红外线冰面温度测控装置

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作者：李冠男复旦大学电子工程系

概述

冰上运动是一项集体育、健身、娱乐于一体的全民参与活动。近年来随着人们生活水平的提高和该项运动的普及，越来越多的大型冰场在国内各地兴建，仅去年全国就已建造了数十座大型冰场。

冰上项目如速滑、花样、冰球及其他群众娱乐要求的冰面温度各有不同，同时要求整块冰温度均匀，目前国内所建造的冰场基本做法是：采用Pt100温度传感器，检测冰层下面的制冷管道温度，对压缩机进行控制，而环境条件下诸多影响冰面温度的因素无法考虑进去，使得冰层与冰面的实际温度差别很大，如受灯光、观众、溜冰人数，冰面保养影响，都会使得冰面出现严重的质量问题。过高的控制温度会使冰面出现水雾，冰面过软不能进行冰球之类项目,过低的控制温度又会使制冷机处于长期运行，耗电量大，过硬的冰面使花样滑冰难以完成动作又容易受伤。于是在本文中，我们提出了研制红外线冰面测温装置，通过冰面自身辐射能量原理，利用红外技术，实时检测冰表面温度，及时滤掉那些因灯光、人体、热源等因素的干扰信号，根据设定温度来自动调节制冷机能级、自动控制压缩机起、停，实现冰面温度的恒定控制，既保持了冰面温度质量要求又大大降低了运行成本。这套装置的关键技术是实现了红外探头、旋转云台、信号干扰的滤波处理于一体的集成过程自动控制。本套装置目前已经在国内数个新建冰场得以布设，实践反映效果良好。

系统组成及原理

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图1 系统框图

红外线测温传感器：冰面温度与冰层硬度密切相关，很小的温度变化就会引起很大的冰层硬度变化，不时变化的外界环境使得冰表面温度要比冰层温度变化快得多。接触式的探头是无法安装在冰面上的，采用红外线冰面测温技术可以解决以上技术问题，选用红外线温度传感器安置在冰面上方的马道，避免照明系统直射，考虑到标准场地马道高度一般在12米以上，冰面温度在-3～-7℃，冰层厚度在40mm，环境温度≤26℃,并且湿度较大，所以我们选择了一款美国产的温度探头，技术参数为：4～20mA输出，测量温度-20～100℃，距离系数30：1，防护等级IP65，响应时间200ms，光谱范围8～14um，此探头满足设计需求。

智能云台：标准滑冰场的冰面尺寸一般在61x30米范围。选用定点测温方式需要数十个红外测温探头才能够检测到不同位置的冰面温度，成本太高，不经济。于是我们应用了智能云台，将温度检测探头放在云台上，由温度检测控制器通过远程协议控制云台旋转，以扫描方式检测温度，改变云台仰角可以改变探头的伞状覆盖面积，对一个标准冰场有两个红外探头就满足需求。我们选用了一款国产的云台。技术参数为：旋转角度：水平方向0～355度;每秒4.7度，垂直方向0～90度,每秒4.7度。

红外冰面温度控制器

这是一个核心控制单元。所有的信号检测、信号处理、滤波放大、工程换算、信号输出、设备连接控制、网络通讯等，测温区域，测温速度，测温方式都是由这个控制器来完成的。参见软、硬件设计框图。

点位检测：在0～355度内可设定检测点数量1～100点，每点停留5秒，取滤波后的温度。再计算所有测温点的平均值。与设定温度进行比较输出控制信号。

扫描检测：在0～355度内可扫描检测，扫描一周取滤波后的平均值温度与设定温度进行比较，输出控制信号。

全自动制冷系统：包括压缩机组，全自动蒸发冷，智能乙二醇水泵等组成，接收到红外冰面温度控制器输出的制冷信号后自动联锁运行，因为制冷控制系统不是本文介绍对象，不再赘述。

冰场监控软件：通过上位机设定显示制冷系统、红外冰面温度控制系统的各种参数、工作状态、画面、历史记录、打印等。本工程采用一台计算机作为整个冰场的检测和控制平台，通过组态画面可模拟系统中制冷设备的运行状况，冰面的温度状态、人机界面清晰、醒目、直观,显示所采集的温度等历史曲线，自动记录，定时打印温度报表,进行设备故障报警，提示故障原因并记录,可随时对现场所有控制器中的控制设定值和报警设定值等参数进行设定等功能。方便了操作人员管理整个制冷系统。

硬件组成

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图2 硬件设计框图

红外冰面温度控制器的核心是一款8位mcu，有2个独立的usart，1路外接485芯片控制云台动作，另一路预留与上位机通讯用，红外探头的4~20ma信号经电阻分压后滤波进入12位模数转换器，mcu使用SPI接口读取a/d12位数据，1路运行允许信号经电平转换送入mcu，根据计算结果输出制冷运行开关量信号。

软件流程

红外冰面温度控制器软件包括云台控制程序，模拟量驱动程序，输入输出启动程序，modbus程序，冰面温度控制逻辑。

云台控制程序实现了如下函数：
pelco_pan(addr,action) 参数分别是云台地址和动作，通过这个接口控制程序可以操作云台垂直和水平方向摇动。
pelco_init() 协议初始化
模拟量驱动程序函数：
GetScaledValue(channel)获得经过滤波和校正的温度值
输入输出程序函数：
Hal_GetDigitalInput(Input)获得开关量状态
Hal_SetRelays(State)设置继电器状态
Modbus程序函数：
ModbusApp_Control() modbus状态机控制
ModbusApp_ProcessPacket(pprotol) modbus包处理
控制逻辑函数：
Application_Scan() 扫描方式测温
Application_Point() 点方式测温
Calc_Temp() 计算冰面温度，滤除干扰
Control() 控制逻辑