基于GD32F103單片機非接觸紅外測溫儀的設(shè)計

任燕芝,鄭雋鵬,張 勇,郭棟梁

(山西大眾電子信息集團有限公司,山西 太原 030024)

0 引言

由于軍工產(chǎn)品使用環(huán)境的多樣性和惡劣性，軍工產(chǎn)品對顯示屏以及電子器件的性能和質(zhì)量有很高的要求。而產(chǎn)品的可靠性與顯示屏、元器件的工作溫度和環(huán)境溫度有很大的關(guān)系，工作溫度高會加劇老化失效程度，而且如果超過工作溫度極限可能會立即失效或失效率急劇增加。例如顯示屏，在高溫環(huán)境下屏幕會出現(xiàn)抖動甚至黑屏、在低溫環(huán)境下出現(xiàn)響應(yīng)之后、畫面模糊等問題。因此為判斷產(chǎn)品的各個器件在不同環(huán)境下是否能正常工作，出廠前均必須做溫度試驗對電子器件進行檢驗，如高低溫試驗，存儲試驗等。但試驗時工作人員在試驗箱中,尤其是需要在模擬極端溫度下采集元器件的溫度來說極其的不方便。本文設(shè)計的紅外測溫儀以GD32F103C8T6單片機為核心控制單元，利用紅外溫度傳感器MLX90614采集溫度并對測量的溫度進行了校準，OLED顯示模塊來讀取溫度，并當(dāng)被測元器件溫度超過預(yù)設(shè)的溫度范圍值時，報警系統(tǒng)發(fā)出滴滴的報警聲。實驗證明此紅外測溫儀具有安全性高、快速測溫以及精度高等優(yōu)點。

1 總體設(shè)計

本設(shè)計主要利用GD32單片機、紅外溫度傳感器以及其它外圍設(shè)備來實現(xiàn)非接觸測溫。紅外測溫的原理是紅外溫度傳感器通過物體發(fā)出的紅外輻射能量的大小來確定物體的溫度[1]。但是，紅外溫度傳感器測量到的溫度容易受傳感器封裝上的溫度以及環(huán)境溫度的影響產(chǎn)生誤差。針對這些影響因素，提出了一種溫度校準的方法來對其進行校準。該測溫儀的系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 測溫儀系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 主要元器件選型

2.1.1 單片機

本設(shè)計從價格以及滿足功能需求等方面考慮選用GD32F103C8T6單片機作為系統(tǒng)的核心，該芯片CPU為Arm Cortex-M3，工作電壓為0～3.6 V,頻率為72 MHz,32K的片內(nèi)Flash程序存儲器，支持的外設(shè)有：定時器,ADC,I2C和串口，并具有ISP(在系統(tǒng)編程)和JTAG(在線調(diào)試編程)功能。

2.1.2 溫度傳感器

測量器件的溫度傳感器選用Melexis公司的紅外溫度傳感器MLX90614，該溫度傳感器可同時監(jiān)測傳感器封裝周圍的溫度Ta和物體溫度To，To測溫范圍：-40 ℃～+125 ℃，Ta測溫范圍：-40 ℃～+85 ℃，并且尺寸小，成本低，測量值的分辨率0.02 ℃，高精度校準，輸出方式有數(shù)字PWM和SMBus接口兩種方式[2,3]，本設(shè)計采用SMBus接口輸出方式。

測量環(huán)境溫度的溫度傳感器選用DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20,該溫度傳感器抗干擾能力強，精度高，測溫范圍：-55 ℃～+125 ℃，通訊方式為單總線進行數(shù)據(jù)通信[4]。

2.1.3 OLED屏

顯示屏選用中景園公司的2.92吋OLED屏來顯示器件的溫度，該屏無需背光燈，具有能耗低,亮度高,發(fā)光率好以及抗衰性能強的優(yōu)點。接口有I2C和SPI兩種，本設(shè)計采用I2C通訊方式。

2.2 原理圖

該測溫儀硬件總體分為控制芯片和外圍設(shè)備，其中外圍設(shè)備包括：測溫模塊、按鍵模塊、報警模塊、顯示模塊以及晶振電路。具體設(shè)計原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖

3 軟件設(shè)計

3.1 溫度校準

為提高測量溫度的精確度，本設(shè)計將測溫模塊分成兩部分，分別采用MLX90614來測量物體溫度To以及傳感器封裝周圍的溫度Ta和DS18B20來測量環(huán)境溫度Ttemp。

首先將各溫度傳感器采集到的溫度轉(zhuǎn)換為攝氏度，計算公式分別為：

To=RAM(7h)×0.02-273.15

.

(1)

Ta=RAM(6h)×0.02-273.15

.

(2)

.

(3)

其次計算To和Ttemp,Ta之間的溫差，分別為To-Ttemp,To-Ta。又協(xié)方差可以衡量兩個變量的總體誤差，故利用協(xié)方差計算出二者所占的權(quán)重，計算公式為：

(4)

最后設(shè)計溫度校準公式為：

T=To+K×(Ta-Ttemp)

.

(5)

3.2 軟件程序設(shè)計

軟件程序的編程環(huán)境是Keil uVsion4，編程語言是C語言。該程序主要分為以下幾部分：主程序,紅外測溫程序,DS18B20測溫程序,顯示程序,報警程序和按鍵中斷程序。其主程序的工作過程是：按下開機鍵，系統(tǒng)上電開始工作，初始化系統(tǒng)，首先用UP鍵和DOWN鍵設(shè)置報警值，接著判斷測量按鍵是否被按下，若按下則觸發(fā)按鍵中斷，在按鍵中斷程序[5]中進行采集和校準溫度，并將校準溫度后的溫度顯示在OLED上，同時判斷測量的溫度是否在報警范圍內(nèi)，若在范圍內(nèi)，綠指示燈亮，否則，紅指示燈亮，且蜂鳴器響。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的非接觸式紅外測溫儀不僅方便于設(shè)計人員在高低溫試驗中檢測顯示屏和元器材的溫度，判斷其是否發(fā)生故障，也可以稍加改進置于機器內(nèi)部來實時準確地監(jiān)控某些對溫度要求極高的器件的溫度，根據(jù)檢測到的溫度變化來對其進行溫度控制，例如顯示屏，高低溫環(huán)境均會影響其顯示效果，為使其在高低溫下均能正常的顯示，通常我們通過采用DS18B20等貼裝溫度傳感器采集到環(huán)境溫度判斷是否需要進行加熱或散熱。但這種方法采集到的溫度為產(chǎn)品內(nèi)部的環(huán)境溫度，并且存在一定的誤差，并不是某個準確的顯示屏的溫度。而使用校準后的紅外測溫儀測溫可以獲得準確率更高的測溫值，可以更好地進行溫度控制?？傊驹O(shè)計可以根據(jù)需求對其稍加改進廣泛地應(yīng)用于軍工產(chǎn)品。