【摘要】本文利用光纤探头提取光信号经过光纤传输通过一个由步进电机带动的、装有两个波段不同的窄带干涉滤波片的双色调制盘先后进行光电转换、放大、滤波送入模数转换单元A/D1674、把转换成的数字信号送入单片机系统AT89C51进行信号的处理并将处理后的数字信号输出、显示。
【关键词】比色法;光电转换;光纤;单片机
1.引言
温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产过程中测控的重要参数之一。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关大多数生产过程均是在一定温度范围内进行的。温度过高或过低都会对产品的质量和产量造成影响，甚至还会使产品报废、设备损坏。因此，在国防、军事、科学实验及工农业生产过程中，温度的测量和控制具有十分重要的作用。尤其在航天、材料、能源、冶金、化工等领域中，高温测量占有极重要的地位。本课题就是针对钢水连续测温并结合实际的测温环境，研制一种基于单片机系统的钢水温度测量仪。
2.测量原理
整个系统工作过程为：被测物体表面发出的辐射能，经透镜祸合到探头的光纤断面上，经光纤传输双色调制盘处，并经光电探测器前后经过调制盘的两路波长不同光信号变成电压信号，把该信号进行放大、滤波，经A/D转换，送入单片机进行处理，计算出被测物体温度并完成非线性校正，并控制显示器输出测得温度。
图1 系统总体方案图
通过测量被测物体在两个不同波长上光谱辐射力的比值中仪并经其光谱发射率校正后确定物体的温度。如某物体在温度T时，它的辐射能量随波长分布曲线大致和温度为的黑体的分布相同，则为该物体的色温度。由于分布大致相同，所以该物体发出的光颜色和在温度为的黑体的颜色很接近。所谓能量分布相同，也就是物体的辐亮度的最高峰值及其左右两不同波长处的辐亮度比值和黑体的相应各波长的辐亮度的比值相等。即应有下列关系：
（1）
假设辐射体是朗伯体，利用近似公式可得到：
（2）
因此，对于某辐射体，若已知在同一温度下这两个波长的发射率比值，即可以从色温度求得它的实际温度。
3.电路设计
3.1 光-电转换电路
（3）
式中为运算放大器输出端的电压;为光电二极管产生的光电流;为运算放大器的反馈电阻;S为光电二极管的光电灵敏度;E为光照度。如图2所示。
本课题选用了IGT1010.5的技术参数硅光电二极管，其结电容=1.1pf，等效电阻=160KΩ，响应度为0.5。由图2.1可知，在无RC网络的情况下，其高频截止频率为：
（4）
上式说明光电转换电路的高频截至频率很高，满足频带要求，可以尽量加大反馈电阻以提高信噪比。本课题选取反馈电阻Rf=10MΩ。查阅相关资料考虑到大约1200度的钢水辐射出来的光投射到硅光电二极管的光功率大约为10纳瓦，因此光电转换电路的输出电压约为：=50Mv。
3.2 运算放大电路
系统的放大电路，主要任务就是为了放大电压，并要求放大后的电压值和A/D转换器的量程相匹配。鉴于OP07的种种优势，放大器选择了高精度型运放OPO7。如图3所示。
图2 光电转换电路图
图3 放大器电路图
图4 低通滤波电路
集成运算放大器选择高精度型运放OP07，OP07是一种超低失调的集成运算放大器。其特点是：失调及其漂移小，差模电压放大倍数高，共模抑制比和电源电压抑制比高，输入电阻大，输入偏置电流小等。OPO7的特性参数如下：（1）输入失调电压小于0.06mV;（2）输入失调电流小于0.8nA;（3）输入偏置电流小于2nA;（4）失调电压温度系数小于0.7μV/℃;（5）共模抑制比大于110dB;（6）输入电阻大于3.1×107Ω。
3.3 滤波电路
由于精密放大器输出的信号电压无需再放大，低通滤波器只起滤波作用，故应该使（开路）即可满足这一要求。为了便于设计，令，由式（4）可知，而：
（5）
本系统采用的二阶低通滤波器电路其截止频率，其增益，在低通滤波器中R取11kΩ，取0.2μF。则滤波电路如图4所示。
3.4 模数转换电路
模数转换器能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息，简称为A/D转换器。本设计中选用AD1674为模数转换器的转换芯片，是AD574A/AD674A的换代产品，与AD574A/AD674A的芯片引脚应用特性及诸方面的功能完全兼容，主要有如下特点：
（1）为12位逐次逼近式ADC，转换速度仅为10μs，适合在高精度快速采样系统中使用。片内集成了转换时钟、参考电压源和三态输出锁存器，使用方便，可与微机直接接口，无需外接时钟。
（2）输入模拟电压既可以是单极性也可以是双极性，单极性输入时为0～+10V;双极性输入时为土5V或±10V之间。该芯片自带采样保持器，可直接与被转换的模拟信号相连。
AD1674有双极性和单极性两种接法，在该设计中，AD1674连接成单极性输入电路，输入电压为，输出数字量为无符号二进制码，计算公式为：
（6）
式中为输入模拟电压，为满量程输入电压，在此设计中。系统的分辨率为：
（7）
图5 AD1674的外围连接图
图6 键盘控制程序流程图
这个管脚为低电平时与A0配合，把12位数据分两次输出，这个管脚为高电平时12位并行输出，鉴于选用的单片机的特点，我们将采用该管脚与A0配合使用，分两次输出，及把该管脚接地，直接置于低电平;A0和这两条控制线决定进行12位还是8位A/D转换，将A0与74LS373地址锁存器的Q0相连地址线相连（也即通过地址锁存器74LS373扩展的单片机P0口的Al）;控制线STS为转换状态输出线，STS为高电平时表示A/D处于转换状态，为低电平时表示转换完成，本设计中STS悬空，采用延时方式等待A/D转换结束。AD1674的工作状态由CS、CE、A0、、五个控制信号决定。即A/D1674的入口地址为：9FFCH。同样的办法推出转换的高8位地址为：9FFEH，低四位地址为9FFFH。
4.软件
4.1 主程序设计
系统主程序设计要充分考虑主程序完成的功能，把系统的各个子模块串联起来。本系统的主程序设计主要完成系统初始化、设定中断优先级以及判断调用各子程序模块，即主要实现各子程序模块的连接。如图6所示。
4.2 数据采集子程序
该子程序功能是把由光电转换、放大后的模拟信号转换为数字信号，并把转换后的数字信号储存到数据存储器中，等待下一个数据的采集。主要完成的功能有启动A/D转换器、延时等待A/D转换器转换结束， 读取转换后的数据并将其存入RAM等。A/D转换结果的读入采用查询方式，12位的转换结果需要两次读取，然后拼接成12位的结果。启动AD1674转换为一独立函数，调用 此函数可得转换结果。
4.3 数据处理子程序
现数据非线性处理，国内外许多学者提出多种方法，并得到广泛应用，传统方法归纳起来可分两类：一类是公式法，即以实验数据为基础，用最小二乘等系统辨识方法求取拟合曲线参数，建立校正曲线的解析表达式;另一类是表格法，以查表为手段，通过分段线性化来逼近传感器的非线性特性曲线。这里准备采用表格法。它是根据精度要求对反非线性曲线进行分段，用若干段折线逼近曲线，将折点坐标存入数据表中，测量时首先要明确对应输入段的斜率进行线性插值，即得输出值。预先通过实验校准，将传感器A/D采样的输入和实际的值比较，将结果存入存储器中，对应每一个输入相应查表得到一个输出。
5.结果分析
经过系统软硬件调试后进行实验。我们初步验证了光强和电压的关系，即光强大电压值大，光强弱电压值小。实验实现的方式为：我们又单独设计了一个普通的适合于实验条件下利用红外光敏晶体管实现光电转换模块，利用一个教学激光笔做为代用光源与一个滑动变阻器相串联，通过改变滑动变阻器的阻值来控制光的强弱。改变阻值进行了多组的测试。验证了光强和光电转换输出的电压值的近似线性的关系。采用比色法测量不但可以消除单路测量中辐射系数`的影响，对于静态温度测量，由于光源辐射比较稳定，系统测量重复性达到了很好效果，系统的测量误差。其误差来源主要是波长匹配参数的选择，光电探测器的测量误差。
参考文献
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作者简介：张振涛（1984—），男，河北唐山人，吉林化工学院助教，主要从事信号检测、虚拟仪器等方面的研究。