海表溫度信息采集器運行原理探究

朱倪瑤　趙奎

摘 要：海溫信息采集器是一種以單片機為核心，結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換、北斗衛(wèi)星等外部設(shè)備，在硬件和軟件設(shè)備的基礎(chǔ)上設(shè)計出的智能測溫儀。這種儀器開啟了一種新型的海溫測量方案，即通過紅外溫度傳感器來獲取海溫信息，將測量的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過放大器、轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)絾纹瑱C進行處理，最后得出所需要的數(shù)據(jù)信息。

關(guān)鍵詞：海溫信息采集；紅外測溫；單片機；采集器

1 概述

海溫信息采集器是現(xiàn)今普遍采用的測量海溫的智能測溫儀，主要采用紅外線測溫技術(shù)。自1800年威廉·赫胥爾嘗試著用棱鏡和溫度計對太陽光譜開展實驗后，發(fā)現(xiàn)了紅外線以來，這種技術(shù)就成了一種重要的測溫手段，并有了高速的發(fā)展。同時，紅外測溫技術(shù)在生產(chǎn)過程、能源的節(jié)約、產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)測、設(shè)備的在線故障診斷和安全保護等方面都發(fā)揮了很大的作用，尤其是對運動目標的測溫或無法接觸表面的測溫，有著其他測溫技術(shù)所無法比擬的優(yōu)勢。

2 海溫采集模塊硬件設(shè)計

2.1 海表溫度采集器所具有的性能指標

EVEREST INTERSCIENCE的4000L SERIES紅外傳感器是常用的海溫采集器，它測量溫度的精度為±0.5℃，其模擬電壓輸出特性為10mv/1℃（這意味著把測量溫度的分辨率至少設(shè)為5mv，才能基本滿足測溫精度±0.5℃的要求）。所謂海表氣溫，其溫度范圍不會超過-20℃～+60℃，也就是量程不會超過80℃，而對應輸出電壓范圍應為-200mv～600mv，總量程為800mv；如果采用10位A/D采樣，分辨率可小于1mv，此時，明顯小于5mv，然而并不會因采樣位數(shù)不足、引入新的誤差而降低海表溫度的測量精度。為了進一步提高精度，海表溫度限制在-15℃～45℃范圍內(nèi)，此時，總的測量范圍為600mv；若用10位A/D采樣，分辨率就可進一步提高，此時每一位代表0.6mv，相當于0.06℃。

2.2 海表溫度采集器硬件工作流程及電路總體設(shè)計

2.2.1 硬件工作流程

海表溫度采集器由紅外傳感器、AD采集電路、電源和通信模塊四個模塊組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1表明：紅外傳感器吸收從海表發(fā)射出的紅外射線，經(jīng)過處理后，以電壓的方式輸出紅外傳感器所探測到的海表的溫度；然后通過采集電路對傳感器輸出的電壓進行AD轉(zhuǎn)換，將電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度值，保存在通信存儲器中；最后，經(jīng)過通信模塊將得到的溫度值傳輸?shù)奖倍穯纹瑱C中。當然，各模塊的正常工作均需電源模塊提供動力。

2.2.2 海溫信息采集器電路總體設(shè)計

單片機STC15W4K61S4型共有8路10位高速AD轉(zhuǎn)換器，用戶可以通過編程，使其速度達到50KHz、75KHz、150KHz和300KHz?？蓪?路中任意一路設(shè)置為AD轉(zhuǎn)換，不需作為AD使用的口可以繼續(xù)作為IO口使用。

（1）為保護單片機的A/D，在A/D輸入端需接入一個雙向限幅器（BAT54S），將輸入電壓嚴格限制在0～5V范圍內(nèi)。因為單片機的A/D范圍是0～5V（電源電壓），而紅外傳感器輸出范圍（僅考慮-15℃～45℃）為-150mv～+450mv。為了適應單片機A/D范圍，需要將紅外輸出的模擬電壓進行放大和電平搬移，放大倍數(shù)選擇8倍，此時，滿量程達到4.8V，接近A/D的滿量程范圍，這樣，可以充分利用A/D的位數(shù)。為適應紅外傳感器的差模輸出方式，放大電路芯片選用了AD8221。同時，當放大倍數(shù)為8倍時，-15℃～45℃對應的電壓輸出范圍為-1.2V～3.6V，因此，需要用一個+1.2V的高精度參考源（MAX6520），將放大后的海表溫度輸出結(jié)果搬移到0V～4.8V，然后再送至A/D。（2）放大電路芯片（AD8221）有一參考電壓輸入端，用于將輸出進行電平搬移。這種新芯片的放大倍數(shù)為8時，對應的放大電阻為7.0571K，由于該電阻為非標準值，且電阻精度一般不高，因此，用一個6.8K的電阻串接一個500歐姆的多圈電位器替代，在電路調(diào)試中通過調(diào)節(jié)該多圈電位器（250歐姆左右），使電阻值精確到計算值。

2.2.3 海表溫度采集器硬件功能

海表溫度測量主電路包括基準電壓采樣、紅外傳感器輸出電壓采樣、數(shù)據(jù)傳輸和程序燒寫四大功能。（1）為保證單片機的正常運行，單片機工作電壓為+5V，然而，基準電壓卻是+2.5V，它是電壓+5V經(jīng)過MAX6043芯片轉(zhuǎn)換而來的，因此，單片機對此電壓采樣轉(zhuǎn)換的功能，就是基準電壓采樣功能。（2）+1.2V參考源MAX6043芯片的功能。MAX6043芯片與電容連接示意圖，如圖2所示。

使用MAX6043的優(yōu)點有幾個方面：a.電壓穩(wěn)定度高，可以達到0.06%；b.輸入電壓范圍大，+4.5V

（3）電路芯片AD8221的放大和提升功能。

AD8221放大器芯片的特點是使用方便，增益可調(diào)范圍大，外圍電路簡單，且有很好的溫度特性[5]。其功能就是將紅外傳感器輸出的雙極電壓放大，結(jié)合引進的參考電壓值，提供給AD轉(zhuǎn)換器。該芯片引腳分布圖如圖3所示。

從圖3中可以看出：2腳和3腳之間連接的電阻值可以調(diào)節(jié)放大器，使其放大增益；6腳連接的是提高電壓值所需的參考電壓；5腳和8腳則是放大器所需的工作電壓。由此，AD8221芯片和部分外圍器件正確連接才能實現(xiàn)放大功能，具體連接方式如圖4所示。

式中：+IN：輸入的正電壓；-IN：輸入的負電壓；G：放大器放大增益； Vout：輸出電壓；REF：外部提供的參考電壓。

從公式中看出，輸出電壓的大小是由輸入電壓的大小來確定（在放大倍數(shù)和參考電壓值確定后）。由AD8221內(nèi)部電路圖可知：如果需要放大的電壓是單極輸入的，則將-IN引腳接地即可。AD8221芯片其實就是一類增益可調(diào)的放大器，芯片的2.3引腳之間連接固定阻值電阻，用來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。本設(shè)計將要放大的增益是8，計算出所要加入電路中的電阻值為RG=7.05K，但它不是標稱電阻，因此選用6.8k電阻來和500歐精密可調(diào)電位器串聯(lián)。當然，增益的大小可由下面公式計算而得：

AD8221芯片若想穩(wěn)定工作，就需要有穩(wěn)定的雙極輸入電壓，理想工作電壓為±10V，所以選擇的電壓越接近理想電壓值，所得到的電壓輸出的穩(wěn)定更高，在此選用±12V，此電壓是由DC-DC電源模塊NSEND的SD05-12D12提供。

（4）參考電源MAX6520芯片設(shè)計電路圖如圖6所示。

該芯片封裝SOT-23，溫度系數(shù)高50ppm/℃，輸入電壓范圍為2.4V-11V，±1%輸出穩(wěn)定度。

（5）限幅器BAT54S芯片是過壓保護電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

根據(jù)圖7所示，如果引腳電壓超過+5V，就會和放大器輸出端引腳形成分壓電路，保證引腳電壓在正常的工作范圍內(nèi)，達到保護單片機的目的。由于AD8221的電壓放大倍數(shù)較大，如果操作失誤或測試輸入電壓過高，輸出電壓很可能超過單片機的工作電壓+5V，那么在此引腳就會形成電流倒灌現(xiàn)象，這種現(xiàn)象危險性大，既縮短單片機的使用壽命，又可能長時間損害，導致整個電路板不能繼續(xù)使用。

2.3 單片機電路缺陷及處理技術(shù)

STC15W4K61S4單片機A/D的內(nèi)容電路有一個缺陷：沒有參考電源。給單片機供電的通常都是LM 7805類線性電源芯片，其輸出精度不高。如電壓4.9V，盡管可以支持單片機的數(shù)字電路工作，但作為A/D的參考電源，有100mv的誤差。因此，這個問題，必須修正變換結(jié)果。

技術(shù)處理辦法：理想狀況下，單片機電源電壓為5V，采集該值得結(jié)果應該為TFFH；如果現(xiàn)在電源電壓不是5V，而是有誤差，那么在單片機另一端輸入一個高精度參考電源，如2.5V，可以解算出電源電壓的真實值，再根據(jù)真實的電源電壓值和另一路A/D采集的溫度結(jié)果，解算出真實的溫度結(jié)果。

3 海表溫度采集模塊軟件設(shè)計

3.1 電壓分辨率計算

海表溫度采集器輸入系統(tǒng)的海溫數(shù)據(jù)是以10mV/℃的模擬電壓數(shù)據(jù)，要想得到與此電壓相對應的海溫數(shù)據(jù)，就需對輸入的電壓進行AD轉(zhuǎn)換。由于使用的是單片機內(nèi)部采樣，AD數(shù)據(jù)存儲使用的寄存器是保存高8位的寄存器和低2位的寄存器，所以，為了保證采樣的精確率，在設(shè)計的過程增加了一路參考電壓+2.5V作為參考源，把單片機的工作電壓分成以210為量階的數(shù)字值保存在寄存器中。例如，單片機工作電壓為+5V，那么每一個量階的電壓值（電壓分辨率△）的計算方法是：

3.2 STC15W4K61S4單片機電壓采樣值測算

單片機電壓采樣設(shè)計中，選擇了其中兩路A/D轉(zhuǎn)換口進行使用，它們是P1.6和P1.7。P1.6引腳連接的是參考電壓V1=+2.5V，P1.7引腳連接的是采樣電壓V2未知。此時設(shè)單片機的工作電壓為V，則V1的采樣值是：

由這一算式可知，C1和C2值在單片機AD轉(zhuǎn)換器中可以直接讀取出來，因此就可以算出V2的電壓值。

此時得到的V2值是經(jīng)過放大和搬移后的電壓值，而紅外傳感器輸出的模擬電壓經(jīng)過8倍的放大，提高+1.2V以后，才得到現(xiàn)在的V2。因此，實際溫度值T由下面的公式計算得出：

值得注意的是，為了使得傳輸數(shù)據(jù)不出現(xiàn)負數(shù)，這里不進行搬移，協(xié)議約定輸出電壓為真實值加上15°。

3.3 海溫采集器紅外數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計流程圖如圖8所示。

如圖8所示，初始化ADC過程必須保證通道選擇ch值為6，即選擇第7通道開始采樣，待完成后，再讓ch++，進入第8通道，然后設(shè)定單片機的采樣速度。此時的采樣速度總共有四種，速度由SPEED1和SPEED0兩位共同決定。具體設(shè)置如表1所示。

依據(jù)表1所示，M值表示采樣周期數(shù)，在這里，定義為P1.6和P1.7各采樣一次，所需要的時間稱為一個采樣周期。為了減少由于電壓的小范圍跳動而引進的誤差，在軟件設(shè)計中采用多次采樣取平均值的辦法，當然此時的采樣次數(shù)越大越好。但是系統(tǒng)要求的發(fā)送頻率是1分鐘/次，考慮到存取比較大的數(shù)值并進行乘除運算必然會影響單片機的運行效率，所以設(shè)計中選擇的采樣最大次數(shù)N=400。當采樣次數(shù)超過或等于N值時，單片機就會計算出這一段時間的溫度均值ET，然后等待發(fā)送信號到來。如果兩次采集次數(shù)超過N值，還沒有等到發(fā)送信號，則新的均值ET就會覆蓋掉原來的均值，保證溫度值是最近一次采樣值。

3.4 AD數(shù)據(jù)采集存儲處理方式

STC15W4K61S4單片機某一通道每次AD轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字值存儲在兩個BYTE型變量的寄存器ADC_RES和ADC_LOW2中，其中ADC_RES保存的是采樣值的高8位數(shù)據(jù)，ADC_LOW2保存的是采樣值的低2位數(shù)據(jù)。所以想得到每次AD轉(zhuǎn)換后的得到的結(jié)果是WORD型變量VALUE，必須將兩個數(shù)值進行處理，處理的方式如圖9所示。

從存儲結(jié)構(gòu)圖中可以看出，數(shù)據(jù)處理的方法是，首先將ADC_RES存儲器的值賦值給VALUE，由于存儲規(guī)則是左對齊（即從低位對齊）方式，這時候VALUE值的低8位存儲的數(shù)據(jù)是ADC_RES，高8位等于0，然后將VALUE右移兩位，與ADC_LOW2相“與”，此時VALUE的值就是一次采集到的AD值。最后根據(jù)求均值的方法對多次采樣值進行平均，將得到的均值傳輸?shù)奖倍酚脩魴C單片機中作為海溫的值。

4 結(jié)束語

海表溫度采集器使用紅外測溫技術(shù)，打破了傳統(tǒng)的測溫模式，具有反應快、測量精度高、可靠性高、范圍測量廣以及人為非接觸性測量不易破壞的特點。近年來，隨著科學技術(shù)的提高，我國的紅外技術(shù)快速發(fā)展，紅外產(chǎn)品在中國市場上占有相當?shù)膬?yōu)勢，紅外測溫儀的應用將越來越廣泛，具備廣闊的市場前景和巨大的經(jīng)濟效益。

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