闭合电路测量切削温度。该方法测量切削温度简便可靠，可方便地研究切削条件( 如 切削速度、进给量等) 对切削温度的影响。但它主要用于测定切削区域的平均温度， 无法测得切削区指定点的温度，同时，当刀具材料或工件材料变换后，热电偶的热 电特性曲线也必须重新标定。 ( 2 ) 人工热电偶法：在刀具或工件被测点处钻一个小孔，孔中插入一对标准 热电偶并使其与孔壁之间保持绝缘。切削时，热电偶接点感受出被测点温度，并通 过串接在回路中的毫伏计测出电势值，然后参照热电偶标定曲线得出被测点的温 1 立式铣削光纤红外测温系统研究 度。人工热电偶法可用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，并可测得温度分 布场和最高温度的位置。它的优点是对于特定的人工热电偶材料只需标定一次，并 且热电偶材料可灵活选择。但由于将人工热电偶埋入超硬刀具材料( 如陶瓷、p c b n 、 p c d 等) 内比较困难，因此限制了该方法的推广应用。 ( 3 ) 半人工热电偶法：将热电偶法和人工热电偶法结合起来组成的。半人工 热电偶是将一根热电敏感材料金属丝( 如康铜) 焊在待测温点上作为一极、以工件 材料或刀具材料作为另一极而构成的热电偶。采用该方法测量切削温度的工作原理 与自然热电偶法和人工热电偶法相同。由于半人工热电偶法测温时采用单根导线连 接，不必考虑绝缘问题，因此得到了较广泛的应用。 2 光热辐射法 光热辐射法测量切削温度的原理是：刀具、切屑和工件材料受热时都会产生一 定强度的光热辐射，且辐射强度随温度升高而加大，因此可通过测量光热辐射的能 量间接测定切削温度。常用的光热辐射法有以下2 类【1 4 1 ： ( 1 ) 辐射高温计法：使用红外辐射高温计来测定刀具或工件表面的温度分布。 红外探测器将接收的红外线转换为电信号，经线性化处理后即可获得相应的温度 值。但红外辐射高温计只限于测量刀具或工件外表面的温度。 ( 2 ) 红外热像仪法：所测温度为相对温度，滞后于实际切削温度，但根据传 热反求算法可准确求得切削过程中工件( 或刀具) 的温度变化规律及动态分布。红 外热像仪测温法具有直观、简便、可远距离非接触监测等优点，在恶劣环境下测量 物体表面温度时具有较大优越性。 此外，测量切削温度的光热辐射方法还有红外照相法、红外聚光法，p b s 光能 电池法、双色高温计测量法等。 3 金相结构法 ( 1 ) 金相结构法：是基于金属材料在高温下会发生相应的金相结构变化这一 原理进行测温的。但这种方法的应用范围局限于金属材料制成的刀具，并且只有在 高温下才能观察到材料明显的组织结构变化；此外观测和分析的工作量也较大【l 5 1 。 ( 2 ) 扫描电镜法：测量切削温度是用扫描电镜观测刀具预定剖面显微组织的 变化，并与标准试样对照，从而确定刀具切削过程中所达到的温度值。测定切削温 度的分辨率和确定温度分布的准确性均很高【l6 1 。但扫描电镜法也存在以下缺点：只 能测量6 0 0 0 c 以上的温度；样件制作相当繁琐；属事后破坏性测量，不便于在生产 现场推广应用；所确定的切削温度分布状态属于定量分析；设备复杂，技术难度高， 实际应用受到一定限制。 除上述切削温度测量方法外，常见的测温方法还有显微硬度分析法、量热法、 涂色法等。 综上所述，各种测量切削温度的方法各有其优缺点和不同的适用范围。因此， 2 广东海洋大学全日制学术型硕士学位论文 在实际应用中应根据具体情况选用最适当的切削温度测试方法。 1 2 2 测量方法国内外的发展 在2 0 世纪8 0 年代初，哈尔滨工业大学袁哲俊教授就对切削温度测量进行了研 究，利用半人工热电偶法、红外照相法和红外点温度计法对切削区的温度进行了测 量【2 4 1 。中国工程物理研究院机械制造工艺研究所陈东生等用红外测温仪在线监测精 密加工过程中车削工件的温度场，对在线监测温度系统进行设计并针对车削工件温 度监测准确度进行分析旧。 日本学者u e d a 用光纤和砷化铟( i n a s ) 红外光子探测器，测量了研磨砂轮表 面磨粒的温度。随后u e d a 用i n s b 红外检测单元，设计了另外一个红外高温计，测 量了金刚石砂轮磨削硬质合金时的工件表面温度【1 0 。2 0 1 。华侨大学的徐西鹏教授已将 红外光纤测温法应用于石材磨削温度的测量【2 m 3 1 。东南大学的史金飞博士采用红外 探测器采集磨屑流热辐射信号来测量磨削区的温度 2 4 1 。广西大学的曾盛绰教授采用 光纤红外测温仪对磨削火花信号进行了系统、定量的分析与实验，实现磨削区温度 的在线有效测量 2 5 1 。 r c d e w e s 和e n g 等用人工热电偶法和红外热像仪法对铣削温度进行了试验 研究【2 6 1 。华南理工大学的全燕鸣和乐有树用自然热电偶法对铣削温度进行了实验研 究【27 1 。西北工业大学的张明贤等采用红外辐射测温技术对铝合金铣削温度进行了间 接的、相似的、直观的测量，得到了相对温度和温度场。但相对温度并不能反映真 实的铣削温度 2 8 】。上海交通大学范伟等利用红外温度传感器，实现了切削区温度的 远距离非接触式采集，并通过铣削试验探索了不同切削参数下刀具后刀而磨损与切 削温度之间的关系【2 9 1 。上海交通大学的陈明等通过传热反求算法，可以根据红外热 像仪的测量结果求得铣削过程切削区各点的温度值【3 0 】。华北工学院的武文革等用半 人工热电偶法实现了瞬态铣削温度测量【3 l 】。 虽然现在有了不少的测量铣削温度的方法，但是每种方法都有不足之处，到目 前还没有一种较为成熟可靠的方法来测量铣削温度。因此在切削温度测量方法方面 还需要做大量的研究工作。 1 3 光纤测温技术的研究与应用 1 3 1 光纤测温技术的研究 光纤测温技术一般分为两大类：一是利用辐射式测温原理，光纤只是作为传送 辐射能量的“连接器 ，二是利用光纤本身对温度的敏感性，将光纤自身作为温度 传感器。光纤测温技术是七十年代发展起来的一门新兴测温技术。迄今为止，国内 外的科研人员及有关机构在这方面做了大量的实验和研究，不断推动了该项技术的 发展，为人类的科技进步做出了贡献1 7 0 年代以来，美国、日本、西德等国相继研制各种光纤温度传感器，尤其从8 0 3 立式铣削光纤红外测温系统研究 年代以来这些国家每年都有光纤温度传感器的专利公开，国外光纤温度传感器已走 出实验室，进入商品市场，而且欧美各国竟相研究多光谱测温技术，主要用来解决 高温及超高温目标的真实温度、物体的发射率及热物性的动态测量。目前欧共体及 美国联合课题组h i e r n a u t 等人已研究出基于多波长辐射测温的亚毫米级6 波长高温 计，用于2 0 0 0 - 5 0 0 0 k 真实温度的测量【3 2 1 。 我国对光纤传感器的研究极为重视，在“七五”规划中提出了1 5 项光纤传感器 项目，其中有光纤放射线探测仪，光纤位移、位置及角度传感器，光纤温度传感器 及温度测量系统，光纤陀螺等【3 3 1 。中国专利局每年都有温度传感器的专利公开，现 已有多种光纤辐射高温计，其中比较典型的是中国科学院西安光学精密机械研究所 于1 9 8 9 年1 2 月申请的专利“双波长光纤温度传感器 ，它由探测光纤连接器、y 型 分路集成器、信号处理和显示部分组成。具有结构紧凑、体积小、成本低、性能高 等特点。相对误差小于1 ，相应速度为o 1 0 肛m m s 【j 4 。 进入2 1 世纪，随着计算机技术，电子技术的发展，微机技术的应用，给光纤测 温技术增添了新的活力。中国科学院西安光学精密机械研究所者明礼、王俊设计研 制了一种基于单片机的大动态范围、高精度的光纤温度传感器。用双光路、可编程 增益放大系统来实现大动态范围的温度测量，并利用1 2 位a d c 将被测温度信号由模 拟量转换为数字量，利用单片机系统达到高精度的要求，整个系统有非线性校正、 多点温度补偿、多种测量方式可选、l e d 、显示和键盘输入等功能，且系统可与计 算机通过r s 2 3 2 接口通讯，将采样数据传输到上位机处理1 35 1 。武汉大学李华民等设 计了一种基于d s p 和m c u 双处理器的内调制光纤比色测温仪。测温仪以a t 8 9 c 5 5 和 t m s 3 2 0 f 2 0 6 为核心，对内调制光电探测器进行线性补偿和温度补偿，并加入比辐 射率的修正。本系统能够对环境温度变化大、周围环境恶劣的高温物体进行高精度 的温度测量t 3 6 1 。 1 3 2 光纤测温技术的应用 光纤测温技术的应用范围比较广泛。在机械加工方面，日本福井高等专科学校 以设计出一种小型的光纤温度计，专门用于切削温度的在线测型3 7 】。光纤测温技术 用于测量高电压变压器的绕组热点温度至今已有近3 0 年的历史。近1 0 年来，光纤测 温监测仪器制造公司对产品进行了改进，提高了光纤的强度，优化了油箱壁的连接 结构，使在高压变压器上的应用得到迅速发展。在北美、欧洲和香港等国家和地区 的电力部门已经广泛地应用【3 8 】。秦山核电公司与德国g e s o 公司合作开发的基于光 纤测温的电缆过热在线监测及预警系统( e s t m s ) 已在现场成功应用了3 年。光纤 测温技术为电缆火灾消防报警系统实现从点的检测向线、面、空间的监测发展创造 了条件，同时也可实现真正意义上的预警功能【3 9 1 。光纤红外测温技术也应用到涡轮 叶片，发电设备等的温度测量中【4 u 州j 。 4 广东海洋大学全同制学术型硕士学位论文 1 4 本文工作和内容 论文针对当前国内外铣削切削温度测量技术的现状，采用热辐射比色测温方 法，在收集并研究了增强型5 1 单片机开发、v c 界面编程、数据处理等相关技术资 料的基础上，通过元件选型，软硬件的设计、调试与模拟试验，开发出了一套体积 小、成本低的光纤式温度测量系统。该系统主要用来测量立铣实时切削温度，为铣 刀刀片的破损原因及槽型优选提供关键数据和理论依据。本文主要论述了基于光纤 红外测温技术的低功耗测温系统设计开发过程。 本论文的内容如图1 - 1 所示。 ：。 ； 理论基础 ； ；。 ； 设计与实现方法 ： 图1 - 1 本论文内容 第1 章交代了课题研究目的及意义并综述了切削温度测量技术及光纤测温技 术在国内外的研究现状及其发展趋势，论文主要工作及论文内容结构。 第2 章介绍了光纤红外测温技术的测温理论依据及测温方式，并通过分析对比 确定了比色测温法。 第3 章分析了测温系统的功能及设计了测温系统的参数。 第4 章详细地阐述了测温系统硬件的设计及功能的实现过程。 第5 章分别研究了系统上位机和下位机的软件设计，详述包括信号采集、串口 通信、实时曲线显示等模块的设计。 5 立式铣削光纤红外测温系统研究 第6 章分别对软硬件进行调试，并进行了整体联机模拟测试实验。 第7 章对设计内容进行了总结，并对未来的发展进行了展望。 6 广东海洋大学全日制学术型硕士学位论文 2 热辐射测温 光纤红外测温技术遵循的是红外热辐射测温原理，其中光纤仅作为传输红外辐 射信号的媒介。以下介绍热辐射测温中相关辐射定律以及辐射测温方法。 2 1 热辐射定律 分子中各原子的相对运动，分子的旋转，物质晶体中的原子的振动都会随着温 度的增加而加剧，热是以上所有运动的表现形式。要对物体进行加热，必须将物体 分子激跃至更高的能量层；当分子回跃至较低的能量层时，物体就向外辐射能量， 这一过程即所谓的热辐射。任何物体( 气、液、固) 在任何温度下，都会有热辐射。 热辐射波谱是连续谱，各种波长( 频率) 都有，只是强度不同。以下详述的分别是 几条重要的热辐射的基本定律 4 2 - 4 5 】。 2 1 1 基尔霍夫定律 基尔霍夫定律是物体热辐射的基本定律，它建立了理想黑体和实际物体辐射之 间的关系。1 8 5 9 年基尔霍夫指出：各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同，它 和物体的性质无关，是物体的温度丁和发射波长a 的函数。即 斛嬲= 鬻= 厕m 2 ( 2 , t ) ( 2 - 1 ) 其中q ，乃，m 1 ( 2 ，乃，q ，d 分别为物体4 0 ，么l ，彳2 的单色辐射出射度，n o q ，d ， a l ( 2 ，d ，a 2 ( 2 ，d 分别为物体么o ，4 l ，彳2 的单色吸收率。 若物体彳。是绝对黑体，则彳。在任何温度下都能全部地吸收投射到其表面上的 任何波长的辐射能量，那么伽a ，d = 1 ，根据基尔霍夫定律有 加) = 糟= 黼划加) ( 2 2 ) 从公式( 2 2 ) 可知，物体的辐射出射度和吸收率之比等于绝对黑体在同样的温度 下，相同波长时的辐射出射度。 设m ( 2 ，d 为物体彳在波长为a ，温度为r 下的辐射出射度，则由公式( 2 2 ) 得 黑餮：仅(耵)(2-3)- a 一 = ，z i ，- m o ( 兄丁) p7 又根据物体彳的单色发射率的定义知 啦) = 黝 ( 2 - 4 ) 7 立式铣削光纤红外测温系统研究 由公式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可以求得 s ( 元丁) = 0 c ( 元t ) ( 2 - 5 ) 公式( 2 5 ) 表明了在相同温度r 和波长五下，物体彳的单色发射率q ，乃是物体么 的辐射出射度与黑体的辐射出射度之比。一般以，乃 1 。8 q ，乃越接近1 ，说明它与 黑体的辐射能力越接近。同时基尔霍夫定律指出，物体的辐射能力与它的吸收能力 是相同的，也就意味着辐射能力越强的物体，它的吸收能力也越强。 2 1 2 斯蒂芬玻尔兹曼定律 1 8 7 9 年，德国物理学家斯蒂芬玻尔兹曼从丁铎尔和法国物理学家所作的测量 中推导出，一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的各种波长电磁波的总能量 以乃与黑体本身的热力学温度t ( 又称绝对温度) 的四次方成正比，即 e 仃) = f m o 以r ) 烈= a t 4 ( 2 6 ) 其中，盯= 5 6 7 0 5 1 x 1 0 罐w ( m 2 k 4 ) 称为斯蒂芬玻尔兹曼常数。 斯蒂芬玻尔兹曼定律只揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的关系，不能反映 辐射能随波长的分布。 2 1 3 维恩位移定律 1 8 9 3 年，德国物理学家维恩由电磁理论和热力学理论得到了维恩位移定律。维 恩位移定律也是热辐射的基本定律之一。随着温度升高，曲线的峰值波长k 向短波 方向移动。黑体光谱辐射亮度为最大时，波长k 与此时物体温度f 的积为一定值。 即 l t = b ( 2 - 7 ) 其中，b = 2 8 9 7 8 x 1 0 m k 称为维恩常数。 维恩位移定律表明黑体的温度z 与其辐射光谱的峰值波长k 之间存在着简单 的反比关系。从公式( 2 7 ) 知，只要测知某辐射黑体的峰值波长k ，即可算得温度几 同理如果测得黑体的温度乃也可以算出黑体的辐射峰值波长k 。 2 1 4 普朗克辐射定律 1 9 0 0 年，德国物理学家普朗克创造了黑体辐射定律。普朗克辐射定律准确地描 述出黑体的辐射能量与波长以及温度之间的关系。普朗克定律指出：温度为丁的单 位面积元的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为五的辐射出射度m o ( ；t ，乃为 m o ( a , 丁，= 2 n h c e x p ( 畚) 一r = c 1 2 - 5 h 嘉) - 1 1 一 ， 其中，k = - i 3 8 0 7 x 1 0 。2 3 j k 为玻尔兹曼常数， h = 6 6 2 6 1 x 1 0 讲j s 为普朗克常数， c 产3 7 4 1 8 x 1 0 d 哳m 2 为第一辐射常数， 8 广东海洋大学全日制学术型硕士学位论文 c 2 = 1 4 3 8 8 x10 - 2 m k 为第二辐射常数。 当2 t 一_一叱 广东海洋大学全日制学术型硕士学位论文 表3 1 三组双波长使用的光纤和滤光片 分析如下： ( 1 ) 从图3 1 0 可知，b 组合曲线的动态范围适中且线性度好。 ( 2 ) 从图3 1 1 可知，在低温范围，b 、c 组合的曲线灵敏度数值明显高于a 组 合，而在高温范围它们的灵敏度相差不大。但论及测温分布均匀，则a 组合曲线平 坦较好。 ( 3 ) 从图3 1 2 可得，a 组合曲线的相对灵敏度最高，则在相同条件下，测量 精密度也就最高。 ( 4 ) 从表3 1 了解到a 组合的成本低于b 、c 组合。 因此，选择的最佳组合为口2 1 = 1 5 5 i - t m ，2 2 = 1 7 2 9 m 。 3 3 本章小结 首先介绍光纤测温系统的三大部分构成和功能，然后描述了用于比色测温的滤 光片的中心波长的选定主要考虑的5 个影响因素：光谱辐射出射度、线性度、灵敏 度和相对灵敏度、大气吸收红外辐射和相关产品的工艺水平及成本。对比分析了线 性度、灵敏度和相对灵敏度以及经济成本，确定了符合本设计要求的最佳双波长组 厶 口。 立式铣削光纤红外测温系统研究 4 测温系统硬件设计 硬件电路部分的主要功能是：信号采集，调理放大，模数转换及串口通信。即 光电二极管接收到辐射光信号并完成光电转换输出电信号；硬件滤波放大电路将电 信号调理放大，然后将电信号经过a d 转换成数字信号等待单片机的传输命令。 4 1 单片机选型 进行单片机选型时，应尽量了解较多种类单片机的性能指标和包含的资源。根 据系统的要求，选用合适的单片机。目前许多单片机具有较高的集成度，因此，如 果有模拟量检测的要求时，应尽量选择带有a d 转换模块的单片机。并且，应该 注意所设计系统的应用场合，选择适当的芯片等级( 军用级、工业级和商用级) 。 s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机是深圳宏晶科技生产的单时钟机器周期的单片机，是高 速、低功耗、超强抗干扰的新一代8 0 5 1 单片机，指令代码完全兼容传统8 0 5 1 ，但 速度快8 1 2 倍。内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路，2 路p w m ，8 路高速1 0 位a d 转换( 2 5 0 s ) ，且具有较多的通用i 0 和片上外设( 定时器、u a r t 等) ，因此， 在本系统的设计中，可以采用s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 作为系统检测和控制的中心。 4 2s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机 s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机几乎包括了设计典型监控系统所必需的全部部件，可以 称为片上系统；该系列单片机可广泛应用于衡器、电动车、工业控制、汽车电子、 医疗设备、智能通信等领域，特别适合于电机控制等强干扰场合【5 5 】【5 6 】。 4 2 1s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机的特点 s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机具有以下典型的特点： ( 1 ) 增强型8 0 5 1 内核，先进的指令集结构，兼容普通8 0 5 1 单片机的指令集， 有硬件乘法和除法指令。 ( 2 ) 高速度：1 t ，单时钟机器周期，速度比普通8 0 5 1 单片机快8 1 2 倍；可 用低频晶振，大幅降低e m i 。 ( 3 ) 工作电压：s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 系列工作电压：5 5 v 3 3 v ( 5 v 单片机) s t c l 2 l e 5 a 6 0 s 2 系列工作电压：3 6 v - , 2 2 v ( 3 v 单片机) 。 ( 4 ) 工作频率范围：0 - - - 3 5 m h z ，相当于普通8 0 5 1 的0 , - , 4 2 0 m h z 。 ( 5 ) 片内集成6 0 k 字节的f l a s h 程序存储器，擦写次数1 0 万次以上，并具有 较强的加密性，无法解密。 ( 6 ) 片上集成1 2 8 0 字节数据存储器( r a m ) 。 广东海洋大学全曰制学术型硕士学位论文 ( 7 ) 芯片内有e e p r o m 功能，擦写次数1 0 万次以上。 ( 8 ) a d 转换，1 0 位精度a d c ，共8 路，转换速度可达2 5 0 k s 。 ( 9 ) 2 通道p w m 可编程计数器阵y u 捕获比较单元( p w m p c a c c u ) 。 ( 1 0 ) 最多可以有4 4 个通用i o 口。可设置成四种模式：准双向n 弱上拉， 推挽强上拉，仅为输入高阻，开漏。复位后为：准双向n 弱上拉( 与普通8 0 5 1 传统i o 口工作模式兼容) 。每个i o 口驱动能力均可达到2 0 m a ，但整个芯片最大 不要超过5 5 m a 。 ( 1 1 ) 7 路外部中断i o 口，除了传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新 增支持上升沿中断的p c a 模块。 ( 1 2 ) 2 个1 6 位定时器，兼容普通8 0 5 1 单片机的定时器t 0 t 1 ，2 路p c a 也 可作为2 个1 6 位定时器使用。 ( 1 3 ) 2 个全双工异步串行口( u a r t ) ；1 个高速同步通信端口( s p i ) ，支持 主模式和从模式。 ( 1 4 ) 具有在系统可编程在应用可编程功能( i s p i a p ) ，无需专用编程器，可 远程升级用户程序。可通过串口( p 3 0 p 3 1 ) 直接下载用户程序，数秒即可完成。 ( 1 5 ) 内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路( 外部晶体1 2 m 以下时，复位脚可直 接1 k 电阻到地) ；内部集成硬件看门狗( w d t ) 。 ( 1 6 ) 外部掉电检测电路，可在掉电时及时将数据存进e e p r o m ，正常工作是 无须操作e e p r o m 。在p 4 6 口有一个低压门槛比较器，5 v 单片机为1 3 2 v ( 误差 为5 ) ，3 3 v 单片机为1 3 0 v ( 误差为3 ) 。 ( 1 7 ) 时钟源：外部高精度晶体时钟，内部r c 振荡器。 ( 1 8 ) 可编程时钟输出功能，t o 在p 3 4 输出时钟，t 1 在p 3 5 输出时钟，b r t 在p 1 0 输出时钟。 ( 1 9 ) 超强的抗干扰能力：具有e s d 保护功能，可以抵抗2 万伏的静电干扰。 ( 2 0 ) 工作温度范围：4 0 - , + 8 5 0 c ( 工业级) 、0 , - , 7 5 0 c ( 商业级) 。 ( 2 1 ) 封装：p d i p - 4 0 、l q f p - 4 4 、l q f p - 4 8 。 4 2 2s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机的引脚 ( 1 ) p d i p - 4 0 封装格式的s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机的引脚如图4 1 所示。 ( 2 ) l q f p - 4 8 封装格式的s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机的引脚如图4 2 所示。 立式铣削光纤红外测温系统研究 v - c c p 0 q 7 脚 p 0 1 膳d l p 02 膳d 2 p 0 3 ，a d 3 p 0 彤姒 p 0 啪5 p 0 。6 p 0 7 蹈d 7 l u ，d 憎4 g r s t 2 a i e 棚5 n j 川) 4 4 p 2 ，7 ，a 1 5 p 2 6 ，a 1 4 p 2 。黧a 1 3 p 2 4 ，a 1 2 p 2 3 7 灿1 p 2 2 ，a l o p 21 f a 9 p 2 嗍 图4 - 1s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机的引脚( p d i p - 4 0 封装) p 5 3 l s i ，a d c 5 _ ，p 1 5 觚s 。，a d c 6 p 16 s c l k a d c t p 1 7 f 4 刀r s t r x d | p 3 d s c l 舯由2 c c p1 ，p 4 3 t x d 卞3 1 i n t q 伊3 2 i n t l l ，p 3 3 c l k o u t 0 ，r 0 _ | ，p 3 4 c l k o u t l ，r 垤3 5 蚕l 墓墓蚕 中q 辩 p 0 4 r a d 4 p 0 5 i 0 5 p 0 6 腊l d 6 p 0 7 ，a d 7 e xl v d p 4 6 瓜j 玎2 p 4 1 ，e c t 痤v d 瓤 a l e j p 4 5 n a 伊4 4 p 2 7 ，a u p 2 6 1 a 1 4 p 2 j ，a 1 3 p 5 1 图4 - 2s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机的引脚( l q f p - 4 8 封装) 4 2 3s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机的内部结构 s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机中包含中央处理器( c p u ) 、程序存储器( f l a s h ) 、数据 存储器( r a m ) 、e e p r o m 、定时计数器、i o 接e l 、u a r t 接口和中断系统、s p i 2 6 c a 赢o 山口忒o山h 口j o 山。口吉口山 u u 净 o目昌闩q玉口融ud商寸山h5qx一砬口u口净id_醋v，i1dh口授【，iu固huqn1d 一目一苫山q n d 口鬲i dm山8寸u口f1奇【山一n 山 一h岛o【1 n 电台司o电口噶 o 夏访帕 口n o 广东海洋大学全同制学术型硕士学位论文 接口、高速a d 转换、p w m ( 或捕获比较单元) 、看门狗电路、电源监控以及片 内r c 振荡器等模块。s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机的内部结构框图如图4 3 所示。 r s t 脚 可配p 0 释- p 0 4 口| l 可配置p 5 f o 口 一 | i r a m 地址 寄存器裂幽曙卦壤 c p u 时钟 硬件看门狗( w m 3 x t 文l 1h hx t m , 2 一 4 3 单元电路 缓冲器 p c 增量器 2 路p 飞 ，p c a 7 c c u 捕获? 比较单元 图4 - 3s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机的内部结构框图 4 3 1 复位电路和晶振电路 1 复位电路 复位电路的基本功能是：在上电时，为系统提供复位信号。系统工作稳定后， 消除复位信号。一般在正常工作状态下，会有手动复位或软件复位。 s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路，时钟频率在1 2 m 以 下时，复位脚可直接1 k 电阻到地，也可以使用如图4 4 所示的典型的上电复位电 路。 2 晶振电路 晶振电路用于向c p u 及其他电路提供工作时钟。 s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机工作时钟可以使用内部振荡器或者外部晶体振荡器产 生的时钟。出厂标准配置是使用芯片内部r c 振荡器。 使用外部晶振是，x t a l l 和x t a l 2 通常用于连接晶振。常见的连接方法如图 4 4 所示。晶体振荡器m 的典型值是1 1 0 5 9 2 m h z ，电容c 1 、c 2 的典型值是4 7 p f 外部时钟频率在3 3 m h z 以上时，建议使用外部有源晶振。使用外部有源晶振时， 时钟从x t a l l 脚输入，x t a l 2 脚必须浮空。 2 7 r-；0 昙i i | l ! 凰一丁团 鼍瓣豳烈亲燃纛 广州引 a 复位电路 h 晶振电路 4 3 2 电源电路 t 2 2 0 v - + l 立式铣削光纤红外测温系统研究 p 1 0p 0 0 p l l内l p 1 2勉 乜t 至5 p 1 3p 0 3 p 1 4 h ) 4 p p l i ：s t c l 2 c s , s 1 6 0 s 2鬣 p 1 7 p 0 7 中r 耋 i n r o ( p 3 乃 p 2 0 r n n ( p 3 s ) 1 ) 2 l p 2 2 10f玛嘲p23 11(p3匀pm 只b e v v pp 2 6 e 狰 x r 越，l i x 2 1 8 a i 上 n r e s e t9 it 惩 s e r i d ( 玛0 、 i ! 垒n 咖p 3 l r f p 3 6 ) a u 卯 互 r e ( p 3 7 ) 琏难n 图4 4 复位电路和晶振电路 a 5+ v m9v o u t 一 1 w o _ - 一 d 9q 9+( 2 1一 、2【l n 缝 - - c 1 7一一、= d 7 l 供 u 2 5 v 1 0