一种基于MLX90616的黑体过热保护系统设计

2019-01-30张鹏

电子技术与软件工程 2019年2期

文/张鹏

在黑体升温工作时，温度由专业温控器进行控制，一旦温控器出现故障，温度过热会导致黑体损坏。红外测温技术作为一种快速、便捷、精确、安全的非接触式测温方式，使用红外测温技术对黑体温度进行实时连续监测，在黑体温度偏离到设定的危险区间时切断黑体加热供电，并利用声光进行报警。

本文详细介绍了一种基于MLX90616和单片机的红外测温黑体过热保护系统的设计方案。

1 红外测温原理

所有物体都会发出红外线能量。物体越热，其分子就愈加活跃，目标辐射波长越短，它所发出的红外线能量也就越多。红外测温传感器可以收集来自物体的辐射红外线能量，并把该能量聚焦在探测器上。能量经探测器转化为电信号,被放大、显示出来。由普朗克黑体辐射原理：

A-光学常数

E-辐射出射度

σ-斯蒂芬-波尔兹曼常数

ε1-被测对像的辐射率

ε2-红外温度计的辐射率

T1-被测对像热力学温度K

T2-红外温度计热力学温度K

据以上规律，通过传感器接收到的能量峰值信号，经过单片机即可计算出目标温度。

2 系统总体设计

图1：红外测温黑体过热保护系统原理图

图2：MLX90616结构框图

黑体过热保护系统的温度测量原理的依据是上文介绍的红外线测温原理，主要由数字式集成红外温度传感器、AVR单片机、声光告警单元以及其它外围电路组成，其工作原理框图如图1所示。红外测温黑体过热保护系统和黑体使同一外部电源，当黑体开始加热工作时，保护系统也同时开始工作，AVR单片机采集数字红外温度传感器传出的温度数字信号，与预设的保护温度门限比较，进入保护温度门限后，控制继电器切断黑体电源，同时驱动告警LED闪烁和驱动告警蜂鸣器鸣叫。

2.1 数字式红外测温传感器

传感器采用比利时Melexis公司的MLX90616ESF-HCA，其是一款红外热电堆传感器，具有集成信号调节和电子稳定功能，可在苛刻的环境中实现精确的测量。测量的物体温度范围为-70℃～+1030℃。

MLX90616主要由红外热电堆传感器、低噪声放大器、17位ADC和高性能DSP单元等组成，其结构框图如图2所示。MLX90616的工作流程由内部状态机进行，控制，红外传感器的输出经过低噪声低偏置运算放大器放大后，由17bit的模数转换器将模拟量转换为数字信号，被FIR/IIR滤波器处理后送入DSP进行运算处理得出测量结果放入内部RAM中。外部控制器可以通过SMBus/PWM方式读取内部RAM中的测量结果。

2.2 AVR单片机系统

图3：软件流程图

2.2.1 AVR单片机

AVR单片机采用Ateml公司的Atmega16单片机。该单片机基于AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，具有UART、I2C、SPI、SRAM和512字节EEPROM等丰富的外设。

2.2.2 保护温度设定

本文设计的保护电路是一种通用保护电路，可以根据黑体类型，由上位机通过RS232下发给Atmega16，Atmega16将设定参数存入内部的EEPROM。工作时先从内部的EEPROM中读出设定的保护温度门限参数放入内部SRAM中以便使用。

2.2.3 传感器数据读取

Atmega16通过I2C与MLX90616进行连接，以SMBus协议进行通讯，MLX90616内部存储分为EEPROM和RAM。EEPROM保存MLX90616内部工作参数配置，RAM存放被测物体的温度值。本设计主要根据黑体的发射率对EEPROM中的发射率配置寄存器进行设置，工作时可以从RAM单元07h地址读取测温值，并转换为摄氏温度，公式为：

Tareg：从RAM单元07h地址读取测温值

3 软件程序设计

软件设计采用模块化设计，主要包括：初始化模块，红外温度检测模块、告警模块、定时器中断服务子程序和UART中断服务子程序等，其程序流程如图3所示。初始化模块主要完成通用I/O、定时器、I2C、中断配置等外设进行初始化化设置，并从内部EEPROM中读出保护温度门限参数。红外温度检测模块主要是通过I2C总线按照SMBus协议对MLX90616内部RAM进行读取操作，并按照公式（1）将读出的数值转换为摄氏温度值，并与保护温度门限参数进行比较。告警模块主要是以10Hz的频率驱动告警LED进行闪烁和蜂鸣器鸣叫。定时器定时10ms中断一次，进入中断服务子程序将定时器中断标志置位后退出。UART中断服务子程序主要根据上位机发送的命令和数据判断是否对发射率或保护温度门限参数进行更改并固化。