基于光纤传感的温度测量系统设计毕业论文.doc

题 目： 基于光纤传感的温度测量系统设计 姓 名： 刘芳 学 号： 201105100050 学 院： 物理与机电工程学院 专 业： 光电子技术科学 年级班级： 2011级2班 指导教师： 王少辉 年 月 日1毕业论文（设计）作者声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全了解有关保障、使用毕业论文的规定，同意学校保留并向有关毕业论文管理机构送交论文的复印件和电子版。同意省级优秀毕业论文评选机构将本毕业论文通过影印、缩印、扫描等方式进行保存、摘编或汇编；同意本论文被编入有关数据库进行检索和查阅。本毕业论文内容不涉及国家机密。论文题目：作者单位：作者签名： 年 月 日 2目 录摘要1引言11. 总体设计方案21.1方案设计2 1.2光纤温度传感器TS332. 硬件电路设计62.1放大电路62.2 A/D转换电路92.3 LCD显示电路102.4 报警电路122.5 按键电路122.6 系统硬件电路图133.软件系统设计133.1主程序流程图133.2 信号采集与处理流程图153.3 A/D转换流程图164.调试与仿真175. 结束语17参考文献18附录19致 谢233基于光纤传感的温度测量系统设计 摘要：本文设计了基于光纤温度传感器TS3的温度测量系统,光纤温度传感器TS3采用荧光型光纤传感原理,实现了多点测温,同时有报警功能。温度测量系统主要由光纤温度传感电路，A/D转换电路,集成运放电路,时钟电路,报警电路，键盘和显示电路等组成。介绍了光纤温度传感器TS3的工作过程，温度测量系统的运作机制，并进行了软件仿真。仿真结果表明：基于光纤温度传感器TS3的温度测量系统具有良好的多点测温性能。 关键词：TS3;多点测温;温度测量Based on the Temperature of the Optical Fiber Sensing Measurement System DesignAbstract:This paper design a temperature measurement system based on optical fiber temperature sensor TS3, optical fiber temperature sensor TS3 using fluorescent fiber-optic sensing principle, implements the multi-point temperature measurement, at the same time with alarm function. Temperature measurement system is mainly composed of optical fiber temperature sensor circuit, A/D conversion circuit, integrated operational amplifier circuit, clock circuit, alarm circuit, keyboard and display circuit, etc. TS3 optical fiber temperature sensor is introduced and the working process, the temperature measurement system of operation mechanism, and a software simulation was carried out. The simulation results show that the temperature measurement system based on optical fiber temperature sensor TS3 have performance of multi-point temperature measurement.Key words:TS3; Multi-point Temperature Measurement; Temperature Measurement 引言 温度是日常生活中常见的一个量，可以通过两种方法检测空间温度，玻璃管温度计、双金属温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等是直接接触被测物得到温度信息的，还有一种可以不接触被测物而得到同样真实可靠的温度信息的途径，就是间接式测温1。光纤温度传感器属于间接式测温2。在一些工作状况，如环境恶劣、有较强的电磁辐射、易起火、易发生危险，还有需要响应迅速、不能接触的地方，光纤温度传感技术显现出不凡的价值。 因为光纤自身的电磁隔绝和较宽的频带等，使得光纤温度传感器受到全球专家、学者以及商家的亲睐。由于光纤温度传感器运作时可以通过调制光处理温度信号，传感器多采用石英光纤来加工制造，大大降低了能源浪费所带来的高昂损失，将温度信号传输至几公里之外仍无温度偏差。因此，传感器在投入其它领域应用时可远离危险的地方，提高了安全系数。在辐射测温中，光纤轻，细，随意折叠成任意形状以适应一些隐秘工作条件下的温度测量，给恶劣作业条件测量温度带来了便捷，且没有其它不便。 共有两种光纤温度传感器：第一种传光型光纤温度传感器仅用光纤传输光信号。第二种测温实质是其物理参数随温度变化。后者叫传感型光纤温度传感器。传感型光纤温度传感器中，光纤作为敏感元件，因为它的温度灵敏度非常高，实用性强，结构简单、抗干扰能力强等，在实际生活中已得到应用。另外，传光型光纤温度传感器只需一个温度敏感器件，用一根光纤来传输信息，再加上光纤耦合器，便构成了光纤传感器。 随着科技的发展，光纤已被广泛应用于生活的各个角落，光纤温度传感器诗是个具有魔力的器件。其是这样工作的：选择某类高分子温敏材料，均匀粘在两根封在一起的光纤外表面，考虑到光纤折射率的问题，材料和光纤需相协调适应，当光沿着一条光纤入射，让其从另一条光纤出射。光波的物理参量如波长、偏振态、强度和相位等随温度而时刻变化，正是由于这一系列参数的敏感度，使得光纤温度传感器具有魔力，这是典型的非接触式测温3。 传光型光纤温度传感器的传感原理比较简单，容易实现，传感型光纤温度传感器的实质是：光纤作为敏感器件，其接收外界温度信号的变化，导致自身振幅、相位、波长、功率、光强等物理参数发生变化，来实现测温。传光型光纤温度传感器敏感度低，但因其生产成本较低，在一些不要求特别精确的场合很容易投入使用，市场前景还算良好。 1. 总体设计方案1.1方案设计 本设计是基于传感型光纤温度传感器本身具有的物理参数随温度变化的特性、单片机对数字信号的高敏感性和可控性，设计出光纤温度传感器TS3和以单片机为核心的一套温度检测与控制系统。整个系统包括温度采集模块、集成运放模块、A/D转换模块、按键输入模块、报警模块和显示模块。系统总体框图如图1所示：温度信号采集集成运放A/D转换 单 片 机显示电路 按键 输 入时钟电路报警电路图1 系统总体框图 温度采集模块：石英光纤敏感头暴露于系统内，当系统内温度发生变化时，光纤敏感头接收这一信息，通过光纤传输温度变化信息，即光波的物理参数变化，最后由光电转换器接收光波信息，并将光信号转化为电信号。集成运放：由于采集到的温度信号比较微弱，需对其进行放大。A/D转换模块：温度信号最终要送至单片机进行处理，因此需将模拟信号转换为数字信号。按键输入模块：设定两个按键，分别用来增加和减少温度值。启动光纤温度传感器TS3，采集温度信号，送至单片机控制系统处理，并显示出温度值。1.2光纤温度传感器TS31.2.1光纤温度传感器TS3 如图2所示，光纤温度传感器TS3是由欧普申光电科技有限公司研发的，该公司致力于光纤传感与光谱分析解决方案。光纤温度传感器TS3选择某类高分子温敏材料，均匀粘在两根封在一起的光纤外表面，考虑到光纤折射率的问题，材料和光纤需相协调适应，当光沿着一条光纤入射，让其从另一条光线出射。因为温度的变化引起材料折射率发生改变，光波的功率输出发生变化时，随其一起变化的温度也有规律地变化3。光波的物理参量如波长、偏振态、强度和相位等随温度而时刻变化，正是由于这一系列参数的敏感度，使得光纤温度传感器具有魔力 4。图2 光纤温度传感器TS31.2.2光纤温度传感器TS3的工作原理发光二极管光纤耦合器光纤温度传感头 聚合镜 图3 光纤温度传感器TS3工作原理 如图3所示，从发光二极管发出的光经过处理,先进入聚光镜，经过耦合再传输至光纤的一端,光纤耦合器接收到出射光，对其进行耦合，光线温度传感头接收耦合光5。光纤传感头端部含有敏感材料，这种高分子温敏材料受激励光照射，受激而发射特殊的荧光,荧光信号快速沿着光纤传输,接下来是光纤耦合器，经过耦合的荧光从传输光纤的另一端射出,最终由光电探测器接收，这时，光电探测器获得温度信号6。 1.2.3光纤温度传感器TS3的技术参数 测温范围：-199+299 精 度：1 响应时间：1.5s1.2.4光纤温度传感器TS3的应用在医疗方面，TS3光纤温度传感器可用于体表肤质检测，精确温度获取，给人体如食道等不可接触器官量体打造温度传感器。图4 患者温度监控系统光纤温度传感器TS3的OTG-M420和OTG-MPK5光纤温度传感器绝对安全，在一些需要应用高科技手段的场合，如X射线、CT检测中，儿童发高烧治疗中，能得到高精度的温度信息。TS3的OPP-M可用于心血管血压监控，本质安全，提供动态频率响应时间，极小的温漂和湿度引起的漂移，紧凑的末端感应温度传感器为提供高精度的温度读取而设计，对电磁，射频，磁共振和电子干涉完全免疫，不受光纤弯曲和多重连接影响，始终如一的精确温度读取通过“传感器到传感器”和“系统到系统”，传感器可以混合和匹配，精度没有任何降低，容易安装和嵌入导尿管，整个系统（信号解调器和传感器）精度为0.3，不需要输入标定序列号，具有竞争力的低成本解决方案7。图5 TS3的温度监控 光纤温度传感器 OTG-M装置稳定，不受干扰，使用方便，在恶劣条件下也能大显身手。 动物生理温度监控：TS3的 OTG-M 系列与核磁共振相容的光纤温度传感器专为动物生理温度监控而设计，在磁共振和射频情况下提供实时精确温度读取8。 图6 动物生理温度监控2. 硬件电路设计2.1放大电路光纤温度传感器接收光信号经处理后的模拟信号转化为数字信号并进行放大，有3种方法可供选择。方法一：采用晶体管电路构成，如图7所示。图7 晶体管放大电路方法二：高阻放大器，如图8所示。 图8 FET放大电路方法三：由运算放大器构成，如图9所示。 图9 运算放大器 经分析，方法一由晶体管构成的放大器和方法二由构成的放大器在电路结构上比方法三由运算放大器构成的放大器复杂，而且运算放大器构成的放大在输入、输出阻抗和信噪比要求上能达到本系统的要求，所以采用方法三。2.2 A/D转换电路 ADC0809芯片具有高精度，高的转换效率，低功耗的优点，其引脚及转换原理分别如图10，图11所示：图10 ADC0809引脚通道开关选择 通道地址锁存和译码逐次逼近寄存器(SAS)8位锁存器和三态门定时和控制CLOCK开关树形D/A 比较器 REF(+)REF(-) IN0 IN1 模 IN2 拟 IN3 输 IN4 入 IN5 IN6 IN7 A B C ALE 图11 A/D转换电路原理 本设计中单片机与ADC0809的连接图如图12所示。图12 单片机与ADC0809的连接2.3 LCD显示电路在LCD1602上显示所测温度，接线方式如图13所示 图13 LCD16022.4 报警电路 温度报警：当系统温度不在控制范围时，蜂鸣器鸣响，报警电路如图14所示：图14报警电路2.5 按键电路 输入按键有两个，分别用于加减温度上限值。如图15所示：图15 按键电路2.6 系统硬件电路图系统的总体硬件电路图如图16所示: 图16 总体硬件电路3.软件系统设计3.1主程序流程图 如下图17所示,本系统特别选用光纤温度传感器TS3探测温度信息，将温度信息送至放大器处理以获得较大的信号，将放大后的信号送至A/D转换器，这时模拟信号转换为数字信号，单片机对接收到的温度信号进行处理，最终由LCD显示器显示温度值。开始等待输入设计定温度上限输入设定值 LCD显示温度信号采集 更新LCD实时温度显示 返回图17 主程序流程3.2 信号采集与处理流程图流程图如18所示，光纤温度传感器TS3采集到温度信息，由集成运放进行放大，得到方便处理的温度信号，送于A/D转换器转换为单片机能接收的数字信号，单片机将处理后的温度值送于LCD显示。开始温度采集微弱信号放大A/D转换 处理LCD显示返回 图18 程序流程图3.3 A/D转换流程图 如图19所示，送于单片机的信号需由A/D转换器变成数字信号，A/D转换流程图如下: 开始 初始化启动A/D转换A/D转换完成？ N Y数据输出延时结束图19 A/D转换流程图4.调试与仿真 通过keil和protues联调对温度测量系统进行仿真，仿真结果如下： 图18 LCD1602显示仿真图 从仿真图可看出，基于光纤温度传感器TS3的温度测量系统很好地实现了温度测量。5. 结束语 通过对温度测量系统硬件电路和软件系统的设计，仿真结果表明：基于光纤温度传感器TS3的温度测量系统实现了多点测温。该测量系统采用先进的光纤传感原理，开创了温度测量的新方向，更为温度测量系统的发展奠定了基础。参考文献1刘智超，杨进华，王高.FBG测温系统的光谱校正算法的研究J.光谱学与光谱分析，2014,7:1793-1796.2赵洪霞，程培红，鲍吉龙，苞蕾.一种两段式FBG应变和温度同步测量的实现J.光电子激光，2014,6:1071-1074.3赵明富，王念，罗彬彬.基于结构化FBG传感阵列的温度及折射率测量研究J.半导体光电，2014,4:708-712.4刘月明.FBG应变传感器温度交叉敏感补偿技术研究J.光电技术应用，2014,2:51-56.5张旭苹.全分布式光纤传感技术M.2013.6李冰，徐秋景，曹凡菊.自动控制原理M.2014.7余成波.电气设备绝缘在线监测M.2014.8孙雨南，王茜蒨，伍剑，杨爱英.理论基础与应用M.光纤技术,2006.9S.P.Bal线性集成电路设计M.2014.10王仲东，黄俊桥.物联网的开发与应用实践M.机械工业出版社，2014,2:49-50.附录#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit LCM_E=P35;/定义接口sbit LCM_RW=P36;sbit LCM_RS=P37;#define LCM_Data P1/数据接口void LCM_WriteData(uchar WDLCM);void LCM_WriteCommand(uchar WCLCM,BuysC);uchar LCM_ReadData(void);uchar LCM_ReadStatus(void);void LCM_Init(void);void DisplayOneChar(uchar X, uchar Y, uchar DData);void DisplayListChar(uchar X, uchar Y, uchar code *DData);void Delay5Ms(void);void Delay400Ms(void);uchar code uctech = 1602A;uchar code net = ;void main(void) Delay400Ms();/启动等待，等LCM讲入工作状态 LCM_Init();/LCM初始化 Delay5Ms();/延时片刻(可不要) DisplayListChar(6, 1, uctech); DisplayListChar(0, 0, net); LCM_ReadData();/测试用句无意义 LCM_Data=255; while(1);/*/void LCM_WriteData(uchar WDLCM) LCM_ReadStatus();/检测忙 LCM_Data = WDLCM; LCM_RS = 1; LCM_RW = 0; LCM_E = 0;/若晶振速度太高可以在这后加小的延时 LCM_E = 0;/延时 LCM_E = 1;/*/void LCM_WriteCommand(uchar WCLCM,BuysC)/BuysC为0时忽略忙检测 if (BuysC) LCM_ReadStatus();/根据需要检测忙 LCM_Data = WCLCM; LCM_RS = 0; LCM_RW = 0; LCM_E = 0; LCM_E = 0; LCM_E = 1;/*/uchar LCM_ReadData(void) LCM_RS = 1; LCM_RW = 1; LCM_E = 0; LCM_E = 0; LCM_E = 1; return(LCM_Data);/*/uchar LCM_ReadStatus(void) LCM_Data = 0 xFF; LCM_RS = 0; LCM_RW = 1; LCM_E = 0; LCM_E = 0; LCM_E = 1; while (LCM_Data & 0 x80);/检测忙信号 return(LCM_Data);/*/void LCM_Init(void) LCM_Data = 0; LCM_WriteCommand(0 x38,0);/三次显示模式设置，不检测忙信号 Delay5Ms(); LCM_WriteCommand(0 x38,0); Delay5Ms(); LCM_WriteCommand(0 x38,0); Delay5Ms(); LCM_WriteCommand(0 x38,1);/显示模式设置,开始要求每次检测忙信号 LCM_WriteCommand(0 x08,1);/关闭显示 LCM_WriteCommand(0 x01,1);/显示清屏 LCM_WriteCommand(0 x06,1);/ 显示光标移动设置 LCM_WriteCommand(0 x0C,1);/ 显示开及光标设置/*/void DisplayOneChar(uchar X, uchar Y, uchar DData) Y &= 0 x1; X &= 0 xF;/限制X不能大于15，Y不能大于1 if (Y) X |= 0 x40;/当要显示第二行时地址码+0 x40; X |= 0 x80;/ 算出指令码 LCM_WriteCommand(X, 0);/这里不检测忙信号，发送地址码 LCM_WriteData(DData);/*/void DisplayListChar(uchar X, uchar Y, uchar code *DData) uchar ListLength; ListLength = 0; Y &= 0 x1; X &= 0 xF;/限制X不能大于15，Y不能大于1 while (DDataListLength0 x20)/若到达字串尾则退出 if (X = 0 xF)/X坐标应小于0 xF DisplayOneChar(X, Y, DDataListLength);/显示单个字符 ListLength+; X+; /*5ms延时函数*/void Delay5Ms(void) unsigned int TempCyc = 5552; while(TempCyc-);/*400ms延时延时函数*/void Delay400Ms(void) uchar TempCycA = 5; unsigned int TempCycB; while(TempCycA-) TempCycB=7269; while(TempCycB-); ;致 谢本次毕业设计是在王少辉老师的精心指导及全力支持下完成的。本系统的设计成功与王老师的帮助是密不可分的，再加上自身的努力才能圆满地完成预期的目标。王老师对新知识、新事物都有自己独到的见解，这深深地影响了我对学习的态度，将是我终生难忘。他们一丝不苟的工作态度和认真负责的敬业精神同样给了我巨大的收益和鼓舞。这些都将是我受益匪浅，同时也要感谢我的父母把我抚养成人，并且给了我美好的未来，正因为这样才有了这个毕业设计！ 最后，我要以最真挚的热情来感谢指导本次毕业设计中的导师，是您们用辛勤的劳动、无私的奉献和渊博的知识换来了我的毕业设计。同时感谢各位同学对我的帮助，只有我们不断努力学习，明天才会更加美好，因为机会永远属于那些有准备的人。24