一種光纖比色測(cè)溫儀設(shè)計(jì)方案

摘要：介紹一種基于DSP和MCU雙處理器的內(nèi)調(diào)制光纖比色測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)原理。測(cè)溫儀以AT89C55和TMS320F206為核心，對(duì)內(nèi)調(diào)制光電探測(cè)器進(jìn)行線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，并加入比輻射率的修正。本系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境溫度變化大、周圍環(huán)境惡劣的高溫物體進(jìn)行高精度的溫度測(cè)量。

　　溫度測(cè)量直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，關(guān)系到生產(chǎn)成本。熔融狀態(tài)下，鋼、鐵溫度在1200℃以上，主要測(cè)量方法有接觸式的金屬熱電偶溫度計(jì)和非接觸式的輻射溫度計(jì)。

　　筆者對(duì)利用內(nèi)調(diào)制探測(cè)器進(jìn)行高溫測(cè)量開展了多年的應(yīng)用研究，并研制出了基于單片機(jī)的光纖比色溫度儀;

　　基本上能完成溫度測(cè)量的功能。從武鋼連鑄、濟(jì)鋼轉(zhuǎn)爐等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的使用情況看，儀器還可以進(jìn)一步改進(jìn)。由于單片機(jī)先天數(shù)據(jù)處理能力不足，當(dāng)要建立較為完善的處理模型，例如進(jìn)行線性補(bǔ)償及溫度補(bǔ)償;

　　發(fā)射系數(shù)修正、甚至進(jìn)行四比色測(cè)溫時(shí)，面對(duì)大量的數(shù)據(jù)要進(jìn)行復(fù)雜快速的處理，單片機(jī)已不可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)溫。引入DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，強(qiáng)有力地提升了測(cè)溫儀的功能。采用主從式雙處理器結(jié)構(gòu)能較好地解決這些問題，并且還具有進(jìn)一步開發(fā)的潛力。

　　1 系統(tǒng)測(cè)溫原理

　　從經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)看，任何黑體都會(huì)向外輻射能量，其輻射出度與溫度及波長(zhǎng)有關(guān)，具體有普郎克定律和維恩定律描述。而物體的比色溫度簡(jiǎn)稱色溫是指如果黑體與實(shí)際物體在某一光譜區(qū)內(nèi)的兩個(gè)波長(zhǎng)下的單色亮度之比相等，則黑體的溫度為實(shí)際物體的顏色溫度。

　　根據(jù)比色測(cè)溫原理，假設(shè)兩路不同波長(zhǎng)輻射轉(zhuǎn)換后的光電流分別為I1和I2，T為待求溫度，則可以寫出：

　　I1=Mλ1D1? (1)?

　　I2=Mλ2D2 ?(2)

　　式中，M是單色輻射出度，由維恩近似公式得到

　　?

　　由此可以得到：

　　D1和D2分別為兩路系統(tǒng)的系數(shù)，C1和C2分別為普朗克第一、第二輻射常數(shù)。當(dāng)λ1和λ2兩單色波長(zhǎng)接近時(shí)，求出兩路光強(qiáng)比值，即可以計(jì)算出被測(cè)物體的溫度T。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)的信號(hào)處理總體流程

　　測(cè)溫儀系統(tǒng)主要由內(nèi)調(diào)制光電探測(cè)器、前置模擬處理部分和以單片機(jī)、DSP為核心的雙處理器控制及處理部分構(gòu)成。

　　內(nèi)調(diào)制光敏探測(cè)器輸出的微弱電信號(hào)由前置模擬電路處理，得到與光強(qiáng)成正比的電壓信號(hào);兩路光電信號(hào)由兩個(gè)獨(dú)立的16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX195同步采集，同時(shí)數(shù)字溫度傳感器DS18B20得到環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)傳遞給DSP;DSP再根據(jù)事先設(shè)定的修正模式及參數(shù)經(jīng)過運(yùn)算處理后，得到被測(cè)溫度數(shù)據(jù)，反饋給單片機(jī);由單片機(jī)根據(jù)用戶的操作將溫度數(shù)據(jù)輸出到LED、微型打印機(jī)、上傳給微機(jī)或者通過D/A轉(zhuǎn)換以電流形式輸出給監(jiān)控儀表。

　　2.2 測(cè)溫儀硬件結(jié)構(gòu)

　　測(cè)溫儀硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)軟件由兩部分組成：作為主機(jī)的單片機(jī)MCU部分主要完成系統(tǒng)的外部接口、控制功能;作為從機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理器則通過主機(jī)傳送來的各種數(shù)據(jù)通過一系列修正模型計(jì)算出溫度，然后將結(jié)果返回給主機(jī)。

　　這樣將原本由單片機(jī)處理需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)學(xué)模型計(jì)算交給DSP，讓MCU和DSP各取所長(zhǎng)，使得整個(gè)系統(tǒng)計(jì)算溫度的速度大大提高，提高了測(cè)溫儀的實(shí)時(shí)響應(yīng)特性。

　　2.2.1 單片機(jī)MCU部分

　　單片機(jī)主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集和人機(jī)接口。主要包括A/D采集和轉(zhuǎn)換模塊、與數(shù)字溫度傳感器DS18B20的接口模塊、顯示模塊以及鍵盤輸入處理模塊。

　　由于光敏管具有非線性特性，此外還受環(huán)境溫度的影響，因此，為提高測(cè)量精度，不僅要對(duì)其非線性進(jìn)行校正，還要對(duì)其溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，這就導(dǎo)致其數(shù)字信號(hào)修正表是二維的。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)調(diào)制光敏管的輸出特性隨溫度變化的漂移相對(duì)其非線性較小，故先校正非線性特性，再對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。