本發(fā)明屬于電學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在工業(yè)生產(chǎn)中，相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)大多都是對(duì)其進(jìn)行溫度的檢測(cè)，通過(guò)對(duì)其溫度變化的分析來(lái)解讀其是否正常運(yùn)行。然而，如今的眾多機(jī)械設(shè)備一般都工作于強(qiáng)腐蝕、超高電壓的狀態(tài)，以前的接觸式監(jiān)測(cè)溫度的方式已明顯滿足不了許多生產(chǎn)場(chǎng)所的測(cè)溫需求，而非接觸式、遠(yuǎn)紅外距離的監(jiān)測(cè)溫度的技術(shù)則越來(lái)越受歡迎。

電網(wǎng)中的許多設(shè)備都是工作在超高壓及其危險(xiǎn)的環(huán)境中，然而，它們的工作狀態(tài)與供電的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性息息相關(guān)。在電網(wǎng)的輸電、配電過(guò)程中，由于外界環(huán)境以及電網(wǎng)本身的影響，很可能使電網(wǎng)中的某一個(gè)小零件或者某個(gè)設(shè)備的溫度升高，最后成為威脅整個(gè)電網(wǎng)安全的因素，而造成大面積停電以及危害人生安全的大事故。此類事件，在過(guò)去都曾造成過(guò)慘重的損失。由此可見(jiàn)對(duì)該電網(wǎng)的相關(guān)零件以及設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)既有非常重大的意義。然而，普通的溫度監(jiān)測(cè)方式又不能適用于這樣的特殊的場(chǎng)合，所以，我們要研究一種比較新的安全的適用于這種特殊場(chǎng)合的溫度監(jiān)測(cè)方法。

該發(fā)明可以根據(jù)物體向外的紅外輻射來(lái)監(jiān)測(cè)物質(zhì)的溫度變化。本系統(tǒng)能在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)如電力網(wǎng)絡(luò)的安全檢修上，這對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的設(shè)備都有了一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其變化的作用，可以快速的發(fā)現(xiàn)威脅的因素，并及時(shí)的去解決這些問(wèn)題，提高了整個(gè)電網(wǎng)的用電安全。

經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程，傳統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)已近于成熟。目前，隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的要求也在日益增強(qiáng)，需求一種在特殊條件（如高溫、高電壓、大電流、強(qiáng)腐蝕等）下的溫度傳感技術(shù)是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

紅外傳感器的種類較多，發(fā)展比較迅速，技術(shù)比較成熟，并且且適用范圍比較廣，不僅可以檢測(cè)沒(méi)一點(diǎn)的溫度，也可以實(shí)現(xiàn)大面積的溫度檢測(cè)；有的是方便攜帶的，有的是大型的固定在一個(gè)地方的，適用范圍十分廣泛，應(yīng)用起來(lái)也比較方便。紅外溫度傳感器在監(jiān)測(cè)溫度的時(shí)候不需要近距離的接觸到被監(jiān)測(cè)溫度的物體，并且監(jiān)測(cè)時(shí)間較短，不會(huì)影響到被監(jiān)測(cè)溫度物體的溫度場(chǎng)。因此，紅外傳感技術(shù)是一些處于特殊條件、有特殊需求的最適合的選擇。

遠(yuǎn)紅外監(jiān)測(cè)溫度技術(shù)慢慢成為電力、工業(yè)等其他許多行業(yè)中的一項(xiàng)不可或缺的技術(shù)。她可以讓整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境以及生產(chǎn)流程更加安全，讓生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量更加好。遠(yuǎn)紅外陣列溫度傳感技術(shù)可以應(yīng)用在許許多多的場(chǎng)合，例如，我們可以利用此項(xiàng)技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)里的相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)，可以將遠(yuǎn)紅外陣列溫度傳感器應(yīng)用與空調(diào)中等等，總之，該技術(shù)的使用范圍十分廣泛。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決當(dāng)前在一些特殊環(huán)境里（如高溫、高電壓、大電流、強(qiáng)腐蝕等）溫度傳感技術(shù)問(wèn)題。

硬件部分：包括傳感器、微處理器（單片機(jī)）、LCD顯示模塊、IIC 總線。各模塊之間的連接關(guān)系為：以 STM32 為主控芯片，它是數(shù)據(jù)處理和控制的核心，通過(guò)IIC 總線與溫度傳感器相連，也與TFT-LCD 顯示屏相連。主控芯片引出IIC 總線接一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)紅外傳感器MLX90620作為溫度采集模塊，通過(guò)非碰觸式短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大面積的溫度檢測(cè)。TFT-LCD 顯示屏可以實(shí)現(xiàn)主控芯片與顯示屏之間的數(shù)據(jù)通信，將采集的溫度清晰的顯示給用戶。如果溫度測(cè)量范圍擴(kuò)大，主控芯片 STM32 的 IIC 總線上可以掛載多個(gè)紅外傳感器或其他有 IIC 接口的傳感器。

所述微處理器采用 ST 公司生產(chǎn)的型號(hào)為 STM32F103VET6 的單片機(jī)，其負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊的共同工作。

所述溫度傳感器部分采用由邁來(lái)芯公司研發(fā)的 MLX90620，負(fù)責(zé)溫度信息的采集，該傳感器為 16×4 的紅外陣列溫度傳感器，可以同時(shí)監(jiān)測(cè) 64 個(gè)點(diǎn)的溫度變化。為了降低噪聲需要對(duì)電源開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行退耦。MLX90620 紅外陣列傳感器使用的是 IIC 的通信模式，它能自己一個(gè)單獨(dú)的來(lái)使用，也能好幾個(gè)一起并在一起使用，也就是說(shuō)可以連在一起測(cè)量更大的溫度場(chǎng)合，從而也可以得到更高分辨率的溫度顯示圖。

所述LCD顯示模塊的顯示器采用TFT-LCD液晶屏，負(fù)責(zé)溫度信息的顯示。

軟件部分：本裝置軟件編程主要是用C語(yǔ)言編寫程序以實(shí)現(xiàn)紅外陣列溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控系統(tǒng)與傳感器間的數(shù)據(jù)傳輸，其中主要包括以下幾個(gè)步驟：獲取傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、寫入器件配置數(shù)值和振蕩器修整值、讀取 64 個(gè) IR 熱電堆的溫度值。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具有較好的兼容性。

附圖說(shuō)明

圖1是所述一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是所述一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控系統(tǒng)與傳感器通信流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1所示為所述一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，主要包括傳感器、主控芯片（單片機(jī)）、LCD顯示模塊、IIC 總線。各模塊之間的連接關(guān)系為：以 STM32 為主控芯片，STM32 類單片機(jī)基于是為一些性能要求高、成本核算低、規(guī)定功能損耗小的電路而設(shè)計(jì)的，它是數(shù)據(jù)處理和控制的核心，通過(guò)IIC 總線與溫度傳感器相連，主控芯片也與TFT-LCD 顯示屏相連。主控芯片引出IIC 總線接一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)紅外傳感器MLX90620作為溫度采集模塊，通過(guò)非碰觸式短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大面積的溫度檢測(cè)。TFT-LCD 顯示屏可以實(shí)現(xiàn)主控芯片與顯示屏之間的數(shù)據(jù)通信，將采集的溫度清晰的顯示給用戶。如果溫度測(cè)量范圍擴(kuò)大，主控芯片 STM32 的 IIC 總線上可以掛載多個(gè)紅外傳感器或其他有 IIC 接口的傳感器，以滿足用戶不同的需求。

所述微處理器采用 ST 公司生產(chǎn)的型號(hào)為 STM32F103VET6 的單片機(jī)，其負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊的共同工作。STM32F103VET6 使用高性能的 ARM Cortex-M3 的 32 位的 RISC 內(nèi)核，有較高的工作頻率，其為 72MHz， STM32F103VET6 里面含有高速的存儲(chǔ)器，還有許多的增強(qiáng) I/O通信口以及連接了兩條 APB 通信的外設(shè)。它有 3 個(gè)通用 16 位定時(shí)器、2 個(gè) 12 位的 ADC、一個(gè) PWM 定時(shí)器、 2 個(gè) IIC 和 SPI、 3 個(gè) USART、 1 個(gè) YSB 和一個(gè) CAN。

所述溫度傳感器部分采用由邁來(lái)芯公司研發(fā)的 MLX90620，負(fù)責(zé)溫度信息的采集，該傳感器為 16×4 的紅外陣列溫度傳感器，可以同時(shí)監(jiān)測(cè) 64 個(gè)點(diǎn)的溫度變化。為了降低噪聲需要對(duì)電源開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行退耦。MLX90620 紅外陣列傳感器使用的是 IIC 的通信模式，能單獨(dú)的使用，也能數(shù)個(gè)并在一起使用，也就是說(shuō)可以連在一起測(cè)量更大的溫度場(chǎng)合，從而也可以得到更高分辨率的溫度顯示圖。并且，該傳感器的監(jiān)測(cè)溫度的范圍為-50℃～300℃，并有 60o x 15o和 40o x 10o兩個(gè)視場(chǎng)（ FOV）選擇，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 TO-39封裝，可以用在很多的場(chǎng)合。

所述LCD顯示模塊的顯示器采用TFT-LCD液晶屏，負(fù)責(zé)溫度信息的顯示。

圖2是所述一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控系統(tǒng)與傳感器通信流程圖。

為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)訪問(wèn)傳感器數(shù)據(jù)時(shí)的功能，本發(fā)明采取以下幾個(gè)步驟：

步驟1：初始化；

步驟2：讀取測(cè)量數(shù)據(jù)；

步驟3：計(jì)算所得到的數(shù)據(jù)。

所述步驟1前，需要先對(duì)MLX90620 要進(jìn)行上電復(fù)位（ POR）。將傳感器連接到電源。片上的 POR 電路提供一個(gè)有效的 POR 信號(hào)，當(dāng)電壓上升至大于 0.5V，并將 MLX90620 保持復(fù)位至到高于 2.4V。器件會(huì)在 POR 后大約 5ms 開(kāi)始工作。

所述步驟1中，傳感器芯片上電復(fù)位 POR 后， DSP 需要對(duì)傳感器的一些系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行配置，同時(shí)也需要從傳感器中讀到校準(zhǔn)信息，以備后期的實(shí)際溫度值計(jì)算。初始化分為以下幾個(gè)步驟：(1)讀取整個(gè)EEPROM；(2)寫入振蕩器修整數(shù)值；(3)寫入器件配置數(shù)值。

所述步驟2中，在初始化完溫度傳感器之后， 單片機(jī)逐幀讀取 64 個(gè) IR 中的溫度數(shù)據(jù)和 PTAT 中的環(huán)境溫度。

所述步驟3中，就是利用傳感器技術(shù)手冊(cè)中的溫度校準(zhǔn)公式，計(jì)算各像素點(diǎn)的溫度，計(jì)算過(guò)程主要分為兩個(gè)步驟：(1)芯片環(huán)境溫度計(jì)算和(2)像素點(diǎn)溫度計(jì)算。

(1)芯片環(huán)境溫度的計(jì)算公式為:

常數(shù)V_{TH (25)} ， K_T1 ， K_T2 是環(huán)境溫度傳感器的三個(gè)參數(shù)，以十六進(jìn)制的數(shù)值存于EEPROM 中， PTAT_data 是環(huán)境溫度的測(cè)量數(shù)據(jù)，存于 RAM 中。

(2) 第 i 行 j 列的像素點(diǎn)的校準(zhǔn)溫度值用T_O(i,j) 表示，其計(jì)算公式為

式中：

V_{IR（i, j）_COMPENSATED}：無(wú)寄生效應(yīng)的 IR 補(bǔ)償信號(hào)

_{a（i, j）}：每個(gè)獨(dú)立像素靈敏度系數(shù)，存于 EEPROM

Ta ：環(huán)境溫度，計(jì)算為 28.16攝氏度

計(jì)算V_{IR（i, j）_COMPENSATED}的步驟包括偏移量抵消、熱梯度補(bǔ)償、發(fā)射率補(bǔ)償。

：偏移量抵消公式：

式中：

V_{IR（ i. j）}：?jiǎn)蝹€(gè)像素 IR 數(shù)據(jù)讀數(shù)（讀取 RAM）

A_{i(i, j)} ：作為兩個(gè)補(bǔ)碼值存在于 EEPROM 的單個(gè)像素偏移量

B_{i(i, j)}：作為兩個(gè)補(bǔ)碼值存在于 EEPROM 的單個(gè)像素偏移量斜率系數(shù)

B_{i _ s c a l e} ：作為無(wú)符號(hào)存在于 EEPROM 的單個(gè)像素偏移量斜率比例因子

T_a：環(huán)境溫度

T_{a _0}：個(gè)常數(shù)

：熱梯度補(bǔ)償公式

式中：

V_{IR(i, j)_TGC_COMP}：熱梯度補(bǔ)償像素對(duì)應(yīng)的偏移補(bǔ)償后的 IR 信號(hào)

T G C系數(shù)作為兩個(gè)補(bǔ)碼值存于 EEPROM

：發(fā)射率補(bǔ)償公式:

式中：e：發(fā)射率系數(shù)，計(jì)算公式為

IIC 通信協(xié)議支持多機(jī)通信，但是在一個(gè)相同時(shí)間點(diǎn)則只可以接入一個(gè)主控器件，開(kāi)始與結(jié)束信號(hào)均由主控器件來(lái)控制，主機(jī)發(fā)送 START 起始位啟動(dòng)通信，獲得總線控制權(quán)，發(fā)送 STOP 位結(jié)束通信，釋放總線控制權(quán)。

所述發(fā)明使用的開(kāi)發(fā)板，其主要主控芯片是STM32F103VET6，在此開(kāi)發(fā)板上裝載有一個(gè)型號(hào)為24C02的EEPROM，我們將用這個(gè)EEPROM來(lái)進(jìn)行芯片間的IIC通信，也就是說(shuō)我們用24C02來(lái)模擬IIC通信。

遠(yuǎn)紅外熱電堆傳感器MLX90620內(nèi)部的數(shù)據(jù)都是通過(guò)IIC與外界通信的；該通信模塊的目標(biāo)是使單片機(jī)能獲得在傳感器EEPROM中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并且也能配置信息，如傳感器的刷新率寫入傳感器；最重要的是單片機(jī)能獲取到傳感器里64個(gè)IR熱電堆（又稱像素）里的數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)；最終實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)內(nèi)64個(gè)點(diǎn)的溫度信息采集。

最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述實(shí)施例依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。