基于ARM核的热释电红外测温仪的研制.doc

1、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

2、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

3、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， LPC2132 Abstract PIR thermometer is a kind of infrared thermometer that makles use of the pyroelectricity effect,it uses the blackbody radiation laws as the theories foundation,it is the outcome that the optical theories and micro electronics lear n comprehen

4、sive development Compared to the way of traditional temperature measurement,it has a series of merits,such as short in response time,non-contact,noninterference to temperature field ,long useful time and convenient operation,etc This paper introduces the basic principle of PIR and the method of real

5、ization in detail Wilh the technique that the IR thermometers present stage as a reference It put forward and develop a kind of measure system according to the embedded microprocessor of high performance ARM The paper introduces the composing and the method of that system in detail and gives the har

6、dware principle diagram and design flow chart of the softtware The factors that influence PIR thermometer s accuracy and the related interference of hardware and software are analyzed in detail,and adopted to corresponded megtsures The following work is done： The present condition and classification

7、 of IR thermometer are introduced elaborately,and the meaning of this research is point out;The principle of PIR is introduced； The way to measure IR radiation is presented； The ARM microprocessor is made detailed introduction,and the function characteristics and structure of the ARM chip LPC2132 is

8、 made a good introduction； The function of the total design project is introduced， The hardware parts base on this system are designed， and made elucidation to the function and the design way ofthinking that each part eomplete； The software parts of PIR thermometer are proposed,the module of each pa

9、rt is realized in flow chart； the factors that interfere measures error are carried on analysis， the interference of the sottware and hardware are discussed,and did some antiinterference measures； The main research conclusion is summarized,the prospect of further research of PIR thermometer is propo

10、sed Keywords:PIR,Infrared thermometer,ARM， LPC2132 第一章绪论 1 1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

11、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

12、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 1 2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，

13、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 1 ，它出现在上世纪初，直到现在仍在高温 (800以上使用 )测量领域被使用 2 。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

14、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 3 。 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 4 。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

15、光电高温计 5 。与此同时，辐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 6 ，测温范围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7 ；在工业生产中，可利用红外测温仪对运行着的带电设备，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 1 33红外测温

16、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

17、，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 IRT-1200D型、 IRT-3060D型、 IRT-3000A型、 IRT-400G型、 HCW-VA型、 DHS-200型、 WFHX330型 (光学瞄准，测温

18、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 -50 -6000 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。 1 4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

19、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

20、：完成了 LPC2132的初始化、中断处理单元、电机控制、 A D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 2 1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 8 ，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强 9 黑体的光谱辐射 出射度有普朗克公式确定，即： M =

21、1c 5 (exp( 2c / T )-1 1 (2-1) 黑体辐射出射度由斯蒂芬 -玻尔兹曼定律确定，即 M =0 M d = 4T (2-2) 其中 1c =3.7418 1016 W m2 , 称为第一出射度 2c =1.4388 102 m K,称为第二出射度 =5.6697 108 W 2m 4K ,称为斯蒂芬 玻尔兹曼常数 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 M = 4T ， 表示物体的辐射出射度 （ 2-3） 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= 4KT ， （ 2-4

22、） 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。 2 2 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 6 106 的温度变化值 10 。但由于种种条件的限制，以及无法克服来源不明的准直流 噪声干扰 11 ，一直未能成功地把该技术用于非接触式测温 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 12 。利用热释电效应制成的热探测器件，与其他种类探测器相

23、比，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 1 0 01S范围内，而热释电器件的有效时问常数可低至 104 3 105 s； (2)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 2-1为典型的热释电传感器结构 、 图 2-1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

24、中，热释电系数最大的为 铁电晶体材料 13 ，因此，我们 常见的传感器基本都是利用铁电晶体材料做成 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

25、。从工作波长来分，有： =1 20um,适用于温度检测 =4.35 0.15um，适用于火焰检测 =7 17um，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 2 。只能接受到红外辐射能的一小部分，所以它只能检测到变化的温度，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

26、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 KU ( 1 4T - 2 40T ) (2-5) 其中： 1 表示被测目标辐射率 2 表示调制盘的辐射率。 变成一个交流电压信号供信号处理电路进行处理。 2 3 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

27、计。 2 3 1 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 rM =0 M d = 4T ， 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= pT （ ） 41 （ 2-6） 由它引起的真实温度误差为 TT=-4

28、1 （ 2-7） 式中： pT -黑体的温度； T -真实温度； -总发射率误差； 2 3 2亮度测温法 亮度测 温法的理论基础是普朗克定律，即 ST1 -T1 =2c ),(1T （ 2-8） 其中： ),( T 实际物体温度为 T 时，在波长 下的光谱发射率； T -实际物体的真实温度； sT -实际物体的亮度温度； 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

29、。 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 3 1 2 ARM7DMI 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 Str

30、ongARM、 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 EmbededICE JTAG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。 3 2

31、LPC2132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 32 16位 ARM7TDMI-s，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

32、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 17 LPC2132的主要特性有： 16， 32位 ARM7TDMI-S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 (ISP IAP)： EmbeddedlCE RT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 A D转换器，共提供 16路模拟输入，每个通道的转换时间低至 2 44us； 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 I2 C总线 (400 kbit s)、 SPI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 )。