基于單片機(jī)的光纖高溫計(jì)的研究與設(shè)計(jì)

1 引言

高溫區(qū)（800-2000K）的精確測(cè)量已成為科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的重要課題。目前主要測(cè)量方法有接觸式的熱電偶溫度計(jì)和非接觸式的輻射溫度計(jì)。與熱電偶溫度計(jì)和輻射式溫度計(jì)相比，光纖高溫計(jì)不僅提高了接觸法測(cè)溫的測(cè)量上限，延長(zhǎng)了使用壽命，而且避免了輻射式測(cè)溫的較大誤差[1]，提高了測(cè)量精度。藍(lán)寶石（單晶氧化鋁）光纖具有高達(dá)2050℃的熔點(diǎn)，采用藍(lán)寶石光纖制作高溫傳感器，利用單片機(jī)控制進(jìn)行比色測(cè)溫，同時(shí)，由通信系統(tǒng)將測(cè)量結(jié)果傳到控制網(wǎng)絡(luò)，基本可以滿足高溫測(cè)量的需求。

2 藍(lán)寶石光纖高溫計(jì)測(cè)溫原理

藍(lán)寶石光纖高溫計(jì)是以黑體輻射理論為基礎(chǔ)的溫度傳感器。傳感器探頭是在單晶藍(lán)寶石光纖的一端制作封閉的圓柱形黑體腔，當(dāng)黑體腔被置入待測(cè)溫場(chǎng)后，腔體與外界溫場(chǎng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，并發(fā)出黑體輻射信號(hào)，根據(jù)普朗克定律，藍(lán)寶石光纖黑體腔置于溫度為 的區(qū)域時(shí)，其單色輻射能通量為

只要求出兩路光強(qiáng)比值，就可計(jì)算出被測(cè)物體的溫度。

3 藍(lán)寶石光纖高溫計(jì)的設(shè)計(jì)

藍(lán)寶石光纖測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由藍(lán)寶石光纖黑體腔、傳光光纖、光纖耦合器、波分復(fù)用器、光電探測(cè)器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換裝置、單片機(jī)、輸出設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口等組成。傳感器是在藍(lán)寶石光纖上制作的耐高溫黑體腔，黑體腔發(fā)出的光信號(hào)由藍(lán)寶石光纖耦合到傳光的石英光纖，然后經(jīng)波分復(fù)用器分成兩路不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，分別通過探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)再經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行比色法的數(shù)據(jù)處理，最后由顯示器輸出測(cè)量結(jié)果。高溫計(jì)可通過現(xiàn)場(chǎng)總線接口接入控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信功能。

圖1 藍(lán)寶石測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 光纖高溫探頭的結(jié)構(gòu)分析

探頭是高溫計(jì)的關(guān)鍵部分，探頭的性能決定了高溫計(jì)測(cè)溫的上限、精度、重復(fù)性和穩(wěn)定性。由于探頭直接接觸高溫環(huán)境，所以對(duì)它的性能要求非常高。理想的高溫探頭應(yīng)具備熱輻射能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、體積小等特點(diǎn)。因?yàn)楹隗w能夠吸收全部入射輻射能并能完全發(fā)射出去，所以用燒結(jié)法在藍(lán)寶石光纖一端形成一層氧化鋯鍍層，包圍藍(lán)寶石光纖形成一個(gè)圓柱腔，選擇合適的參數(shù)，可以使這個(gè)腔的輻射特性接近理想黑體的輻射特性，這樣形成的圓柱型黑體腔就是藍(lán)寶石光纖高溫探頭。當(dāng)黑體腔長(zhǎng)度與直徑之比為10時(shí)，其發(fā)射率大于0.99，探頭黑體腔十分接近理想黑體。同時(shí)，在較寬的溫度范圍內(nèi)，數(shù)值變化極小，即黑體腔具有穩(wěn)定的熱輻射。如果取更大的長(zhǎng)度值，不但輻射強(qiáng)度不能增加，而且，黑體腔不再是等溫腔，熱容量增大造成測(cè)量靈敏度下降，空間分辨率降低。所以，若藍(lán)寶石光纖直徑為 0.7mm，探頭鍍膜的長(zhǎng)度為7mm。黑體腔的厚度要盡可能薄以提高它的熱響應(yīng)頻率。

5 波分復(fù)用器

石英光纖傳出的光信號(hào)要進(jìn)行分束，選取兩個(gè)不同波長(zhǎng)的輻射光波進(jìn)行比色法測(cè)溫，通常用分光鏡和干涉濾光片進(jìn)行分光。由于插入損耗非常大，使光纖中本來就不強(qiáng)的信號(hào)更加微弱，檢測(cè)十分困難。另外，干涉濾光片和分光棱鏡的體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低，與光纖不兼容。采用全光纖波分復(fù)用器，入射光波中不同波長(zhǎng)的光波分別進(jìn)入不同的傳輸光纖，只用一個(gè)器件就同時(shí)完成了光波的分束和濾波，減少了濾波損耗，提高了信噪比，在確保測(cè)量精度的同時(shí)，還降低了光電測(cè)量單元的成本。

全光纖波分復(fù)用器是一種對(duì)光波波長(zhǎng)進(jìn)行分離或合成的光無源器件，主要采用熔融拉錐法[2]制作，熔錐型全光纖波分復(fù)用器的原理是：器件在過耦合狀態(tài)下耦合比隨波長(zhǎng)而變，其耦合機(jī)理是強(qiáng)耦合理論。熔錐型器件中，拉錐的效果是使兩光纖纖芯靠近，使傳播場(chǎng)向外擴(kuò)展，以便在相當(dāng)短的錐體頸部區(qū)域出現(xiàn)有效的功率耦合。因?yàn)槠骷鸟詈隙扰c熔區(qū)的波導(dǎo)條件有關(guān)，所以是波長(zhǎng)的函數(shù)，當(dāng)器件處于過耦合狀態(tài)時(shí)，器件的輸出特性與波長(zhǎng)的依賴關(guān)系逐漸增強(qiáng)，以至形成振蕩。于是這種過耦合狀態(tài)下的熔錐耦合器就具有波分復(fù)用的功能。

在光纖通訊中，為了信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，選用了傳輸損耗小的單模光纖，通信中已有的采用單模光纖制備的波分復(fù)用器，雖然也可以避免干涉濾光片引起的插入損耗，但單模光纖的數(shù)值孔徑極小，只能接收到微弱的信號(hào)，同樣難以檢測(cè)，因此單模光纖波分復(fù)用分路器不適宜用于高溫傳感器中。在光纖傳感中，為了增加傳輸?shù)男畔⒘?，?yīng)選用頻帶寬、數(shù)值孔徑大的多模光纖制備的波分復(fù)用分路器。

6 顯示與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)首先要經(jīng)過放大處理，再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)接收A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)，并計(jì)算兩路信號(hào)強(qiáng)度的比值。由于在光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，信號(hào)強(qiáng)度比值與溫度之間為非線性關(guān)系，所以先要根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算比值與溫度的對(duì)應(yīng)值，列表存入存儲(chǔ)器內(nèi)，實(shí)際測(cè)量時(shí)根據(jù)計(jì)算出的比值進(jìn)行查表，就可以得到相應(yīng)的溫度。顯示器輸出測(cè)量溫度，現(xiàn)場(chǎng)總線接口設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)測(cè)溫儀表與控制網(wǎng)絡(luò)的通信。

圖2為顯示與通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖2顯示與通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

單片機(jī)是信號(hào)處理的核心，完成控制、計(jì)算、查表、輸出和通信等功能。ATMEL公司的AT89C55具有256字節(jié)RAM，32線I/O，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，6向量?jī)杉?jí)中斷，一個(gè)全雙工串行口。支持軟件選擇的兩種節(jié)電運(yùn)行方式，空閑方式下，使CPU停止工作，而允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式下，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被凍結(jié)，一切功能停止，只有片內(nèi)RAM的內(nèi)容被保存，直到硬件復(fù)位才恢復(fù)正常工作，以最大的程度降低單片機(jī)本身的功耗。此外，AT89C55設(shè)有靜態(tài)邏輯，用于運(yùn)行到零頻率。片內(nèi)集成的20K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器空間，使用戶無須再進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。由單片機(jī)計(jì)算并查表得到的溫度值存放在RAM顯示緩沖區(qū)，由LED顯示器輸出。

現(xiàn)場(chǎng)總線是一種全數(shù)字的雙向多站點(diǎn)通信系統(tǒng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖隙季哂衅降鹊牡匚唬皇锹毮懿煌?。?zhí)行測(cè)控任務(wù)的節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)和所執(zhí)行的操作等信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)向網(wǎng)上發(fā)送，執(zhí)行管理任務(wù)的節(jié)點(diǎn)以數(shù)字形式向網(wǎng)上發(fā)送命令?，F(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品主要有 LONWORKS，CAN，PROFIBUS，HART，F(xiàn)F等。其中CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于其通信速率高，可靠性好，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，特別適用于工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連。

CAN是一種多主總線，采用OSI底層的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。雖然通信協(xié)議比較復(fù)雜，但在開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)可以將繁雜的協(xié)議撇開，因?yàn)閷Ｓ玫腃AN控制器芯片能夠完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能，現(xiàn)場(chǎng)儀表只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和編程，完成數(shù)據(jù)傳送和處理工作即可。

Philips公司的SJA1000是適用于控制器局域網(wǎng)的高集成度獨(dú)立控制器，具有完成CAN總線通信協(xié)議所要求的全部必要特性，可以完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。SJA1000內(nèi)部配備42B的寄存器，使用了32個(gè)地址。這些地址可分為控制段、發(fā)送緩沖段和接收緩沖段。單片機(jī)與 SJA1000之間的狀態(tài)、控制和命令信號(hào)的交換在控制段中完成。單片機(jī)在初始化時(shí)將SJA1000設(shè)置為復(fù)位模式，通過對(duì)控制段編程以配置通信參數(shù)。在運(yùn)行期間，單片機(jī)通過讀狀態(tài)寄存器了解網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

SJA1000由單片機(jī)通過8位地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線和基本讀寫控制信號(hào)進(jìn)行控制。SJA1000的中斷請(qǐng)求信號(hào)INT連至單片機(jī)的外部中斷輸入端，CAN控制器可通過中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。圖3為采用SJA1000的CAN總線接口。

圖3 CAN總線接口電路圖

SJA1000的發(fā)送輸出端TX0與接收輸入端RX0、RX1分別經(jīng)高速集成光電耦合器6N137隔離后與CAN總線接口驅(qū)動(dòng)芯片82C250相連，82C250直接與物理總線相連。82C250是CAN控制器和物理總線之間的接口，可驅(qū)動(dòng)110個(gè)同樣采用82C250作為總線接口的節(jié)點(diǎn)。普通光電耦合器中的光敏三極管不能達(dá)到1MB/s的響應(yīng)速度，因此，必須采用高速光電耦合器6N137進(jìn)行光電隔離。6N137中采用了光敏二極管和門電路，可以滿足高速數(shù)字信號(hào)的傳輸。6N137的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了CAN總線與節(jié)點(diǎn)弱電智能部分間的隔離，有助于提高節(jié)點(diǎn)裝置的安全性和可靠性。

7 主程序設(shè)計(jì)

主程序?qū)ο到y(tǒng)的運(yùn)行起著調(diào)動(dòng)和監(jiān)控的作用，主要功能為啟動(dòng)兩路A/D轉(zhuǎn)換、讀取兩路電壓數(shù)據(jù)、計(jì)算比值、查表求溫度值、送LED顯示、與CAN總線通信等。