楊進(jìn)寶

(湖南師范大學(xué)工學(xué)院，中國 長沙 410081)

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中很重要的一個(gè)熱工參數(shù)，它直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能．紅外溫度測量是以紅外傳感器為核心，通過熱輻射原理來測量溫度的，是一種非接觸式溫度測量方式，特別適用于高溫和危險(xiǎn)場合的非接觸測溫；與接觸式溫度測量相比，不會干擾測量對象的溫度場，響應(yīng)速度快、精度高，測量范圍廣，近年來在工業(yè)、航空、軍事、醫(yī)療等方面的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]．

本文以MSP430F149為平臺，采用熱電堆紅外測溫傳感器A2TPMI為測溫元件，其內(nèi)部集成了光學(xué)透鏡、信號處理和環(huán)境溫度補(bǔ)償電路，結(jié)合ModBus通信協(xié)議，設(shè)計(jì)一款基于RS485總線，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多點(diǎn)測溫的在線式紅外測溫變送器．該紅外測溫變送器適用于電力溫度檢測、設(shè)備故障診斷、工業(yè)生產(chǎn)等需要多點(diǎn)分布式非接觸式測溫的應(yīng)用領(lǐng)域．

1 紅外測溫工作原理

紅外測溫是輻射式測溫的一種，利用物體的熱輻射現(xiàn)象來測量物體溫度．在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都會輻射紅外線，描述黑體輻射光譜分布的普朗克公式和黑體全輻射度與溫度關(guān)系的斯蒂芬-玻耳茲曼定律是輻射測溫法的基本理論依據(jù)[4]，其關(guān)系式為

E=εσT4，

(1)

式中，E為物體的輻射功率；T為被測物體的絕對溫度；ε為被測物體的發(fā)射率，不同物體的發(fā)射率不同，可通過查表或?qū)嶒?yàn)得到；σ為斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)．

紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號大器及信號處理、顯示輸出等部分組成．光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)目標(biāo)物體的紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測器表面轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，該信號再經(jīng)放大、采樣、換算得到被測目標(biāo)的溫度值．

2 紅外測溫變送器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本紅外測溫變送器由A2TPMI熱電堆紅外探測器、低通濾波器、MSP430單片機(jī)和RS485接口等部分組成， 如圖1 所示．被測目標(biāo)的紅外輻射能量經(jīng)硅透鏡聚焦到熱電堆上，紅外能量經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，該電信號經(jīng)內(nèi)置電路放大和補(bǔ)償后輸出幅度滿足A/D采樣的電壓信號，經(jīng)低通濾波器濾波后送到單片機(jī)的A/D輸入端，MSP430單片機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器對信號進(jìn)行采樣，經(jīng)計(jì)算和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值，通過ModBus總線上傳至上位機(jī)．

圖1 紅外測溫變送器結(jié)構(gòu)圖

2.1 A2TPMI工作原理及其應(yīng)用

A2TPMI 是美國PerkinElmer(珀金埃爾默)公司生產(chǎn)的一款內(nèi)部集成了專用信號處理電路以及環(huán)境溫度補(bǔ)償電路的多用途紅外熱電堆傳感器，這種集成紅外傳感器模塊將目標(biāo)的熱輻射轉(zhuǎn)換成模擬電壓．該傳感器自帶距離系數(shù)D∶S=8∶1，5度視角，5.5 mm的硅透鏡光學(xué)系統(tǒng)，通過該透鏡接收空氣中的紅外輻射，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號．為了放大高靈敏熱電堆微伏到毫伏級的信號，內(nèi)置了一個(gè)8 bit分辨率的可編程低噪聲放大器，放大器的增益、偏置電壓由工廠通過I2C接口進(jìn)行了校準(zhǔn)，經(jīng)放大的輸出電壓信號能滿足A/D轉(zhuǎn)換器的幅值要求[2]．

A2TPMI的目標(biāo)溫度范圍-20～+300 ℃，根據(jù)熱電堆溫度測量原理, 當(dāng)目標(biāo)溫度低于環(huán)境溫度時(shí)輸出為負(fù)，高于環(huán)境溫度時(shí)輸出為正．為了使負(fù)電壓信號能在單電源系統(tǒng)處理，所有的內(nèi)部信號都連接到1.255 V內(nèi)部電壓參考(Vref) , 作為虛擬模擬地信號．為了熱電堆放大電路偏置電壓的調(diào)整, 放大器上帶了一個(gè)能產(chǎn)生有8 bit 分辨率偏置電壓的可編程調(diào)整部分．此外，A2TPMI內(nèi)部還集成有溫度傳感器來探測環(huán)境溫度, 這個(gè)信號用以匹配熱電堆放大信號曲線的反向特性，為了溫度補(bǔ)償，放大的熱電堆信號和溫度參考信號相加于一個(gè)放大器．經(jīng)過溫度補(bǔ)償放大后的目標(biāo)溫度信號經(jīng)Vtobj腳輸出, 環(huán)境溫度參考信號或1.255 V參考電壓經(jīng)Vtamb腳輸出．A2TPMI 的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)由I2C接口永久地保存于E2PROM 內(nèi)．

由于該集成紅外傳感器模塊將光學(xué)系統(tǒng)、熱電堆、可編程放大器和環(huán)境溫度補(bǔ)償電路封裝在一個(gè)TO-39封裝的金屬殼體內(nèi)，不受PCB漏電流、污染、潮濕以及電磁干擾等環(huán)境因素影響，這樣，就使設(shè)計(jì)者免除復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，低溫漂放大器以及參數(shù)不易整定的環(huán)境溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)、調(diào)校，用它來設(shè)計(jì)紅外測溫變送器產(chǎn)品，精度高、互換性好，參數(shù)標(biāo)定易于實(shí)現(xiàn)．

2.2 微控制器選型及數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

本紅外測溫變送器封裝在一個(gè)直徑為20 mm的不銹鋼殼體，對電路板尺寸、低功耗、電路成本、抗干擾性能都有嚴(yán)格要求，采用的微控制器應(yīng)具有UART、12 bit以上A/D轉(zhuǎn)換接口，低功耗等特性的SOC(片上系統(tǒng))．經(jīng)多方權(quán)衡，MSP430F149符合設(shè)計(jì)要求．

2.2.1 微控制器選型 MSP430F149是美國TI公司推出的一款16位超低功耗、高性價(jià)比的工業(yè)級混合信號單片機(jī)，具有豐富的內(nèi)部硬件資源．該芯片內(nèi)部集成8通道12位高精度A/D 轉(zhuǎn)換器，可達(dá)到300 K以上的采樣速率，使模擬信號的高精度采樣得到了充分的保證[5]．該芯片內(nèi)部設(shè)有2路的UART串行接口，可以很方便地獲得2路RS485或者其他的串行接口，滿足基于RS485的ModBus協(xié)議通信需求．它采用1.8～3.6 V的供電電壓，其超低功耗(典型工作電流為250 μA)，使多點(diǎn)分布式溫度采集系統(tǒng)的總線供電電流得以下降，同時(shí)，使變送器的溫升得到嚴(yán)格控制．

圖2 有源濾波電路圖

2.2.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì) A2TPMI 放大器采用斬波放大器技術(shù), 由于這種技術(shù)本身具有的特性, 輸出信號Vtobj和Vtamb中包含了大約10 mV峰值、250 kHz 的交流信號．這些交流信號可用低通濾波電路或軟件濾波抑制掉．如圖2所示，采用LMV358 軌對軌(rail to rail )運(yùn)算放大器與R、C構(gòu)成有源低通濾波器，可有效濾除紋波，同時(shí)起到信號緩沖作用．

濾除紋波后的目標(biāo)溫度電壓信號Vtobj和環(huán)境溫度電壓信號Vtamb分別送到MSP430F149的兩個(gè)模擬采樣通道進(jìn)行采樣．設(shè)計(jì)溫度范圍為-20～+300 ℃，12 bit的A/D可獲得0.078 ℃的溫度分辨率，可保證0.1 ℃的設(shè)計(jì)要求．為減小采樣隨機(jī)誤差，每次溫度測量采樣10次數(shù)據(jù)經(jīng)動態(tài)平滑濾波后供后續(xù)溫度計(jì)算用．

2.3 變送器通信接口

變送器通信接口采用RS485總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信，MSP430F149內(nèi)置有UART接口，只需外接RS485接口芯片即可．MAX1487采用+5 V電源供電，傳輸速率達(dá)到2.5 Mbps．它適用于半雙工通信，通信傳輸線上最多可掛128個(gè)收發(fā)器，符合多點(diǎn)集控溫度采集通信要求．

2.4 溫度非線性校正及發(fā)射率整定

由(1)式可知，熱電堆感應(yīng)紅外能量與目標(biāo)溫度呈4次冪函數(shù)關(guān)系，同時(shí)，由于不同物質(zhì)的發(fā)射率ε取值范圍很大，要獲得準(zhǔn)確的目標(biāo)溫度值須進(jìn)行曲線擬合和發(fā)射率整定．

2.4.1 紅外測溫非線性校正 經(jīng)查A2TPMI數(shù)據(jù)手冊和實(shí)際測量，熱電堆模塊在不同溫度段輸出信號Vtobj、靈敏度與溫度之間的關(guān)系如表1所示，傳感器輸出電壓與目標(biāo)溫度之間是非線性的，不易由采樣到的輸出電壓值計(jì)算出目標(biāo)溫度值．在本設(shè)計(jì)中，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，測試得到19組樣本數(shù)據(jù)，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，采用最小二乘法曲線擬合可獲得理想的效果[6]．

設(shè)擬合函數(shù)多項(xiàng)式為

y=a6x6+a5x5+a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0.

(2)

利用最小二乘法求解擬合函數(shù)系數(shù)a6、a5、a4、a3、a2、a1和a0，即

(3)

通過求解如下正規(guī)方程組(4)，即可獲得系數(shù)a6、a5、a4、a3、a2、a1和a0，

(4)

式中，S(a0,a1,…,a6)為誤差函數(shù)；yk為目標(biāo)溫度．

由于解式(4)的運(yùn)算量很大，可以借助MATLAB等數(shù)學(xué)工具[7-8]，通過編寫相關(guān)函數(shù)來求解系數(shù)a6、a5、a4、a3、a2、a1和a0，并進(jìn)行曲線擬合效果的仿真．用MATLAB作多項(xiàng)式擬合時(shí)，根據(jù)如上介紹的最小二乘法則，提供了polyfit函數(shù)來實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)式的擬合，其調(diào)用格式為

ANS=polyfit(x,y,n)，

(5)

式中，x、y為原始樣本點(diǎn)構(gòu)成的向量；n為選定的多項(xiàng)式階次；所得到的ANS為按降冪排列的多項(xiàng)式系數(shù)．

為保證擬合曲線的曲率連續(xù)性，需要采用3次及更高次多項(xiàng)式擬合，為確保擬合精度，選取6次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，即多項(xiàng)式階次n=6．用MATLAB的polyfit函數(shù)工具計(jì)算得到6次多項(xiàng)式的各項(xiàng)系數(shù)：

ANS= -2.800 85；51.446 27；-384.759 54；1 502.167 87；-3 249.921 34；3 801.578 41；

-1 784.555 58,

將6個(gè)系數(shù)代入多項(xiàng)式函數(shù)式(2)中，得

y=-2.800 85x6+51.446 27x5-384.759 54x4+1 502.167 87x3-3 249.921 34x2+3 801.578 41x-

1 784.555 58.

(6)

式(6)中，y代表被測目標(biāo)溫度值，單位：℃；x代表熱電堆模塊輸出電壓值，單位：V．圖3為輸出電壓與目標(biāo)溫度曲線圖，擬合曲線與19個(gè)標(biāo)本數(shù)據(jù)有較好的匹配效果，符合計(jì)算精度要求．

表1 Vtobj、靈敏度與溫度之間的關(guān)系數(shù)據(jù)表

圖3 輸出電壓與目標(biāo)溫度曲線圖

2.4.2 發(fā)射率整定 由于不同材料或相同材料的不同表面狀況對紅外線的發(fā)射率影響很大，發(fā)射率取值在0.01～1.0之間，對測溫精度影響很大．在使用紅外測溫變送器測量物體表面溫度時(shí)，應(yīng)對目標(biāo)物體的發(fā)射率進(jìn)行整定，該參數(shù)由上位機(jī)軟件設(shè)定，通過通信接口固化到變送器的E2PROM存儲器，參與目標(biāo)溫度計(jì)算．在實(shí)際應(yīng)用中，目標(biāo)物體的發(fā)射率不易確定，可通過直接測溫與紅外測溫誤差值計(jì)算得出．

2.5 ModBus通信協(xié)議

2.5.1 ModBus通信協(xié)議簡介 ModBus 協(xié)議是由Modicon 公司于1979年開發(fā)的在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，支持一臺主機(jī)和多達(dá)247臺從機(jī)間的通信，支持RS232 、RS422 和RS485等通信接口．ModBus 協(xié)議分為ASCII 模式和RTU 模式，ASCII 模式的數(shù)據(jù)包要求有開始標(biāo)記和結(jié)束標(biāo)記，并要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是ASCII格式，RTU 模式以16進(jìn)制數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)通信效率較高，不需要開始標(biāo)記和結(jié)束標(biāo)記，以消息傳輸時(shí)的3.5 個(gè)字符以上的時(shí)間間隔作為一個(gè)數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束．

一個(gè)典型的ModBus RTU 數(shù)據(jù)包格式包括同步字、地址、命令字、數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)，對設(shè)備地址、命令字和數(shù)據(jù)采用CRC16 校驗(yàn)，由數(shù)據(jù)包的發(fā)送者計(jì)算出16 位CRC 校驗(yàn)碼，放入數(shù)據(jù)包的后面，接收者重新計(jì)算接收到數(shù)據(jù)的CRC，并和收到的CRC 相比較，如果2個(gè)CRC 值不匹配，則表明數(shù)據(jù)傳輸有誤，接收者返回錯(cuò)誤消息要求重發(fā)．校驗(yàn)碼采用生成多項(xiàng)式為X16+X15+X2+1的16位循環(huán)冗余糾錯(cuò)碼[9-10]．

2.5.2 變送器通信協(xié)議 變送器以數(shù)值型信息傳送為主，選用ModBus RTU模式．?dāng)?shù)據(jù)幀格式由11個(gè)bit位組成，1個(gè)起始位(0)，8個(gè)數(shù)據(jù)位(D0～D7)，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位．一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包由4字節(jié)數(shù)據(jù)頭、1字節(jié)地址碼、1字節(jié)控制碼、1字節(jié)數(shù)據(jù)長度、n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)域(0≤n≤32)和2字節(jié)CRC校驗(yàn)碼構(gòu)成．詳細(xì)信息如表2所示．

表2 ModBus RTU數(shù)據(jù)包格式

包頭：F5F5F5F5H，4字節(jié)F5H標(biāo)識數(shù)據(jù)包的開始，

地址碼：0=廣播地址，01～247=從設(shè)備地址，

控制碼：0=正?；貞?yīng)，1=異?；貞?yīng)，2=由主站發(fā)出的命令幀，3=由從站發(fā)出的應(yīng)答幀，4=讀數(shù)據(jù)(讀目標(biāo)溫度、環(huán)境溫度、地址、波特率、發(fā)射率)，5=寫數(shù)據(jù)(寫地址、通信速率、輻射率)，

數(shù)據(jù)長度：標(biāo)識數(shù)據(jù)域字節(jié)數(shù)，

數(shù)據(jù)域：0至32字節(jié)數(shù)據(jù)(目標(biāo)溫度、環(huán)境溫度、地址、波特率、輻射率等信息)，

校驗(yàn)碼：2字節(jié)CRC16 校驗(yàn)碼.

3 測試結(jié)果與分析

測試條件：口徑10 cm、精度±0.1 ℃、發(fā)射率0.98黑體爐，黑體爐與變送器正對距離50 cm，環(huán)境溫度20 ℃．表3為測試條件下的測試溫度及誤差．

表3 參數(shù)測試結(jié)果

表3實(shí)測數(shù)據(jù)表明紅外測溫變送器測溫絕對誤差在±0.5 ℃以內(nèi)，其誤差主要由A/D轉(zhuǎn)換分辨率(12 bit)不夠高、曲線擬合誤差、空氣衰減等因素造成．在批量生產(chǎn)中，由于器件參數(shù)的離散性，誤差可能會更大，保證±1 ℃的測溫精度是可以實(shí)現(xiàn)的．

4 結(jié)論

采用A2TPMI熱電堆模塊設(shè)計(jì)了一款測溫范圍-20～+300 ℃，測溫精度±0.5 ℃，符合ModBus通信協(xié)議的紅外測溫變送器．經(jīng)過實(shí)際使用，研制開發(fā)的紅外測溫變送器具有性能可靠、測量精確度高等特點(diǎn)，適用于遠(yuǎn)距離分布式多點(diǎn)間接測溫系統(tǒng)．可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域．

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