本專利涉及紅外探測(cè)器組件應(yīng)用技術(shù)，具體指一種基于二極管測(cè)溫的紅外探測(cè)器組件多路溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它適用于制冷型紅外探測(cè)器組件應(yīng)用，本發(fā)明同樣適用于其它采用二極管測(cè)溫的溫度監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。

背景技術(shù)：

紅外探測(cè)器組件在航天航空紅外領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著波長(zhǎng)向長(zhǎng)波擴(kuò)展和探測(cè)靈敏度的提高，紅外探測(cè)器必須在深低溫下才能工作。探測(cè)器工作在低溫環(huán)境時(shí)，其與外部設(shè)備之間多采用真空絕熱隔離。通過(guò)電聯(lián)導(dǎo)線穿過(guò)真空隔層實(shí)現(xiàn)探測(cè)器與外部設(shè)備之間電學(xué)通訊。為了降低紅外探測(cè)器組件的熱功耗，這些探測(cè)器外聯(lián)電學(xué)通訊的導(dǎo)線一般采用熱阻比較大的材料，這樣導(dǎo)致探測(cè)器外聯(lián)電學(xué)通訊的導(dǎo)線電阻也相應(yīng)偏大，為了提高測(cè)溫精度，一般多采用二極管作為測(cè)溫元件。

在紅外探測(cè)器組件應(yīng)用中，需要對(duì)探測(cè)器工作溫度進(jìn)行檢測(cè)。有時(shí)需要對(duì)多個(gè)紅外探測(cè)器組件或一個(gè)紅外探測(cè)器組件的多個(gè)測(cè)溫二極管進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的方法是采用恒流源給測(cè)溫二極管提供一個(gè)特定的偏流，然后采集二極管兩端的電壓，根據(jù)已知的溫度與電壓曲線，通過(guò)查表的方式知道溫度。這顯然不適合長(zhǎng)時(shí)間多路溫度實(shí)時(shí)記錄監(jiān)測(cè)。另外，制冷型紅外探測(cè)器組件內(nèi)測(cè)溫二極管的偏置電流多在25μA－1mA。根據(jù)不同類型的二極管配置不同的恒流源，為了適應(yīng)各類型的紅外探測(cè)器組件的長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)記錄，須要探索一種新方法來(lái)解決這一問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本專利的目的是提供一種基于二極管測(cè)溫的紅外探測(cè)器組件多路溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)如下功能：1)對(duì)測(cè)溫二極管偏流25μA－1mA的連續(xù)可調(diào)；2)多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄；3)根據(jù)內(nèi)置二極管溫度與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系在系統(tǒng)顯示界面實(shí)時(shí)顯示溫度；4)系統(tǒng)具有存儲(chǔ)功能；5)通過(guò)USB接口與外連設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；6)基于簡(jiǎn)潔便攜和減少對(duì)測(cè)溫精度的干擾，采用電池供電和USB供電雙電源供電。

本專利是一種基于二極管測(cè)溫的紅外探測(cè)器組件多路溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括以下幾個(gè)模塊：主控制模塊、電源穩(wěn)壓調(diào)理模塊、溫度采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)回放及時(shí)間校準(zhǔn)按鍵模塊和USB轉(zhuǎn)串口模塊。

主控制模塊采用基于Cortex-M3為核心的微控制器的意法半導(dǎo)體STM32系列，該系列具有豐富的存儲(chǔ)器和各種外設(shè)接口資源，能夠很好的滿足溫度監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

電源穩(wěn)壓調(diào)理模塊采用的是雙電源供電模式，即外接電源模式和電池供電模式根據(jù)實(shí)際的工作情況進(jìn)行切換。為提高測(cè)量精度需要獲得穩(wěn)定電壓，采用穩(wěn)壓芯片來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。將電池電壓采用升壓芯片升壓后再用穩(wěn)壓芯片得到穩(wěn)定的系統(tǒng)工作輸出電壓。

溫度采集模塊為二極管溫度傳感器測(cè)量電路，二極管在紅外探測(cè)器組件中對(duì)于溫度的靈敏度很高，在很大的溫度范圍內(nèi)保持很好的線性關(guān)系。通常是正向偏置，施以恒定電流，當(dāng)溫度變化時(shí)，其正向結(jié)電壓V隨之變化，V與溫度T滿足特定函數(shù)關(guān)系式。

信號(hào)調(diào)理模塊中由傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)通常為微弱信號(hào)，很少能夠直接滿足AD轉(zhuǎn)換輸入電壓的需要。AD的輸入范圍不充分的會(huì)使測(cè)量精度明顯降低。 使用運(yùn)放芯片對(duì)微弱信號(hào)實(shí)施幅度變換與電平移動(dòng)的放大功能以滿足AD輸入電壓的需求。

液晶顯示模塊為液晶顯示，本專利選用的是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器。它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。可以完成圖形及漢字的顯示，構(gòu)成良好的人機(jī)交互圖形界面。

數(shù)據(jù)回放及時(shí)間校準(zhǔn)按鍵模塊是對(duì)按鍵進(jìn)行循環(huán)掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有按鍵按下時(shí)，則進(jìn)入相應(yīng)的按鍵中斷服務(wù)程序，對(duì)數(shù)據(jù)回放和時(shí)間校準(zhǔn)進(jìn)行操作。

USB串口傳送模塊在實(shí)際工程中必不可少，本模塊使用了USB轉(zhuǎn)串口芯片，將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)。

本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法如下：

步驟一：系統(tǒng)上電各模塊初始化；

步驟二：溫度采集模塊采集周圍環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)電壓值，并經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換后將數(shù)字信號(hào)傳輸給主控制模塊進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)溫度數(shù)據(jù)處理；

步驟三：主控制模塊計(jì)算處理后得到溫度數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，同時(shí)將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給液晶顯示模塊動(dòng)態(tài)顯示；

步驟四：主控制模塊對(duì)按鍵進(jìn)行循環(huán)掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有按鍵按下時(shí)，則進(jìn)入相應(yīng)的按鍵中斷服務(wù)程序，對(duì)數(shù)據(jù)回放和時(shí)間校準(zhǔn)進(jìn)行操作。

步驟五：由主控制模塊命令液晶顯示模塊進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)顯示，并通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)顯示監(jiān)測(cè)。

本專利的優(yōu)點(diǎn)：

(1)操作簡(jiǎn)單，智能監(jiān)控、成本低廉；

(2)多路采集溫度，各路偏流可調(diào)，兼容性高，適用范圍廣；

(3)具有電池和USB串口雙模式供電，便攜性強(qiáng)；

(4)采用低壓供電，具有穩(wěn)壓功能，測(cè)溫精度高；

(5)具有溫度超差和電源供電不足自動(dòng)報(bào)警功能。

附圖說(shuō)明

圖1基于二極管測(cè)溫的紅外探測(cè)器組件多路溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖；

圖2主控制模塊電路；

圖3電源穩(wěn)壓調(diào)理模塊電路；

圖4溫度數(shù)據(jù)采集模塊電路；

圖5數(shù)據(jù)調(diào)理信號(hào)模塊；

圖6液晶顯示模塊電路；

圖7數(shù)據(jù)回放/時(shí)間校準(zhǔn)按鍵模塊電路；

圖8 USB串口傳送模塊電路；

圖9多路溫度監(jiān)測(cè)過(guò)程流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本專利的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

如圖1所示，二極管測(cè)溫的紅外探測(cè)器組件多路溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括ARM STM32F101主控制模塊、測(cè)溫二極管溫度傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、電源穩(wěn)壓適配模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)回放/時(shí)間校準(zhǔn)按鍵模塊、USB轉(zhuǎn)串口通信模塊。多路硅測(cè)溫二極管溫度傳感器與信號(hào)調(diào)理模塊連接，將傳感器采集到的電壓數(shù)據(jù)送到信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行放大調(diào)理得到相應(yīng)的電壓信號(hào)。信號(hào)調(diào)理模塊與主控制模塊相連接，將調(diào)理好的電壓信號(hào)傳送到主控制模塊自帶的12位比較器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)據(jù)根據(jù)硅二極管電壓與溫度的關(guān)系式在主控制模塊進(jìn)行運(yùn)算，得出此時(shí)的數(shù)字溫度數(shù)值。再將數(shù)字溫度數(shù)據(jù)在FLASH中進(jìn)行存儲(chǔ)，且將主控制模塊與液晶顯 示模塊相連接。由主控制模塊命令液晶顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字溫度的多路滾動(dòng)顯示。數(shù)據(jù)回放及時(shí)間校準(zhǔn)按鍵模塊與主控制模塊相連接，主控制模塊對(duì)按鍵模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，主控制模塊對(duì)數(shù)據(jù)回放按鍵按下或時(shí)間校準(zhǔn)按鍵按下做出判斷。并根據(jù)按鍵發(fā)出的指令來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和時(shí)間校準(zhǔn)功能的實(shí)現(xiàn)。USB轉(zhuǎn)串口通信模塊與主控制模塊相連接，除了將數(shù)據(jù)在液晶顯示器上進(jìn)行顯示外，還可以將數(shù)據(jù)進(jìn)過(guò)USB串口模塊發(fā)送到上位機(jī)來(lái)進(jìn)行顯示和監(jiān)控。

如圖2所示，主控制模塊電路所采用的主控制模塊為ARM STM32F101。意法半導(dǎo)體公司推出基于ARM的處理器STM32，它以ARM Cortex-M3為內(nèi)核，該內(nèi)核中心效率高，編程簡(jiǎn)單，具有出色的確定中斷行為。STM32F103處理器的主要特點(diǎn)如下：1)低功耗：采用3.3V電壓供電，內(nèi)嵌RTC時(shí)鐘，支持低功耗模式運(yùn)行。2)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)：最大工作頻率72MHZ，內(nèi)有單周期硬件乘法器和除法器。3)存儲(chǔ)空間大：內(nèi)部有64KB的SRAM、256KB的FLASH，支持外部擴(kuò)展。4)外設(shè)資源豐富：有2個(gè)IIC接口、5個(gè)UART接口、3個(gè)SPI接口，還有USB、CAN接口以及80個(gè)GPIO資源。完全滿足時(shí)鐘、看門(mén)狗、按鍵報(bào)警接口的擴(kuò)展。與8位單片機(jī)相比，在結(jié)合高性能、低功耗和低電壓特性的同時(shí)保持高度集成性和簡(jiǎn)易的開(kāi)發(fā)特性。

如圖3所示，電源穩(wěn)壓調(diào)理模塊采用的是雙電源供電模式，即提供了外接電源供電模式和電池供電模式，可以根據(jù)實(shí)際的工作情況進(jìn)行切換。電源供電容易受到元件之間的干擾使得輸出電壓在輸出值附近上下波動(dòng)，對(duì)后續(xù)的電路處理精準(zhǔn)度影響較大。為使得電壓保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，在電源供電模塊采用了MAX14523AATA+芯片來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。MAX14523AATA+是MAXIM公司的一款模擬信號(hào)調(diào)理芯片，是具有可編程的限流開(kāi)關(guān)特點(diǎn)的芯片，導(dǎo)通電阻為70mΩ，輸 入電壓范圍為1.7V-5.5V，限流可調(diào)的范圍為250mA-1.5A,可以獲得穩(wěn)定的輸出值。5號(hào)管腳IN為芯片的電壓輸入端，7號(hào)管腳ON為芯片的使能端口，當(dāng)輸入為高電壓時(shí)，使得芯片正常運(yùn)轉(zhuǎn)，4號(hào)管腳為電源輸出端口，得到理想的輸出穩(wěn)定電壓值。3號(hào)管腳為過(guò)載電流調(diào)節(jié)器，用來(lái)調(diào)節(jié)輸出端口的數(shù)值。將由USB提供的5V電源由MAX14523AATA+的5號(hào)管腳IN輸入，7號(hào)使能端ON接高電平使芯片啟動(dòng)，3號(hào)端SETI在和地之間接一個(gè)300k的保護(hù)電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)端口輸出。4號(hào)端口OUT輸出穩(wěn)定后的5V電壓值。常用電池供電的電壓數(shù)值較小，需要先對(duì)其進(jìn)行升壓處理。TLV61220為是一款專為電池供電產(chǎn)品提供電源解決方案的芯片?？赏ㄟ^(guò)一個(gè)外部電阻分壓器對(duì)輸出電壓進(jìn)行設(shè)定。它是一款6引腳超薄SOT-23封裝。1號(hào)管腳SW為升壓或限流選擇開(kāi)關(guān)，2號(hào)管腳GND為接地端口，3號(hào)管腳EN為使能端口，4號(hào)管腳FB為輸出電壓數(shù)值的反饋管腳，5號(hào)管腳為輸出電壓管腳，6號(hào)管腳為待升壓電源輸入管腳。采用TLV61220升壓轉(zhuǎn)換器將由鋰電池供電的3.7V電壓升高為5V，再將5V電壓輸入MAX14523AATA+得到穩(wěn)定供電的5V電壓源。

如圖4所示，溫度數(shù)據(jù)采集模塊電路采用的是測(cè)溫二極管進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，二極管的溫度靈敏度高，通常是每度數(shù)毫伏，線性度好，可以在很大的溫度范圍內(nèi)保持很好的線性關(guān)系。在測(cè)溫時(shí)，通常是正向偏置，施以恒定電流I₀,工作點(diǎn)在電壓飽和區(qū)，這時(shí)由于電流的不穩(wěn)定而帶來(lái)的測(cè)量誤差較小，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，其正向結(jié)電壓V_F隨之發(fā)生變化，V_F是溫度的函數(shù)，此為二極管加正向偏置電流時(shí)的結(jié)電壓表達(dá)式。在測(cè)溫時(shí)，將測(cè)溫二極管的工作電流固定，I為常數(shù)，即二極管處于恒流源狀態(tài)。此時(shí)二極管的正向結(jié)電壓只與溫度有關(guān)系，這就是二極管測(cè)溫的原理。將在紅外探測(cè)器組件中的二極管 電壓信號(hào)進(jìn)行采集，就可計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的溫度。

如圖5所示，數(shù)據(jù)調(diào)理信號(hào)模塊電路主要應(yīng)用于對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，通常的傳感器的輸出很少能夠直接滿足ADC輸入電壓的需要。如果ADC的輸入范圍不能充分的利用，將損失測(cè)量精度。本電路對(duì)使用運(yùn)放對(duì)信號(hào)實(shí)施幅度變換與電平移動(dòng)，可以滿足ADC輸入電壓的需求。調(diào)理模塊選擇了TI公司的4運(yùn)放組合芯片TLV2474c。該芯片采用CMOS結(jié)構(gòu)，滿擺幅輸入與輸出。其中與二極管相連接的TLV2474c運(yùn)放組成電流源向二極管提供穩(wěn)定的偏置電流，TL431作為參考電壓，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)形式的選擇與實(shí)際電路參數(shù)的估算相符合。

如圖6所示，液晶顯示模塊電路為液晶顯示模塊。本發(fā)明選用的是12864B液晶顯示器，12864是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動(dòng)器和列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示8×4個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字。其顯示分辨率為128×64,利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。

如圖7所示，數(shù)據(jù)回放/時(shí)間校準(zhǔn)按鍵模塊電路，包含了兩個(gè)功能。程序運(yùn)行后，主控制模塊對(duì)按鍵部分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)控到主菜單按鍵SW3在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按下一次時(shí)，進(jìn)入數(shù)據(jù)回放功能。SW5表示數(shù)據(jù)上翻，SW6表示數(shù)據(jù)下查；當(dāng)監(jiān)控到主菜單按鍵SW3在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按下兩次時(shí)，進(jìn)入時(shí)間校準(zhǔn)按鍵模塊電路，再對(duì)按鍵SW4進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按下次數(shù)為一次時(shí)，進(jìn)入調(diào)時(shí)模式，再用SW5和SW6分別實(shí)現(xiàn)時(shí)減和時(shí)加功能。當(dāng)按下次數(shù)為兩次時(shí)，進(jìn)入調(diào)分模式，再用SW5和SW6分別實(shí)現(xiàn)分減和分加功能。當(dāng)按下次數(shù)為三次時(shí)，進(jìn)入調(diào)秒模式，再用SW5和SW6分別實(shí)現(xiàn)秒減和秒加功能。

如圖8所示為USB串口傳送模塊電路。隨著電腦技術(shù)的發(fā)展串口和并口慢慢的在PC上越來(lái)越少。實(shí)際工程中串口是必不可少，一般采用USB轉(zhuǎn)串口芯片來(lái)虛擬一個(gè)串口。本電路使用了USB2.0的FT232RL USB轉(zhuǎn)串口芯片，F(xiàn)T232芯片是FTDI公司的一款出色的USB轉(zhuǎn)USART芯片，可以方便的將USB信號(hào)方便轉(zhuǎn)換成RS-232，RS422，RS485信號(hào)/RS-232，RS422，RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換成USB信號(hào)。FT232R內(nèi)部主要由USB收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、USB協(xié)議引擎、先進(jìn)先出(FIFO)控制器，波特率發(fā)生器、時(shí)鐘乘法器/驅(qū)動(dòng)器、3.3V穩(wěn)壓模塊、內(nèi)部12MHz的振蕩器和通用異步收發(fā)器(UART)控制器等部分組成。對(duì)于與RS232接口部分，UART主要用來(lái)完成RS232接口的串行和并行之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。FT232R提供完整的信號(hào)，使其具有通用性，還可以與除RS232之外的其它通信方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。FT232R內(nèi)部的兩個(gè)雙口FIFO緩沖區(qū)，一個(gè)是128字節(jié)的發(fā)送緩沖器，另一個(gè)是256字節(jié)的接收緩沖器。他們均用于USB數(shù)據(jù)和RS232數(shù)據(jù)的交換緩沖區(qū)，UART FIFO Controller可以用于處理這兩個(gè)緩沖器與UART收發(fā)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸。USB電源帶過(guò)流保護(hù)，采用500MA自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，內(nèi)部集成了晶振和匹配電阻，性能更穩(wěn)定。

如圖9所示為多路溫度監(jiān)測(cè)過(guò)程流程圖。上電后系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行模式，溫度采集模塊等各設(shè)備將初始化。溫度檢測(cè)模塊將進(jìn)行二極管電壓數(shù)據(jù)采集，將采集到的模擬電壓數(shù)據(jù)送入主控制模塊單片機(jī)中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)電壓與溫度的關(guān)系進(jìn)行溫度換算和存貯。將得到的數(shù)字溫度發(fā)送到液晶顯示器去進(jìn)行顯示，且同時(shí)利用USB轉(zhuǎn)串口線將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。程序?qū)Π存I進(jìn)行循環(huán)掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有按鍵按下時(shí)，則進(jìn)入相應(yīng)的按鍵服務(wù)程序，并對(duì)其進(jìn)行處理。本專利的按鍵程序主要是完成菜單功能，對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看以及對(duì)時(shí)間的修改。