一种红外阵列温度传感监测系统的设计的制作方法

本发明属于电学测量技术领域，具体涉及一种红外阵列温度传感监测系统。

背景技术：

在工业生产中，相关设备的运行状态大多都是对其进行温度的检测，通过对其温度变化的分析来解读其是否正常运行。然而，如今的众多机械设备一般都工作于强腐蚀、超高电压的状态，以前的接触式监测温度的方式已明显满足不了许多生产场所的测温需求，而非接触式、远红外距离的监测温度的技术则越来越受欢迎。

电网中的许多设备都是工作在超高压及其危险的环境中，然而，它们的工作状态与供电的可靠性、经济性、安全性息息相关。在电网的输电、配电过程中，由于外界环境以及电网本身的影响，很可能使电网中的某一个小零件或者某个设备的温度升高，最后成为威胁整个电网安全的因素，而造成大面积停电以及危害人生安全的大事故。此类事件，在过去都曾造成过惨重的损失。由此可见对该电网的相关零件以及设备进行实时的温度监测既有非常重大的意义。然而，普通的温度监测方式又不能适用于这样的特殊的场合，所以，我们要研究一种比较新的安全的适用于这种特殊场合的温度监测方法。

该发明可以根据物体向外的红外辐射来监测物质的温度变化。本系统能在工业环境监测如电力网络的安全检修上，这对整个电网的设备都有了一个实时监测其变化的作用，可以快速的发现威胁的因素，并及时的去解决这些问题，提高了整个电网的用电安全。

经过了漫长的发展历程，传统温度监测传感系统已近于成熟。目前，随着工业生产技术的不断发展，对温度检测系统的要求也在日益增强，需求一种在特殊条件（如高温、高电压、大电流、强腐蚀等）下的温度传感技术是当前研究的重点。

红外传感器的种类较多，发展比较迅速，技术比较成熟，并且且适用范围比较广，不仅可以检测没一点的温度，也可以实现大面积的温度检测；有的是方便携带的，有的是大型的固定在一个地方的，适用范围十分广泛，应用起来也比较方便。红外温度传感器在监测温度的时候不需要近距离的接触到被监测温度的物体，并且监测时间较短，不会影响到被监测温度物体的温度场。因此，红外传感技术是一些处于特殊条件、有特殊需求的最适合的选择。

远红外监测温度技术慢慢成为电力、工业等其他许多行业中的一项不可或缺的技术。她可以让整个生产环境以及生产流程更加安全，让生产出来的产品质量更加好。远红外阵列温度传感技术可以应用在许许多多的场合，例如，我们可以利用此项技术来监测电网里的相关设备的状态，可以将远红外阵列温度传感器应用与空调中等等，总之，该技术的使用范围十分广泛。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种红外阵列温度传感监测系统，解决当前在一些特殊环境里（如高温、高电压、大电流、强腐蚀等）温度传感技术问题。

硬件部分：包括传感器、微处理器（单片机）、LCD显示模块、IIC 总线。各模块之间的连接关系为：以 STM32 为主控芯片，它是数据处理和控制的核心，通过IIC 总线与温度传感器相连，也与TFT-LCD 显示屏相连。主控芯片引出IIC 总线接一个或多个远红外传感器MLX90620作为温度采集模块，通过非碰触式短时间内实现大面积的温度检测。TFT-LCD 显示屏可以实现主控芯片与显示屏之间的数据通信，将采集的温度清晰的显示给用户。如果温度测量范围扩大，主控芯片 STM32 的 IIC 总线上可以挂载多个红外传感器或其他有 IIC 接口的传感器。

所述微处理器采用 ST 公司生产的型号为 STM32F103VET6 的单片机，其负责协调各个功能模块的共同工作。

所述温度传感器部分采用由迈来芯公司研发的 MLX90620，负责温度信息的采集，该传感器为 16×4 的红外阵列温度传感器，可以同时监测 64 个点的温度变化。为了降低噪声需要对电源开关噪声进行退耦。MLX90620 红外阵列传感器使用的是 IIC 的通信模式，它能自己一个单独的来使用，也能好几个一起并在一起使用，也就是说可以连在一起测量更大的温度场合，从而也可以得到更高分辨率的温度显示图。

所述LCD显示模块的显示器采用TFT-LCD液晶屏，负责温度信息的显示。

软件部分：本装置软件编程主要是用C语言编写程序以实现红外阵列温度传感监测系统主控系统与传感器间的数据传输，其中主要包括以下几个步骤：获取传感器校准数据、写入器件配置数值和振荡器修整值、读取 64 个 IR 热电堆的温度值。整个系统结构简单，通信数据准确，具有较好的兼容性。

附图说明

图1是所述一种红外阵列温度传感监测系统的结构框图。

图2是所述一种红外阵列温度传感监测系统的主控系统与传感器通信流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种红外阵列温度传感监测系统。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1所示为所述一种红外阵列温度传感监测系统的结构框图，主要包括传感器、主控芯片（单片机）、LCD显示模块、IIC 总线。各模块之间的连接关系为：以 STM32 为主控芯片，STM32 类单片机基于是为一些性能要求高、成本核算低、规定功能损耗小的电路而设计的，它是数据处理和控制的核心，通过IIC 总线与温度传感器相连，主控芯片也与TFT-LCD 显示屏相连。主控芯片引出IIC 总线接一个或多个远红外传感器MLX90620作为温度采集模块，通过非碰触式短时间内实现大面积的温度检测。TFT-LCD 显示屏可以实现主控芯片与显示屏之间的数据通信，将采集的温度清晰的显示给用户。如果温度测量范围扩大，主控芯片 STM32 的 IIC 总线上可以挂载多个红外传感器或其他有 IIC 接口的传感器，以满足用户不同的需求。

所述微处理器采用 ST 公司生产的型号为 STM32F103VET6 的单片机，其负责协调各个功能模块的共同工作。STM32F103VET6 使用高性能的 ARM Cortex-M3 的 32 位的 RISC 内核，有较高的工作频率，其为 72MHz， STM32F103VET6 里面含有高速的存储器，还有许多的增强 I/O通信口以及连接了两条 APB 通信的外设。它有 3 个通用 16 位定时器、2 个 12 位的 ADC、一个 PWM 定时器、 2 个 IIC 和 SPI、 3 个 USART、 1 个 YSB 和一个 CAN。

所述温度传感器部分采用由迈来芯公司研发的 MLX90620，负责温度信息的采集，该传感器为 16×4 的红外阵列温度传感器，可以同时监测 64 个点的温度变化。为了降低噪声需要对电源开关噪声进行退耦。MLX90620 红外阵列传感器使用的是 IIC 的通信模式，能单独的使用，也能数个并在一起使用，也就是说可以连在一起测量更大的温度场合，从而也可以得到更高分辨率的温度显示图。并且，该传感器的监测温度的范围为-50℃～300℃，并有 60º x 15º和 40º x 10º两个视场（ FOV）选择，采用工业标准的 TO-39封装，可以用在很多的场合。

所述LCD显示模块的显示器采用TFT-LCD液晶屏，负责温度信息的显示。

图2是所述一种红外阵列温度传感监测系统主控系统与传感器通信流程图。

为了实现单片机访问传感器数据时的功能，本发明采取以下几个步骤：

步骤1：初始化；

步骤2：读取测量数据；

步骤3：计算所得到的数据。

所述步骤1前，需要先对MLX90620 要进行上电复位（ POR）。将传感器连接到电源。片上的 POR 电路提供一个有效的 POR 信号，当电压上升至大于 0.5V，并将 MLX90620 保持复位至到高于 2.4V。器件会在 POR 后大约 5ms 开始工作。

所述步骤1中，传感器芯片上电复位 POR 后， DSP 需要对传感器的一些系统参数进行配置，同时也需要从传感器中读到校准信息，以备后期的实际温度值计算。初始化分为以下几个步骤：(1)读取整个EEPROM；(2)写入振荡器修整数值；(3)写入器件配置数值。

所述步骤2中，在初始化完温度传感器之后， 单片机逐帧读取 64 个 IR 中的温度数据和 PTAT 中的环境温度。

所述步骤3中，就是利用传感器技术手册中的温度校准公式，计算各像素点的温度，计算过程主要分为两个步骤：(1)芯片环境温度计算和(2)像素点温度计算。

(1)芯片环境温度的计算公式为:

常数V_{TH (25)} ， K_T1 ， K_T2 是环境温度传感器的三个参数，以十六进制的数值存于EEPROM 中， PTAT_data 是环境温度的测量数据，存于 RAM 中。

(2) 第 i 行 j 列的像素点的校准温度值用T_O(i,j) 表示，其计算公式为

式中：

V_{IR（i, j）_COMPENSATED}：无寄生效应的 IR 补偿信号

_{a（i, j）}：每个独立像素灵敏度系数，存于 EEPROM

Ta ：环境温度，计算为 28.16摄氏度

计算V_{IR（i, j）_COMPENSATED}的步骤包括偏移量抵消、热梯度补偿、发射率补偿。

：偏移量抵消公式：

式中：

V_{IR（ i. j）}：单个像素 IR 数据读数（读取 RAM）

A_{i(i, j)} ：作为两个补码值存在于 EEPROM 的单个像素偏移量

B_{i(i, j)}：作为两个补码值存在于 EEPROM 的单个像素偏移量斜率系数

B_{i _ s c a l e} ：作为无符号存在于 EEPROM 的单个像素偏移量斜率比例因子

T_a：环境温度

T_{a _0}：个常数

：热梯度补偿公式

式中：

V_{IR(i, j)_TGC_COMP}：热梯度补偿像素对应的偏移补偿后的 IR 信号

T G C系数作为两个补码值存于 EEPROM

：发射率补偿公式:

式中：e：发射率系数，计算公式为

IIC 通信协议支持多机通信，但是在一个相同时间点则只可以接入一个主控器件，开始与结束信号均由主控器件来控制，主机发送 START 起始位启动通信，获得总线控制权，发送 STOP 位结束通信，释放总线控制权。

所述发明使用的开发板，其主要主控芯片是STM32F103VET6，在此开发板上装载有一个型号为24C02的EEPROM，我们将用这个EEPROM来进行芯片间的IIC通信，也就是说我们用24C02来模拟IIC通信。

远红外热电堆传感器MLX90620内部的数据都是通过IIC与外界通信的；该通信模块的目标是使单片机能获得在传感器EEPROM中的校准数据，并且也能配置信息，如传感器的刷新率写入传感器；最重要的是单片机能获取到传感器里64个IR热电堆（又称像素）里的数据和环境温度数据；最终实现视场内64个点的温度信息采集。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。