任燕芝,鄭雋鵬,張 勇,郭棟梁

(山西大眾電子信息集團(tuán)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(duì)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(huì)加劇老化失效程度，而且如果超過工作溫度極限可能會(huì)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(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)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(gè)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(yàn)對(duì)電子器件進(jìn)行檢驗(yàn)，如高低溫試驗(yàn)，存儲(chǔ)試驗(yàn)等。但試驗(yàn)時(shí)工作人員在試驗(yàn)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(jì)的紅外測(cè)溫儀以GD32F103C8T6單片機(jī)為核心控制單元，利用紅外溫度傳感器MLX90614采集溫度并對(duì)測(cè)量的溫度進(jìn)行了校準(zhǔn)，OLED顯示模塊來讀取溫度，并當(dāng)被測(cè)元器件溫度超過預(yù)設(shè)的溫度范圍值時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出滴滴的報(bào)警聲。實(shí)驗(yàn)證明此紅外測(cè)溫儀具有安全性高、快速測(cè)溫以及精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要利用GD32單片機(jī)、紅外溫度傳感器以及其它外圍設(shè)備來實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)溫。紅外測(cè)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(cè)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(duì)這些影響因素，提出了一種溫度校準(zhǔn)的方法來對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。該測(cè)溫儀的系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 測(cè)溫儀系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主要元器件選型

2.1.1 單片機(jī)

本設(shè)計(jì)從價(jià)格以及滿足功能需求等方面考慮選用GD32F103C8T6單片機(jī)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(chǔ)器，支持的外設(shè)有：定時(shí)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(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)傳感器封裝周圍的溫度Ta和物體溫度To，To測(cè)溫范圍：-40 ℃～+125 ℃，Ta測(cè)溫范圍：-40 ℃～+85 ℃，并且尺寸小，成本低，測(cè)量值的分辨率0.02 ℃，高精度校準(zhǔn)，輸出方式有數(shù)字PWM和SMBus接口兩種方式[2,3]，本設(shè)計(jì)采用SMBus接口輸出方式。

測(cè)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(qiáng)，精度高，測(cè)溫范圍：-55 ℃～+125 ℃，通訊方式為單總線進(jìn)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。接口有I2C和SPI兩種，本設(shè)計(jì)采用I2C通訊方式。

2.2 原理圖

該測(cè)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(cè)溫模塊、按鍵模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊以及晶振電路。具體設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度校準(zhǔn)

為提高測(cè)量溫度的精確度，本設(shè)計(jì)將測(cè)溫模塊分成兩部分，分別采用MLX90614來測(cè)量物體溫度To以及傳感器封裝周圍的溫度Ta和DS18B20來測(cè)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(jì)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(jì)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?jī)蓚€(gè)變量的總體誤差，故利用協(xié)方差計(jì)算出二者所占的權(quán)重，計(jì)算公式為：

(4)

最后設(shè)計(jì)溫度校準(zhǔn)公式為：

T=To+K×(Ta-Ttemp)

.

(5)

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

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(cè)溫程序,DS18B20測(cè)溫程序,顯示程序,報(bào)警程序和按鍵中斷程序。其主程序的工作過程是：按下開機(jī)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(bào)警值，接著判斷測(cè)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(jìn)行采集和校準(zhǔn)溫度，并將校準(zhǔn)溫度后的溫度顯示在OLED上，同時(shí)判斷測(cè)量的溫度是否在報(bào)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(jì)的非接觸式紅外測(cè)溫儀不僅方便于設(shè)計(jì)人員在高低溫試驗(yàn)中檢測(cè)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(jìn)置于機(jī)器內(nèi)部來實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控某些對(duì)溫度要求極高的器件的溫度，根據(jù)檢測(cè)到的溫度變化來對(duì)其進(jìn)行溫度控制，例如顯示屏，高低溫環(huán)境均會(huì)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(jìn)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(gè)準(zhǔn)確的顯示屏的溫度。而使用校準(zhǔn)后的紅外測(cè)溫儀測(cè)溫可以獲得準(zhǔn)確率更高的測(cè)溫值，可以更好地進(jìn)行溫度控制?？傊驹O(shè)計(jì)可以根據(jù)需求對(duì)其稍加改進(jìn)廣泛地應(yīng)用于軍工產(chǎn)品。