摘要：介紹一種基于DSP和MCU雙處理器的內(nèi)調(diào)制光纖比色測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)原理。測(cè)溫儀以AT89C55和TMS320F206為核心，對(duì)內(nèi)調(diào)制光電探測(cè)器進(jìn)行線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，并加入比輻射率的修正。本系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境溫度變化大、周圍環(huán)境惡劣的高溫物體進(jìn)行高精度的溫度測(cè)量。
溫度測(cè)量直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，關(guān)系到生產(chǎn)成本。熔融狀態(tài)下，鋼、鐵溫度在1200℃以上，主要測(cè)量方法有接觸式的金屬熱電偶溫度計(jì)和非接觸式的輻射溫度計(jì)。
筆者對(duì)利用內(nèi)調(diào)制探測(cè)器進(jìn)行高溫測(cè)量開展了多年的應(yīng)用研究，并研制出了基于單片機(jī)的光纖比色溫度儀;
基本上能完成溫度測(cè)量的功能。從武鋼連鑄、濟(jì)鋼轉(zhuǎn)爐等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的使用情況看，儀器還可以進(jìn)一步改進(jìn)。由于單片機(jī)先天數(shù)據(jù)處理能力不足，當(dāng)要建立較為完善的處理模型，例如進(jìn)行線性補(bǔ)償及溫度補(bǔ)償;
發(fā)射系數(shù)修正、甚至進(jìn)行四比色測(cè)溫時(shí)，面對(duì)大量的數(shù)據(jù)要進(jìn)行復(fù)雜快速的處理，單片機(jī)已不可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)溫。引入DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，強(qiáng)有力地提升了測(cè)溫儀的功能。采用主從式雙處理器結(jié)構(gòu)能較好地解決這些問(wèn)題，并且還具有進(jìn)一步開發(fā)的潛力。
1 系統(tǒng)測(cè)溫原理
從經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)看，任何黑體都會(huì)向外輻射能量，其輻射出度與溫度及波長(zhǎng)有關(guān)，具體有普郎克定律和維恩定律描述。而物體的比色溫度簡(jiǎn)稱色溫是指如果黑體與實(shí)際物體在某一光譜區(qū)內(nèi)的兩個(gè)波長(zhǎng)下的單色亮度之比相等，則黑體的溫度為實(shí)際物體的顏色溫度。
根據(jù)比色測(cè)溫原理，假設(shè)兩路不同波長(zhǎng)輻射轉(zhuǎn)換后的光電流分別為I1和I2，T為待求溫度，則可以寫出：
I1=Mλ1D1? (1)?
I2=Mλ2D2 ?(2)
式中，M是單色輻射出度，由維恩近似公式得到
?
由此可以得到：
D1和D2分別為兩路系統(tǒng)的系數(shù)，C1和C2分別為普朗克第一、第二輻射常數(shù)。當(dāng)λ1和λ2兩單色波長(zhǎng)接近時(shí)，求出兩路光強(qiáng)比值，即可以計(jì)算出被測(cè)物體的溫度T。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)的信號(hào)處理總體流程
測(cè)溫儀系統(tǒng)主要由內(nèi)調(diào)制光電探測(cè)器、前置模擬處理部分和以單片機(jī)、DSP為核心的雙處理器控制及處理部分構(gòu)成。
內(nèi)調(diào)制光敏探測(cè)器輸出的微弱電信號(hào)由前置模擬電路處理，得到與光強(qiáng)成正比的電壓信號(hào);兩路光電信號(hào)由兩個(gè)獨(dú)立的16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX195同步采集，同時(shí)數(shù)字溫度傳感器DS18B20得到環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)傳遞給DSP;DSP再根據(jù)事先設(shè)定的修正模式及參數(shù)經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后，得到被測(cè)溫度數(shù)據(jù)，反饋給單片機(jī);由單片機(jī)根據(jù)用戶的操作將溫度數(shù)據(jù)輸出到LED、微型打印機(jī)、上傳給微機(jī)或者通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換以電流形式輸出給監(jiān)控儀表。
2.2 測(cè)溫儀硬件結(jié)構(gòu)
測(cè)溫儀硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)軟件由兩部分組成：作為主機(jī)的單片機(jī)MCU部分主要完成系統(tǒng)的外部接口、控制功能;作為從機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理器則通過(guò)主機(jī)傳送來(lái)的各種數(shù)據(jù)通過(guò)一系列修正模型計(jì)算出溫度，然后將結(jié)果返回給主機(jī)。
這樣將原本由單片機(jī)處理需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)學(xué)模型計(jì)算交給DSP，讓MCU和DSP各取所長(zhǎng)，使得整個(gè)系統(tǒng)計(jì)算溫度的速度大大提高，提高了測(cè)溫儀的實(shí)時(shí)響應(yīng)特性。
2.2.1 單片機(jī)MCU部分
單片機(jī)主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集和人機(jī)接口。主要包括A/D采集和轉(zhuǎn)換模塊、與數(shù)字溫度傳感器DS18B20的接口模塊、顯示模塊以及鍵盤輸入處理模塊。
由于光敏管具有非線性特性，此外還受環(huán)境溫度的影響，因此，為提高測(cè)量精度，不僅要對(duì)其非線性進(jìn)行校正，還要對(duì)其溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，這就導(dǎo)致其數(shù)字信號(hào)修正表是二維的。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)調(diào)制光敏管的輸出特性隨溫度變化的漂移相對(duì)其非線性較小，故先校正非線性特性，再對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)被測(cè)物體輻射出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)調(diào)制光敏管轉(zhuǎn)換后變成微弱電壓信號(hào)，再由放大器放大，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果為Vi，測(cè)得環(huán)境溫度為Ti，假設(shè)T1≤Ti≤T2，對(duì)應(yīng)于修正表中的位置查表可以得到：在T1環(huán)境溫度時(shí)處于V1、V2之間，在T2溫度時(shí)處于V1′、V2′之間，分別查表得到光強(qiáng)值P1、P2和P1′、P2′，于是插值得到Pi、Pi′。
P為插值校正后的值，內(nèi)調(diào)制光電探測(cè)器輸出電流I與光強(qiáng)值P成正比，代入公式(5)便可以得到物體的色溫。
雖然選取兩個(gè)接近的波長(zhǎng)作為測(cè)溫儀的工作波段，希望兩個(gè)波長(zhǎng)處的單色輻射率近似相等，使得非黑體的色溫與它的實(shí)際溫度相等。但作為高精度的測(cè)量，仍不能忽視在冶金行業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有某些金屬材料的輻射率隨波長(zhǎng)的增加而減少，即所測(cè)的色溫高于物體的真實(shí)溫度。為了得到更精確的測(cè)量結(jié)果，必須考慮比輻射率的修正?？紤]到實(shí)際被測(cè)物體為非黑體，可以得到：
其中，T為非黑體的色溫，T′為非黑體的實(shí)際溫度。通過(guò)(9)式的修正，可以得到更為精確的結(jié)果。
2.2.2 針對(duì)不同測(cè)溫對(duì)象的模式處理
可以說(shuō)，經(jīng)過(guò)線性補(bǔ)償、環(huán)溫補(bǔ)償以及各種修正的加入后，儀器已經(jīng)能應(yīng)付絕大部分高溫測(cè)量的需要。但在某些特定的應(yīng)用中，仍需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的特殊環(huán)境和要求使測(cè)溫儀能夠更好地適應(yīng)不同的環(huán)境。
(1)連鑄現(xiàn)場(chǎng)鋼板測(cè)量模式：高溫的鋼板上會(huì)有塊狀的氧化層附著，氧化層的溫度相比鋼板的表面溫度要低得多。在生產(chǎn)中需要測(cè)量鋼板表面的溫度，而不是附著在其上的塊狀氧化層的溫度。因此如果不做任何處理，那么測(cè)溫儀的示值與鋼板表面的溫度肯定是不相符的。這種情況下，在DSP的數(shù)字濾波處理程序上必須能夠除掉氧化層的影響。
(2)轉(zhuǎn)爐鋼水溫度測(cè)量模式：程序通過(guò)信號(hào)的檢測(cè)，判斷出轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)工作狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度時(shí)系統(tǒng)開始測(cè)量，在轉(zhuǎn)爐回轉(zhuǎn)之前可以通過(guò)分析信號(hào)準(zhǔn)確得出鋼水的溫度，而不是爐內(nèi)鋼渣等其他干擾物質(zhì)的溫度。將此溫度值保持到下次轉(zhuǎn)動(dòng)爐體出鋼，以便工人記錄操作。由于現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)較大，要求軟件能剔除大量干擾信號(hào)。出鋼時(shí)爐口有大量的煙塵、熾熱的火焰，為得到鋼水的溫度，程序把連續(xù)測(cè)量的溫度值存儲(chǔ)下來(lái)后，利用統(tǒng)計(jì)誤差修正的方法對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到接近真實(shí)情況的溫度值。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
測(cè)溫儀由武鋼溫度計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的高溫黑體輻射爐進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后對(duì)黑體爐的溫度進(jìn)行測(cè)量。在900°C～1700°C的測(cè)量范圍內(nèi)，與黑體爐的比照結(jié)果，測(cè)溫儀的測(cè)量精度在±1°C。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)使用情況看，本雙處理器系統(tǒng)響應(yīng)速度快(響應(yīng)時(shí)間小于15ms)、使用壽命長(zhǎng)、抗電磁干擾、靈敏度高，使用范圍一般為900°C～1700°C，在一定程度上能克服少量的煙霧、水汽和粉塵的影響。