TS系列红外传感器在嵌入式控制系统中的应用

电子电路设计与方案

1 TS系列红外温度传感器的工作原理

热电堆式红外温度传感器能吸收大部分物体表面的红外线辐射，同时输出一个红外线能量与温度成比例关系的电压信号。TS系列传感器的设计包含了硅基片区（冷端）、热吸收区（热端）、氮化硅薄膜（SiNx）和外部封装。TS 系列传感器工作原理类和热电偶的工作原理相似，主要基于温差电势效应。需要先在硅基片区上沉淀多个热偶节点（Thermojunction），并将热偶节点之间进行串联，使之形成一个热感应通道（Thermopile）。将热端和冷端之间进行腐蚀，从而形成极薄的薄膜来形成热隔离区。通过红外吸收区域和热端的合并达到热端的升温效果。最终，和红外能量成正比的热电势就能产生。如图1所示，TS系列温度传感器与普通的热电偶红外探测机理相同，但热电堆式是电动势发生变化，而后者是电荷放生变化；另外热电堆式传感器更适用于具体温度的检测，而热电偶式传感器则更适用于对温度变化的感知。

2 TS系列红外传感器的设计与应用

■2�1 应用方案

TS系列红外传感器应用方案如图2所示。

■2�2 实例设计

以桌面式3D打印机嵌入式温度控制系统

为例，通过温度传感器精确测量打印机的环境

温度以及PLA耗材加热的目标温度，并在显示

屏上实时进行显示。一般而言，环境温度范围

在-20℃~+50℃。PLA耗材加热温度范围要达

到+160℃~+180℃才能融化，温度一旦超过

+230℃，材料就会固化，导致喷头堵塞。

根据TS系列红外传感器的应用方案，

设计了一款基于ARM Cortex-M3内核的

STM32F103VET6的测温控制电路模块，其原理

图如图3所示，电路为TS系列温度传感器的运

放电路，通过它可以获得被测目标物温度和环境

温度的模拟量。电路选择OP07作为调理运算放

大器，热电堆传感器通过2、3脚直接输出环境温度模拟量AIN2，同时将1、3脚获得的电信号通过运放进行比较放大处理后，输出被测目标物体温度模拟量AIN3。STM32将直接采集两路模拟量进行模数转换获得最终的环境信号。

■2�3 环境温度值测算

环境温度值是由热电堆式红外传感器TS118-3内的热敏电阻Ni1000来进行测量，通过TS传感器内阻和外加电阻之间的比例关系，得到环境温度的电压信号模拟量，将其送经STM32进行A/D转换，得到数字信号，通过电势差数字量和温度之间的比例关系得到环境温度值，其流程如图4所示。

根据传感器的数据手册可知，Ni1000测温效果呈现线性，其内阻值在0℃～200℃之间可以用公式（1）表达：

1000 6.17

T

R T

=+×（Ω） (1)公式（1）中，T是环境温度值，单位是℃。

经过测温电路，环境温度值与模数转换电压值的关系如公式（2）：

1000 6.17

1.5 1.5

10002000 6.17

T

in

T

R T

V

R T

+×

=×=×

++×

（V） (2)

TS系列红外传感器在嵌入式控制系统中的应用

李勇

（江苏省宿迁市泗阳县人民医院信息科，江苏泗阳，223700）

摘要：以桌面式3D打印机温度控制系统为例，介绍了热电堆式红外温度传感器的结构、原理和在嵌入式控制系统中的应用方案。详细分析了如何利用热电堆式红外温度传感器来测量目标温度和环境温度，并通过算法补偿来解决误差。

关键词：热电堆式;环境温度;目标温度;算法补偿

图1 红外温度传感器的原理与内部构造

图2 TS系列红外传感器应用方案

DOI:10.16589/11-3571/tn.2019.07.009

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电子电路设计与方案

在STM32的应用层算法中，环境温度测量可以通过平

均值滤波算法提高A/D转换精度。

图4 环境温度值测算

■2�4 目标温度测算

目标温度值测量也是通过TS118-3来测量。TS118-3

的实际输出电压值与目标温度值和环境温度值的差满足一

定关系。环境温度不变的情况下，目标温度每升高1℃，

它的输出电压升高30～60μV。通过两级运放的放大将温

度传感器的输出电压放大后输出，将其送经STM32进行

A/D转换，得到数字信号。通过模数转换后的结果再经过

STM32应用层算法补偿后得到最终结果。测算流程如图5

所示。

图5 目标温度值测算

TS118-3传感器与目标温度值的曲线关系如图6所示。

图6 TS118-3测量曲线图

由图6所示，TS118-3传感器的输出电压值与目标温度

值成非线性关系，通过补偿调整电路可使用模数转换的输入

电压与目标物体电势差的关系满足公式（3）：

2.25121.5

in e

V V

=+×（V） (3)

公式（3）中e V是温差电势，in V是模数转换电压。

由公式（3）可知，模数转换电压与温差电势成正比，

而温差电势和目标温度值满足非线性关系，因此模数转换电

压in V与目标温度e V成非线性关系。通过测温补偿算法对目

标温度值进行三次拟合后得到更准确的目标温度，当环境温

度值是25℃时，目标温度值与温差电势的三次拟合曲线如

图7所示。

图3 红外测温放大电路原理图

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28 | 电子制作 2019年04月