基于二极管测温的红外探测器组件多路温度监测系统的制作方法

本专利涉及红外探测器组件应用技术，具体指一种基于二极管测温的红外探测器组件多路温度监测系统，它适用于制冷型红外探测器组件应用，本发明同样适用于其它采用二极管测温的温度监测场合。

背景技术：

红外探测器组件在航天航空红外领域有着广泛的应用。随着波长向长波扩展和探测灵敏度的提高，红外探测器必须在深低温下才能工作。探测器工作在低温环境时，其与外部设备之间多采用真空绝热隔离。通过电联导线穿过真空隔层实现探测器与外部设备之间电学通讯。为了降低红外探测器组件的热功耗，这些探测器外联电学通讯的导线一般采用热阻比较大的材料，这样导致探测器外联电学通讯的导线电阻也相应偏大，为了提高测温精度，一般多采用二极管作为测温元件。

在红外探测器组件应用中，需要对探测器工作温度进行检测。有时需要对多个红外探测器组件或一个红外探测器组件的多个测温二极管进行长时间的实时监测。传统的方法是采用恒流源给测温二极管提供一个特定的偏流，然后采集二极管两端的电压，根据已知的温度与电压曲线，通过查表的方式知道温度。这显然不适合长时间多路温度实时记录监测。另外，制冷型红外探测器组件内测温二极管的偏置电流多在25μA－1mA。根据不同类型的二极管配置不同的恒流源，为了适应各类型的红外探测器组件的长时间实时温度监测记录，须要探索一种新方法来解决这一问题。

技术实现要素：

本专利的目的是提供一种基于二极管测温的红外探测器组件多路温度监测系统，来实现如下功能：1)对测温二极管偏流25μA－1mA的连续可调；2)多个测温点温度长时间实时监测记录；3)根据内置二极管温度与电压的对应关系在系统显示界面实时显示温度；4)系统具有存储功能；5)通过USB接口与外连设备进行数据交换；6)基于简洁便携和减少对测温精度的干扰，采用电池供电和USB供电双电源供电。

本专利是一种基于二极管测温的红外探测器组件多路温度监测系统，包括以下几个模块：主控制模块、电源稳压调理模块、温度采集模块、信号调理模块、液晶显示模块、数据回放及时间校准按键模块和USB转串口模块。

主控制模块采用基于Cortex-M3为核心的微控制器的意法半导体STM32系列，该系列具有丰富的存储器和各种外设接口资源，能够很好的满足温度监控系统的要求。

电源稳压调理模块采用的是双电源供电模式，即外接电源模式和电池供电模式根据实际的工作情况进行切换。为提高测量精度需要获得稳定电压，采用稳压芯片来进行稳压输出。将电池电压采用升压芯片升压后再用稳压芯片得到稳定的系统工作输出电压。

温度采集模块为二极管温度传感器测量电路，二极管在红外探测器组件中对于温度的灵敏度很高，在很大的温度范围内保持很好的线性关系。通常是正向偏置，施以恒定电流，当温度变化时，其正向结电压V随之变化，V与温度T满足特定函数关系式。

信号调理模块中由传感器采集来的数据通常为微弱信号，很少能够直接满足AD转换输入电压的需要。AD的输入范围不充分的会使测量精度明显降低。 使用运放芯片对微弱信号实施幅度变换与电平移动的放大功能以满足AD输入电压的需求。

液晶显示模块为液晶显示，本专利选用的是一种图形点阵液晶显示器。它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可以完成图形及汉字的显示，构成良好的人机交互图形界面。

数据回放及时间校准按键模块是对按键进行循环扫描，当发现有按键按下时，则进入相应的按键中断服务程序，对数据回放和时间校准进行操作。

USB串口传送模块在实际工程中必不可少，本模块使用了USB转串口芯片，将温度数据通过串口发送到上位机。

本发明的实现方法如下：

步骤一：系统上电各模块初始化；

步骤二：温度采集模块采集周围环境温度对应电压值，并经过信号调理和A/D转换后将数字信号传输给主控制模块进行电压转温度数据处理；

步骤三：主控制模块计算处理后得到温度数据并存储，同时将温度数据发送给液晶显示模块动态显示；

步骤四：主控制模块对按键进行循环扫描，当发现有按键按下时，则进入相应的按键中断服务程序，对数据回放和时间校准进行操作。

步骤五：由主控制模块命令液晶显示模块进行温度数据显示，并通过USB转串口将温度数据发送给上位机显示监测。

本专利的优点：

(1)操作简单，智能监控、成本低廉；

(2)多路采集温度，各路偏流可调，兼容性高，适用范围广；

(3)具有电池和USB串口双模式供电，便携性强；

(4)采用低压供电，具有稳压功能，测温精度高；

(5)具有温度超差和电源供电不足自动报警功能。

附图说明

图1基于二极管测温的红外探测器组件多路温度监测系统原理框图；

图2主控制模块电路；

图3电源稳压调理模块电路；

图4温度数据采集模块电路；

图5数据调理信号模块；

图6液晶显示模块电路；

图7数据回放/时间校准按键模块电路；

图8 USB串口传送模块电路；

图9多路温度监测过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本专利的具体实施方式作进一步的详细说明：

如图1所示，二极管测温的红外探测器组件多路温度监测系统主要包括ARM STM32F101主控制模块、测温二极管温度传感器模块、信号调理模块、电源稳压适配模块、液晶显示模块、数据回放/时间校准按键模块、USB转串口通信模块。多路硅测温二极管温度传感器与信号调理模块连接，将传感器采集到的电压数据送到信号调理模块进行放大调理得到相应的电压信号。信号调理模块与主控制模块相连接，将调理好的电压信号传送到主控制模块自带的12位比较器进行A/D转换，将电压信号进行模数转换为数字信号。在转换后的电压数据根据硅二极管电压与温度的关系式在主控制模块进行运算，得出此时的数字温度数值。再将数字温度数据在FLASH中进行存储，且将主控制模块与液晶显 示模块相连接。由主控制模块命令液晶显示模块进行实时数字温度的多路滚动显示。数据回放及时间校准按键模块与主控制模块相连接，主控制模块对按键模块进行实时监控，当有按键按下时，主控制模块对数据回放按键按下或时间校准按键按下做出判断。并根据按键发出的指令来进行数据回放和时间校准功能的实现。USB转串口通信模块与主控制模块相连接，除了将数据在液晶显示器上进行显示外，还可以将数据进过USB串口模块发送到上位机来进行显示和监控。

如图2所示，主控制模块电路所采用的主控制模块为ARM STM32F101。意法半导体公司推出基于ARM的处理器STM32，它以ARM Cortex-M3为内核，该内核中心效率高，编程简单，具有出色的确定中断行为。STM32F103处理器的主要特点如下：1)低功耗：采用3.3V电压供电，内嵌RTC时钟，支持低功耗模式运行。2)数据处理能力强：最大工作频率72MHZ，内有单周期硬件乘法器和除法器。3)存储空间大：内部有64KB的SRAM、256KB的FLASH，支持外部扩展。4)外设资源丰富：有2个IIC接口、5个UART接口、3个SPI接口，还有USB、CAN接口以及80个GPIO资源。完全满足时钟、看门狗、按键报警接口的扩展。与8位单片机相比，在结合高性能、低功耗和低电压特性的同时保持高度集成性和简易的开发特性。

如图3所示，电源稳压调理模块采用的是双电源供电模式，即提供了外接电源供电模式和电池供电模式，可以根据实际的工作情况进行切换。电源供电容易受到元件之间的干扰使得输出电压在输出值附近上下波动，对后续的电路处理精准度影响较大。为使得电压保持在稳定的状态，在电源供电模块采用了MAX14523AATA+芯片来进行稳压输出。MAX14523AATA+是MAXIM公司的一款模拟信号调理芯片，是具有可编程的限流开关特点的芯片，导通电阻为70mΩ，输 入电压范围为1.7V-5.5V，限流可调的范围为250mA-1.5A,可以获得稳定的输出值。5号管脚IN为芯片的电压输入端，7号管脚ON为芯片的使能端口，当输入为高电压时，使得芯片正常运转，4号管脚为电源输出端口，得到理想的输出稳定电压值。3号管脚为过载电流调节器，用来调节输出端口的数值。将由USB提供的5V电源由MAX14523AATA+的5号管脚IN输入，7号使能端ON接高电平使芯片启动，3号端SETI在和地之间接一个300k的保护电阻，用来调节端口输出。4号端口OUT输出稳定后的5V电压值。常用电池供电的电压数值较小，需要先对其进行升压处理。TLV61220为是一款专为电池供电产品提供电源解决方案的芯片。可通过一个外部电阻分压器对输出电压进行设定。它是一款6引脚超薄SOT-23封装。1号管脚SW为升压或限流选择开关，2号管脚GND为接地端口，3号管脚EN为使能端口，4号管脚FB为输出电压数值的反馈管脚，5号管脚为输出电压管脚，6号管脚为待升压电源输入管脚。采用TLV61220升压转换器将由锂电池供电的3.7V电压升高为5V，再将5V电压输入MAX14523AATA+得到稳定供电的5V电压源。

如图4所示，温度数据采集模块电路采用的是测温二极管进行数据采集，二极管的温度灵敏度高，通常是每度数毫伏，线性度好，可以在很大的温度范围内保持很好的线性关系。在测温时，通常是正向偏置，施以恒定电流I₀,工作点在电压饱和区，这时由于电流的不稳定而带来的测量误差较小，当温度发生变化时，其正向结电压V_F随之发生变化，V_F是温度的函数，此为二极管加正向偏置电流时的结电压表达式。在测温时，将测温二极管的工作电流固定，I为常数，即二极管处于恒流源状态。此时二极管的正向结电压只与温度有关系，这就是二极管测温的原理。将在红外探测器组件中的二极管 电压信号进行采集，就可计算出相对应的温度。

如图5所示，数据调理信号模块电路主要应用于对采集到的信号进行调理，通常的传感器的输出很少能够直接满足ADC输入电压的需要。如果ADC的输入范围不能充分的利用，将损失测量精度。本电路对使用运放对信号实施幅度变换与电平移动，可以满足ADC输入电压的需求。调理模块选择了TI公司的4运放组合芯片TLV2474c。该芯片采用CMOS结构，满摆幅输入与输出。其中与二极管相连接的TLV2474c运放组成电流源向二极管提供稳定的偏置电流，TL431作为参考电压，根据电路结构形式的选择与实际电路参数的估算相符合。

如图6所示，液晶显示模块电路为液晶显示模块。本发明选用的是12864B液晶显示器，12864是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器和列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字。其显示分辨率为128×64,利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。

如图7所示，数据回放/时间校准按键模块电路，包含了两个功能。程序运行后，主控制模块对按键部分进行实时监控。当监控到主菜单按键SW3在规定时间内按下一次时，进入数据回放功能。SW5表示数据上翻，SW6表示数据下查；当监控到主菜单按键SW3在规定时间内按下两次时，进入时间校准按键模块电路，再对按键SW4进行监控，当在规定时间内按下次数为一次时，进入调时模式，再用SW5和SW6分别实现时减和时加功能。当按下次数为两次时，进入调分模式，再用SW5和SW6分别实现分减和分加功能。当按下次数为三次时，进入调秒模式，再用SW5和SW6分别实现秒减和秒加功能。

如图8所示为USB串口传送模块电路。随着电脑技术的发展串口和并口慢慢的在PC上越来越少。实际工程中串口是必不可少，一般采用USB转串口芯片来虚拟一个串口。本电路使用了USB2.0的FT232RL USB转串口芯片，FT232芯片是FTDI公司的一款出色的USB转USART芯片，可以方便的将USB信号方便转换成RS-232，RS422，RS485信号/RS-232，RS422，RS485信号转换成USB信号。FT232R内部主要由USB收发器、串行接口引擎(SIE)、USB协议引擎、先进先出(FIFO)控制器，波特率发生器、时钟乘法器/驱动器、3.3V稳压模块、内部12MHz的振荡器和通用异步收发器(UART)控制器等部分组成。对于与RS232接口部分，UART主要用来完成RS232接口的串行和并行之间的数据转换。FT232R提供完整的信号，使其具有通用性，还可以与除RS232之外的其它通信方式进行转换。FT232R内部的两个双口FIFO缓冲区，一个是128字节的发送缓冲器，另一个是256字节的接收缓冲器。他们均用于USB数据和RS232数据的交换缓冲区，UART FIFO Controller可以用于处理这两个缓冲器与UART收发寄存器之间的数据传输。USB电源带过流保护，采用500MA自恢复保险丝，内部集成了晶振和匹配电阻，性能更稳定。

如图9所示为多路温度监测过程流程图。上电后系统启动运行模式，温度采集模块等各设备将初始化。温度检测模块将进行二极管电压数据采集，将采集到的模拟电压数据送入主控制模块单片机中进行模数转换，并根据电压与温度的关系进行温度换算和存贮。将得到的数字温度发送到液晶显示器去进行显示，且同时利用USB转串口线将温度数据发送到上位机进行监控。程序对按键进行循环扫描，当发现有按键按下时，则进入相应的按键服务程序，并对其进行处理。本专利的按键程序主要是完成菜单功能，对存储数据进行查看以及对时间的修改。