2023年基于红外温度传感器的温度监测系统设计.docx

基于红外温度传感器的温度监测系统设计 ：开关柜在保障电力系统安全中起着关键作用。长期的运行，必然会出现超负荷运转、开关老化等现象，而这些现象极易导致设备局部温度升高，出现安全隐患。如果没有及时排除这种隐患，很可能引起设备故障甚至引发火灾，损毁设备进而对工业生产、企业运作造成巨大损失。因此，对开关柜内易出现高温的局部进行实时温度监测具有重要意义。 针对上述问题，本文设计实现了一套开关柜温度在线监测系统。系统采用红外温度传感器TS118-3进行温度信息采集，传感器输出模拟信号经放大滤波处理后送入微控制器单元MSP430F247进行模数转换并完成相应的数据处理。数据处理采用屡次测量取平均值的方式，从而减小测量误差。最后被测目标的实时温度一方面通过液晶屏FM1602显示出来，以便工作人员现场查看，另一方面那么通过RS232上传至计算机，由上位机软件对其进行分析处理实现远程监测。 本文设计的实时温度监测系统经过实验验证，能实现对被测物体温度的实时监测。 关键词：红外温度传感器； MSP430F247； 开关柜；实时监测 Design of temperature monitoring System based on infrared temperature sensor Abstract: The switch cabinet plays an important role in keeping the safety of the electricity system. In the long term operation, it will appear equipment overload running or switch aging phenomenon, and these phenomena can easily increase the temperature of the device, and thus incurring hidden danger. If the danger is not promptly eliminated, it is likely to lead to many problems, such as equipment failure, fire disaster, which will damage to industrial production and cause heavy loss. Therefore, the real-time monitoring of temperature of switch cabinet has a great significance. In view of the above questions, this paper designs and produces a set of on-line monitoring system. The system uses infrared temperature sensor TS118-3 to collect temperature information, and the signal is amplified and filtered processing, then sent to MSP430F247 micro controller unit to complete digital converter and corresponding data processing. Data processing employs the method of measuring many times and taking average to reduce measurement errors. The temperature is displayed by FM1602. The temperature data through RS232 uploaded to the computer, which is analyzed by PC software to realize the remote monitoring. The real-time temperature monitoring system through experiments, verified that the system achieve real-time monitoring the object. Key words: Infrared temperature sensor, MSP430F247, Switchgear, Real-time monitoring 目 录 I Abstract II 第1章 绪 论 1 1.1 选题目的及意义 1 1.2 研究技术现状 2 1.2.1 开关柜测温技术研究 2 1.2.2 国内外研究状况 3 1.3 主要内容和安排 3 第2章 红外测温原理和方案设计 5 2.1 红外测温原理 5 2.1.1 斯蒂芬-波尔兹曼定律 5 2.1.2 维恩位移定律 5 2.1.3 基尔霍夫定律 5 2.1.4 普朗克定律 6 2.2 红外测温影响因素 6 2.2.1 待测目标辐射率 6 2.2.2 待测目标尺寸 7 2.2.3 测量距离 7 2.2.4 环境影响 7 2.3 系统总设计方案 8 2.4 硬件电路功能 8 2.4.1 信号采集 8 2.4.2 模拟信号处理 8 2.4.3 数据处理 9 2.4.4 温度显示 9 2.4.5 数据传输与通信 9 2.5 上位机软件功能 9 2.5.1 串口设置 10 2.5.2 实时温度显示 10 2.5.3 温度曲线绘制 10 2.6 本章小结 10 第3章 硬件电路设计 11 3.1 设计方案 11 3.2 器件选型 11 3.2.1 红外温度传感器 11 3.2.2 运算放大器 12 3.2.3 串口通信芯片 13 3.2.4 微控制器 13 3.2.5 液晶显示屏 14 3.3 电路设计 16 3.3.1 电源模块 16 3.3.2 传感器模块 17 3.3.3 前端处理 17 3.3.4 控制模块 20 3.3.5 液晶显示模块 22 3.3.6 串行通信模块 23 3.4 本章小结 23 第4章 单片机软件设计 24 4.1 开发环境介绍 24 4.2 程序总体设计 24 4.3 各局部程序设计 25 4.3.1 系统初始化 25 4.3.2 温度信号处理 28 4.4 本章小结 29 第5章 上位机软件设计 30 5.1 方案设计 30 5.2 程序设计 30 5.2.1 串口设置 31 5.2.2 串口数据获取 32 5.2.3 指令发送 32 5.2.4 温度显示 33 5.2.5 温度曲线绘制 34 5.3 本章小结 35 第6章 总结与展望 36 6.1 工作总结 36 6.2 展望 36 致 谢 38 参考文献 39 附录1 41 附录2 47 附录3 48 附录4 49 附录5 50 第1章 绪 论 1.1 选题目的及意义 近年来红外测温技术被越来越多的企业和厂家所认识和接受，在冶金、石化、电力、交通、水泥、橡胶等行业得到了广泛的应用。 红外测温具有如下优点[1]： (1)、不需要接触被测物体，不会扰乱被测物体的温度场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度； (2)、在测量过程中，光电器件不必和被测介质到达热平衡，所以测量速度快，因而能检测温度的迅速变化过程，并能测量运动物体的温度； (3)、 测温范围广，采用红外接受器件，可以测量相当高的温度，下限可测量-170℃； (4)、测量距离可近可远，近者可达几厘米，甚至更小，远者可达近百公里； (5)、可以测量小面积的目标，目前可测量出直径小至7.5μm的目标温度； (6)、测量对象以黑体最为适宜，但也可以测量一般物体。 正是这些优点使得红外测温技术得到越来越受到广泛的应用，该技术在温度测量领域具有不可替代的优势。随着电力系统的大容量化、高电压化、结构复杂化、用电客户对电网稳定性提出越来越高的要求，供电控制设备的安全运行对社会生产具有非常重要的作用。因此对供电控制设备进行实时的状态监测十分必要。 电力系统中，开关柜的应用相当广泛，担负着开合电气设备、保护设备安全的双重重任，其内部导电连接处的接触特性直接影响到控制器件工作的可靠性。开关柜由许多继电器和强电控制器组成，在设备长期运行过程中，会出现接触点老化、接触不良、接线柱松动等情况。这些情况容易导致设备局部发热或者产生电弧，烧蚀周围部件，造成设备损坏、停电事故甚至引发火灾，给工厂、企业单位、国家等造成巨大经济损失。为了确保电力系统的安全运行，最大程度地降低事故发生率，需要对开关柜关键部位的温度进行在线监测，到达对设备运行情况的实时了解，以减少设备故障次数，防止重大安全事故的发生。本文针对该问题旨在设计实现一套基于红外测温传感器的温度监测系统。 1.2 研究技术现状 1.2.1 开关柜测温技术研究 开关柜大多处于高温、高压、强电场、强电磁环境中，要实现对它的温度测量，必须保证测量装置在上述恶劣环境条件下具有较强的适应能力。目前开关柜测温方式大多采用接触式测温和非接触式测温两种形式[2][3]。 接触式测温是通过设在测量点的温度传感器直接测量温度，有热电偶间接测温法、集成温度传感器测温法等。非接触式测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，有红外传感器测温法、光纤温度传感器测温法等。接触式测量的优点在于测量点位置不受限制，传感器安装布局灵活、简单、可靠，且测量精度高。其缺点在于必须要求传感器在高温、强电场、强磁场环境条件下具有较强的可靠性，还必须解决传感器与采集局部的高压隔离以及传感器自身的工作电源问题。而且由于测温元件需与被测介质接触后进行热交换，才能到达热平衡，从而具有一定的安全隐患。另外，接触式传感器受到耐高温材料的限制，接触式测温不能应用于很高温度的测量。非接触式测温的优点在于接收器(传感器)可远离被测对象，解决了高压隔离以及传感器环境温度高的问题，测温速度较快，不会破坏被测物体的温度场。其缺点是只能测量在传感器视角范围内的测量点的温度，且受到物体的发射率，被测对象到测量装置之间的距离，烟尘和水汽等其它介质的影响，一般测温误差较大。 上述两种测温形式常用的方法有贴色片测温法、热敏电阻式测温、光纤测温、红外辐射测温法。贴色片测温根据色片颜色随温度的不同而发生变化的原理来实现温度的测量，测温准确度低，可靠性差。热敏电阻式测温系统在开关柜内部恶劣的环境下具有很大的误差，布线复杂且易损坏、维护量大。光纤测温是将光纤作为温度传感器，通过温度变化调制透过光纤的光强来确定温度，对光源、发射和接收电路的技术和稳定性要求高，测量速度慢、空间分辨率低、系统实现困难。光纤测温的另一种形式是以半导体温度传感器作为探头，光纤作为传光介质，该方法缺点在于测量装置大，减小了开关柜内的绝缘空间，给开关柜的安全运行带来隐患，另外还需要外加工作电源，更换电源时需停电，影响系统的运行。红外辐射测温法，是通过感知被测目标的温度变化对应红外辐射变化来确定其温度，也是一种非接触测量方式，其测量结果受环境影响大，准确度较低，可通过大量实验数据对测量结果进行校正。 1.2.2 国内外研究状况[1] 目前国内外对高压开关柜温度的测量同样通过上述两种方式来实现。国外的ABB配电公司开发了一种名为“SafeGuard〞的温度监测系统，用