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

背景技術(shù)：

在工業(yè)生產(chǎn)中，相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)大多都是對其進行溫度的檢測，通過對其溫度變化的分析來解讀其是否正常運行。然而，如今的眾多機械設(shè)備一般都工作于強腐蝕、超高電壓的狀態(tài)，以前的接觸式監(jiān)測溫度的方式已明顯滿足不了許多生產(chǎn)場所的測溫需求，而非接觸式、遠紅外距離的監(jiān)測溫度的技術(shù)則越來越受歡迎。

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)濟性、安全性息息相關(guān)。在電網(wǎng)的輸電、配電過程中，由于外界環(huán)境以及電網(wǎng)本身的影響，很可能使電網(wǎng)中的某一個小零件或者某個設(shè)備的溫度升高，最后成為威脅整個電網(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，在過去都曾造成過慘重的損失。由此可見對該電網(wǎng)的相關(guān)零件以及設(shè)備進行實時的溫度監(jiān)測既有非常重大的意義。然而，普通的溫度監(jiān)測方式又不能適用于這樣的特殊的場合，所以，我們要研究一種比較新的安全的適用于這種特殊場合的溫度監(jiān)測方法。

該發(fā)明可以根據(jù)物體向外的紅外輻射來監(jiān)測物質(zhì)的溫度變化。本系統(tǒng)能在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測如電力網(wǎng)絡(luò)的安全檢修上，這對整個電網(wǎng)的設(shè)備都有了一個實時監(jiān)測其變化的作用，可以快速的發(fā)現(xiàn)威脅的因素，并及時的去解決這些問題，提高了整個電網(wǎng)的用電安全。

經(jīng)過了漫長的發(fā)展歷程，傳統(tǒng)溫度監(jiān)測傳感系統(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，對溫度檢測系統(tǒng)的要求也在日益增強，需求一種在特殊條件（如高溫、高電壓、大電流、強腐蝕等）下的溫度傳感技術(shù)是當前研究的重點。

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，不僅可以檢測沒一點的溫度，也可以實現(xiàn)大面積的溫度檢測；有的是方便攜帶的，有的是大型的固定在一個地方的，適用范圍十分廣泛，應(yīng)用起來也比較方便。紅外溫度傳感器在監(jiān)測溫度的時候不需要近距離的接觸到被監(jiān)測溫度的物體，并且監(jiān)測時間較短，不會影響到被監(jiān)測溫度物體的溫度場。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。

遠紅外監(jiān)測溫度技術(shù)慢慢成為電力、工業(yè)等其他許多行業(yè)中的一項不可或缺的技術(shù)。她可以讓整個生產(chǎn)環(huán)境以及生產(chǎn)流程更加安全，讓生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質(zhì)量更加好。遠紅外陣列溫度傳感技術(shù)可以應(yīng)用在許許多多的場合，例如，我們可以利用此項技術(shù)來監(jiān)測電網(wǎng)里的相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)，可以將遠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)測系統(tǒng)，解決當前在一些特殊環(huán)境里（如高溫、高電壓、大電流、強腐蝕等）溫度傳感技術(shù)問題。

硬件部分：包括傳感器、微處理器（單片機）、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 總線接一個或多個遠紅外傳感器MLX90620作為溫度采集模塊，通過非碰觸式短時間內(nèi)實現(xiàn)大面積的溫度檢測。TFT-LCD 顯示屏可以實現(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。如果溫度測量范圍擴大，主控芯片 STM32 的 IIC 總線上可以掛載多個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)的型號為 STM32F103VET6 的單片機，其負責(zé)協(xié)調(diào)各個功能模塊的共同工作。

所述溫度傳感器部分采用由邁來芯公司研發(fā)的 MLX90620，負責(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，可以同時監(jiān)測 64 個點的溫度變化。為了降低噪聲需要對電源開關(guān)噪聲進行退耦。MLX90620 紅外陣列傳感器使用的是 IIC 的通信模式，它能自己一個單獨的來使用，也能好幾個一起并在一起使用，也就是說可以連在一起測量更大的溫度場合，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語言編寫程序以實現(xiàn)紅外陣列溫度傳感監(jiān)測系統(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步驟：獲取傳感器校準數(shù)據(jù)、寫入器件配置數(shù)值和振蕩器修整值、讀取 64 個 IR 熱電堆的溫度值。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通信數(shù)據(jù)準確，具有較好的兼容性。

附圖說明

圖1是所述一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)的主控系統(tǒng)與傳感器通信流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測系統(tǒng)。下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。

圖1所示為所述一種紅外陣列溫度傳感監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，主要包括傳感器、主控芯片（單片機）、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)計的，它是數(shù)據(jù)處理和控制的核心，通過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 總線接一個或多個遠紅外傳感器MLX90620作為溫度采集模塊，通過非碰觸式短時間內(nèi)實現(xiàn)大面積的溫度檢測。TFT-LCD 顯示屏可以實現(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。如果溫度測量范圍擴大，主控芯片 STM32 的 IIC 總線上可以掛載多個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)的型號為 STM32F103VET6 的單片機，其負責(zé)協(xié)調(diào)各個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器，還有許多的增強 I/O通信口以及連接了兩條 APB 通信的外設(shè)。它有 3 個通用 16 位定時器、2 個 12 位的 ADC、一個 PWM 定時器、 2 個 IIC 和 SPI、 3 個 USART、 1 個 YSB 和一個 CAN。

所述溫度傳感器部分采用由邁來芯公司研發(fā)的 MLX90620，負責(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，可以同時監(jiān)測 64 個點的溫度變化。為了降低噪聲需要對電源開關(guān)噪聲進行退耦。MLX90620 紅外陣列傳感器使用的是 IIC 的通信模式，能單獨的使用，也能數(shù)個并在一起使用，也就是說可以連在一起測量更大的溫度場合，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)測溫度的范圍為-50℃～300℃，并有 60o x 15o和 40o x 10o兩個視場（ FOV）選擇，采用工業(yè)標準的 TO-39封裝，可以用在很多的場合。

所述LCD顯示模塊的顯示器采用TFT-LCD液晶屏，負責(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)測系統(tǒng)主控系統(tǒng)與傳感器通信流程圖。

為了實現(xiàn)單片機訪問傳感器數(shù)據(jù)時的功能，本發(fā)明采取以下幾個步驟：

步驟1：初始化；

步驟2：讀取測量數(shù)據(jù)；

步驟3：計算所得到的數(shù)據(jù)。

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

所述步驟1中，傳感器芯片上電復(fù)位 POR 后， DSP 需要對傳感器的一些系統(tǒng)參數(shù)進行配置，同時也需要從傳感器中讀到校準信息，以備后期的實際溫度值計算。初始化分為以下幾個步驟：(1)讀取整個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， 單片機逐幀讀取 64 個 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)手冊中的溫度校準公式，計算各像素點的溫度，計算過程主要分為兩個步驟：(1)芯片環(huán)境溫度計算和(2)像素點溫度計算。

(1)芯片環(huán)境溫度的計算公式為:

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

(2) 第 i 行 j 列的像素點的校準溫度值用T_O(i,j) 表示，其計算公式為

式中：

V_{IR（i, j）_COMPENSATED}：無寄生效應(yīng)的 IR 補償信號

_{a（i, j）}：每個獨立像素靈敏度系數(shù)，存于 EEPROM

Ta ：環(huán)境溫度，計算為 28.16攝氏度

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

：偏移量抵消公式：

式中：

V_{IR（ i. j）}：單個像素 IR 數(shù)據(jù)讀數(shù)（讀取 RAM）

A_{i(i, j)} ：作為兩個補碼值存在于 EEPROM 的單個像素偏移量

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

B_{i _ s c a l e} ：作為無符號存在于 EEPROM 的單個像素偏移量斜率比例因子

T_a：環(huán)境溫度

T_{a _0}：個常數(shù)

：熱梯度補償公式

式中：

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

T G C系數(shù)作為兩個補碼值存于 EEPROM

：發(fā)射率補償公式:

式中：e：發(fā)射率系數(shù)，計算公式為

IIC 通信協(xié)議支持多機通信，但是在一個相同時間點則只可以接入一個主控器件，開始與結(jié)束信號均由主控器件來控制，主機發(fā)送 START 起始位啟動通信，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)明使用的開發(fā)板，其主要主控芯片是STM32F103VET6，在此開發(fā)板上裝載有一個型號為24C02的EEPROM，我們將用這個EEPROM來進行芯片間的IIC通信，也就是說我們用24C02來模擬IIC通信。

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

最后應(yīng)當說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述實施例依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進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，均在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。