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赵春利基于单片机的电缆红外测温系统设计

发布时间:2020-02-19 08:40:36 阅读: 来源:造雪机厂家

【硅谷网11月24日文】据《科技与生活》杂志2012年第17期刊文称,电缆温度故障对电力运营具有重要意义,红外测温方法是一种非接触测量,它测量精度高、可靠性好而被广泛应用。传统的接触式测温模式在电缆故障探测中受到很大限制。为了解决该问题,本文设计了一种基于MSP430单片机控制器的红外测温系统,该方法以单片机为测温系统的控制核心,结合MSP430内置AD转换器、异步串行口UART等外设,在硬件电路和软件程序设计的基础上,设计出了一种非接触式红外测温系统。实验结果表明,该测量系统不仅稳定性好,而且测量精度有很大的提高。

自然界中一切温度高于绝对零度的物体,都会不停地向周围发射红外辐射能量,因此,红外测温技术在医学[1]、产品质量控制和监测、设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用[2]。传统测温法难以解决很小或无法接触到物体的测温,而红外测温法不仅可以解决该问题[3],且可用于测量高温、有腐蚀性、高压带电物体的温度,并且其测量速度快、范围宽,对被测温度场无干扰,因此在高压电力设备温度的在线监测领域中得到越来越广泛的应用。

1红外测温原理

由于分子的热运动,自然界中温度高于绝对零度的物体都在向周围空间辐射红外辐射能量,其辐射能量密度不仅与物体本身的温度T有关,而且还受物体周围的环境温度T0的影响。其关系符合以下辐射定律[2]:

E=εδ(T4-T04)(1)

式中:E为辐射出射度,单位为W/m3;δ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,5.67×10-8W/(m2•K4);ε为物体的辐射率,绝对黑体ε=1.0,非绝对0<ε<1.0;T为物体的温度、T0为物体周围的环境温度,单位为K。

红外测温是利用测量物体所辐射出来的辐射能量来测量物体温度,它的理论依据是斯蒂芬-玻尔兹曼定律:物体的温度越高,它所辐射出来的能量越多。利用红外测温传感器测量出物体所发射的能量E,就可利用式(1)计算出物体温度T。

2系统总体结构及电路设计

2.1整体电路设计

本文采用红外测温传感器TPS334L55为本系统的红外测温部分,该部分信号经信号调理电路后,由单片机MSP430为核心处理器处理,并上传给上位机PC,从而实现智能化的温度测量。系统硬件组成主要有:红外测温传感器、信号调理电路(包括放大电路、A/D转换电路)、单片机MSP430、PC与单片机通信部分。其中软件部分包括:A/D转换、数字滤波、单片机控制采集以及上位机显示等程序。

2.2系统总体设计框图

信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。本设计主要是通过红外温度传感器感测温度信号,采用信号调理电路对传感器信号实现信号放大和转换,再利用内置A/D转换器的单片机MSP430实现数据采集,最后通过单片机与上位机进行连接,把温度测量值传给计算机保存。结构框图如图1所示:

图1系统总体框架图

3系统的硬件电路设计

3.1红外测温传感器工作原理

本文采用的红外测温传感器为TPS334L55,其工作原理为TPS334L55传感器通过内部红外吸收器接收的被测物体的红外辐射信号,再将辐射信号转换为电压信号测量温度。红外温度传感器输出电压U的函数关系如下表示[5]:

U=K•(εoT4-εsT04)(2)

式中:K为经验因子,εo为被测物体的辐射率,εs为传感器本身的辐射率,T为物体的温度,T0为传感器本身的温度。

红外测温节点电路设计:

本测温节点以MSP430F2618为微控制器,利用红外测温传感器接收物体发射的红外线并使之转换成电压信号,实现温度数据的采集与传输。红外测温传感器TPS334L55可输出被测物体温度和传感器温度信号;选用低噪声运算放大器OPA2735进行传感器信号的调理电路设计[5];微控制器MSP430F2618利用内置AD完成数据的采集与转换,并控制温度数据的处理与显示,该测温节点硬件电路如图2所示。

图2测温节点硬件电路图

无源红外测温传感器输出电压只有mV级,设计中采用低零漂移运算放大器OPA2735实现共模噪声的抑制与小信号放大。采用单片机MSP430内置的AD进行A/D转换,并进行相关处理后通过串口上传给上位机PC。

3.2数据传送接口电路的设计

单片机接收传感器采集的温度信号并处理后,还需与上位机进行通信,设计中采用RS-232芯片,处理数据由MAX232传送到RS232接口,然后由其传输到计算机,再对其进行分析处理。RS-232是用正负电压来表示逻辑状态,因此,为了能够同计算机接口或终端TTL器件连接,须在RS-232与TTL电路间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件,也可用集成电路芯片。目前较广泛地使用集成电路转换器件,设计中采用MAX232。电路如图3所示。

图3数据接口电路图

4系统软件设计

本系统软件设计部分主要包括:红外测温传感器温度数据的采集处理和数据的上传显示两部分,代码采用C51语言在keil编程环境下完成。软件设计主流程如图4所示。

图4系统软件设计流程图

系统主程序首先进行初始化,然后判断是否有测温按键按下,如果有,则启动A/D转换器采集温度数据;否则,等待按键。最后将采集的温度数据计算处理后,通过调用串口收发程序,显示温度值。

5结论

本设计针对电缆温度故障探测,利用MSP430单片机内置AD转换器与数据处理能力,完成了温度红外测温传感器与采集数据的处理设计。整个测温系统的结构设计简单,不仅减少了硬件开销,而且在该设计系统的基础上扩展其他模块,即可设计出一个功能更强大的测温系统。如增加外部存储器来存储测量时间和温度数据,扩展液晶显示模块来动态实时显示被测物体的温度值。

(责任编辑:硅谷网·)

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