CN102539111B - 一种基于dsPIC单片机的温度脉动仪 - Google Patents
一种基于dsPIC单片机的温度脉动仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于dsPIC单片机的温度脉动仪，采用高性能单片机dsPIC33FJ16MC304作为处理器，使得系统的处理速度更快，集成度更高，抗干扰能力增强。温度传感器的输入电路中采用脉冲供电的方式，大大降低焦耳热带来的影响，使测量结果更准确。通过dsPIC单片机控制输入电路可对温度传感器实现加热功能，以使其在结霜、下雾及湿度大的环境下能正常工作。本发明还具有静态偏置电压自动调整功能，使得系统对传感器的一致性要求降低，同时使系统能在更宽的环境温度变化范围内正常工作。对温度脉动方差的求解采用了三级软件滤波，使计算结果具有更高的可靠性，有效地消除了偶然干扰、随机干扰造成的影响。
Description
技术领域
本发明涉及大气科学及电子学领域，尤其涉及一种基于dsPIC单片机的温度脉动仪。
背景技术
目前，随着光电技术的快速发展，光学湍流的重要性越来越受到人们的关注，在近地面气象学、极地考察、小区域气候的研究、天文台选址、自适应光学系统等领域具有重要影响。为了定量研究激光通过湍流大气的各种现象，以解决和这些现象有关的各种光学工程问题，需要深入了解光路的光学湍流结构，测量近地面的折射率结构常数 
的特性。常用的仪器是温度脉动仪，温度脉动仪是利用细金属丝作为温度敏感元件，测量空气中特定距离的两点温度差，利用公式（1）计算表征大气湍流强度折射率率结构常数
。
式中：
为空间两点的距离，单位：m ；
、
相距为
的两点温度值，单位：K ；
为大气压力，单位：；
为大气温度 ，单位：K。
现有技术中如《计算机测量与控制》2006.14（5），594—596一书中有关描述《大气湍流强度测量中的微弱信号检测技术》文字记载如下：中在实际测量中，一般采用细铂丝作为传感器，惠斯通电桥输出信号，传感器尺寸和通过传感器的电流有严格的限制，测量系统要求的灵敏度为：，对应温差测量的灵敏度为，此时当传感器为20Ω时，对应的传感器电阻变化为
。若测量的电流为
，对应输出信号为
，电桥输出的信号非常小。因此为获得高精度的信号，对电路抗干扰能力要求高。
国内外有多个机构研究和设计温度脉动仪，由安徽光学精密机械研究所肖黎明、翁宁泉、马成胜等研究的温度脉动仪，如专利号为ZL03132245.X的《嵌入式温度脉动仪及测量方法》中描述：采用数模转换器MAX197将来自温度脉动传感器、温度传感器、湿度传感器的模拟信号转换成数字信号，然后将数字信号传给AT89C2051单片机，单片机将接收到的数字信号经过对脉动温度求方差，温度和湿度信号去极值后求平均处理，最后将处理后的数据编码成对应的三组数据经RS-232或RS-485接口传送给上位机。
然而，目前国内采用金属丝作为脉动温度传感器的温度脉动仪产品不少，设计方法多样，但也存在一些不足。具体为以下问题：
利用金属丝测温实际是将温度的测量转化为电阻的测量，而测量电阻比较简便，容易达到较高的测量精度。然而，测量金属丝电阻时，金属丝需通过一定的电流，通电的金属丝电阻，由于焦耳热使它的温度升高。对于金属丝温度脉动仪，尽管电流的数值非常小，但在设计侧温仪器时仍需考虑这一微小加热对测量结果的影响。流过传感器的电流越小，电路的抗干扰能力要求越高，为此不能一味的靠降低电流的方式来降低金属丝焦耳热带来的自生温度的升高。
在结霜、下雾及湿度大的环境下，温度脉动传感器表面会附着一层薄薄的水雾，由于水的比热很大，将使得传感器的响应频率严重下降，此时温度脉动仪将无法使用。
对金属丝测温传感器的一致性要求很高，实际应用中金属丝测温传感器一般都是手工制作的，其一致性很难保证。一致性的要求除了保证测量的准确性外，另一个重要原因是电路的放大倍数很大，当电桥两端传感器静态阻值差偏大时，就会使放大电路的静态偏置电压高。工作时，随着环境温度的变化及湍流强度的变化就可能使放大器电路饱和，电路不能正常工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于dsPIC单片机的温度脉动仪性能提升方法，以解决现有技术中温度传感器由于焦耳热而影响测量精度，在结霜、下雾及湿度大的环境下温度脉动仪无法使用以及对金属丝测温传感器的一致性要求较高的问题。
为达到所述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于dsPIC单片机的温度脉动仪，其特征在于：包括有dsPIC单片机和温度脉动传感器，所述温度脉动传感器上连接有输入电路，所述输入电路的控制端分别连接在dsPIC单片机上，所述输入电路的信号输出端依次连接有前级差分放大电路和后级差分放大电路，所述后级差分放大电路的信号输出端上连接有信号调理电路，所述后级差分放大电路的输入端上还连接有数模转换电路，所述数模转换电路的1、2、3端分别连接在dsPIC单片机的37、38、36脚上，所述dsPIC单片机上还连接有温湿度采集电路和上位计算机，所述温湿度采集电路的2、3端分别连接在dsPIC单片机的1、44脚上，所述上位计算机通过RS-232通讯接口与dsPIC单片机连接，所述RS-232通讯接口的10、9端分别与dsPIC单片机的4、5脚连接。
所述的一种基于dsPIC单片机的温度脉动仪，其特征在于：所述输入电路包括PNP型三极管Q1、Q2、Q3和数个电阻，三极管Q1的基极连接K3端子，三极管Q1的发射极分为两路，一路通过电阻R1连接K3端子，另一路通过电阻R6连接三极管Q2的集电极；三极管Q1的集电极也分为两路，一路通过电阻R3连接三极管Q2的集电极，另一路通过电阻R7接地；三极管Q2的基极连接K1端子，三极管Q2的发射极通过电阻R2连接K1端子；三极管Q2的集电极分为两路，一路通过电阻R9连接三极管Q3的发射极，另一路通过电阻R4连接三极管Q3的集电极；三极管Q3的基极连接K2端子；三极管Q3的发射极通过电阻R5连接K2端子；三极管Q3的集电极通过电阻R8接地；所述脉冲供电电路的三个端子K1、K2、K3分别连接dsPIC单片机的10、11、12脚。
所述温度脉动传感器的输入电路中采用脉冲供电的方式，使温度脉动传感器在一个采集周期里只有10%的时间有电流流过，90%的时间是没有电流通过的，以大大降低由于铂丝自身焦耳热带来的温度上升；所述输入电路还可作为温度脉动传感器的加热电路，通过dsPIC单片机控制输入电路输出较大的电流以加热温度脉动传感器的探头，进而将温度脉动传感器探头上的水雾除去；由后级放大电路、数模转换电路、信号调理电路、单片机构成一个闭环的静态偏置电压自动调整结构，随着传感器及环境温度的变化可将电路的静态偏置电压自动调整到电路能正常工作的范围内；在dsPIC单片机进行采集数据的处理过程中，对温度脉动方差的求解采用三级软件滤波，使计算结果具有更高的可靠性，可以有效的消除偶然干扰、随机干扰造成的影响。
本发明的有益效果为：
本发明采用高性能单片机dsPIC33FJ16MC304作为处理器，使得系统的处理速度更快，集成度更高，抗干扰能力增强；
温度传感器的输入电路采用脉冲供电方式，可以有效地降低温度传感器在工作时产生的焦耳热对测量结果的影响，使得测量结果更准确；
在结霜、下雾及湿度大的环境中，可通过dsPIC单片机控制该输入电路输出较大的电流以加热温度传感器，进而除去温度传感器上的水雾，使得传感器能够正常工作；
本发明还具有静态偏置电压自动调整功能，使得系统对传感器的一致性要求降低，同时使系统能在更宽的环境温度变化范围内正常工作。
对温度脉动方差的求解采用了三级软件滤波，使计算结果具有更高的可靠性，可以有效地消除偶然干扰、随机干扰造成的影响。
附图说明
图1为本发明电路结构原理框图。
图2为本发明中输入电路的电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括有dsPIC单片机（9）和温度脉动传感器，温度脉动传感器上连接有输入电路（1），输入电路（1）的控制端分别连接在dsPIC单片机（9）上，输入电路（1）的信号输出端依次连接有前级差分放大电路（2）和后级差分放大电路（3），后级差分放大电路（3）的信号输出端上连接有信号调理电路（5），后级差分放大电路（3）的输入端上还连接有数模转换电路（4），数模转换电路（4）的1、2、3端分别连接在dsPIC单片机（9）的37、38、36脚上，dsPIC单片机（9）上还连接有温湿度采集电路（6）和上位计算机，温湿度采集电路（6）的2、3端分别连接在dsPIC单片机（9）的1、44脚上，上位计算机通过RS-232通讯接口（8）与dsPIC单片机（9）连接，RS-232通讯接口（8）的10、9端分别与dsPIC单片机（9）的4、5脚连接。
如图2所示，输入电路（1）包括PNP型三极管Q1、Q2、Q3和数个电阻，三极管Q1的基极连接K3端子，三极管Q1的发射极分为两路，一路通过电阻R1连接K3端子，另一路通过电阻R6连接三极管Q2的集电极；三极管Q1的集电极也分为两路，一路通过电阻R3连接三极管Q2的集电极，另一路通过电阻R7接地；三极管Q2的基极连接K1端子，三极管Q2的发射极通过电阻R2连接K1端子；三极管Q2的集电极分为两路，一路通过电阻R9连接三极管Q3的发射极，另一路通过电阻R4连接三极管Q3的集电极；三极管Q3的基极连接K2端子；三极管Q3的发射极通过电阻R5连接K2端子；三极管Q3的集电极通过电阻R8接地；脉冲供电电路的三个端子K1、K2、K3分别连接dsPIC单片机的10、11、12脚。
图2中Q1、Q2、Q3为PNP三极管器，R7、R8为铂丝探头，R3、R4为阻值5K欧姆的精密电阻，R1、R2、R5为阻值5K欧姆的普通电阻，R6、R9为阻值30欧姆的普通功率电阻。该电路实现三个功能，其一、温度脉动信号输入功能，将铂丝探头R7、R8分别安装在间距为1米的支架两端，将两端测到的温度信号经惠斯通电桥送入前级放大电路。其二、对温度传感器的脉冲供电功能，在PNP三极管器Q2的基极，即K1端输入一个周期为10
的方波，其高电平为9
,低电平为1，将K2、K3端置高电平。从图2中可知，当K1为低电平时，三极管Q2导通，电流流过R7、R8，即流过铂丝探头；当K1为高电平时，三极管Q2截止，没有电流从R7、R8流过。这样在一个采集周期里只有10%的时间有电流流过，90%的时间没有电流流过，如此可以大幅改善由铂丝焦耳热带来的温升引起测量结果不准确的问题。其三、对温度传感器的加热除湿功能，将K1、K2、K3同时置低电平，Q1、Q2、Q3导通，由于R6、R9电阻较小，铂丝探头将会流过较大的电流（该电流需要限制在100毫安以内，否则可能会将铂丝熔断)，通过加热铂丝探头将水雾除去。脉动传感器采用直径为10
，长度约2的铂丝探头；
本发明的工作流程如下：温度脉动传感器输入电路（1）将采集到的温度脉动信号输送给前级差分放大电路（2）。差分放大电路（2）将温差信号放大后送入后级差分放大电路（3）的同相输入端；数模转换电路（4）输出的模拟信号送入后级差分放大电路（3）的反相输入端。后级放大器（3）将两输入端的信号作差分放大后送入信号调理电路（5），最后送入单片机（9）的模数转换器转换为数字信号。温湿度采集电路（6）将采集到的温度和湿度信号转换为数字信号后通过
总线输送给单片机（9）。单片机（9）将转化为数字量的温度脉动、温度、湿度信号进行数据处理后通过RS-232通讯接口（8）传送给上位计算机。
前级放大电路（2）、后级放大电路（3），为差分放大电路，实现微弱信号的放大功能。电路中选用型号为OPA2277的放大器,该放大器具有高精度、低失调、低温漂、高增益的特点；
数模转换器电路（4），将单片机（9）输出的数字量转化为模拟信号，用于后级差分放大电路（3）的静态偏置调整。该电路中选用型号为TLV5638ID的数模转换器，该数模转换器将数模转换电路、基准电路、SPI接口集成一体，提供12位的转换精度；
信号调理电路（5），该电路主要功能是滤波；
温湿度采集电路（6），该电路的功能为采集温度和湿度信号，电路中选用型号为SHT75的数字式温湿传感器，其特点是：将温湿传感器、信号放大调理、A/D转换、校准数据存储器、
总线接口全部集成于一个芯片上，由于传感器与信号放大器合为一体，不仅使信号强度增加、抗干扰性能增强，且长期稳定性也得到保证，集成在一起的数模转换器可降低系统的噪声干扰。该芯片湿度输出分辨率为14位，温度输出分辨率为12位；
RS-232通讯接口（8），功能为实现上位计算机（7）与单片机（9）之间的数据交换；
单片机（9），单片机选用Microchip公司的dsPIC33FJ16MC304,是一款带DSP功能的高性能单片机，最高40MIPS的工作速度、带12位高精度A/D转换器，接口电路丰富；
如图1所示，由后级放大电路（3）、数模转换电路（4）、信号调理电路（5）、单片机（9）构成一个闭环的静态偏置电压自动调整结构，其具体实现方式为：当需要做静态偏置电压自动调整时，前级放大电路（2）输出的静态偏置电压送入后级放大电路（3）的正相输入端，与来自反相输入端数模转换电路（4）输出的模拟信号差分放大，然后送入信号调理电路（5）进行衰减滤波，最后送入单片机（9）进行数据处理。由单片机（9）做出判断，如果静态偏置电压偏高，则需要增加反相输入端数模转换电路（5）输出的模拟电压，单片机（9）通过SPI接口给数模转换器电路（4）输出一个比当前值稍大的数字量；反之，如果静态偏置电压偏低，则输出一个比当前值稍小的数字量。经反复调整，直到静态偏置电压处于电路能正常工作的范围后，停止静态偏置电压自动调整，系统进入正常工作流程；
本发明中对温度脉动方差的求解采用了三级软件滤波，其实施方式如下：系统每5-10秒（该时间由上位计算机设置）得到一个温度脉动方差，每计算一个温度脉动方差需要样本数512个，而每一个样本是由24个采集值经过两级滤波后得到的，第一级为粗大误差剔除滤波，它的作用是剔除由各种干扰所产生的随机脉冲信号；第二级为去极值平均滤波，它的作用是滤掉脉冲干扰的同时滤掉慢随机起伏信号，其具体做法是将24个样本数通过冒泡法排序，然后去掉最大的4个和最小的4个，最后对剩下的16个样本求平均值。最后采用最小二乘法滤波对计算温度脉动方差的512个样本数进行滤波。
Claims (3)
1.一种基于dsPIC单片机的温度脉动仪，其特征在于：包括有dsPIC单片机和温度脉动传感器，所述温度脉动传感器上连接有输入电路，所述输入电路的控制端分别连接在dsPIC单片机上，所述输入电路的信号输出端依次连接有前级差分放大电路和后级差分放大电路，所述后级差分放大电路的信号输出端上连接有信号调理电路，所述后级差分放大电路的输入端上还连接有数模转换电路，所述数模转换电路的1、2、3端分别连接在dsPIC单片机的37、38、36脚上，所述dsPIC单片机上还连接有温湿度采集电路和上位计算机，所述温湿度采集电路的2、3端分别连接在dsPIC单片机的1、44脚上，所述上位计算机通过RS-232通讯接口与dsPIC单片机连接，所述RS-232通讯接口的10、9端分别与dsPIC单片机的4、5脚连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于dsPIC单片机的温度脉动仪，其特征在于：所述输入电路包括PNP型三极管Q1、Q2、Q3和数个电阻，三极管Q1的基极连接K3端子，三极管Q1的发射极分为两路，一路通过电阻R1连接K3端子，另一路通过电阻R6连接三极管Q2的集电极；三极管Q1的集电极也分为两路，一路通过电阻R3连接三极管Q2的集电极，另一路通过电阻R7接地；三极管Q2的基极连接K1端子，三极管Q2的发射极通过电阻R2连接K1端子；三极管Q2的集电极分为两路，一路通过电阻R9连接三极管Q3的发射极，另一路通过电阻R4连接三极管Q3的集电极；三极管Q3的基极连接K2端子；三极管Q3的发射极通过电阻R5连接K2端子；三极管Q3的集电极通过电阻R8接地；脉冲供电电路的三个端子K1、K2、K3分别连接dsPIC单片机的10、11、12脚。
3.根据权利要求1所述的一种基于dsPIC单片机的温度脉动仪，其特征在于：所述dsPIC单片机选用型号为dsPIC33FJ16MC304的高性能单片机。
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