CN113108930A - 一种热电元件的温度测量系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种热电元件的温度测量系统，包括热电元件与测量切换模块，所述测量切换模块包括放大器模块、控制器模块、参考电源模块，所述热电元件设于放大器模块中，所述放大器模块分别与控制器模块、参考电源模块连接；本发明提供的热电堆红外传感器测量系统能够通过测量切换模块控制热电堆(热电元件)进行两种测量状态切换，测量被测对象的相对温度和热电堆的环境温度，通过控制器运算得到被测对象实际温度，测量更加精确，受环境干扰少，进而提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，具体是一种热电元件的温度测量系统及其控制方法。
背景技术
热电堆红外传感器的温度测量系统是利用热电元件对被测对象及环境温度的温度进行测量，热电堆传感器可以测量被测对象的温度，一般热电堆传感器的芯片主要由热电堆和热敏电阻构成。其中，热电堆可以吸收被测对象由温度所产生的红外热辐射能量，从而测量被测对象的相对温度信号；热敏电阻则用来测量热电堆的环境温度。被测对象的温度可以通过测量热电堆输出电压和热电堆所处环境的绝对温度，并通过运算后获得。
在现有技术下，热敏电阻所测量得到的环境温度并不是热电堆本身的环境温度，只是热电堆周围附近的环境温度，对于后续的温度运算精度有很大影响；而且热电堆红外传感器芯片在设计中除了需要考虑设计热电堆和热敏电阻的面积外，还需要设计热敏电阻以及连接导线，从而获得热敏电阻的信号，这样会增加热电堆红外传感器芯片的整体面积和制造成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种热电元件的温度测量系统及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明的一种热电元件的温度测量系统，包括热电元件与测量切换模块，所述测量切换模块包括放大器模块、控制器模块、参考电源模块，所述热电元件设于放大器模块中，所述放大器模块分别与控制器模块、参考电源模块连接；
所述参考电源模块包括VDD、R1与R2，所述VDD依次串联R1与R2，所述R2的另一端进行接地；
所述放大器模块包括放大器、R3、VDD、R5与调节电路，所述R5的一端与放大器的输出端相连，R5的另一端与R3相连，且R5与R3相连的一端接地，所述R3与R5相连的一端接至R1与R2之间，所述R3的另一端与放大器的反向输入端相连，所述热电元件的一端分别连接放大器的正向输入端与反向输入端，所述热电元件的另一端接至R3与R5之间，所述VDD与放大器相连，且放大器与VDD相连的一端进行接地，所述调节电路与热电元件连接放大器的一端相连，所述调节电路的另一端与放大器的输出端相连；
所述控制器模块包括控制器单元、ADC转换单元、VDD及PMOS，所述ADC转换单元的一端接至R3与R5之间，所述ADC转换单元的另一端与控制器单元相连接，所述控制器单元的输出端与PMOS连接，用于控制PMOS的导通与断开，所述PMOS的输入端与VDD相连，所述PMOS的输出端连接放大器的正向输入端。
进一步的，所述调节电路由R4、可调电阻及电容组成，所述R4与可调电阻串联，所述电容与串联后的R4及可调电阻并联，所述R4与可调电阻串联后的一端与热电元件连接放大器的一端相连，其串联后的另一端与放大器的输出端相连。
优选的，所述放大器及R5接地的一端均连接有电容。
优选的，所述热电元件与放大器反向输入端相连的一端接有电容，且所述调节电路通过电容与热点原件相连接。
本发明进一步提供了上述热电元件的温度测量系统的控制方法，包括：
通过控制器单元的控制信号对测量切换模块进行测量模式切换，其中测量模式包括第一测量模式与第二测量模式，其中第一测量模式用于测量被测对象的温度，第二测量模式用于测量热电元件的环境温度；
测量系统工作在第一测量模式时PMOS断开，热电元件检测被测对象红外热辐射并产生电信号，放大器对该电信号进行放大并输入到ADC转换单元，ADC转换单元将电信号转换为相对温度数字信号并传送到控制单元进行保存计算，得到第一温度测量值；
测量系统切换到第二测量模式时PMOS导通，放大器处于正饱和状态，VDD、热电元件与电阻R2形成回路，热电元件阻值根据环境温度变化，使参考电压信号产生变化，变化的参考电压信号经ADC转换单元传送到控制器单元进行保存计算，得到第二温度测量值；
控制器单元将第一温度测量值减去第二温度测量值得到被测对象的实际温度测量值。
进一步的，所述控制器单元输出的控制信号为方波信号，连续输出高电平(1/HIGH)和低电平(0/LOW)，当控制器单元输出高电平时，PMOS不导通，此时测量系统工作在第一测量模式；当控制器单元输出低电平时，PMOS导通，此时测量系统工作在第二测量模式。
进一步的，进入第一测量模式后，控制器输出控制信号使热电元件进入第一延时状态，经一段时间延时后，进行第一测量状态，测量得到第一温度值；进入第二测量模式后，控制器控制热电元件进入第二延时状态，经过一段时间延时后，进行第二测量状态，测量得到第二温度值。
本发明采用以上技术方案，具有以下有益效果：
1)本发明提供的热电堆红外传感器测量系统能够通过测量切换模块控制热电堆(热电元件)进行两种测量状态切换，测量被测对象的相对温度和热电堆的环境温度，通过控制器运算得到被测对象实际温度，测量更加精确，受环境干扰少，进而提高测量精度。
2)热电堆红外温度传感器芯片在设计过程中，不需要设计热敏电阻以及与之匹配的连接导线，整体设计更加简单，也减少了设计成本和芯片制造成本。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：
图1为热电堆红外传感器测量系统架构图；
图2为热电堆红外传感器测量系统测量电路图；
图3为热电堆红外传感器测量系统控制流程图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-2所示，一种热电元件的温度测量系统，包括热电元件与测量切换模块，测量系统通过测量切换模块来控制热电堆红外传感器芯片内的热电元件进行两种测量状态切换，从而测量被测对象的温度。其中热电元件即热电堆红外传感器芯片中的热电堆，不包含热敏电阻。
测量切换模块包括放大器模块、控制器模块、参考电源模块，热电元件设于放大器模块中，放大器模块分别与控制器模块、参考电源模块连接；
参考电源模块包括VDD、R1与R2，VDD依次串联R1与R2，R2的另一端进行接地；测量电路电源电压VDD为3.3V电源，VDD与R1、R2串联后通过电阻分压提供参考电压。
放大器模块包括放大器、R3、VDD、R5与调节电路，R5的一端与放大器的输出端相连，R5的另一端与R3相连，且R5与R3相连的一端接地，R3与R5相连的一端接至R1与R2之间，R3的另一端与放大器的反向输入端相连，热电元件的一端分别连接放大器的正向输入端与反向输入端，热电元件的另一端接至R3与R5之间，VDD与放大器相连，且放大器与VDD相连的一端进行接地，调节电路与热电元件连接放大器的一端相连，调节电路的另一端与放大器的输出端相连；其中调节电路由R4、可调电阻及电容组成，R4与可调电阻串联，电容与串联后的R4及可调电阻并联，R4与可调电阻串联后的一端与热电元件连接放大器的一端相连，其串联后的另一端与放大器的输出端相连；其中调节电路与热电元件相连，通过调节电路中可调电阻阻值的调节，使热电元件输出的电信号能够匹配放大器的信号输入范围，避免放大器出现过载失效的情况。
控制器模块包括控制器单元、ADC转换单元、VDD及PMOS，ADC转换单元的一端接至R3与R5之间，ADC转换单元的另一端与控制器单元相连接，控制器单元的输出端与PMOS连接，用于控制PMOS的导通与断开，PMOS的输入端与VDD相连，PMOS的输出端连接放大器的正向输入端。其中PMOS(P型金属氧化物半导体场效应晶体管)用于测量系统切换模块的切换开关。
进一步的，放大器及R5接地的一端均连接有电容，起到滤波作用，减少信号干扰。
进一步的，热电元件与放大器反向输入端相连的一端接有电容，且调节电路通过电容与热点原件相连接，起到滤波作用，减少信号干扰。
本实施例进一步提供了上述热电元件的温度测量系统的控制方法，包括：
通过控制器单元的控制信号对测量切换模块进行测量模式切换，其中测量模式包括第一测量模式与第二测量模式，其中第一测量模式用于测量被测对象的温度，第二测量模式用于测量热电元件的环境温度；
控制器单元输出的控制信号为方波信号，连续输出高电平(1/HIGH)和低电平(0/LOW)，当控制器单元输出高电平时，PMOS不导通，此时测量系统工作在第一测量模式；当控制器单元输出低电平时，PMOS导通，此时测量系统工作在第二测量模式。
测量系统工作在第一测量模式时PMOS断开，热电元件检测被测对象红外热辐射并产生电信号，放大器对该电信号进行放大并输入到ADC转换单元(Analog-to-DigitalConvert)，ADC转换单元将电信号转换为相对温度数字信号并传送到控制单元进行计算保存，得到第一温度测量值；
测量系统切换到第二测量模式时PMOS导通，放大器处于正饱和状态，不进行信号放大输出，VDD、热电元件与电阻R2形成回路，热电元件可以等效为可变电阻，热电元件阻值根据环境温度变化，使参考电压信号产生变化，变化的参考电压信号经ADC转换单元传送到控制器单元进行保存计算，得到第二温度测量值；
控制器单元将第一温度测量值减去第二温度测量值得到被测对象的实际温度测量值。
热电堆红外传感器测量系统的控制器模块主要是负责控制信号输出和测量温度信号的采集与运算。控制器根据内部定时器为基准，控制测量状态切换信号。整个控制流程共有6个状态不停的循环，如图3所示：进入第一测量模式后，控制器输出控制信号使热电元件进入第一延时状态，经一段时间延时后，进行第一测量状态，测量得到第一温度值；进入第二测量模式后，控制器控制热电元件进入第二延时状态，经过一段时间延时后，进行第二测量状态，测量得到第二温度值。控制流程中加入第一延时状态和第二延时状态主要是为了防止信号振荡导致输出电压不稳定。由于延时状态的延时时间非常短，不会影响测量被测对象的第一温度和热电元件环境的第二温度，保证了被测对象实际温度测量值的测量精度。
以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种热电元件的温度测量系统，其特征在于，包括热电元件与测量切换模块，所述测量切换模块包括放大器模块、控制器模块、参考电源模块，所述热电元件设于放大器模块中，所述放大器模块分别与控制器模块、参考电源模块连接；
所述参考电源模块包括VDD、R1与R2，所述VDD依次串联R1与R2，所述R2的另一端进行接地；
所述放大器模块包括放大器、R3、VDD、R5与调节电路，所述R5的一端与放大器的输出端相连，R5的另一端与R3相连，且R5与R3相连的一端接地，所述R3与R5相连的一端接至R1与R2之间，所述R3的另一端与放大器的反向输入端相连，所述热电元件的一端分别连接放大器的正向输入端与反向输入端，所述热电元件的另一端接至R3与R5之间，所述VDD与放大器相连，且放大器与VDD相连的一端进行接地，所述调节电路与热电元件连接放大器的一端相连，所述调节电路的另一端与放大器的输出端相连；
所述控制器模块包括控制器单元、ADC转换单元、VDD及PMOS，所述ADC转换单元的一端接至R3与R5之间，所述ADC转换单元的另一端与控制器单元相连接，所述控制器单元的输出端与PMOS连接，用于控制PMOS的导通与断开，所述PMOS的输入端与VDD相连，所述PMOS的输出端连接放大器的正向输入端。
2.根据权利要求1所述的一种热电元件的温度测量系统，其特征在于，所述调节电路由R4、可调电阻及电容组成，所述R4与可调电阻串联，所述电容与串联后的R4及可调电阻并联，所述R4与可调电阻串联后的一端与热电元件连接放大器的一端相连，其串联后的另一端与放大器的输出端相连。
3.根据权利要求2所述的一种热电元件的温度测量系统，其特征在于，所述放大器及R5接地的一端均连接有电容。
4.根据权利要求2所述的一种热电元件的温度测量系统，其特征在于，所述热电元件与放大器反向输入端相连的一端接有电容，且所述调节电路通过电容与热点原件相连接。
5.一种如权利要求1-4任意一项的热电元件的温度测量系统的控制方法，其特征在于：
通过控制器单元的控制信号对测量切换模块进行测量模式切换，其中测量模式包括第一测量模式与第二测量模式，其中第一测量模式用于测量被测对象的温度，第二测量模式用于测量热电元件的环境温度；
测量系统工作在第一测量模式时PMOS断开，热电元件检测被测对象红外热辐射并产生电信号，放大器对该电信号进行放大并输入到ADC转换单元，ADC转换单元将电信号转换为相对温度数字信号并传送到控制单元进行保存计算，得到第一温度测量值；
测量系统切换到第二测量模式时PMOS导通，放大器处于正饱和状态，VDD、热电元件与电阻R2形成回路，热电元件阻值根据环境温度变化，使参考电压信号产生变化，变化的参考电压信号经ADC转换单元传送到控制器单元进行保存计算，得到第二温度测量值；
控制器单元将第一温度测量值减去第二温度测量值得到被测对象的实际温度测量值。
6.根据权利要求5所述的热电元件的温度测量系统的控制方法，其特征在于，所述控制器单元输出的控制信号为方波信号，连续输出高电平和低电平，当控制器单元输出高电平时，PMOS不导通，此时测量系统工作在第一测量模式；当控制器单元输出低电平时，PMOS导通，此时测量系统工作在第二测量模式。
7.根据权利要求5或6所述的热电元件的温度测量系统的控制方法，其特征在于，进入第一测量模式后，控制器输出控制信号使热电元件进入第一延时状态，经一段时间延时后，进行第一测量状态，测量得到第一温度值；进入第二测量模式后，控制器控制热电元件进入第二延时状态，经过一段时间延时后，进行第二测量状态，测量得到第二温度值。
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