摘 要：海温信息采集器是一种以单片机为核心，结合A/D转换、北斗卫星等外部设备，在硬件和软件设备的基础上设计出的智能测温仪。这种仪器开启了一种新型的海温测量方案，即通过红外温度传感器来获取海温信息，将测量的相关数据经过放大器、转换器传输到单片机进行处理，最后得出所需要的数据信息。
关键词：海温信息采集；红外测温；单片机；采集器
1 概述
海温信息采集器是现今普遍采用的测量海温的智能测温仪，主要采用红外线测温技术。自1800年威廉·赫胥尔尝试着用棱镜和温度计对太阳光谱开展实验后，发现了红外线以来，这种技术就成了一种重要的测温手段，并有了高速的发展。同时，红外测温技术在生产过程、能源的节约、产品的质量监测、设备的在线故障诊断和安全保护等方面都发挥了很大的作用，尤其是对运动目标的测温或无法接触表面的测温，有着其他测温技术所无法比拟的优势。
2 海温采集模块硬件设计
2.1 海表温度采集器所具有的性能指标
EVEREST INTERSCIENCE的4000L SERIES红外传感器是常用的海温采集器，它测量温度的精度为±0.5℃，其模拟电压输出特性为10mv/1℃（这意味着把测量温度的分辨率至少设为5mv，才能基本满足测温精度±0.5℃的要求）。所谓海表气温，其温度范围不会超过-20℃～+60℃，也就是量程不会超过80℃，而对应输出电压范围应为-200mv～600mv，总量程为800mv；如果采用10位A/D采样，分辨率可小于1mv，此时，明显小于5mv，然而并不会因采样位数不足、引入新的误差而降低海表温度的测量精度。为了进一步提高精度，海表温度限制在-15℃～45℃范围内，此时，总的测量范围为600mv；若用10位A/D采样，分辨率就可进一步提高，此时每一位代表0.6mv，相当于0.06℃。
2.2 海表温度采集器硬件工作流程及电路总体设计
2.2.1 硬件工作流程
海表温度采集器由红外传感器、AD采集电路、电源和通信模块四个模块组成，其结构示意如图1所示。
图1表明：红外传感器吸收从海表发射出的红外射线，经过处理后，以电压的方式输出红外传感器所探测到的海表的温度；然后通过采集电路对传感器输出的电压进行AD转换，将电压值转换成数字温度值，保存在通信存储器中；最后，经过通信模块将得到的温度值传输到北斗单片机中。当然，各模块的正常工作均需电源模块提供动力。
2.2.2 海温信息采集器电路总体设计
单片机STC15W4K61S4型共有8路10位高速AD转换器，用户可以通过编程，使其速度达到50KHz、75KHz、150KHz和300KHz。可将8路中任意一路设置为AD转换，不需作为AD使用的口可以继续作为IO口使用。
（1）为保护单片机的A/D，在A/D输入端需接入一个双向限幅器（BAT54S），将输入电压严格限制在0～5V范围内。因为单片机的A/D范围是0～5V（电源电压），而红外传感器输出范围（仅考虑-15℃～45℃）为-150mv～+450mv。为了适应单片机A/D范围，需要将红外输出的模拟电压进行放大和电平搬移，放大倍数选择8倍，此时，满量程达到4.8V，接近A/D的满量程范围，这样，可以充分利用A/D的位数。为适应红外传感器的差模输出方式，放大电路芯片选用了AD8221。同时，当放大倍数为8倍时，-15℃～45℃对应的电压输出范围为-1.2V～3.6V，因此，需要用一个+1.2V的高精度参考源（MAX6520），将放大后的海表温度输出结果搬移到0V～4.8V，然后再送至A/D。（2）放大电路芯片（AD8221）有一参考电压输入端，用于将输出进行电平搬移。这种新芯片的放大倍数为8时，对应的放大电阻为7.0571K，由于该电阻为非标准值，且电阻精度一般不高，因此，用一个6.8K的电阻串接一个500欧姆的多圈电位器替代，在电路调试中通过调节该多圈电位器（250欧姆左右），使电阻值精确到计算值。
2.2.3 海表温度采集器硬件功能
海表温度测量主电路包括基准电压采样、红外传感器输出电压采样、数据传输和程序烧写四大功能。（1）为保证单片机的正常运行，单片机工作电压为+5V，然而，基准电压却是+2.5V，它是电压+5V经过MAX6043芯片转换而来的，因此，单片机对此电压采样转换的功能，就是基准电压采样功能。（2）+1.2V参考源MAX6043芯片的功能。MAX6043芯片与电容连接示意图，如图2所示。
使用MAX6043的优点有几个方面：a.电压稳定度高，可以达到0.06%；b.输入电压范围大，+4.5V （3）电路芯片AD8221的放大和提升功能。 AD8221放大器芯片的特点是使用方便，增益可调范围大，外围电路简单，且有很好的温度特性[5]。其功能就是将红外传感器输出的双极电压放大，结合引进的参考电压值，提供给AD转换器。该芯片引脚分布图如图3所示。 从图3中可以看出：2脚和3脚之间连接的电阻值可以调节放大器，使其放大增益；6脚连接的是提高电压值所需的参考电压；5脚和8脚则是放大器所需的工作电压。由此，AD8221芯片和部分外围器件正确连接才能实现放大功能，具体连接方式如图4所示。 式中：+IN：输入的正电压；-IN：输入的负电压；G：放大器放大增益； Vout：输出电压；REF：外部提供的参考电压。 从公式中看出，输出电压的大小是由输入电压的大小来确定（在放大倍数和参考电压值确定后）。由AD8221内部电路图可知：如果需要放大的电压是单极输入的，则将-IN引脚接地即可。AD8221芯片其实就是一类增益可调的放大器，芯片的2.3引脚之间连接固定阻值电阻，用来调节放大倍数。本设计将要放大的增益是8，计算出所要加入电路中的电阻值为RG=7.05K，但它不是标称电阻，因此选用6.8k电阻来和500欧精密可调电位器串联。当然，增益的大小可由下面公式计算而得：
AD8221芯片若想稳定工作，就需要有稳定的双极输入电压，理想工作电压为±10V，所以选择的电压越接近理想电压值，所得到的电压输出的稳定更高，在此选用±12V，此电压是由DC-DC电源模块NSEND的SD05-12D12提供。
（4）参考电源MAX6520芯片设计电路图如图6所示。
该芯片封装SOT-23，温度系数高50ppm/℃，输入电压范围为2.4V-11V，±1%输出稳定度。
（5）限幅器BAT54S芯片是过压保护电路，其内部结构图如图7所示。
根据图7所示，如果引脚电压超过+5V，就会和放大器输出端引脚形成分压电路，保证引脚电压在正常的工作范围内，达到保护单片机的目的。由于AD8221的电压放大倍数较大，如果操作失误或测试输入电压过高，输出电压很可能超过单片机的工作电压+5V，那么在此引脚就会形成电流倒灌现象，这种现象危险性大，既缩短单片机的使用寿命，又可能长时间损害，导致整个电路板不能继续使用。
2.3 单片机电路缺陷及处理技术
STC15W4K61S4单片机A/D的内容电路有一个缺陷：没有参考电源。给单片机供电的通常都是LM 7805类线性电源芯片，其输出精度不高。如电压4.9V，尽管可以支持单片机的数字电路工作，但作为A/D的参考电源，有100mv的误差。因此，这个问题，必须修正变换结果。
技术处理办法：理想状况下，单片机电源电压为5V，采集该值得结果应该为TFFH；如果现在电源电压不是5V，而是有误差，那么在单片机另一端输入一个高精度参考电源，如2.5V，可以解算出电源电压的真实值，再根据真实的电源电压值和另一路A/D采集的温度结果，解算出真实的温度结果。
3 海表温度采集模块软件设计
3.1 电压分辨率计算
海表温度采集器输入系统的海温数据是以10mV/℃的模拟电压数据，要想得到与此电压相对应的海温数据，就需对输入的电压进行AD转换。由于使用的是单片机内部采样，AD数据存储使用的寄存器是保存高8位的寄存器和低2位的寄存器，所以，为了保证采样的精确率，在设计的过程增加了一路参考电压+2.5V作为参考源，把单片机的工作电压分成以210为量阶的数字值保存在寄存器中。例如，单片机工作电压为+5V，那么每一个量阶的电压值（电压分辨率△）的计算方法是：
3.2 STC15W4K61S4单片机电压采样值测算
单片机电压采样设计中，选择了其中两路A/D转换口进行使用，它们是P1.6和P1.7。P1.6引脚连接的是参考电压V1=+2.5V，P1.7引脚连接的是采样电压V2未知。此时设单片机的工作电压为V，则V1的采样值是：
由这一算式可知，C1和C2值在单片机AD转换器中可以直接读取出来，因此就可以算出V2的电压值。
此时得到的V2值是经过放大和搬移后的电压值，而红外传感器输出的模拟电压经过8倍的放大，提高+1.2V以后，才得到现在的V2。因此，实际温度值T由下面的公式计算得出：
值得注意的是，为了使得传输数据不出现负数，这里不进行搬移，协议约定输出电压为真实值加上15°。
3.3 海温采集器红外数据采集模块设计流程图如图8所示。
如图8所示，初始化ADC过程必须保证通道选择ch值为6，即选择第7通道开始采样，待完成后，再让ch++，进入第8通道，然后设定单片机的采样速度。此时的采样速度总共有四种，速度由SPEED1和SPEED0两位共同决定。具体设置如表1所示。
依据表1所示，M值表示采样周期数，在这里，定义为P1.6和P1.7各采样一次，所需要的时间称为一个采样周期。为了减少由于电压的小范围跳动而引进的误差，在软件设计中采用多次采样取平均值的办法，当然此时的采样次数越大越好。但是系统要求的发送频率是1分钟/次，考虑到存取比较大的数值并进行乘除运算必然会影响单片机的运行效率，所以设计中选择的采样最大次数N=400。当采样次数超过或等于N值时，单片机就会计算出这一段时间的温度均值ET，然后等待发送信号到来。如果两次采集次数超过N值，还没有等到发送信号，则新的均值ET就会覆盖掉原来的均值，保证温度值是最近一次采样值。
3.4 AD数据采集存储处理方式
STC15W4K61S4单片机某一通道每次AD转换后得到的数字值存储在两个BYTE型变量的寄存器ADC_RES和ADC_LOW2中，其中ADC_RES保存的是采样值的高8位数据，ADC_LOW2保存的是采样值的低2位数据。所以想得到每次AD转换后的得到的结果是WORD型变量VALUE，必须将两个数值进行处理，处理的方式如图9所示。
从存储结构图中可以看出，数据处理的方法是，首先将ADC_RES存储器的值赋值给VALUE，由于存储规则是左对齐（即从低位对齐）方式，这时候VALUE值的低8位存储的数据是ADC_RES，高8位等于0，然后将VALUE右移两位，与ADC_LOW2相“与”，此时VALUE的值就是一次采集到的AD值。最后根据求均值的方法对多次采样值进行平均，将得到的均值传输到北斗用户机单片机中作为海温的值。
4 结束语
海表温度采集器使用红外测温技术，打破了传统的测温模式，具有反应快、测量精度高、可靠性高、范围测量广以及人为非接触性测量不易破坏的特点。近年来，随着科学技术的提高，我国的红外技术快速发展，红外产品在中国市场上占有相当的优势，红外测温仪的应用将越来越广泛，具备广阔的市场前景和巨大的经济效益。
参考文献
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