基于ARM核的热释电红外测温仪的研制

基于ARM核的热释电红外测温仪的研制摘要热释电红外测温仪是一种利用物体热释电效应而制成的新型红外测温仪器，它以黑体辐射定律作为理论基础，是光学理论和微电子学综合发展的产物。与传统的测温方式相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。本文详细介绍了热释电红外测温仪测温的基本原理和实现方法，以热释电红外测温仪现阶段的技术作为参考，提出并研制了一种基于ARM内核的高性能的嵌入式微处理器的热释电红外测温系统。详细介绍了该系统的构成和实现方式，给出了硬件原理图和软件的设计流程图。文中还对影响热释电红外测温仪测温精度的因素和软硬件的相关设计做了详细的分析，并采取了相应措施，本文主要做了以下工作阐述了红外测温仪的发展现状和分类，并指出了本文的研究意义；阐述了热释电红外测温仪的原理，并对目前红外测温仪的几种方案的优缺点进行了详细的介绍；对ARM核微处理器作了详细的介绍，并对本文用到的ARM核芯片LPC2132的功能特点和结构做了详细的介绍详细分析了系统的功能要求，提出了总体设计方案，并在此基础上进行了系统的硬件设计，对每个部分所完成的功能和设计思路作了说明；介绍了系统的软件设计，以流程图的方式介绍了各个功能的具体实现；对影响红外测温仪的测温误差的因素进行了分析，对系统中出现的软硬件干扰问题做了相应的抗干扰措施；为本文研究的主要结论，对系统的进一步的研究工作进行了展望。关键词热释电传感器，红外测温仪，ARM，LPC2132ABSTRACTPIRTHERMOMETERISAKINDOFINFRAREDTHERMOMETERTHATMAKLESUSEOFTHEPYROELECTRICITYEFFECT,ITUSESTHEBLACKBODYRADIATIONLAWSASTHETHEORIESFOUNDATION,ITISTHEOUTCOMETHATTHEOPTICALTHEORIESANDMICROELECTRONICSLEARNCOMPREHENSIVEDEVELOPMENTCOMPAREDTOTHEWAYOFTRADITIONALTEMPERATUREMEASUREMENT,ITHASASERIESOFMERITS,SUCHASSHORTINRESPONSETIME,NONCONTACT,NONINTERFERENCETOTEMPERATUREFIELD,LONGUSEFULTIMEANDCONVENIENTOPERATION,ETCTHISPAPERINTRODUCESTHEBASICPRINCIPLEOFPIRANDTHEMETHODOFREALIZATIONINDETAILWILHTHETECHNIQUETHATTHEIRTHERMOMETERSPRESENTSTAGEASAREFERENCEITPUTFORWARDANDDEVELOPAKINDOFMEASURESYSTEMACCORDINGTOTHEEMBEDDEDMICROPROCESSOROFHIGHPERFORMANCEARMTHEPAPERINTRODUCESTHECOMPOSINGANDTHEMETHODOFTHATSYSTEMINDETAILANDGIVESTHEHARDWAREPRINCIPLEDIAGRAMANDDESIGNFLOWCHARTOFTHESOFTTWARETHEFACTORSTHATINFLUENCEPIRTHERMOMETERSACCURACYANDTHERELATEDINTERFERENCEOFHARDWAREANDSOFTWAREAREANALYZEDINDETAIL,ANDADOPTEDTOCORRESPONDEDMEGTSURESTHEFOLLOWINGWORKISDONETHEPRESENTCONDITIONANDCLASSIFICATIONOFIRTHERMOMETERAREINTRODUCEDELABORATELY,ANDTHEMEANINGOFTHISRESEARCHISPOINTOUTTHEPRINCIPLEOFPIRISINTRODUCED；THEWAYTOMEASUREIRRADIATIONISPRESENTED；THEARMMICROPROCESSORISMADEDETAILEDINTRODUCTION,ANDTHEFUNCTIONCHARACTERISTICSANDSTRUCTUREOFTHEARMCHIPLPC2132ISMADEAGOODINTRODUCTION；THEFUNCTIONOFTHETOTALDESIGNPROJECTISINTRODUCED，THEHARDWAREPARTSBASEONTHISSYSTEMAREDESIGNED，ANDMADEELUCIDATIONTOTHEFUNCTIONANDTHEDESIGNWAYOFTHINKINGTHATEACHPARTEOMPLETE；THESOFTWAREPARTSOFPIRTHERMOMETERAREPROPOSED,THEMODULEOFEACHPARTISREALIZEDINFLOWCHART；THEFACTORSTHATINTERFEREMEASURESERRORARECARRIEDONANALYSIS，THEINTERFERENCEOFTHESOTTWAREANDHARDWAREAREDISCUSSED,ANDDIDSOMEANTIINTERFERENCEMEASURES；THEMAINRESEARCHCONCLUSIONISSUMMARIZED,THEPROSPECTOFFURTHERRESEARCHOFPIRTHERMOMETERISPROPOSEDKEYWORDSPIR,INFRAREDTHERMOMETER,ARM，LPC2132第一章绪论11课题背景温度是确定物质状态的重要参数之一，它的测量与控制在国防、军事、科学研究以及工农业生产中占有十分重要的地位。在工业生产中，我们需要经常对设备的运行状况进行监测来确保设备的安全运行，而对设备的监测通常通过测量其表面的温度来进行现代的工业设备往往是在高电压、大电流以及其它危险情况下运行的，传统依靠人工接触式检测的方法既浪费时间、物力、人力，又带有一定的危险性，同时对测温仪所采用的材质也有严格的限制，在这样的场合下，仪器的使用寿命也成为设计接触式测温仪时的一个重点考虑问题因此有必要去应用一种新的方式去检测目标系统的温度，确保设备的平稳运行。温度的测量方法有两类，一种是利用电气参数随温度变化特性的热电阻、热电偶测温法以及以膨胀式温度计为代表的接触式测温方法，另一种是以热辐射为代表的非接触式测温方法前者的优点在于测得的温度是物体的真实温度，测温简单、可靠，其缺点在于动态性能差，需要接触被测物体，测温元件与被测介质需要一定时间的热交换才能达到热平衡，同时对被测物体的温度场分布有一定的影响，同时由于工业现场的高温、高压、腐蚀性等恶劣条件，影响了测温仪的精度和使用寿命，大大限制了接触式测温仪的使用；非接触式测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件，其与接触式测温相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。但受到物体的发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。目前应用最广泛的非接触式测温仪是红外测温仪，它测温的理论基础是黑体辐射定律。自然界的任何物体都在不停的向外辐射能量，物体辐射能量的大小及波长的分布与其表面的温度有着十分密切的关系，通过测量物体自身红外辐射的能量便能确定它的表面温度12红外测温仪简介红外测温仪是一种将红外技术与微电子技术结合起来的一种新型测温仪器，它通过将被测物表面发射的红外波段辐射能量通过光学系统汇聚到红外探测原件上，使其产生一个电压信号，经过放大、模数转换等环节处理，最后以数字形式直接在显示屏上显示温度值。红外测温仪由光学部分和信号处理部分组成，其体积小，便于携带，操作简单，在各行各业中得到广泛应用。红外测温仪已经有了几十年的发展历史，最早出现的是隐丝式光学高温计，它出现1在上世纪初，直到现在仍在高温800以上使用测量领域被使用。它的结构简单、使2用方便、测温范围广，但是在使用光学高温计的过程中，经常需要用人的眼睛进行亮度平衡，手动调节灯丝的温度，使高温计灯丝瞄准区域均匀地消失在辐射源或被测物体的背景上，但是由于生理限制，人眼的辨别能力会带来一定的观察误差，不适合于自动控制系统长期以来，三个方面的问题困扰了红外测温仪的发展，第一个是微弱信号的放大和抗干扰问题；二是信号与所需要的温度值的非线性对应问题；三是探头所处温度对信号的影响自二次大战以来，光电导和光伏探测器及红外透光材料的高速发展，促使了红外测温和红外技术应用的发展。20世纪60年代后，由于各种高灵敏度红外探测器、干涉滤光片3以及数字信号处理技术的发展。大大促进了红外技术的应用的进程。在60年代中期，出4现了以光电倍增管作为检测器的光电高温仪，具有较高的灵敏度和精度。在70年代初，硅光电探测器由于稳定性、线性度及灵敏度优良，结构牢固，逐渐受到重视，意大利国家计量院IMGC首先制成了用硅光电二极管作为检测元件的高精度光电高温计。与此同时，辐5射温度计的工作波长也从单波长逐步发展为多波长，仪器的功能也渐趋智能化，测量精度、响应速度、稳定性和分辨率都达到了相当高的水平，测温范围也从以往的中高温延伸到6室温或更低温度，辐射测温仪的使用范围也越来越广例如在煤矿生产中的胶带输送机在运行过程中，可用红外测温仪来检测胶带与滚筒的温度，避免发生胶带与滚筒因长时间摩擦发热直至引发火灾等事故；在工业生产中，可利用红外测温仪对运行着的带电设备，7如导线、供电装置等定期检测，防止不良事故的发生；在钢铁企业的热轧生产过程中，需要采用红外测温仪对钢坯表面温度进行测量。以严格控制工艺参数，确保钢材的质量133红外测温仪的分类和发展L、红外测温仪的分类目前市场上红外测温仪种类繁多。测温范围可从大约100低温到6000高温，响应时间从千分之一秒到秒不等，针对不同应用可分为便携式、在线式和扫描式三大系列。从测温范围上又可分为高温测温仪、中温测温仪、低温测温仪。根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪辐射比色测温仪。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场，一般要求被测目标尺寸超过视场大小的50，如果目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入测温仪的光学系统从而干扰正常测温，造成误差；对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的，因此当被测目标很小，未充满视场，或测量通路上存在烟雾、尘埃，从而造成辐射能量衰减时都不会造成影响，同样对运动中的物体测量双色测温仪也是个很好的选择2、红外测温仪的发展红外测温仪的研究已经有几十年的历史，近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。60年代我国研制成功第一台红外测温仪，1990年以后又陆续生产小目标、远距离、适合电业生产特点的测温仪器，如西光IRT1200D型、IRT3060D型、IRT3000A型、IRT400G型、HCWVA型、DHS200型、WFHX330型光学瞄准，测温距离可达30M。美国雷泰公司生产的ST系列、MX系列、MX6系列、3I系列测温仪，德国HEITRONICS公司的KT19系列、KTL5D、KTL2系列等也有较广泛的应用。目前，世界上最大的红外测温仪生产商是美国的FLUKE公司，其产品包括便携式、在线式和扫描式三大类数百多个品种，澳I温范围从506000不等，占有了世界上30以上的销售份额，我国红外测温仪的生产单位有西安北方光电有限公司、中科院自动化所、西安沃尔仪器公司等，但不仅产品的种类较少，而且从精度或读数的重复一致性方面均与国外有不小的差距。14本课题研究的内容本课题研究的主要内容是设计一种可用于工业现场的高性能的红外测温仪，在总结各种红外测温方法的基础上，提出并研制了一种基于ARM内核的高性能的嵌入式微处理器的热释电红外测温仪。课题采用PHILIPS公司的ARM核芯片LPC2132作为主处理芯片，设计的红外测温仪具有配置简单，扩展方便，可靠性高的特点本文主要完成了以下工作1在对整个测温系统的原理和测温方案分析的基础上。对系统的软硬件设计进行了协调优化，并进行了总体部分的设计。2硬件部分采用锁定放大的方式完成微弱信号的提取，完成了光学系统、探测器放大电路单元、带通滤波单元、移相电路、相敏检测电路、低遁滤波单元、环境温度测量单元等部分的电路设计3软件部分完成了LPC2132的初始化、中断处理单元、电机控制、AD转换、键盘和显示部分的流程图设计和相关部分软件的编写。4标定部分；采用神经网络专家系统对红外测温仪进行标定。第二章热释电红外测温仪的原理本章主要介绍热释电红外测温的原理和测温的方法，并对热探测器的功能特性作了概括说明21辐射测温原理红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强黑体的光谱辐89射出射度有普朗克公式确定，即EXP/121M1C52T1黑体辐射出射度由斯蒂芬玻尔兹曼定律确定，即220D4其中3741810WM,称为第一出射度1C1621438810MK,称为第二出射度25669710W,称为斯蒂芬玻尔兹曼常数82M4K表示波长T表示热力学温度由于实际物体并非黑体，所以实际物体的辐射度还需要在上式中乘上物体的辐射度常数，即，表示物体的辐射出射度（23）M4因此对于进入红外测温光学系统的光线，经过探测器的光电转换后，其电压V，（24）4KT这里面的K与探测器的灵敏度，光学系统中光谱的透过率等有关，由实验时确定。22热释电探测器早在1703年左右人类就发现了热释电效应，在1965年查明这种效应对温度具有极高的灵敏度，在室温附近可以检测出610的温度变化值。但由于种种条件的限制，以610及无法克服来源不明的准直流噪声干扰，一直未能成功地把该技术用于非接触式测温1热释电器件是一种近十几年发展起来的新型红外传感器，在红外检测领域中占有越来越重要的地位，广泛用于红外测温、红外报警、工业过程自动监控、光谱分析、红外摄像和空间技术等诸多方面。利用热释电效应制成的热探测器件，与其他种类探测器相比，12热释电探测器具有以下优点1具有较高的频率响应工作频率接近兆赫兹，一般热释电探测器的时间常数典型值在1001S范围内，而热释电器件的有效时问常数可低至10310S；452探测率高，在热探测器中只有气动探测器的探测率比热释电探测率稍高，且这一差距正在不断减小；3热释电器件可以有均匀的大面积敏感面，而且工作时可以不必外加偏置电压；4受环境温度的变化影响小；5热释电探测器件的强度和可靠性比其他多数探测器都要好，且制造比较容易图21为典型的热释电传感器结构、图21热释电传感器热释电红外传感器器件的材料有很多，在具有热释电效应的大量晶体中，热释电系数最大的为铁电晶体材料，因此，我们常见的传感器基本都是利用铁电晶体材料做成13的目前最重要的材料有硫酸三甘肽TGS晶体、钽酸锂LITAO3晶体、锆钛酸铅PZT类陶瓷、聚氟乙烯PVF和聚氟乙烯PZF2聚合物薄膜等其中TGS热释电是发展最早、工艺最成熟的热辐射探测器件，它在常温下热释电系数较大、介电常数较小，因此在较宽的频率范围内，这类探测器的灵敏度高，从而得到了广泛的应用。热释电传感器的品种较多，可按外形结构和内部构成的不同及性能分类。从封装、外形来分，有塑封式和金属封装立式和卧式的等从内部结构分，有单探测元、双探测元、四探测元等。从工作波长来分，有120UM,适用于温度检测435015UM，适用于火焰检测717UM，是日常生活常用的，如用于自动门，防盗报警，节能自动灯等。传感器的敏感元为BST薄膜，晶体的上下两面设置电极，通常的热释电器件有面电极和边电极两种结构。面电极结构的电极面积较大，极间距离较短，因而极间电容较大，其不适用于高速应用；边电极的电极间距较大，电极面积较小，因而极间电容较小，因此在高速应用场合一般使用此种电容由于熟释电探测器是微分型的。只能接受到红外辐射能的一小部分，所以它只能检2测到变化的温度，所以在测温时需要在探测器前设置一个调制盘，用来提供一个交替变化的光学信号给红外探测器，然后经过探测器的光一电转换后，其传感器的输出电压正比于目标辐射与调制盘温度之差，即25KU14T20其中表示被测目标辐射率1表示调制盘的辐射率。2变成一个交流电压信号供信号处理电路进行处理。23几种测温方案依据测温的原理不同，红外测温仪的设计有三种方法，如果是通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射温度的称为全辐射温度计；如果是通过测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度温度计，也称为单波段温度计；如果测量的是同一被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度交化来定温的则称为比色温度计。231全辐射测温法全辐射测温仪测温的理论基础是斯蒂芬一玻耳兹曼定律，即，RM0D4T由此可见黑体在整个波长范围内的辐射功率与绝对温度的4次方成正比，是温度的单一函数，它是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的辐射温度14通常，红外测温仪是以黑体1定标的，此方法所使用的仪表结构简单、读数客观并能连续记录。缺点是温度计示值受环境及发射率影响较大，从而降低了其测温结果的准确度。在实际测量时，需要把辐射温度转换成真实温度，可通过下式进行换算T（）（26）PT41由它引起的真实温度误差为（27）式中黑体的温度；PT真实温度；总发射率误差；232亮度测温法亮度测温法的理论基础是普朗克定律，即（28）ST12C,1T其中实际物体温度为T时，在波长下的光谱发射率；,实际物体的真实温度；实际物体的亮度温度；ST由此式可得出实际物体的亮度温度永远小于它的真实温度，即TS一个大而统一的寄存器文件；装载保存结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作简单的寻址模式，所有装载，保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定；统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。此外，ARM体系结构还采用了一些特有的技术来使处理器实现高性能、低成本和低能耗这些技术包括每一条数据处理指令都对算术逻辑单元ALU和移位器控制，以实现对ALU和移位器的最大利用；地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化；多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量；所有指令的条件执行实现最快速的代码访问312ARM7DMI简介ARM公司开发了众多系列的ARM核处理器，提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案，目前使用较多的是ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列，ARM10系列、SECURCORE系列和INTEL的STRONGARM、XSCALE系列。ARM7系列中的ARM7TDMI是公司授权给用户最多的一种产品。ARM7TDMI基于ARM体系结构的V4版本，它弥补了ARM6核在低于5V电源电压不能稳定工作的缺点。它将ARM7指令集同THUMB扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时它还支持EMBEDEDICEJTAG软件调试方式，适合于更大规模的SOC设计中ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括INTERNCT设备、网络和调制解调器设备以及移动电话、PDA等设备。在无线信息设备领域的前景广阔，下一代智能化多媒体无线设备中也正有越来越多的厂商采用该产品。32LPC2132主要特性本系统所选择的ARM微控制器是PHILIPS公司生产的ARM7系列中的LPC2132芯片，LPC2132是基于一个实时仿真和嵌入式跟踪的3216位ARM7TDMIS，并带有64KB嵌入的高速FLASH存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码在最大的时钟速率下运行。对代码规模由严格控制的应用可使用16位THUMB模式将代码规模降低超过30，而性能的损失却很小。较小的封装和很低的功耗使LPC2132特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口和16KB的片内SRAM，它也非常适合于通信网关、协议转换器、软件MODEM、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32位定时器、1个或2个10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医疗系统17LPC2132的主要特性有16，32位ARM7TDMIS核，超小LQFP64封装；低功耗模式空闲和掉电；通过片内BOOT装载程序实现在系统编程/在应用编程ISPIAPEMBEDDEDLCERT和嵌入式跟踪接口通过片内REALMONITOR软件对代码进行实时调试和高速跟踪；1个8路10位的AD转换器，共提供16路模拟输入，每个通道的转换时间低至244US；1个10位的D/A转换器，可产生不同的模拟输出2个32位定时器/外部事件计数器带4路捕获和4路比较通道、PWM单元6路输出和看门狗；多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART，2个高速IC总线400KBITS、2SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP；小型的LQFP64封装上包含多达47个通用I/O口可承受5V电压。图31LPC2132管脚配置33LPC2132的主要功能模块1、片内存储器LPC2132微控制器使用了冯诺依曼结构，指令和数据共用一条32位总线。LPC2132的存储器接口可以使潜在的性能得以实现，这样减少了存储器的使用。对速度有严格要求的控制信号使用流水线。这样使系统控制功能以标准的低功耗逻辑实现，同时使它片内存储器所支持的“快速突发访问模式”得到了充分利用LPC2132内部集成了一个16K的片内静态RAM和一个64K的FLASH存储器系统，该存储器可用作代码和数据的存储对FLASH存储器的编程可通过几种方法来实现通过内置的串行JTAG接口、通过串行口在系统中编程或通过在应用编程LAP当通过串行口在系统编程时。可以在应用程序运行时对FLASH进行擦除和编程，这样为数据存储和现场固件的升级带来了极大的灵活性2，管理连接模块LPC2132的同一个引脚可以具有不同的功能，通过管理连接模块允许将微控制器的管脚配置为不同的功能。外设在激活和任何相关中断使能之前必须连接到相应的引脚，否则认为是无效的。LPC2132的引脚模块包括3个寄存器表31LPC2132的管理连接模块没有连接到特定外设功能的引脚由GPIO寄存器进行控制，管脚可以动态配置为输入或输出寄存器可以同时对任意输出口进行置位或清零。输出寄存器的值以及管脚的当前状态都可以读出。3UART口LPC2132包含2个UART口，均具有16字节的收发FIFO，寄存器位置符合16C550工业标准，内置波特率发生器，两个串口具有相同的寄存器。图32UART0的模式寄存器功能框图地址名称描述访问0XE002C000PINSEL0引脚选择寄存器0读/写OXE002C004PINSEL1引脚选择寄存器1读/写0XE002C014PINSEL2引脚选择寄存器2读/写UART0的模式寄存器功能框图如上所示其中UOLCR用来设置串口的工作模式，UOFCR用于FIFO使能和复位操作；当接受和发送数据时，产生相应的状态标志位UOLSR；通过对UOIER进行设置，可实现串口的发送、接收、出错中断等。UOIER中的位0为接收中断使能，位1为发送中断使能，位2为线状态中断使能通信出错中断使能，若不使能相应的中断，则相应的中断标志不会产生，此时需要通过UOLSR读取串口的状态判断串口操作是否完成。4、IC接口LPC2132包含2个速度为400KBITS的IC总线控制器，IC是一个双向总线，它使用22两条线串行时钟线SCL和串行数据线SDA实现互连芯片的控制，并根据地址识别每个器件，不管是微控制器、存储器、LCD驱动器还是键盘接口，每个器件通过唯一的地址来识别，这些器件可以是只接收器件，也可以是发送和接收信息的发送器发送器和接收器可以操作为主或从模式尽管该总线没有并行总线那样大的吞吐能力，但由于连接线和连接引脚少，因此其构成的系统价格低，器件间总线简单，结构紧凑，而且在总线上增加器件不影响系统的正常工作，系统修改和可扩展性好。即使有不同的时钟速度的器件连接到总线上，也能很方便的确定总线的时钟，因此它在嵌入式系统中得到了广泛的应用第四章系统硬件设计硬件部分是红外测温仪工作的基础，一个优秀的计算机嵌入式系统产品，往往具有良好的硬件系统结构。硬件电路设计不仅需要考虑电路的基本组成结构，也要考虑到嵌入式系统的小型化和低功耗的要求本章主要围绕这两个方面对红外测温仪的硬件设计作了说明41系统总体设计由于本系统需要测量的是中低温物体的表面温度，且考虑到成本因素，所以本文采用全辐射测温方案，即通过测量目标发出整波段的辐射功率来测量物体温度，红外测温仪的组成如图41所示，主要由光学系统、光电探测器，信号处理、显示输出等部分组成。光学系统完成视场大小的确定，光电探测器用来将聚焦在光电探测器上的红外能量转换成电信号，经过放大器、滤波器进行信号调理，并送至微控制器进行模数转换及信号处理，最后再经过目标辐射率修正后转换为被测目标的温度值图41红外测温仪系统框图42光学部分的设计421热释电传感器的选择热释电红外传感器是最常用的红外探测器之一，系统采用德国海曼公司的LH878热释电传感器作为探测器，LHL878是一种双元探测器，采用双灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性LHI878芯片的主要性能如表41热释电红外测温仪的视场由菲涅耳透镜决定，菲涅耳透镜主要用来提供聚焦作用，本系统设计采用的是反射式红外测温仪。因此菲涅耳透镜在这里面的功能就是把来自多个方向的红外信号有效地集中反射到传感器上，同时滤除一些波长大于红外线的噪声信号，本文采用的菲涅耳透镜为光束式透镜，其有效探测距离达30米，可使测温仪用来探测远距离目标的表面温度。表41LHI878主要性能型号LH1878灵敏元面积21MM2灵敏度4000V/W100,1HZ时偏置电压02155VRS47K,25工作电压215VRS47K,25噪音等效功率7510W/HZ1HZBW,100,1HZ时10噪音20UVPP,25,0310HZ工作温度4085储存温度4085422斩波器的设计与控制热释电型探测器只能检测温度差，它可以直接用来制作自动门的开关、防盗器等，但是对于恒定的温度信号，即使目标物体温度再高，其输出也是零。解决的途径就是使用斩波器，斩波器把接收到的光信号变成交替变化的光信号，再经过热释电探测器后生成交流信号，本系统所使用的斩波装置如图42所示，它分成1O个明区和10个暗区，当它以一定的速度周期转动时，每转动一周，探测器接收到的信号变化10次，探测器发出10个脉冲信号。探测器接收到的是被测物体与斩波器表面的温度差，当被测物体的温度高于斩波器的温度时，输出为正值，反之则为负值，只有两者的温度相同时输出才为零。图42载波器示意图4221步进电机的特点斩波器需要转动才能对探测器接收的红外信号进行调制，既可以用步进电机也可以用继电器驱动，本系统采用步进电机来控制斩波器的转动，步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的特种电动机，是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一，由于它可以直接接收来自计算机的数字信号，而不需要进行数，模转换，所以用起来特别方便，适用于对精度要求比较高的工业过程控制场合步迸电机具有以下优点1、步距值不受各种干扰因素的影响，电压的大小、电流的数值和波形、温度的变化，相对来说，都不会影响步距值。步进电机转子的转速主要取决于脉冲信号的频率，而转子转动的总位移量取决于总的脉冲信号数2、误差不长期积累步进电机每走一步所转过的角度实际步距值与理论步距值之间总有一定的误差。从某一步到任何一步，即走任意一定的步数以后，也总有一定的累积误差，但是每转一圈的累积误差为零所以说步距的误差不长期累积3、控制性能好步进电机的启动、停止、反转及其他任何行为的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步。步进电机由于其独特的优点，使得当它作为伺服电动机应用于控制系统时，往往可使系统简化，工作可靠，而且可获得较高的控制精度。正因为如此，本系统采用了步进电机来控制斩波器的转动，使光信号变成一个周期的脉冲信号传递给热释电传感器。4222步进电机驱动芯片的选择驱动芯片采用美国ALLEGRO公司推出的A3972，A3972是美国ALLEGRO公司生产的PWM18恒流控制微步距驱动二相步进电机专用驱动器。它的工作电压可达50V，驱动电流达15A，一个A3972即可驱动一台二相步进电机芯片内部的PWM电流控制电路可通过串行接口被设置为电流慢、快、混合衰减模式。它可以工作在整步、半步、L/4步、L8步、116步，132微步距多种方式下。其特有的3种电流衰减模式可以使步进电机工作在不同的负载和转速下，而且都能获得较理想的电流波形通过电机的电流是由电路内部的6位数，模转换器DAC输出和外部参考电压来共同决定的。其中的6位DAC决定了输出电流有64个等级。因此，DAC的值每增加1，输出电流会增加最大电流IMAX的156。另外，A3972还能提供完善的保护措施，其中包括抑制瞬态电压、过热保护、防止电流直通、欠电压自锁等功能步进电机的控制信号由LPC2132的脉宽调制器输出口P00产生的频率为100HZ、占空比为50方波信号驱动步进电机，在132微步距下，电机每次转动225度角，每转动32步转动一周，根据斩波器的特点以及系统的要求，步进电机的控制频率设为3125HZ，其电路如图43所示，其中A3972的LO、11、12引脚分别为A3972串行接口，分别连接到LPC2132的P014、P019、P015引脚。微控制器通过它来控制芯片A3972，其中STORE为使能信号端，CLOCK为时钟信号端，DATA为数据输入信号端。在开始写操作前置使能信号STORE为零，利用CLOCK时钟信号的上升沿将数据输移入A3972的内部移位寄存器，当数据字全部移入后，STORE引脚置高电平，完成一个控制字的输入A3972与微控制器LPC2132的连接如图43所示图43步进电机驱动电路43信号处理电路由于本系统测温仪测温范围在中低温区段，目标信号十分微弱，大多掩埋在强噪声之中，如探测器与周围环境热交换的起伏引起的热噪声、电子器件的复合噪声及其它广白噪声等。信号处理电路部分主要采用锁定放大的方式对传感器的输出信号进行处理，1920锁定放大器的基本结构如图所示包括信号通道、参考通道、相敏检测器PSD和低通滤波器等图44锁定放大器原理图信号通道对热释电传感器的信号进行放大，并且滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测器的动态范围；参考通道一般为正弦信号或方波开关信号，通常采用系统内原先用于调制的载波信号或者用于斩波的信号，同时对参考输入信号进行移相处理，以使各种不同的相移信号检测结果达到最佳本系统的信号输入通道包括以下几个部分前置放大器、带通滤波器、主放大器。参考通道部分主要功能是对斩波信号进行移相，以确保检测结果最佳。各个部分的详细设计如下431信号放大电路当光信号经过斩波器和热释电探测器后，就变为交变的脉冲信号，由于热释电探测器接收到的辐射信号很微弱，需要经过放大后才能供后续电路进行处理，前置放大器是引入噪声的主要部件之一，它产生的噪声会被后续的各级放大器进一步放大，所以前置放大器中有源器件的选择是非常重要的。由于大部分红外探测器输出的信号十分微弱，只有微伏或纳微伏数量级，因此前置放大器必须是高增益和低噪声的。高增益是用来把微弱信号放大到一定电平，以便进一步再做处理；低噪声是为了保持尽可能高的信噪比由于前置放大器的放大倍数不能做的太大，所以本系统把信号的放大电路分为前置放大电路和后级放大电路进行处理，前置放大器的噪声系数对整个检测系统的噪声具有决定性作用，本系统所设计的前置放大部分采用低失调精密运算放大芯片AD707，其主要功能参数如下1偏移电压01UV/3输入偏置电流130DB5电源电压抑制比120DB6转换速率O3VUS7闭环带宽09MHZ本系统的前置放大器的电路图45如下图45前置放大电路图中电容C23用于滤除信号中的直流信号，电路的增益为11。主放大器电路采用集成运放OP07，其特点是低失调、低噪声、低漂移，广泛用于精密仪用放大器、传感放大器等场合，电路中R53是阻值为100K的可调电位器，用来对传感器输出信号的增益进行调节图46主放大器电路432带通滤波电路当信号经过放大后，其宽带噪声较大，因此在前置放大器和后级放大器之间加了带通滤波器来抑制宽带噪声，提高信噪比但带通滤波器的带宽不能做得太窄，否则当温度发生变化时，信号的频谱有可能偏离带通滤波器的通频带而导致测量误差。根据本系统测温需要，系统采用二阶无限增益多路巴特沃斯型带通滤波器，其中心频率设计为30HZ左右，带宽在10HZ左右相应的电路如图47图47带通滤波电路经过查表计算其通带增益95076102CRKP固有角频率761200W阻尼度107612RC433移相电路移相电路的作用是将来自LPC2132的PWM端口的斩波的信号进行频率迁移，使得对热释电传感器的输出检测效果最佳经过频谱迁移，传感器的输出信号频谱由WWO处迁移到W0处。图48移向电路图中实现的是0一180移相电路，由场效应管和RC电路构成。由于场效应管的输入电阻极高，故对RC移相电路影响甚小。同时，为了避免负载的影响，增加了源极输出器434相敏检波电路相敏检测器是锁定放大器的核心部件，相敏检波器既鉴幅又鉴相，它的输出不但取决于输入信号的幅度，而且取决于输入信号与参考信号的相位差本系统采用电子开关式相敏检测器，具有动态范围大、抗过载能力强、电路简单、运行速度快等特点。图49相敏检测电路图49中，为传感器经过主放大器后的输出信号，为LPC2132的PWM端口的发4V5V出的经过移相后用于斩波调制的脉冲信号，为的反相电压，通过加一反相器实现。655图中电阻，在为高电平的半周期，导通，332129827RR2Q截止，OP07的同相端接地，输出电压；在为低电平的半周1Q4298347VV5期，截止，导通，OP07反相端接地，输出电压214293321274VRRV经过相敏检波器后，探测器的输出信号变成单向的脉冲信号，有利于信号的数据采集。435低通滤波电路当探测器的传感器信号经过放大电路、带通滤波电路和相敏检测电路后，里面仍混有一定的高频噪声，因此需要加一个低通滤波电路来抑制噪声，改善锁定放大器的信噪比。只要低通滤波器的时间常数RC越大，等效噪声带宽越窄，其抑制噪声的能力越强；但是RC越大，其响应速度越慢，所以在设计低通滤波器时需要选择一个合适的RC值系统中采用的低通滤波器为二阶无限增益巴特沃思型低通滤波器，其电路简单，具体的连接电路见图410该低通滤波器的中心频率在35HZ左右，通常增益为1其固有的角频率为2019650CRW阻尼度1658192065RCR436环境温度检测电路由于探测器测量的是被测物与斩波器的辐射能量差，因此需要在信号处理电路中增加环境温度的检测电路。设被测目标的温度为T，环境温度为T，被测目标辐射率为，121斩波器的辐射率为，则传感器的输出信号可表示为,相应的输出24241TAQ电压1841TSV这里面A表示光学系统的光线通过率；表示斯蒂芬一玻耳兹曼常数；S为热释电响应特性及物体表面发射率有关的常数传统的热电偶温度补偿主要优点是成本低，但是由于热电偶的工作端测量端与冷端参比端离得很近，而且冷端又暴露在工作环境之中，因而容易受到周围工作环境温度波动的影响，所以冷端温度难以保持恒定，造成测量不准。本系统采用集成温度传感器AD592进行温度补偿。AD592是美国AD公司的一款高性能的集成温度传感器，能线性地将温度转换为电流信号输出，具有测温精度高、非线性误差小、宽范围输入等优点。其主要特性如下211线性度在0到70时，最大0152测温范围251053输入电源电压4V到30V4输出精度1KA设计中采用MCL403基准电压源来提供25V的基准电压，其中可调电阻R2用来校准当环境温度为0时输出电压V2的值为OV，R5用来对温度系数进行校准经校准后，输出的电压值V3即为温度系数与环境温度的积，接到LPC2132的AD端口P027实现的电路如图41L所示44ARM最小系统和外围电路441电源电路电源设计主要包括三个方面，一为电源的选择，二是电源的分配，三是电源的抗干扰设计电源的设计应在保证电源的驱动能力的前提下，尽可能降低系统内部和外部的干扰。LPC2132微控制器的内核和I/O口使用同一电源电压只需要33V的供电电源，所以系统需要设计为33V应用系统，而一般器件通常为5V供电，系统需要电源转换模块将5V转换为33V电压。系统采用SPXILL7系列LDO芯片低压差电源芯片，其输出电流可达800MA，稳压输出33V电压，系统的电源电路如图图412LCP2132系统电源电路图由于本系统采用了LPC2132内置的AD转换器作为数据采集器，图中为了降低噪声和出错几率，使用了10UH电感L3和L4隔离模拟电源和数字电源，同时需要在PCB板大面积敷地来降低噪声除去系统电源外，本系统还需要士12V和15V电压，为了能够保证有效可靠地供电，本系统分别采用MC78L12、MC79L12和MC78L15电源稳压芯片来为运算放大器和步进电机芯片提供驱动电源442复复位电路LPC2132有2个复位源RESET引脚和“看门狗”复位，RESET引脚为施密特触发输入引脚，带有一个额外的干扰滤波器，可以使处理器忽略非常短的外部复位脉冲，并决定RESET保证芯片复位时间。内置“看门狗”复位在多数情况下受到软件控制，此时，“看门狗”将无法保护微处理器，而一个外部硬件“看门狗”则不受软件控制，能够对LPC2132进行全面的保护常用的复位方式有2种，传统的RC复位方式，其主要优点是成本低，一般情况下能保持正常复位，但是其可靠性较差，功耗也较大，而且在电路中容易产生“振荡”问题，当电源出现瞬态跌落时，由于RC的响应比较慢，也无法产生符合要求的脉冲，其复位电路的门限值难以确定，且容易受温度影响，因此其满足不了ARM芯片低功耗，高速、稳定性好这一要求。因此在稳定性高的场合一般使用集成复位电路本课题采用专门的复位电路芯片CATL021，CATL021利用低功耗CMOS技术将2K位的串行EEPROM存储器和用于掉电保护的系统电源监控电路集成在一块芯片内。存储器采用400KHZ的IC总线接口。CATL021包含1个精准的VCC监控侧电路和2个开漏输出RESET和，2REST当VCC低于复位门槛电压时，RESET将变为高电平，变为低电平。CATL021还含有写REST保护管脚WP，如果WP连接高电平，则写操作被禁止。同时CATL021还包含一个16秒的看门狗定时器电路，可在系统发生软硬件故障时将系统复位到一个可知状态。CATL021支持5V、33V和3V的系统，LPC2132的CPU操作电压在3O36V，因此，完全可满足LPC2132系统的复位要求。CATL021与LPC2132的连接如图J4为开关，手动控制着电路的复位WP接地，从而使系统处于写操作状态CATL021的SCL、SDA、引脚分别与LPC2132的SCL0，SDA0和RESTRST连接。443时钟电路任何一个微控制器计算机系统都为时序电路，需要一个时钟信号才能工作。当IM50MHZ频率范围内的一个占空比因数为5050的信号从XTAL1脚输入到LPC2132时，微控制器振荡电路支持IM一30M的外部晶体。如果片内PLL系统或引导装载程序被使用，输入的时钟频率被限制到1025MHZLPC2132的时钟工作在两种模式下从属模式和振荡模式。从属模式的时钟频率被限制在1M一50MHZ，X2管脚不需连接；振荡模式的时钟频率被限制在1MHZ30MHZ，此时只需要在外部连接一个晶体振荡器和两个电容就可以形成基本模式的振荡。为了降低系统的功耗，本系统采用外部晶体振荡器来为系统提供时钟，晶体振荡器的时钟频率为110592HZ444键盘电路与液晶显示4441键盘电路键盘是人机交互的操作平台，其设计的好坏，直接影响到人机交互能力，它能实现向微控制器输入数据、传送指令等功能。常用的键盘接口方法有独立式和矩阵式接法等，独立式接法电路配置简单、软件结构简单，但是占用微处理器口线较多，每个按键需占用一根输入口线；矩阵接法相对电路配置和软件结构相对复杂些，但是占用接口线较少，适用于按键数量较多的场合。LPC2132拥有多达47个通用IO口，由于需要按键较少，因此本系统的键盘设计采用5个独立式按键，每个按键占用一个GPIO引脚，分别为开机键、摄氏与华氏温度转换键、辐射率修正键、激光瞄准键和背光显示键使用时，定义相应的GPL0引脚为输入模式，每个GPIO引脚接有上拉电阻，所以当有键按下时，被按下的GPIO引脚为低电平；当没有按键按下时，GPL0引脚状态为高电平。通过判断GPIO引脚状态的电平就可确定是否有按键被按下。4442LCD显示显示器采用字符型液晶显示芯片SDL602I，可以用来同时显示被测目标和环境温度的值。SDL602是美国ETC公司生产的一种字符型液晶控制器，采用HD77480作为驱动芯片，其内置160个不同的点阵字符图形，这些图形包括阿拉伯数字、大小写英文字母、常用的符号以及日文假名等。可以显示2行16个字符，采用标准的16脚接口，其中D0D8等8个数据总线接口，RS、RW、E三个为控制端口，VSS为电源地，VDD为电源正极。接5V电源电压芯片引脚功能如表41表41SD1062芯片引脚说明其它各个部分的详细功能说明如下V0为液晶显示器对比度调整端。当接正电源时对比度最高，负电源时对比度最低，对比度的大小通过一个5K电位器来控制。RS为寄存器选择引脚，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器RW为读写控制引脚，高电平时进行读操作，低电平时候进行写操作，当RS与RW都为低电平时就可以完成指令的写操作E为使能端，当其由正电平跳变成低电平时，模块开始工作。A，K端口为背光引脚，当A接正电极、K接负电极时，点亮背光4443键盘与液晶显示电路键盘与液晶显示器接口电路如图414所示SDL602的数据数据总线接口分别与LPC2132微控制器的3641、44、47等引脚相连接，SDL602的使能端E和寄