Thành phần tổng thể của nhiệt kế hồng ngoại dựa trên máy vi tính chip đơn STM32

Do hệ thống này cần đo nhiệt độ bề mặt của vật thể có nhiệt độ cao, nên nó áp dụng sơ đồ đo nhiệt độ so màu, sử dụng đặc tính tỷ lệ của bức xạ đơn sắc của cùng một vật dưới hai bước sóng thay đổi theo nhiệt độ theo nguyên tắc đo nhiệt độ của nó . Cấu trúc của nhiệt kế hồng ngoại được thể hiện trong Hình 1. Nó chủ yếu bao gồm hệ thống quang học, đầu dò hồng ngoại, xử lý tín hiệu và đầu ra màn hình. Hệ thống quang học hoàn thành việc thu thập ánh sáng và xác định trường nhìn. Máy dò hồng ngoại được sử dụng để chuyển đổi năng lượng hồng ngoại tập trung vào máy dò thành tín hiệu điện, được khuếch đại và lọc để điều hòa tín hiệu, sau đó được gửi đến vi điều khiển để chuyển đổi tương tự sang số. Và xử lý tín hiệu, và cuối cùng sau khi bù nhiệt độ và hiệu chuẩn, nó được chuyển đổi thành nhiệt độ của mục tiêu đo được và hiển thị trên màn hình LCD.

1. Vi điều khiển STM32

    Sê-ri STM32 dựa trên lõi ARM Cortex-M3 được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng nhúng yêu cầu hiệu suất cao, chi phí thấp và tiêu thụ điện năng thấp. Với bộ nhớ Flash tốc độ cao 512 KB, nó tích hợp ba ADC 12 bit, một DAC 12 bit 2 kênh và lên đến 11 bộ hẹn giờ, trong đó có hai bit 16 bit với điều khiển vùng chết và phanh khẩn cấp , Bộ đếm thời gian điều khiển tiên tiến PWM cho điều khiển động cơ. Sử dụng bộ điều khiển này để nhanh chóng thực hiện các tác vụ xử lý dữ liệu như lọc kỹ thuật số và bù nhiệt độ.

2. Hệ quang

    Phần này sử dụng hệ thống Newton điển hình trong hệ thống quang phản xạ. So với tổn thất năng lượng ánh sáng truyền qua và phản xạ truyền, hệ thống này không có quang sai màu, cấu trúc đơn giản và xử lý dễ dàng.

3. Thiết kế đầu dò và chopper

    Hệ thống này sử dụng cảm biến nhiệt điện. Các thành phần cốt lõi của cảm biến nhiệt điện hiện tại - vật liệu nhiệt điện chủ yếu bao gồm chì zirconate titanate PZT, barium strontium titanate (BST) và chì tantalum scandate (PST), v.v. Sự lựa chọn ở đây là sử dụng màng BST. So với thân điện, màng nhiệt điện có ưu điểm là trọng lượng nhỏ và nhẹ, độ phân giải cao, phản ứng nhanh và tương thích với công nghệ vi điện tử, vì bức xạ thu được rất yếu và bộ khuếch đại DC Không có điểm trôi, do đó, năng lượng bức xạ phải được điều chế trước khi tín hiệu bức xạ đến cảm biến để biến nó thành tín hiệu xen kẽ. Đĩa điều chế ngành được sử dụng trong hệ thống này điều khiển động cơ bước với tín hiệu sóng vuông với chu kỳ nhiệm vụ 50% được tạo bởi cổng đầu ra PA8 của bộ điều chế độ rộng xung STM32.

4. Điều hòa tín hiệu

    Mạch khuếch đại tín hiệu được chia thành mạch tiền khuếch đại và mạch sau khuếch đại. Đặc biệt là con số tiếng ồn của bộ tiền khuếch đại có ảnh hưởng quyết định đến tiếng ồn của toàn bộ hệ thống phát hiện. Bộ khuếch đại được sử dụng trong thiết kế này là OP07 do MAXIM sản xuất tại Hoa Kỳ. OP07 là bộ khuếch đại hoạt động bù cực thấp (thường khoảng 10 μV). Trở kháng đầu vào chế độ chung của nó có thể đạt tới 200 M, và trở kháng đầu ra chỉ 60, có thể đáp ứng Nhu cầu thiết kế hệ thống. Do phạm vi tín hiệu đầu vào của bộ chuyển đổi A / D STM32 là 0-3,3 V, nên cần phải chọn độ phóng đại phù hợp để điện áp đầu ra tương ứng trong quá trình đo nhiệt độ cao nhất nằm trong 3,3 V.

    Khi tín hiệu được khuếch đại bởi bộ khuếch đại, nhiễu băng thông rộng của nó là tương đối lớn. Do đó, bộ lọc thông dải được thêm vào giữa bộ tiền khuếch đại và bộ khuếch đại sau để khử nhiễu băng thông rộng và cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu. Tuy nhiên, băng thông của bộ lọc thông dải phải được làm rộng hơn, nếu không, khi nhiệt độ thay đổi, phổ tần số của tín hiệu sẽ dễ dàng bị lệch khỏi dải thông của bộ lọc và gây ra lỗi đo. Theo nhu cầu của hệ thống này, hệ thống này sử dụng bộ lọc thông dải loại thứ hai Butterworth với tần số trung tâm là 100 Hz và băng thông khoảng 20 Hz.

5. Mạch dò

    Bộ phát hiện loại công tắc điện tử được sử dụng trong thiết kế của bài viết này. So với bộ phát hiện loại số nhân tương tự, nó có ưu điểm là mạch đơn giản, độ chính xác cao hơn, tốc độ chạy nhanh và không có phi tuyến.

6. Đơn vị bù nhiệt độ

    Do ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, hệ thống cần phải được bù nhiệt độ. Hệ thống này sử dụng cảm biến nhiệt độ tích hợp AD592, một cảm biến nhiệt độ tích hợp hiệu suất cao của công ty AD tại Hoa Kỳ. Nó có độ chính xác cao, lỗi phi tuyến nhỏ và phạm vi đầu vào. Khoan hồng và những lợi thế khác. Điện trở R2 có thể điều chỉnh trong hệ thống được sử dụng để hiệu chỉnh điện áp đầu ra V2, khi nhiệt độ môi trường bằng 0, điện áp đầu ra V2 là 0; R5 được sử dụng để hiệu chỉnh hệ số nhiệt độ. Sau khi hiệu chuẩn, điện áp đầu ra V2 là sản phẩm của hệ số nhiệt độ và nhiệt độ môi trường xung quanh, được kết nối với cổng ADC PC0 của STM32.

7. Bộ chuyển đổi analog / kỹ thuật số

    STM32 có 3 bộ chuyển đổi analog / kỹ thuật số 12 bit (ADC) tích hợp, mỗi ADC có tới 21 kênh bên ngoài, có thể thực hiện chuyển đổi quét một lần hoặc quét. Trong chế độ quét, nhóm tương tự được chọn Chuyển đổi trên đầu vào. Phạm vi đo của bộ chuyển đổi A / D của nó là 0 ~ 5 V. Vì tần số hoạt động của hệ thống này là 150 Hz, lấy mẫu 10 lần mỗi chu kỳ, do đó tốc độ chuyển đổi ADC được đặt thành 1,5 kHz và cổng PC1 được sử dụng trong hệ thống để lấy mẫu điện áp.

8. Đơn vị đầu vào và đầu ra

    STM32 có tới 80 cổng I / O hai chiều đa chức năng, do đó, 5 phím độc lập có thể được sử dụng khi thiết kế bàn phím, bật nguồn, chuyển đổi nhiệt độ Celsius và Fahrenheit, hiệu chỉnh phát xạ và phím hiển thị đèn nền. Màn hình LCD sử dụng tinh thể lỏng dạng ký tự. NT7502 cho thấy bộ vi xử lý gửi dữ liệu / lệnh tới NT7502 thông qua giao diện nối tiếp 8 bit và sử dụng GPIO để nhận ra tín hiệu thời gian điều khiển đọc và ghi của LCD, hoàn thành điều khiển hoạt động của LCD và có thể được sử dụng để hiển thị giá trị của nhiệt độ môi trường.