基于GD32F103单片机非接触红外测温仪的设计
2020-08-20任燕芝郑隽鹏郭栋梁
任燕芝,郑隽鹏,张 勇,郭栋梁
(山西大众电子信息集团有限公司,山西 太原 030024)
0 引言
由于军工产品使用环境的多样性和恶劣性，军工产品对显示屏以及电子器件的性能和质量有很高的要求。而产品的可靠性与显示屏、元器件的工作温度和环境温度有很大的关系，工作温度高会加剧老化失效程度，而且如果超过工作温度极限可能会立即失效或失效率急剧增加。例如显示屏，在高温环境下屏幕会出现抖动甚至黑屏、在低温环境下出现响应之后、画面模糊等问题。因此为判断产品的各个器件在不同环境下是否能正常工作，出厂前均必须做温度试验对电子器件进行检验，如高低温试验，存储试验等。但试验时工作人员在试验箱中,尤其是需要在模拟极端温度下采集元器件的温度来说极其的不方便。本文设计的红外测温仪以GD32F103C8T6单片机为核心控制单元，利用红外温度传感器MLX90614采集温度并对测量的温度进行了校准，OLED显示模块来读取温度，并当被测元器件温度超过预设的温度范围值时，报警系统发出滴滴的报警声。实验证明此红外测温仪具有安全性高、快速测温以及精度高等优点。
1 总体设计
本设计主要利用GD32单片机、红外温度传感器以及其它外围设备来实现非接触测温。红外测温的原理是红外温度传感器通过物体发出的红外辐射能量的大小来确定物体的温度[1]。但是，红外温度传感器测量到的温度容易受传感器封装上的温度以及环境温度的影响产生误差。针对这些影响因素，提出了一种温度校准的方法来对其进行校准。该测温仪的系统框图如图1。
图1 测温仪系统框图
2 硬件设计
2.1 主要元器件选型
2.1.1 单片机
本设计从价格以及满足功能需求等方面考虑选用GD32F103C8T6单片机作为系统的核心，该芯片CPU为Arm Cortex-M3，工作电压为0～3.6 V,频率为72 MHz,32K的片内Flash程序存储器，支持的外设有：定时器,ADC,I2C和串口，并具有ISP(在系统编程)和JTAG(在线调试编程)功能。
2.1.2 温度传感器
测量器件的温度传感器选用Melexis公司的红外温度传感器MLX90614，该温度传感器可同时监测传感器封装周围的温度Ta和物体温度To，To测温范围：-40 ℃～+125 ℃，Ta测温范围：-40 ℃～+85 ℃，并且尺寸小，成本低，测量值的分辨率0.02 ℃，高精度校准，输出方式有数字PWM和SMBus接口两种方式[2,3]，本设计采用SMBus接口输出方式。
测量环境温度的温度传感器选用DALLAS公司生产的DS18B20,该温度传感器抗干扰能力强，精度高，测温范围：-55 ℃～+125 ℃，通讯方式为单总线进行数据通信[4]。
2.1.3 OLED屏
显示屏选用中景园公司的2.92吋OLED屏来显示器件的温度，该屏无需背光灯，具有能耗低,亮度高,发光率好以及抗衰性能强的优点。接口有I2C和SPI两种，本设计采用I2C通讯方式。
2.2 原理图
该测温仪硬件总体分为控制芯片和外围设备，其中外围设备包括：测温模块、按键模块、报警模块、显示模块以及晶振电路。具体设计原理图如图2所示。
图2 系统硬件设计原理图
3 软件设计
3.1 温度校准
为提高测量温度的精确度，本设计将测温模块分成两部分，分别采用MLX90614来测量物体温度To以及传感器封装周围的温度Ta和DS18B20来测量环境温度Ttemp。
首先将各温度传感器采集到的温度转换为摄氏度，计算公式分别为：
To=RAM(7h)×0.02-273.15
.
(1)
Ta=RAM(6h)×0.02-273.15
.
(2)
.
(3)
其次计算To和Ttemp,Ta之间的温差，分别为To-Ttemp,To-Ta。又协方差可以衡量两个变量的总体误差，故利用协方差计算出二者所占的权重，计算公式为：
(4)
最后设计温度校准公式为：
T=To+K×(Ta-Ttemp)
.
(5)
3.2 软件程序设计
软件程序的编程环境是Keil uVsion4，编程语言是C语言。该程序主要分为以下几部分：主程序,红外测温程序,DS18B20测温程序,显示程序,报警程序和按键中断程序。其主程序的工作过程是：按下开机键，系统上电开始工作，初始化系统，首先用UP键和DOWN键设置报警值，接着判断测量按键是否被按下，若按下则触发按键中断，在按键中断程序[5]中进行采集和校准温度，并将校准温度后的温度显示在OLED上，同时判断测量的温度是否在报警范围内，若在范围内，绿指示灯亮，否则，红指示灯亮，且蜂鸣器响。系统主程序流程如图3所示。
图3 系统软件流程图
4 结束语
本文设计的非接触式红外测温仪不仅方便于设计人员在高低温试验中检测显示屏和元器材的温度，判断其是否发生故障，也可以稍加改进置于机器内部来实时准确地监控某些对温度要求极高的器件的温度，根据检测到的温度变化来对其进行温度控制，例如显示屏，高低温环境均会影响其显示效果，为使其在高低温下均能正常的显示，通常我们通过采用DS18B20等贴装温度传感器采集到环境温度判断是否需要进行加热或散热。但这种方法采集到的温度为产品内部的环境温度，并且存在一定的误差，并不是某个准确的显示屏的温度。而使用校准后的红外测温仪测温可以获得准确率更高的测温值，可以更好地进行温度控制。总之，本设计可以根据需求对其稍加改进广泛地应用于军工产品。
