海表溫度信息采集器運(yùn)行原理探究

海表溫度信息采集器運(yùn)行原理探究海溫信息采集器是一種以單片機(jī)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(jì)出的智能測(cè)溫儀。這種儀器開(kāi)啟了一種新型的海溫測(cè)量方案，即通過(guò)紅外溫度傳感器來(lái)獲取海溫信息，將測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)放大器、轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理，最后得出所需要的數(shù)據(jù)信息。標(biāo)簽：海溫信息采集；紅外測(cè)溫；單片機(jī)；采集器1概述海溫信息采集器是現(xiàn)今普遍采用的測(cè)量海溫的智能測(cè)溫儀，主要采用紅外線測(cè)溫技術(shù)。自1800年威廉·赫胥爾嘗試著用棱鏡和溫度計(jì)對(duì)太陽(yáng)光譜開(kāi)展實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)了紅外線以來(lái)，這種技術(shù)就成了一種重要的測(cè)溫手段，并有了高速的發(fā)展。同時(shí)，紅外測(cè)溫技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程、能源的節(jié)約、產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)測(cè)、設(shè)備的在線故障診斷和安全保護(hù)等方面都發(fā)揮了很大的作用，尤其是對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)溫或無(wú)法接觸表面的測(cè)溫，有著其他測(cè)溫技術(shù)所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。2海溫采集模塊硬件設(shè)計(jì)2.1海表溫度采集器所具有的性能指標(biāo)EVERESTINTERSCIENCE的4000LSERIES紅外傳感器是常用的海溫采集器，它測(cè)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(cè)量溫度的分辨率至少設(shè)為5mv，才能基本滿足測(cè)溫精度±0.5℃的要求）。所謂海表氣溫，其溫度范圍不會(huì)超過(guò)-20℃～+60℃，也就是量程不會(huì)超過(guò)80℃，而對(duì)應(yīng)輸出電壓范圍應(yīng)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(shí)，明顯小于5mv，然而并不會(huì)因采樣位數(shù)不足、引入新的誤差而降低海表溫度的測(cè)量精度。為了進(jìn)一步提高精度，海表溫度限制在-15℃～45℃范圍內(nèi)，此時(shí)，總的測(cè)量范圍為600mv；若用10位A/D采樣，分辨率就可進(jìn)一步提高，此時(shí)每一位代表0.6mv，相當(dāng)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(jì)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(gè)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(guò)處理后，以電壓的方式輸出紅外傳感器所探測(cè)到的海表的溫度；然后通過(guò)采集電路對(duì)傳感器輸出的電壓進(jìn)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(chǔ)器中；最后，經(jīng)過(guò)通信模塊將得到的溫度值傳輸?shù)奖倍穯纹瑱C(jī)中。當(dāng)然，各模塊的正常工作均需電源模塊提供動(dòng)力。2.2.2海溫信息采集器電路總體設(shè)計(jì)單片機(jī)STC15W4K61S4型共有8路10位高速AD轉(zhuǎn)換器，用戶可以通過(guò)編程，使其速度達(dá)到50KHz、75KHz、150KHz和300KHz。可將8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(hù)單片機(jī)的A/D，在A/D輸入端需接入一個(gè)雙向限幅器（BAT54S），將輸入電壓嚴(yán)格限制在0～5V范圍內(nèi)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)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(yīng)單片機(jī)A/D范圍，需要將紅外輸出的模擬電壓進(jìn)行放大和電平搬移，放大倍數(shù)選擇8倍，此時(shí)，滿量程達(dá)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(yīng)紅外傳感器的差模輸出方式，放大電路芯片選用了AD8221。同時(shí)，當(dāng)放大倍數(shù)為8倍時(shí)，-15℃～45℃對(duì)應(yīng)的電壓輸出范圍為-1.2V～3.6V，因此，需要用一個(gè)+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(jìn)行電平搬移。這種新芯片的放大倍數(shù)為8時(shí)，對(duì)應(yīng)的放大電阻為7.0571K，由于該電阻為非標(biāo)準(zhǔn)值，且電阻精度一般不高，因此，用一個(gè)6.8K的電阻串接一個(gè)500歐姆的多圈電位器替代，在電路調(diào)試中通過(guò)調(diào)節(jié)該多圈電位器（250歐姆左右），使電阻值精確到計(jì)算值。2.2.3海表溫度采集器硬件功能海表溫度測(cè)量主電路包括基準(zhǔn)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(xiě)四大功能。（1）為保證單片機(jī)的正常運(yùn)行，單片機(jī)工作電壓為+5V，然而，基準(zhǔn)電壓卻是+2.5V，它是電壓+5V經(jīng)過(guò)MAX6043芯片轉(zhuǎn)換而來(lái)的，因此，單片機(jī)對(duì)此電壓采樣轉(zhuǎn)換的功能，就是基準(zhǔn)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(diǎn)有幾個(gè)方面：a.電壓穩(wěn)定度高，可以達(dá)到0.06%；b.輸入電壓范圍大，+4.5V<Vin<+40V，在主電路設(shè)計(jì)中存在可以直接使用的+5V輸入電壓[4]；c.溫度漂移可以控制在15ppm/℃；d.電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，外圍電路僅需要一個(gè)0.1uF的電容即可。（3）電路芯片AD8221的放大和提升功能。AD8221放大器芯片的特點(diǎn)是使用方便，增益可調(diào)范圍大，外圍電路簡(jiǎn)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(jìn)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(shí)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(fù)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(lái)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(shí)就是一類(lèi)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(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。本設(shè)計(jì)將要放大的增益是8，計(jì)算出所要加入電路中的電阻值為RG=7.05K，但它不是標(biāo)稱(chēng)電阻，因此選用6.8k電阻來(lái)和500歐精密可調(diào)電位器串聯(lián)。當(dāng)然，增益的大小可由下面公式計(jì)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(jì)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(guò)壓保護(hù)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(guò)+5V，就會(huì)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(dá)到保護(hù)單片機(jī)的目的。由于AD8221的電壓放大倍數(shù)較大，如果操作失誤或測(cè)試輸入電壓過(guò)高，輸出電壓很可能超過(guò)單片機(jī)的工作電壓+5V，那么在此引腳就會(huì)形成電流倒灌現(xiàn)象，這種現(xiàn)象危險(xiǎn)性大，既縮短單片機(jī)的使用壽命，又可能長(zhǎng)時(shí)間損害，導(dǎo)致整個(gè)電路板不能繼續(xù)使用。2.3單片機(jī)電路缺陷及處理技術(shù)STC15W4K61S4單片機(jī)A/D的內(nèi)容電路有一個(gè)缺陷：沒(méi)有參考電源。給單片機(jī)供電的通常都是LM7805類(lèi)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(jī)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(gè)問(wèn)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(jī)電源電壓為5V，采集該值得結(jié)果應(yīng)該為T(mén)FFH；如果現(xiàn)在電源電壓不是5V，而是有誤差，那么在單片機(jī)另一端輸入一個(gè)高精度參考電源，如2.5V，可以解算出電源電壓的真實(shí)值，再根據(jù)真實(shí)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(shí)的溫度結(jié)果。3海表溫度采集模塊軟件設(shè)計(jì)3.1電壓分辨率計(jì)算海表溫度采集器輸入系統(tǒng)的海溫?cái)?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(duì)應(yīng)的海溫?cái)?shù)據(jù)，就需對(duì)輸入的電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。由于使用的是單片機(jī)內(nèi)部采樣，AD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)的過(guò)程增加了一路參考電壓+2.5V作為參考源，把單片機(jī)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(jī)工作電壓為+5V，那么每一個(gè)量階的電壓值（電壓分辨率△）的計(jì)算方法是：3.2STC15W4K61S4單片機(jī)電壓采樣值測(cè)算單片機(jī)電壓采樣設(shè)計(jì)中，選擇了其中兩路A/D轉(zhuǎn)換口進(jìn)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(shí)設(shè)單片機(jī)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(jī)AD轉(zhuǎn)換器中可以直接讀取出來(lái)，因此就可以算出V2的電壓值。此時(shí)得到的V2值是經(jīng)過(guò)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(guò)8倍的放大，提高+1.2V以后，才得到現(xiàn)在的V2。因此，實(shí)際溫度值T由下面的公式計(jì)算得出：值得注意的是，為了使得傳輸數(shù)據(jù)不出現(xiàn)負(fù)數(shù)，這里不進(jìn)行搬移，協(xié)議約定輸出電壓為真實(shí)值加上15°。3.3海溫采集器紅外數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。如圖8所示，初始化ADC過(guò)程必須保證通道選擇ch值為6，即選擇第7通道開(kāi)始采樣，待完成后，再讓ch++，進(jìn)入第8通道，然后設(shè)定單片機(jī)的采樣速度。此時(shí)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(shí)間稱(chēng)為一個(gè)采樣周期。為了減少由于電壓的小范圍跳動(dòng)而引進(jìn)的誤差，在軟件設(shè)計(jì)中采用多次采樣取平均值的辦法，當(dāng)然此時(shí)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(jìn)行乘除運(yùn)算必然會(huì)影響單片機(jī)的運(yùn)行效率，所以設(shè)計(jì)中選擇的采樣最大次數(shù)N=400。當(dāng)采樣次數(shù)超過(guò)或等于N值時(shí)，單片機(jī)就會(huì)計(jì)算出這一段時(shí)間的溫度均值ET，然后等待發(fā)送信號(hào)到來(lái)。如果兩次采集次數(shù)超過(guò)N值，還沒(méi)有等到發(fā)送信號(hào)，則新的均值ET就會(huì)覆蓋掉原來(lái)的均值，保證溫度值是最近一次采樣值。3.4AD數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)處理方式STC15W4K61S4單片機(jī)某一通道每次AD轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字值存儲(chǔ)在兩個(gè)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(gè)數(shù)值進(jìn)行處理，處理的方式如圖9所示。從存儲(chǔ)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(chǔ)器的值賦值給VALUE，由于存儲(chǔ)規(guī)則是左對(duì)齊（即從低位對(duì)齊）方式，這時(shí)候VALUE值的低8位存儲(chǔ)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(shí)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(duì)多次采樣值進(jìn)行平均，將得到的均值傳輸?shù)奖倍酚脩魴C(jī)單片機(jī)中作為海溫的值。4結(jié)束語(yǔ)海表溫度采集器使用紅外測(cè)溫技術(shù)，打破了傳統(tǒng)的測(cè)溫模式，具有反應(yīng)快、測(cè)量精度高、可靠性高、范圍測(cè)量廣以及人為非接觸性測(cè)量不易破壞的特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的提高，我國(guó)的紅外技術(shù)快速發(fā)展，紅外產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)上占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，紅外測(cè)溫儀的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，具備廣闊的市場(chǎng)前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)[1]楊子?xùn)|，陳遠(yuǎn)宏.紅外測(cè)溫及其應(yīng)用[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，24（5）：60-61.[2]FairallCW，BradleyEF，DPRogers，etal.BulkParameterizationnofAir-seaFluxesforTropicalOcean-GlobalAtmosphere/Coupled-OceanAtmosphereResponseExperiment[J].GeaphysicalResearch，1996，101（C2）：3747-3764.[3]孫瑛琪.海表溫度測(cè)量對(duì)雷達(dá)最大探測(cè)距離估算的影響[D].武漢：海軍工程大學(xué)，2008.[4]Maxim.MAX6043Datasheet[DB/OL].http：///，2004-5-18.[5]鄭兆平，曾漢生，丁翠嬌，等.紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)及其應(yīng)用[J].紅外技術(shù)，2003，25（1）：96-98.[6]黃智偉.射頻集成電路芯片原理與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：153-262.[7]黃智偉.單片無(wú)線數(shù)據(jù)通信IC原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：257-263.[8]KIMRahmelow.Electronicinfluencesonaninfrareddetectorsignal：nonlinerityandam