基于MC9S08AW60的红外光纤测温系统设计

1、名徵3业犬学 毕业设计（论文）任务书 课题名称 基于MC9S08AW60的红外光纤测温系统设计 学院 电气信息学院 专业班级 测控技术与仪器093班 姓名 学号 毕业设计（论文）的工作内容: 1. 了解本次毕业设计任务及资料的收集、整理 2. 学习红外光纤温度检测技术的基本原理 3. 熟悉AW60单片机并进行系统设计 4. 学习Protel软件并绘制电路图 5. 毕业论文书写及毕业答辩准备 6. 有关英文资料的翻译 第I页共IV页 热释电红外光纤测温仪是一种利用物体热释电效应而制成的新型红外光纤 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

2、，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光纤测温仪测温的基本原理和实现方法，以热释 电红外光纤测温仪现阶段的技术作为参考，提岀并研制了一种基于 MC9S08AW60微处理器的热释电红外光纤测温系统。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。 本文主要做了以下工作：阐述了红外光纤测温仪的发展现状和分类，并指出 了本文的研究意义；阐述了热释电红外光纤测温仪的原理，并对LI前红外光纤测 温的儿种方案的优缺点进行了详细的介绍；对MC9S08AW60微处理器作了详细 的介绍，并对本文用到的微处理器的功能特点和结

3、构做了详细的介绍；详细分析 了系统的功能要求，提出了总体设讣方案，并在此基础上进行了系统的硬件设讣, 对每个部分所完成的功能和设讣思路作了说明；介绍了系统的软件设计，以流程 图的方式介绍了整个测温系统功能的实现；对系统的进一步的研究工作进行了展 望。 关键词:热释电红外传感器，光导纤维，放大器，MC9S08AW60, A/D转换 Abstract Pyroelectric infrared fiber optic thermometer is a pyroelectric effect using objects made of new infrared fiber optic thermom

4、eter, which blackbody radiation law as to the theoretical basis of the optical theory and microelectronics integrated development of the product. Compared with the traditional temperature measurement me什】ods, it has short response time, non-contact, do not interfere with the temperature field, long

5、life, easy operation and a series of advantages This paper describes the the basic principle and method of pyroelectric infrared fiber optic thermometer temperature measurement to pyroelectric infrared fiber optic thermometer at this stage of technology as a reference, proposed and developed a micro

6、processor-based thermal MC9S08AW60 pyroelectric infrared fiber optic temperature measurement system Details of the systems structure and implementation, given the hardware schematics and software design flow In this paper, the following work is done:Describes the current development and classificati

7、on of infrared optical fiber thermometer , and pointed out the significance of this study; elaborated pyroelectric infrared fiber optic thermometer principle, and present several scenarios infrared optical fiber temperature measurement carried out the advantages and disadvantages detail; introduced

8、MC9S08AW60 microprocessor in detail, and the microprocessor used in this article features and structures made a detailed introduction; detailed analysis of the functional requirements of the system proposed overall design and on the basis of the systems hardware design, for each part of the completi

9、on of Hie function and design ideas are explained; introduces the software design flow chart presentation on the implementation of the entire measurement system functions; system further research work were discussed Keywords:Pyroelectric infrared sensor, Optical fiber,AniplifienMC9S08AW60,A / D conv

10、erter 摘要I AbstractIll 目录IV 1.绪论1 1研究课题背景1 1.2红外光纤测温仪概述1 1.2.1红外光纤测温仪简介1 1.2.2红外光纤测温仪的优点2 1.3红外光纤测温仪的分类3 131全辐射测温仪3 132单色测温仪4 1 Q Q I Pfe yHS 1.4红外光纤测温仪工石離云玄血福另建二二二二二二二二二二6 1.4.1光导纤维的介绍6 1.4.2光导纤维的构造与原理7 1.4.3红外光纤测温仪的工作原理及测温方法9 1.5红外光纤测温仪的应用11 1.6本文研究内容11 1.7本章小结12 2传感器、单片机及开发工具12 2红外测温传感器12 2.1.1红外测

11、温传感器结构12 2.1.2红外测温传感器的工作原理13 2.2飞思卡尔单片机MC9S08AW6015 2.2.1 AW60系列主要常规模块和特点15 2.2.2时钟模块16 2.2.3看门狗16 2.3.4中断模块16 235 IIC 模块16 2.3.6片内A/D转换模块17 237 Flash 模块17 2.4Codewarrior6.2 开发环境介绍18 2.5、本章小结18 3红外光纤测温系统的总体设计19 3红外光纤测温系统概述19 3.2系统硕件电路整体设计方案19 3.3系统软件整体设计方案20 3.4本章小结20 4. 红外光纤测温系统硬件电路设汁20 4硕件设计概述20 4

12、.2电源模块20 第IV页共IV页 4.3单片机最小系统模块23 4.3.1电源电路23 4.3.2复位电路23 4.3.3品|振电路24 4.3.4 BDM调试接口电路25 4.3.5 IRQ 电路25 4.3.6程序设计思想25 4.4红外光纤测温模块26 4.5信号调理电路模块27 4.5.1信号放大电路28 4.5.2信号滤波电路29 4.5.3信号整形电路30 4.6 A/D转换模块30 4.6.1 A/D转换芯片TLC551O介绍30 4.6.2TLC5510芯片的引脚功能30 4.6.3 TLC5510芯片的工作原理31 4.7 LCD液晶显示模块33 4.8声光报警模块35 4

13、.9本章小结36 5. 红外光纤测温系统软件设计37 5.1 程序流程图37 5.2主程序设计38 5.3 A/D转换模块程序设计40 531 A/D转换初始化41 5.3.2获取A/D转换结果42 5.3.3 A/D中值滤波42 5.3.4 A/D均值滤波43 5.4 LCD液晶显示模块程序设计43 5.4.1 5110 初始化43 5.4.2使用SPI接口时序写数据/命令到LCD44 5.4.3设置LCD坐标函数44 5.4.4显示数字字母符号45 5.4.5显示文字符号45 5.5本章小结46 6. 实验数据及参数46 6信号调理电路模块输出信号分析及处理46 6.2传感器输出信号分析及

14、处理48 6.3红外光纤测温实验48 6.4本章小结51 7总结与展望51 致谢52 参考文献53 笫V页共IV页 1.绪论 1.1研究课题背景 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，传统依黑人工接触式检测的方法既浪费时间、物力、人力，乂带有一 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

15、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 电偶测温法山以及以膨胀式温度讣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

16、 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。LI前应用最广泛的非接触式测量仪是红外测温仪，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。 1.2红外光纤测温仪概述 1.2.1红外光纤测温仪简介 红外光纤测温仪是红外测温仪的一种，也叫做光纤传感测温仪。对于普通的 红外测温仪，

17、其主要原理就是，通过非接触的方式来感知物体本身发射的红外线 第1页共53页 从而探测物体的表面温度。对于红外光纤测温仪，其与普通红外测温仪的区别就 是通过光纤来传送红外线到传感器，这样就可以将测温仪的光路系统和电路系统 分开。 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、A/D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。红外测温仪山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儿十年的发展历

18、史，最早出现的是隐丝式光学高温计, 它出现在上世纪初，直到现在仍在高温（800C以上）测量领域被使用，它的结构 简单、使用方便、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，但是山于生理限制，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

19、和红外技术应用的发展。20世纪60年代后，山于各 种高灵墩度红外探测器、干涉滤光片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III于稳定性、 线性度、灵敬度优良、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讣。与此同时，辐射温度计 的丄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，测温范用也从以往的中高温 延伸到室温或更低温度，辐射测温仪的使

20、用范围也越来越广。 1.2.2红外光纤测温仪的优点 红外光纤测温仪相对于一体式红外测温仪的好处有很多，最主要的优点有如 下两点： 1、由于将光路系统和电路系统分开，所以在工业现场应用时，可以将测温 仪的光路系统安装到高温环境（可耐现场环境200C,例如北京彗尔赛恩科技有 限公司生产的HE-X光纤红外测温仪），并且可以长期在线稳定工作。由于光路 系统完全不含电，所以安装的工业现场完全防爆。而测温仪的电路部分则可以安 装到室内或者远离高温现场，通过光纤和光路部分连接，这样就完全避免了测温 现场的高温对仪器测温的干扰。 2、由于光纤红外测温仪的红外信号是通过特殊材料的红外光纤传送到传感 第2页共53

21、页 器上的，这样，在光路聚焦到光纤上时，只有光纤截面大小的光斑可以通过光纤 传送到传感器，这样就避免了大面积的光线直接聚焦到传感器上对传感器进行的 烘烤对传感器工作稳定性及寿命的影响。并且，红外光纤采用特殊材料制作，可 以只选择需要的红外波段通过光纤，这样就进一步减弱了光线对传感器的烘烤。 因此，光线红外测温仪相对于一体式红外测温仪来说有更好的稳定性和更长的使 用寿命。 1.3红外光纤测温仪的分类 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 测温法；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 为亮度测温法；通过被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度

22、变化来定 温的称为比色测温法。 1.3.1全辐射测温仪 全辐射测温仪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。辐射温度就是指当实际物体总的辐射功率（包括所有 的波长）与绝对黑体总的辐射功率相等时，则黑体的温度叫做实际物体的辐射温 度。 LI前尚无对全光谱波段辐射均匀相应的探测器，也没有能透过全光谱波段的 窗口或透镜的红外光学材料，因此，全辐射测温只是一个理想化的概念。实际使 用的全辐射测温仪只是对较宽波段范围的辐射进行的测量，所接收的辐射能量为 总辐射能量的大部分值。 根据斯蒂芬-波耳兹曼定律 00 (M) Mv = Jexp(2 / AT -1)d入=saT

23、4 式中为绝对温度为T时物体的光谱辐岀度；勺为物体的光谱发射率；T 为物体的绝对温度；入为波长；刍为第一辐射常数；尙为第二辐射常数；为物 体表面的发射率；。为斯蒂芬-波尔兹曼常数。 由上式可以知道，物体表面的辐射功率不仅取决于物体的温度T,还依赖于 物体表面的发射率。山于不同物体的发射率差异很大，所以不能只通过测量辐 射功率来单一地决定物体的温度。 第3页共53页 全辐射测温仪通常要通过黑体定标。设黑体温度为八8,它所对应的辐射功 率为 M%(1-2) 在仪器定标和实测时，若两者的接收功率相同，应有如下关系 Mr = soT4 = Mf仙= d-3) 由此得 T - Tbb 其相对误差为 d-

24、4) mT = -严 d-5) 因为被测物体的发射率总小于1,所以全辐射测温仪的指示温度总低于物 体的真实温度。显然，LI标的发射率越接近于1,则测温仪的指示温度就越接近 目标的真实温度；反之，发射率越小，误差就越大。 1.3.2单色测温仪 单色测温仪是通过测量U标发射的某一波长范围内的辐射功率来确定I标 亮温的仪器。所谓壳温是指温度为T的辐射体，如它在某一波长范围内的辐射 功率与温度为7财的黑体在同一波长范围内的辐射功率相等，则定义了财为该辐射 体的亮温。 假如目标的光谱发射率已知，将普朗克公式在S/l + zU)内积分 M厂卜也力5曲卩(场/灯)一1必 0 (1-6) 可知，测温仪接受到的

25、辐射功率只与温度有关。若取A/l为单位波长，在 时，式(1-6)将简化为 =勺力 exp(2 / AT)-1(1-7) 若用黑体标定，由亮温的定义，这时，温应为7财的黑体辐射能量应等于温 度为T的目标辐射能量。即 =吶才expfe/灯)=刍才 expfe /尢缶)(1 -8) 于是得 AT/T = 27；fih(/2)(1-9) 第4页共53页 由式（1-9河知，测试波长选的越短，由发射率引起的误差就越小，所以单色 测温仪一般工作在短波区。但短波单色测温仪的温度覆盖范圉窄，易受外界的干 扰。而长波单色测温仪虽然测量误差偏大，但它有较宽的温度覆盖范围，且对太 阳、炉壁、火焰等高温物体的杂散辐射引

26、起的误差不大敬感。此外，根据维恩位 移定律可知，随着温度的升高，辐射功率最大的波长向短波方向移动。因此，测 量低温目标宜选用长波波长，而测量高温目标宜选用短波波长。 1.3.3比色温度计 比色测温仪是根据两个波段辐射能量的比值与物体温度的函数关系来测定 物体色温的国。设实际物体的真实温度为T,在波长入和人处的光谱发射率为勺 和空。当该物体在这两个波长处辐射功率之比与某一温应为丁财的黑体在这两个 波长处的辐射功率之比相等时，这个黑体的温度丁财就叫做该物体的有色温度， 简称色温。 比色测温仪可在一定程度上消除因发射率不同而造成的误差。只要发射率在 这两个波段内的变化是缓慢的，这两个波段上的辐射能量

27、的比值就主要决定于被 测物体的表面温度。而光学系统上的灰尘、视场局部被遮挡、测试空间有烟雾、 灰尘和测距变化等，只要它们对这两个波段的辐射功率的影响近于相同，这些因 素对测量结果就无显著影响。同样，元件的性能或电路放大倍数的变化对测量 结果也无显著影响。 斗P (M0) 根据色温的定义，假定有入（入+A2）和心 （爲+A2）两个波长范围，且心 选为单位波长，生。利用黑体标定U标温度，则山式（1-7）得出两个波长辐 射功率的比值为 N = =1 .expl M九哄卞1 经整理得 (Ml) In低/色）丁 山此可见，为了提高比色测温的精度，关键是选择合适的波长，使两个波长 处的发射率相近。一般说来

28、，人和人越接近，和以相差就越小，测量误差也 就越小。而由式（1-10）亦知，若将人和蚣选择在短波且两者相差较大，测量误 差也会减小。可见，这两方面的要求是另盾的。 除去以上三种主要测温方法之外，其它的测温方案还有多波段测温法和最大 波长测温法。多波段测温法的测温原理是依次取多个波段，通过计算这些波段辐 第5页共53页 射功率之间的复杂关系来确定物体的温度，该测温法精度比较高，但测温仪的结 构复杂。最大波长测温法的测温原理是依据维恩位移定律中黑体辐射峰值波长与 绝对温度之积为一常数，此方法测温结构简单，但只适用于极高温度的测量。 各种测温方案的优缺点如表1-1所示 表11各类测温方法的优缺点比较

29、 测温方法 优点 缺点 全辐射测温法 结构简单，成本较低 测温精度稍差，受物体 辐射率影响大 亮度测温法 无需5F境温度补偿，发射率误差 校小，测温精度高 工作于短波区，只适于 高温测量 双波段测温法 光学系统可局部遮挡，受烟雾灰 尘影响小，测温误差小 必须选择适当波段，使 波段的发射率相差不大 多波段测温法 测最结果与发射率无关，精度高 结构复杂，需选择适当 波段 最大波长测温法 结构简单 仅用于测极高温 1.4红外光纤测温仪工作原理及测温方法 1.4.1光导纤维的介绍 光导纤维自问世以来，得到了迅速的发展和应用，形成了一个新的技术领域。 光导纤维在传感领域中的应用，解决了不少用传统方式难以

30、解决的技术问题，在 温度测量方面也不例外。 光导纤维的特点： (1) 光导纤维是一种透明度很高的材料制成的传输光信息的导光纤维，用于 沿复杂通道传输光能、图像与信息。这种传输在高电压、大电流、强磁场、强辐 射和高噪声等恶劣环境下也不产生火花，不引燃引爆，不受干扰，因而使用安全 可靠。 (2) 用光纤原理测温，传感器的体积很小，不破坏被测温场、耐高温高压、 抗化学腐蚀、物理和化学性能稳定。山于光纤传感器具有高灵敬度，传送信息容 第6页共53页 量大，柔软可挠曲，高强度，低损耗，宽频带等特点可在密闭狭窄空间等特殊环 境下进行测温。所以，容易实现对复杂测温条件下温度的远距离监视，可使仪表 部分远离现

31、场。 (3) 光纤构型灵活，可制成单根、成束、Y形、阵列等结构形式，可以在一 般传感器难以达到的场合进行测温。 光纤温度传感器的分类： 光纤温度传感器即光纤测温的探头，其种类繁多，可分别按材料、作用及应 用等进行分类。 1. 按材料分类 (1) 氧化物 氧化物光纤以石英系为主。石英易加工成均匀而细长的丝，透光性好、性能 稳定、资源丰富、工艺简单、价格便宜，而且可挠性好和抗拉强度高。 (2) 非氧化物 非氧化物光纤有氟化物、硫化物、卤化物及塑料等。其中塑料光纤衰减大， 不宜作传感器材料；氟化物光纤的制造工艺还存在一些问题。 2. 按作用分类 (1) 功能型：光纤具有感温和导光双重功能； (2)

32、非功能型：光纤只起导光作用，感温功能山其它温度传感元件来实现； (3) 拾光型：用光纤作探头，接收被测对象的辐射以及反射或散射。 3. 按应用分类 (1) 接触式：使用时光纤温度传感器与被测温对象接触。 (2) 非接触式：使用时光纤温度传感器不与被测温对象接触，而釆用热辐射 原理感温，由光纤接收并传输被测物体表面的热辐射。 1.4.2光导纤维的构造与原理 构造 光导纤维外表如同一根塑料导线，其分为三层，如图2.1所示。 第7页共53页 3 图2.1光纤的构造 光导纤维的最里层是用透明度和折射率均很高的材料制成的芯线，以石英居 多；中层是折射率很低的包层，材质为石英、玻璃或硅胶等；最外层则是塑料

33、制 作的保护层。 在光纤中，芯线与包层是两个同心的圆柱体，各有一定厚度，芯线居中，包 层在外，两层之间无隙。要求芯线材料的折射率必须大于包层材料的折射率，使 光线在其中发生全反射，具有传输光的性能。 (2)工作原理 光纤的工作原理如图2. 2所示。 图2.2光纤的工作原理 光线AB山光纤端面入射，OO为芯线轴，两者的交角为折射角为的 折射线与芯线和包层的界面交与C点。此折射线与C点界面法线DE的夹角为 第8页共53页 并山界面折射至包层CK, CK与DE之夹角为山斯乃尔定律得到 /?0 sin q = n sin 0(1-12) 以及 /?! sin “2为包层折射率。 由于 8=90。q (

34、1-14) 由式(112)和(1-13)得出 sin Q/n03k (1-15) 因为 sinQ =(n2/i)siii Oy d-16) 所以 sin 3i = Jn： 一卅 sin2 0r (1-17) 对空气而言，心二1则 sin 0 =-局 sin2 Or (M8) 在er = 90的临界状态时，q Q为临界角，则 sin = yjn -n； = NA (1-19) 此时，sinQ,为“数值孔径J用NA表示，其值山上式可知，即山芯线和包圉的 折射率确定。光纤制成以后，它是一个常数。 数值孔径NA是光纤的一个重要参数，其值可反映出光纤接受辐射能量的多 少。其值越大，表示临界角越大，光纤所

35、能接受的辐射能量越大，光纤与探测器 耦合效率也越高。但由于受到全反射条件限制，NA值过大，使光能在光纤中传 输的衰减也相应增加。 由于 n n2,故叫 + n2 = 2n 另 = (/?, - n2)/ ,称为相对折射率 sin 0(t = yjn； -n； = J(q + $ X - “2) = n(1 -20) 当0r = 0( = 90时，Ot = arcsinNA ,入射角小于临界角的光线，将在芯 线与包层界面上产生全反射，光线沿光纤传播不泄露。 1.4.3红外光纤测温仪的工作原理及测温方法 一切温度高于绝对零度的物体时时刻刻都在不停的辐射红外能量，物体辐射 的红外能量的多少与物体的表

36、面温度存在一定的函数关系。通过探测器接收物体 辐射能量再经过计算获得物体表面温度的方法称为红外测温。红外测温具有响应 速度快、灵敏度高、准确度高和测温范圉广的优点，尤其是其非接触测量的特点, 使红外测温在测量运动物体和难以接近的物体的温度方面得到了很好的应用。 光纤红外测温仪是一种结合红外测温技术和光纤传感技术、实现高精度、 第9页共53页高重复性、快速响应、非接触测量的新型测温仪器。它一般由红外探头、传光光 纤、电子模块、信号传输电缆等组成。被测物体的红外辐射经红外探头透镜汇聚 到光纤前端，通过光纤传输及红外滤光片过滤后的红外能量，被红外探测器接收 并转换成相应的电信号，此电信号经电子线路的

37、放大、线性化处理后以标准的信 号输出方式输出。 光纤红外测温仪就是将光线通过光纤传送到传感器上，而不是直接由透镜聚 焦到传感器上。其余的原理同普通红外测温仪一样。 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I，物体的温度越高，所发出的红外辐 射能力越强，黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定，即 00 0 (1-22) 黑体辐射出射度III斯蒂芬一玻耳兹曼定律确定，即 性=5 (exp(c2 / AT)-1 _ 1 其中q=3.7418xl0T6W2,称为第一出射度

38、； 勺=1.4388x10-2?*,称为第二出射度; o- = 5.6697xl0-sVV /H2./r-4,称为斯蒂芬一玻耳兹曼常数； A表示波长； T表示热力学温度。 山于实际物体并非黑体，所以实际物体的辐射出射度还需要在上式中乘上体 的辐射常数，即 (1-23) Mr=aTA 表示物体的辐射岀射度 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 = sKT4(1-24) 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。 因此，可以通过检测电圧而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号 与LI标温度呈非线性关系，V与T的四次方成正比，所以

39、要进行线性化处理。线 性化处理后得到物体的表观温度，需进行辐射率修正为真实温度，其校正式为： Tr (1-25) 第10页共53页 式中T,辐射温度（表观温度） e（T）辐射率，取0.10.9 由于调制片辐射信号的影响，辐射率修正后的真实温度为高于环境的温度, 还必须作环温补偿】，即真实温度加上环温才能最终得到被测物体的实际温度。 1.5红外光纤测温仪的应用 红外测温仪在工业上的应用非常广泛，用的最多的主要是便携式红外测温仪 及在线式红外测温仪。目前，随着光纤红外测温仪技术上的日趋成熟，以及其在 丄业现场显现出来的优点日益突出，光纤红外测温仪也已开始慢慢替代在线测温 的一体式红外测温仪，应用于

40、工业现场的各个场合。 光纤红外测温仪U前的主要应用市场是在工业现场。因为一体式红外测温仪 对使用环境要求很苛刻，一般要保持仪器安装在环境温度不超过50C场合，否 则将会因电路元件受温度的影响而导致测量值失真，其至仪器损坏，所以，一般 在工业现场在线使用的一体式红外测温仪都装有水冷套等降温保护措施，安装麻 烦，使用成本也高。而光纤红外测温仪采用的是分体式设计，将基本不受温度影 响的光路系统（即光学探头）安装在测温现场：而把对环境温度要求较苛刻的信 号处理/显示器安装在远离测温现场的地方，可以保证信号处理/显示器始终正常 工作；中间通过一根红外光纤，将光学探头接收到的红外信号传输到信号处理器 进行

41、处理。这样，仪表便有了长期工作的稳定性及可靠性，且安装简易，无需水 冷等降温措施，使用成本低廉，设备维护也方便。 1.6本文研究内容 本系统设计以“飞思卡尔” MC9S08AW60单片机为红外光纤测温系统的控 制器，首先介绍了该红外光纤测温系统的基本原理、主要模块、硬件电路部分设 计、温度信号的釆集和处理，另外编写了一些温度数据处理和实时液晶显示的程 序。 第11页共53页 17本章小结 本章主要介绍了课题背景、红外光纤测温仪系统的简单介绍和红外光纤测温 方法的比较。通过红外光纤测温系统工作原理及应用前景的介绍，可以知道红外 光纤测温在工控领域有很大的发展空间。 2. 传感器、单片机及开发工具

42、 2.1红外测温传感器 2.1.1红外测温传感器结构 OTP- 538U是一个典型的TO-46系列热电堆传感器。该传感器包含了 116 组串联的热接点，形成了一个直径545 um的感应区。涂黑的表面活性吸收热红 外辐射，导致两输出端产主电压差。该传感器芯片采用了了一个独特的前表面微 加工技术，使得尺寸更小，能更快速地响应环境温度变化的结果I。 红外窗口是一个带通滤波器，允许测量波长在5 M m S 14 P m之间。与电阻 相互比较热敬元件总是存在白色朵讯。对应不同频率他都有一个稳定的讯号，直 到频率极限，并正比于入射辐射。热电堆传感器的特色在于与温度参考电阻器在 第12页共53页 同一块基座

43、上。温度参考电阻是由外壳至接地。 图2.1 OTP-538U红外测温传感器的结构 特点：非接触式温度探测 电压输出，便于检测 零功耗元件 宽温度测量范围 OTP-538U背面接脚图如图2.2所示： 图2.2背面接脚图 其中：1 (V+)代表热电堆热端输出讯号 2 (R)代表热敬电阻输出信号 3 (V-)代表热电堆冷端输出讯号 4 (GND)代表热敬电阻接地端点 2.1.2红外测温传感器的工作原理 非接触式红外温度传感器OTP-538U是红外线感应型的温度探测器。主要工 作原理是利用红外线的波长在硅片上产生相应的电压，根据检测到的电压不同来 检测不同的温度。山于只要是发热的光源就会辐射红外线，所

44、以可以对温度进行 非接触式的检测。传感器山一个热敬电阻和传感器部分组成。传感器部分根据外 部的温度产生相应的电压，而热敬电阻根据外部温度不同，电阻值产生变化，由 此来补充因为外界环境对传感器的影响，因此可以做到比较高的精度。 其主要性能指标如表2-1所示： 第13页共53页 00 t/VE】 -Bums zaQlulaul / I I /I I I -30 -20 -10 010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Object Temperature 匕 表21热电堆传感器特性 Parameter Min Typ Max Unit Conditio

45、ns Output Voltage 0.77 1 44 mV Tomb =25 C Tob, =50C Sensitivity 70 85 100 V/W TC of sensitivity 0.10 0.11 0.12 %/K Typical Sensitivity area in diameter 545 U m Resistance of thermopile 50 65 80 KQ 25C TC of resistance 0.09 %/K Typical Time constant 16 ms * Noise voltage 28 32 36 nv/Hzl/2 NEP 0.28 0.

46、36 0.48 nW/Hz1/2 Normalized detectivity (D#) 1.0M06 1.3w108 1.7e108 cmHzl/2/W OTP-538U在室温(25C)下的电压输出特性如下图2.3所示: 第14页共53页 图2.3 OTP-538U在室温（25C）下的电压输出特性 OTP-538U在室温（25C）下的电压输出典型值如下表2-2所示: 表2-2 OTP-538U在室温（259）下的电压输出典型值 2.2飞思卡尔单片机MC9S08AW60 S08是单芯片8位微控制器解决方案。MC9S08AW60/AW48/AW32/AW16 是是低成本、高性能8位微控制器单元（

47、MCU） S08家族中的成员。家族中所有 的MCU使用增强型S08核，且使用不同的模块、存储空间、存储器类型和封装 类型I叫 2.2.1 AW60系列主要常规模块和特点 1）最高达40MHz的CPU工作频率和20Hz的内部总线工作频率表；时钟源选 Temp. fC) V out (mV) -20 -1.29 -10 -1 06 0 -0.80 10 -051 20 -0.18 25 0.00 30 0.19 40 0.59 Temp. CC) V out (mV) 50 1.02 60 1.49 70 1.99 80 252 90 3.09 100 3.69 110 433 120 5.00

48、项包括晶振、谐振器、外部时钟或内部产生的时钟。 2）相比HC08 CPU指令集，S08 CPU增加了 BGND指令。 3）单线后台调试模式接口；增强的断点能力，允许单一的断点设置在线调试（在 片内调试的模块增加了多于两个的断点）。 4）内含32个中断/复位源；内含2KB的片内RAM：内含60KB的片内在线可 编程Flash存储器，带有块保护和安全选项。 5）可选的计算机正常操作（COP）复位；低电圧检测和复位或中断；非法操作 码检测与复位；非法地址检测与复位。 6）ADC：多达16个通道，10位A/D转换器与自动比较功能：两个串行通信接 第15页共53页 口 SCI模块与可选的13位中断；一个

49、串行外设接口 SPI模块；集成电路互 连总线I2C模块运作高达100kbps的最高总线负载；8引脚键盘中断KBI模 块。 7） Timers: 12通道和1个6通道16位定时器/脉冲宽度调制器模板。具有输 入、捕捉、输出比较、脉宽调制功能。 2.2.2时钟模块 S08单片机中有两个不同的时钟，即外部晶振时钟、总线时钟，总线时钟最 高可超频到40Mo本系统采用的是11.0592MHz的外部晶振，因此外部晶振时钟 为11.0592MHz；默认设置下，总线时钟22.1184MHz,外部晶振时钟的倍、分频 关系由ICGC2寄存器决定。总线时钟用作片上外围设备的同步，它决定了指令 执行的速度。由于我温度

50、变化时缓慢的，11.0592MHz的总线时钟对一个温度检 测系统来说已经足够了，本系统的总线时钟设置为11.0592Mo 2.2.3看门狗 看门狗的加入使程序运行的更加稳定，可以在程序溢出的情况下重启，不会 因为外界的干扰（静电、电磁干扰等）而死机。 2.3.4中断模块 中断系统是计算机的重要组成部分。实时控制、故障自动处理、讣算机与外 围设备间的数据传送往往采用中断系统。中断系统的应用大大提高了计算机效 率。不同的计算机其硬件结构和软件指令是不完全相同的，因此，中断系统也 是不相同的。计算机的中断系统能够加强CPU对多任务事件的处理能力。中断 机制是现代讣算机系统中的基础设施之一，它在系统中

51、起着通信网络作用，以协 调系统对各种外部事件的响应和处理。 MC9S08AW60支持多达32个中断/复位源，基本上每个模块都带了中断，本 系统用到两个中断：SCI1 Receive中断（串口 1接收中断）、KBI中断（键盘中断） 2.3.5 IIC 模块 AW60芯片具有一个IIC模块接口，IIC总线以物理方式连接2条激活线和1 条地线。激活线（称为SDA和SCL）是双向的，SDA是串口数据线，SCL是串 行时钟线。为了不影响IIC的灵活性，所有连接到这2条信号线的设备必须是漏 第16页共53页 极开路或集成电路开路输出，这些输出需要带外接上拉电阻。 2.3.6片内A/D转换模块 MC9S12

52、AW60芯片内部集成了一个8位/10位精度的逐次逼近式的A/D转 换模块，最多可支持28路独立的模拟输入(AD0AD27),但在64引脚封装中, 只引出16个通道供用户使用(AD0AD15),这些通道与I/O引脚复用。 MC9S12AW60的A/D转换模块有8个寄存器，它们是：2个状态和控制寄 存器(ADC1SC1ADC1SC2)、1 个数据结果寄存器(ADC1RH、ADC1RL)、1 个 比值寄存器(ADCCVH. ADCCVL). 1个配置寄存器(ADC1CFG). 3个引脚控制 寄存器(APCTL1、APCTL2、APCTL3)。通过对这些寄存器的编程，就可以获取 A/D转换数据。 2.

53、3.7 Flash 模块 SOCOO SOO6F $0070 sceer DIRECT PAGE REGISTERS RAM 2048 BYTES $0970 S17FF FLASH 3034 BYTES $imo S185F HIGH PAGE REGISTERS S18CO FLASH W.2O6 8Y7E8 SFFFF MC9S08AW60 图2.4 AW60存储器结构 从图2. 4可以看出，MC9S08AW60含有高达60 KB的片内在线可编程FLASH 存储器，带有块保护和安全选项，可以向Flash程序存储器写入引导程序或用 户程序。在MC9S08AW60系列岀厂时，除非有特别指明，

54、Flash存储器默认为擦 除的，因此在运行模式下没有程序可以执行，直到Flash存储器初次被编程。才 可以对其重新写入程序。 第17页共53页 I；* Frecffcale CodcTrxir (Main, c 口固冈I r业 S-Hch tojcciiior Kejer t lU、ru Ios tiali xatico* YinSar Hlp -x 占贰 O ： 用也今 喀 0冏 F.lt C: Vlcxaw.ta lad Stl2r3*XiLM Wy DcxtxlaIWiC “III III 111 |*STOPE 一 STOP allowed /|-COPI long tiiwout 2

55、*18 /COPE $7 Systen Options Register(irite once) COP o“ ICCC2 CDOO110006; / / ft u u /$30 internal clock generation 2 should write HFDx before ICGC1 llllllll HHIIIFOP III III一 RF 分频因子 =1 Kill*一RFD2 / mr一一LQCRE 丢失时钾佰号后产生一个中斷IS号 IIPHFO0 IPMF01 锁彖坏倍乘因子N10 Dm 2 Cel 24| 2.4 Codewarrior62开发环境介绍 Code Warri

56、or Development Studio （开发工作室）是完整的用于编程应用中硬 件bring-up的集成开发环境。采用Code Warrior IDE开发人员可以得益于采用 各种处理器和平台（从Motorola到TI到Intel）间的通用功能性。根据Gardner Data quest的报告，Code Warrior编译器和调试器在商用嵌入式软件开发工具的 使用率方面排名第一。而这只是流行的Code Warrior软件开发工具中的两个。 Code Warrior包括构建平台和应用所必需的所有主要工具IDE、编译器、调 试器、编辑器、链接器、汇编程序等。Code Warrior JF发工作室

57、将尖端的调试技 术与健全开发环境的简易性结合在一起，将C/C+源级别调试和嵌入式应用开发 带入新的水平。 图2.5 Code Warrior编译器和调试器 25、本章小结 本章详细介绍了红外测温传感器的结构和工作原理。对该测温传感器 OTP-538U有了一个整体的认识。为下一步开发整个测温系统提供了理论基础。 详细介绍了微处理器MC9S12AW60的主要常规模块和该系列单片机的开发 环境。在此基础上可以接着进行红外测温系统的软件设计和程序的编写调试。 第18页共53页 3. 红外光纤测温系统的总体设计 3.1红外光纤测温系统概述 红外光纤测温充分应用热电堆传感器、单片机、计算机等电子技术，其总

58、体 设计方案如下： 通过安装在探头上的热电堆探测器OTP-538U得到温度对应的电压信号，电 压信号送至信号调理电路模块放大、滤波、整流之后再送至A/D转换模块，A/D 转换采用8位高精度的TLC5510芯片，A/D转换后的数字信号传到微处理器 MC9S08AW60,并山微处理器完成数据处理，最后将处理后的数据通过液晶显 示模块实时显示所测到的温度。 3.2系统硬件电路整体设计方案 系统的硬件山单片机模块MC9S08AW60、红外温度传感器模块OTP-538U、 信号调理电路模块、A/D转换模块、液晶显示模块。 硬件的流程是红外测温传感器O TP-538U将接收到的红外光强转换成MV级 电压信

59、号输出，MV级电压信号送至信号调理电路模块放大、滤波、整流之后转 换成V级的电压信号，V级的电压信号送至A/D转换芯片TLC5510转换成8位 二级制数，8位二级制数送至微控制器MC9S08AW60进行数据的处理将二进制 数还原为温度数值并将温度数据送至液晶显示模块。系统的硬件电路整体设讣框 图如图3.1所示。 图3.1系统硬件电路整体设计框图 第19页共53页 3.3系统软件整体设计方案 按照系统的设计功能要求，本红外光纤测温系统的设讣采用单片机软件系统 实现，用单片机的自动控制能力，来控制温度的检测、显示，并用液晶模块实时 显示采集到的温度数据。 本红外光纤测温系统的软件设计采用模块化的设

60、计思想，它把整个系统分成 若干模块分别予以解决，它包括微处理器的主程序模块、A/D转换模块、温度数 据转换模块、液晶显示模块。 主程序模块主要完成系统初始化，其中系统初始化包括：微处理器初始化、 A/D转换模块初始化、液晶显示的初始化。A/D转换模块包括：获取A/D转换 后的数值、中值滤波、均值滤波。温度数据转换模块：获取温度数据，计算温度 值。液晶显示模块：根据相应的温度数据并在液晶屏上实时显示。 3.4本章小结 本章在整体上对红外光纤测温系统做了一个整体概述，对本系统有了一个全 局的认识。在此基础上将分别进行硬件电路设计和软件设计，为具体实现本系统 的功能做铺垫。 4. 红外光纤测温系统硬