一种便携式颜色温度测量系统设计

2019-04-28 版权声明 举报文章

一种便携式颜色温度测量系统设计

【摘 要】本文介绍了一种基于TCS230数字化芯片的便携式颜色测温系统。给出了以MSP430单片机为核心依据热辐射理论, 并结合三基色原理设计一种低功耗、便捷的测温系统的设计方法。

【关键词】TCS230;单片机;三基色法;温度测量

0 引言

高温测量是冶金工业中一项常见工作,目前多采用接触式测量方法。由于接触式温度测量方法具有自身的局限性使测温效率不高,因此,对测温方法的研究和改进具有十分重要的实际意义。辐射测温方法通过测量物体的辐射来反演温度,其具有接触式测量法所不具备的诸多优点。其中,颜色法测温是通过物体在可见光波段内的辐射信息—颜色来测量温度。由于物体在高温下会产生发光现象,其颜色反映了物体自身的温度,因此可以通过定量测量物体的发光颜色特征信息来反演物体的温度。本文设计了一种基于数字式颜色传感器和低功耗单片机的颜色法测温系统,并简要地介绍了系统硬软件的设计方法。

1 温度测量原理

辐射测温方法是通过测量物体的热辐射来反演其温度,其中颜色测温则是通过测量物体在可见光波段内的辐射信息(即颜色)来反演温度。在可见光谱范围内,不同波长的辐射使人眼感知到不同颜色。随着温度的升高及辐射能量增加,辐射光谱逐渐地往短波方向移动。当物体温度升至700℃左右时,辐射光谱开始包含可见光谱的红光部分;温度达到800℃时就开始出现“红热”,随后又逐渐变橙色、变亮黄色;当加热至3000℃左右时,这时物体呈现白热化。以上现象清楚地说明了高温物体的颜色确实与其温度存在着某种对应关系,因此可以把高温物体的颜色作为一种测温依据[1-2]。辐射测温中,物体在高温时会产生彩色光,因此选用辐射测量传感器。目前对可见光辐射的测量,常选用硅光电器件作为传感器,其光谱响应是波长的连续函数,响应波长范围为400~1200纳米,基本涵盖了380~780纳米的可见光范围。本课题选用的辐射测量传感器是颜色传感器TCS230[3]。TCS230是TAOS(Texas Advanced Optoelectronic Solutions)公司于最新推出的可编程RGB彩色光/频率转换器[3]。当入射光投射到TCS230上时,通过两个引脚S2、S3的不同组合,依次选通R、G、B三种滤波器,从而得到三种不同频率的方波,三个频率值对应RGB三基色的三个光R、G、B,再求解上述方程组,就可算出待测温度。这就是三基色测温原理[4]。

2 硬件设计

系统大致可分为4部分:

1)测量部分:被测高温物体和传感器,实现对颜色信息的采集;

2)MSP430单片机,主要是完成采集后数据的后续计算处理及系统的主题控制;

3)通讯部分:微处理器通过RS232串口将数据传送至PC端进行采集和显示;

4)电源部分:为系统各模块提供合适的工作电压。

该测温系统的硬件原理图如图1所示。

2.1 单片机的硬件实现

MCU芯片是本课题硬件系统的核心,起着控制、协调系统各个部分进行工作的作用。MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor),称之为混合信号处理器,主要是由于其针对实际应用需求,把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上,以提供“单片”解决方案[5]。MSP430系列的单片机是16位单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模糊指令;大量的寄存器以及片内数据寄存器都可以参加多种运算;还有高效的查表处理指令;有较高的处理速度,一个时钟周期可以执行一条指令。MSP430在8MHZ晶振工作时,指令速度可达8MIPS。以上这些特点都是编写出高效率源程序的保证。

2.2 颜色传感器的硬件实现

TCS230是TAOS(Texas Advanced Optoelectronic Solutions)公司于最新推出的可编程RGB彩色光/频率转换器[6]。TCS230与以前的颜色传感器相比具有许多优良的新特性,比如其输出占空比为50%的方波,能够驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入,可直接微处理器或与其它逻辑电路相连接。由于TCS230不再经过A/D转换电路直接与微处理器相连,这样大大减少了电路的复杂性,同时还免去由于A/D转换而引起的测量误差。

TCS230在单一芯片上共集成4组8*8列光电二极管,其中16个光电二极管带有红色滤波器,16个光电二极管带有绿色滤波器,16个光电二极管带有蓝色滤波器,其余16个不带任何滤波器,可以透过全部的光信息[6]。当入射光投射到TCS230上时,通过两个引脚S2、S3的不同组合,可依次选通R、G、B三种滤波器,从而获得三种不同频率的方波,三个频率值分别对应RGB三基色的三个光强。通过这三个值,就可以分析投射到TCS230传感器上光的颜色。

2.3 通讯部分的硬件实现

单片机与PC之间可以通过串行口实现通信。PC串行口采用的EIA-RS-232C标准的电平和逻辑关系与单片机的TTL电平和逻辑关系是不同的。RS-232C标准的逻辑电平对地是对称的,逻辑“0”电平规定为+3V~+15V之间,逻辑“1”电平为-3V ~-15V之间,TTL电平的逻辑“1”和“0”分别为2.4V和0.4V。由于RS-232C与TTL各自规定了自己的电气标准,互不兼容,因此RS-232与TTL电路接口时需进行电平转换。RS-232C是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行通信接口标准。RS232链路可以将通讯双方在15米以内有效连接。RS-232C总线标准规定了21个信号和25个引脚,包括一个主通道和一个辅助通道。尽管辅助通道也可以用于串口通信,但速率低,很少用,因而在多数情况下主要使用主通道。

完整的RS-232C接口采用标准的25芯插头,对于一般的双工通信,常用9芯插头,只需几条信号线就能实现,最简单的通讯方式仅需3条信号引线,分别为接收线(RXD)、发送线(TXD)和地线(GND)。单片机应用系统中一般采用三线连接方式[7]。

2.4 电源模块的实现

电源模块在电子电路系统中占有非常重要的作用,电源的优劣直接影响系统的工作状态。在整个硬件系统中,需使用到3V与5V两种稳定的电源。综合考虑电路的功耗、布线的简易,电压的稳定等,本系统的设计电源方案如下:

1)电路板进线总电源采用3V,由钮扣锂电池(3V)供电;

2)5V采用电压芯片MAX603获得,其输入为3V,输出为5V。

以上采用的是高精度、低噪稳声、低温度漂移、线性好、低功耗的电压芯片。

3 软件设计

MSP430系列的单片机的开发语言有汇编语言和C语言。用C语言编写单片机程序,可以缩短程序开发时间,增强程序的可读性和移植性。本系统的软件采用C语言编写。颜色测温系统主要软件功能模块如图2所示。电路上电或系统复位后,MSP430芯片首先对系统进行初始化,包括时钟、通用I/O口设置、外部中断设置、通信接口设置以及定时器初始化等。接着对颜色传感器进行初始化,然后进入低功耗模式等待中断信号。接下来根据不同的中断信号进行不同的操作,一旦中断处理完成后,就立即回到低功耗模式,以便进行下一次的处理。

测温系统主要软件功能模块如图2所示。

4 结束语

本测温装置以低功耗16位单片机MSP430为控制核心,使用可编程集成颜色传感器TCS230采集辐射体的颜色信号。MSP430F1121A丰富的片上资源及TCS230具有编程功能的特点使整个硬件电路得到大大的简化。该测温装置体积小,携带方便,可直接显示测量结果。该文的研究为辐射体提供了一种新的温度实时检测装置。

【参考文献】

[1]李宏光,吴宝宁,施浣芳,等.几种颜色测量方法的比较[J].应用光学,2005,26(3):60-63.

[2]袁野,仲崇权,等.基于神经网络的图像颜色测温方法[J].红外与激光工程,2003,32(5):527-530.

[3].高能束流焊接温度场的测量研究[D].武汉:华中科技大学,2007.

[4]程晓舫,周洲.彩色三基色温度测量原理的研究[J].中国科学:E辑.1997(4):342-345.

[5]沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[6]张松灿,肖本贤.高分辩率颜色传感器TCS230的原理和应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2005,3:44-46.

[7]王英杰,林怡青,彭美春,聂一彪.基于VC++6.0的PC机和单片机串口通信[J].电脑应用技术,2006,67:36-40.

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