基于彩色ccd的锅炉火焰温度场检测系统

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1fB55418学位论文基于彩色CCD的锅炉火焰温度场检测系统(题目)高英侠怍抒蚪：舅1指导教师朱景伟教授樊叩海教授申请学位级别工学硕士专业名称电力电子与电力传动学位授予单位大连海事大学2006年3月 摘要温度是锅炉运行的重要参数，热电偶和工业电视等传统的炉膛燃烧状况监视漫备存在许多缺点，它们已经不能满足锅炉经济安全运行的需要。使用能定量检测锅炉内温度场的仪器是今后发展的趋势。因此，研究能定量测量锅炉温度场的仪器对于提高锅炉运行的安全性和经济性具有重要的意义。本文根据热辐射学和彩色CCD成像理论，研究了温度场测温方法，并结合数字图像处理技术，设计j’一套火焰温度场监测系统。本文对彩色测温技术的实现作了详细的分析。第～：、三章为本文的理论基础。其中研究了锅炉火焰燃烧和辐射的物理过程：介绍了CCD图像传感器的=I：2作原理，并重点介绍了彩色CCD；阐述了三基色原理，讨论了彩色测温的方法，建立了测温的数学模型，为直接利用CCD摄像机检测锅炉燃烧火焰温度阐明了物理机理；介绍了数字图像处理技术，其中主要讨论了图像噪声的去除和伪彩色图像处理技术。第四章为具体的实现环节，包括硬件设备的搭建和软件程序的编写两部分。硬件部分主要是利用Pc机、图像采集卡、彩色CCD摄像机和云台控制器，搭建起一套测温实验系统，其中在云台控制器中，利用上位机与单片机的串口通讯实现了CCD摄像头的控制，这样就可以通过上位机和现场的手动控制器这两种方式控制CCD摄像头的转动，光圈和焦距。软件部分主要是利用VC++6．0编写了一套在上位机上监控温度场的操作界面，其中能够实现对温度场总体温度和单点温度的测量，温度异常时发出报警等功能。关键词：图像处理；温度场；彩色CCD；锅妒火焰。 ColoredCCDBasedTemperatureFieldMeasurementSystemofBoilerF1allleAbsttactTemperatureisaveryimportantparameterintherunningofboiler．ThetraditionalhearthburningstatuswatchequipmentssuchasthermocoupleandindustrialTVhavesomuchdisadvantage，theycouldn’tmeettheneedsofboilers’economicalandsaferunning．Usingtheinstrumentswhichcanmeasuretheboilers’temperaturefieldinfixquantifyisthedevelopmentaltrendforthefuture．Therefore，thestudyoftheinstrumentsthatcanmeasuretheboilers’temperaturefieldinfixquantifyhaveaveryimportantmeaningforimprovingthesecurityandeconomyoftheboilers’running．ThisanidebasesonthehotradializationtheoryandthecoloredCCDimagingtheory,studythetemperaturemeasuringmetllodoftemperaturefield，andcombiningdigitalimagedisposingtechnique，designasuitofflametemperaturemeasuringsystem．Thepaperindicatesthetheoryandthetricolortemperaturemeasuremethodandhowcanthemethodtoberealized．Thechaptertwoandchapterthreearethefoundationofthepaper．Inthesetwochapters，thephysicalprocessofboilerflamecombustionandradiationandthetricolormethodusingcoloredCCDtheoryarestudied．MathematicalmodelisconstructedinordertoexplainthephysicalmechanismofflametemperaturedetectioninboilerusingCCDcameradirectly．ImageprocessingsuchasneighborhoodAveragesmoothingmethodisusedtoreducetheimagenoises，andpseudo-colorimageprocessingtechniqueisusedtoshowthepictureoftemperaturefield．Thechapterfourismainlyaboutthehardwareandsoftwareofthissystem．Thissystemcanrealizethetemperaturemeasurementanddisplayoftheboiler．Keywords：ImageProcessing；TemperatureField；coloredCCD；boilerflamelI 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明本人郑重声硕士学位论文原创性声明内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何朱加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：言安馁扣。年j月矿日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在——年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密口(请在以上方框内打⋯4)论文作者签名：言蔓像导师日期：扣·‘年0月万曰 第1章绪论1．1本课题的选题背景锅炉燃烧的基本要求在于建立和保持稳定的燃烧火焰，锅炉燃烧的稳定性直接影响到生产的安全，在燃烧的锅炉中，燃烧工况组织不合理造成的四角燃烧不均匀、火焰中心偏斜等都是导致炉膛结焦、炉管爆破、炉膛灭火、炉膛爆炸等运行事故的重要原因“3；另外，燃烧的好坏还反映在热效率的高低以及对环境的污染影响等方面，所以从保障锅炉安全运行、提高燃烧效率、节约能源、防止公害出发，需要建立严密的燃烧管理措施，而准确有效的对炉膛温度场进行监测是满足上述要求的重要手段。由于锅炉炉膛内的燃烧过程是一个在相对较大空间内发生的、不断脉动的、具有明显三维特征的复杂的物理和化学过程，其温度分布呈三维场分布“1，若对其进行有效的监测必须基于多维监测的基础之上，所以采用传统的单点测量法已一i能满足其较高时空分辨率在线式温度场分布测量的要求。因此，研制开发一种新型有效的锅炉温度场检测系统具有重要的意义和价值。1．2点评热电偶及工业电视在工业生产中，国内普遍采用热电偶对锅炉温度进行检测，采用工业电视对炉膛燃烧情况进行监视，但是他们对于温度场的监控和检测都有自己的局限性。1．2．1热电偶热电偶是当今工业生产过程使用比较广泛的一种温度测量仪表。(1)热电偶测温基本原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个电流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。“。(2)热电偶对结构的要求如下：①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； ③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。(3)热电偶的局限性热电偶属于接触式测温仪表。它的结构比较简单、可靠；但因其与被测介质需要进行充分的接触，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量，在高温场所或长期使用时，易受到氧化、还原介质的腐蚀作用而会发生劣化，而且它对自身的结构要求也很高，最重要的是，它存在着不能测量和显示整个温度场的局限性。1．2．2工业电视工业电视监视系统在用于锅炉炉膛火焰监视时，具体的工作过程如下：由内窥式光学成像系统直接进入炉膛内，将点火初期各层燃烧器工作情况和难常燃烧后炉内燃烧状态，经内窥式光学成象系统的镜头成像后，由耐高温彩色摄像机图像传感器转换成视频信号，经视频电缆传送到集控室内，由监视器将图像还原到屏幕上“1。我们知道，工业电视的作用只是将温度场的画面显示在屏幕上，工作人员通过对温度场画面的观察，根据图像的颜色和经验控制加煤和配风。由于不能准确掌握炉膛内的温度分布，经常使加煤和配风不当导致热量损失严重，甚至造成停炉事故发生。由于它并不具备温度的测量及显示功能，因此，工作人员无法对温度场有一个定量的了解。1．3国内外研究现状由于传统火焰检测系统存在局限性，近几年来，随着计算机技术的不断发展，国内外的研究者逐渐把眼光投向了可视化的燃烧监控系统，这一系统是将数字图像处理技术应用于锅炉炉膛火焰处理中，融合火焰电视和多媒体计算机系统，开发的基于全炉膛锅炉燃烧图像信息的智能火焰温度场检测系统。从目前火焰图像处理的应用研究情况看，火焰辐射图像法是一种非常有前途的新技术，研究者们通过努力已经取得了可喜的初步成果。它既可以通过赢观的图像指导运行人员，又可以通过计算机对炉内燃烧状况和火焰信息进行量化分析，从而实现智能诊断。 目前国内华中理工大学的周怀眷等人借助于辐射定理采用参考点法从火焰辐射能量分布中计算出二维温度场，并根据温度场的信息诊断燃烧工况。采用点双色法温度计进行测量定标91。王飞、卫成业等人在基于数字图像处理的比色测温法消除误差因素的负面影响、提高测量准确性方面进行了探索，并给出了运用彩色CCD测量火焰温度场的校难算法9’。上海交通大学徐伟勇等人利用图像获得火焰信息，进行火焰燃烧判别，取得了较好的成果。1，但仍处在探索阶段，现场应用还在改进。国外日本三菱公司经过多年的试验，研制开发出新一代的火焰检测装鬣：光学影像火焰扫描仪(opticalImageFlamescanner、简称OPTIS)。该火焰监测器的检测原理和传统的火焰监测器不同，它采用了摄像机和传像光纤直接拍摄火焰图像，并利用信息处理来判断火焰的稳定性。芬兰IVO公司的燃烧检测与数字分析系统(DI№AC，DigitalMonitoringandAnalysiSofcombustion)，该系统通过改进锅炉效率和可靠性来改善安全性和减少NO的排放。1．4本课题的设计思路由L2节内容我们知道，目前工业生产中所使用的锅炉温度场检测装罨并没有实现“监视”和“测量”的统一，因此，我们想设计一套把“监视”和“测量”统一起来的锅炉温度场检测系统。整个系统包括硬件及软件两部分。硬件部分主要由彩色CCD、云台控制器、图像采集卡和一l位机这四部分组成。所要实现主要功能是：由云台控制器控制彩色CCD摄像头进行图像的拍摄，再将CCD拍摄得到的图像传输到图像采集卡中，由图像采集卡将视频信号转化为计算机呵以处理的数字化图像存储在计算机中以便进行处理。软件部分主要实现的功能为：根据存储在计算机中的数字化图像的具体数据计算出图像中各点的具体温度，实现温度场温度总体显示和单点温度显示两种显示功能，以及在温度出现异常时实现报警功能。 第2章辐射测温原理2．1辐射的基本原理任何物体都会以电磁波的形式向外发射能量，这种能量日q做辐射能。各种辐射能按它们的电磁波的波长或频率排列其位置，来标识这些辐射。波长在O．38～0．76tun范围内的电磁波属于可见光线，波长比0．38聊短的电磁波分别为紫外线、x射线和v射线等，波长在0．76～1000／on之问的电磁波称为红外线，波长更长的电磁波为微波和无线电波。波长在0．1～40tan范围内的电磁波(包括可见光和红外线的短波部分)热效应最显著，所以把这部分波长的电磁波称为热射线或热辐射91。热辐射就是从一个辐射热源，不需经过任何媒介物，也不必实际接触物体，就能把热传递给其它物体的传热现象。物体的热辐射是指能量从物体表面连续发射，并以电磁波谱的形式表现出来。这种电磁波的产生是由于物体内部的带电粒子在原子和分子内振动的结果，它们是整个电磁辐射波的一部分。一＼＼／、黝Qt图2．1入射辐射能量分布Fig．2．1distributingofincidenceradiotechnology图2．1表示，当辐射能投射到物体表面上时，在一般的情况下，其中一部分被物体吸收，一部分被反射，另一一部分可以透过物体。假设外界投射都物体表喵上的总能量为ao，被吸收了Q口，反射了O。，透过了Q。当物体全部吸收投射到其表面E的辐射能，即绞=Q0时，这样的物体称为绝对黑体，简称黑体。4 2．2热辐射的基本定律各种物体都会因为多种原因而辐射出电磁波，就温度测壤而言，我们只关心由温度引起的那部分辐射。每个物体，只要其温度超过绝对零度，都会发出与其温度相关的辐射，理想的热辐射体就是我们前露所提到的黑体，它对入射能量既不反射也不透射，完全吸收辐射到它上面的任何辐射能量，而对于一定的温度又能放射出可能的最大热辐射能量。决定这种理想辐射现象的规律是普朗克定律，它可以表示为：引埘卜磊彘丽硝expr％下)一l】(2．1)式中，B(A，丁)为全半球光谱辐射强度【Ⅳ／沏2‘fan)】：C。为普朗克第一辐射常数，c1=3．743x108W·胛4／卅2：c2为普朗克第二二辐射常数，巴=1．439x104／an·K；A为辐射的波长(pen)；T为黑体的绝对温度(K)。E(A，丁)是在波长为A时，由一辐射平面辐射到半球的单位波长的辐射量。把式(2．I)中的玩(五，r)与热力学温度T和波长A的关系用图形表示，如图2．2所示。^(um)图2．2黑体光谱辐射特性分布曲线Fig．2．2blackbody’sspcctmmradializationcharacteristicdistributingcalve图中曲线l，2，3，4分别表示温度为850k，900k，950k，1000k时的黑体辐射。从图2．2中可以得出如下的光谱辐射特性：总的辐射强度与曲线下的面积成 正比，而且它的数值是随着温度的升高而迅速增加的，温度越高，单色辐射强度越大。当温度一定时，单色辐射强度随波长^的不同按一定规律变化。丽线有⋯个极大值，波长为九(称峰值波长)，当波长大于九时，辐射强度随波长的增加l而减小。当温度增加时，单色辐射通量密度的峰值波长向短波方向移动。对应，一单色辐射功率最大值的波长丸与黑体的热力学温度T存在如下的关系：A，Tt2897．8pm’K(2．2)式(2．2)所表达的关系为维恩位移定律庐1。这样物体受热时颜色的改变就可以用光谱辐射曲线峰值波长的移动来解释。低温时，辐射能量非常小，而且主要是发射波长较长的红外线，随温度的升商，辐射能量急剧增加，辐射光谱逐渐她往短波方向移动，例如：当物体温度升至700"C时，其辐射光谱才开始包括可见光谱的红色部分，而绝大部分仍为红外辐射，到800。C时，可见光谱的红色成分大大增加，即呈现“红热”，随着温度的升高，物体依次变成红色、亮黄色以致最后成为白色。这是因为物体的温度越高，总辐射能量落在可见光谱范围内的分景也随之愈多，看起来物体就愈亮。这正是利用可见光测温的基本依据。在从0到无穷大波长范围内积分普朗克公式就得到黑体辐射功率：瓯：A(五T)dZ；于簪A—oT4(W／m2)(2．3)0OeH式中，盯=5．67×104(W／i'n2·K4)。式(2．3)就是斯蒂芬一玻尔曼定律1⋯。我们已经建立了关于黑体的辐射与其温度的数学关系，现在讨论实际物体的辐射特性。因为黑体是一个理想发射体，因此没有任何～个物体可以在相同的温度下比黑体发射更多的辐射能。所以，为描述实际物体的发射，可以选择黑体作为基准。作为物体的一个辐射性质，发射率定义为：物体所发射的辐射能与同温度的黑体所发射的辐射之比，用公式表示如下：e(z，了_)一s(A，丁)B(A，丁)(2．4)式中e(Z，丁)为实际物体的发射率。图2．3是一些有代表性的￡m，丁1的光谱分布。】。 光谴法向发射塞w”●尹}+IJl龟睫>≮≯^砖I秘·f—、／、jl、囊纯锵芦警K＼f、UmK、-,q＼、羊铸橱，、《、l捌哪C＼瀛的苓锈悄一．|。lIl●●雠波长Llm图23一些材料的光谱法向发射率随波长的变化Fig．2．3somematerials’spectrumstandarddirectionemissivityfollowingvavelength’schange由图可以看出，对于某些发射率光谱分布曲线形状较为简单的物体(如严重氧化的不锈钢)来说，上述关于发射率的变量分离在物理上成立。显然，就物理上而占，“发射率光谱分布曲线形状简单”这一条件对于大多数实际物体在全波长或一个宽波段范围内是不成立的。但是，如果我们仅考察某一短波段范围，曲线的复杂形状就变得简单，于是可用变量分离的发射率数学表达式来描述实际物体的发射率。因此，具有变量分离的发射率数学表达式在物理上是存在的，其实现的条件是将测量限定在一个短波段范围内。一般测量时假设发射率为常数，然后对测量结果进行修正。也可以在不同温度段，采用不同的发射率修正值。2．3火焰温度场测量方法随着科技的进步，测温方法越来越多，也越来越先进。一般来说，温度场测量方法分为接触测温法与非接触测温法两大类。非接触测温能在接触测温不能使用的场合下使用，它具有响应速度快，灵敏度高，分辨率强，能够较好地实现列 高温、微小、旋转、高速移动和腐蚀性较强等不可接触目标的温度测量。非接触式测温一般从辐射学和光谱学两种方法着手，从光纤高温计、红外高温计到各种激光测温技术如激光感生荧光PLIF(planar1aser—inducedfluorescence)薄部在不同的场合得到了应用，而且分别具有适于特定情况的突出优点。但现有的备种测温方法都难以直接用来测量燃烧火焰的温度场分布，这罩主要考虑辐射学的方法。目前，辐射测温按所用的接收方式可分为单辐射测温法、比色测温法以及三色测温法等。2．3．1单辐射测温为了避免大气吸收，单辐射测温法是测量某大气窗口的^，～^，波段内的辐射能量，由辐射定律。3：E圹E旷C砸，r)c，r5cxp【鲁。】-ldA(2·5)可知，如果发射率￡(A，r)己知，就能由吸收的能量得到温度。这个方法所选波段越窄越好，这样容易排除许多干扰辐射。可是带宽过窄．会使探测器接收的能量变得太小，而且未知辐射率的变化，也影响着真实温度的测定。为了消去辐射率随波长变化的影响，人们又开发了多波长辐射测温法。这是一种很精确的方法，其精度为0．5％，比热电偶还好。目前美国已研究出四波长和六波长的辐射高温仪。但是多波长测温仪的工艺比较复杂，且造价又高，很难推广应用。2．3．2比色法测温比色测温的根据是普朗克定律，即对于同一温度在不同的波长下物体的辐射能是不同的。这样我们在同一时刻用普通的CCD测量到的同一火焰的两个相邻波长辐射图像，通过图像处理单元得到它们所对应的辐射能。再对它们的辐射能求“比值”就可以得到下面的式子“⋯：器=荽和卜争c去一知㈦s，如果两个发射率相等s。．；e∥就可得到与发射率无关的目标的真实温度与辐射能的。个关系： 器每酬一番一知㈦，，则温度Z为：_c2(三一三’卜荔In[EWe-(李--)5](2-8)在这个关系式中只要知道两个选定波长下的火焰辐射能就可以得出物体的温度。这种方法由于选择两个波长，使得两个波长下的光程的影响因素相同，进行相对值测量，消除了恶劣环境的影响，另外，和仪器有关的参数被消掉，因此比色法不用黑体标定，这些都是比色法的独到之处。但由于它假定两波长的发射率相等或比值己知，这一点在实际测量(特别是温度场测量)中很难满足，一旦波长选择不适当，测温结果则可能出现重大误差。2．3．3三色法测温彩色CCD可以把入射光分解为波长分别为700nm、546．1nm、435．8rim的红(r)绿(g)、蓝(b)三色图像，通过图像采集卡将其转换为数字图像，这样我们就可以利用图像处理技术获取数字图像中任意点在这三种波长下的色度值来得到温度T。彩色测温方法是一种相对量测量方法，辐射方向的复杂性不会对其造成影响，发射率的处理方式是采用发射率单调模型来拟合发射率，而没有采用灰体和漫发射体假设，充分考虑到了温度场中发射率场的客观存在；另外，它使用CCD在同一波段内的不同光谱响应函数，不需通过标定，便构造出了封闭的测量方程；因此彩色测温方法是不需标定的真正意义上的温度场辐射测量方法。本文在下一章中将重点讨论三色法测温的原理和实现。9 第3章基于图像处理的辐射温度场测量技术基于图像处理的辐射温度场测量是⋯个将火焰的光信号转化成具体幽像，然后再将其转化为数字信号并存储在计算机内，最后再根据已存储的数字信号和具体的测温的方法进行的温度测量的过程。在具体的图像获取和信号转化环节中，离不开对光学器件原理的了解，而对温度场测量的实现则依赖于具体的测量方法。本章就图像传感器和温度场的测量方法这两方面做了详细的介绍。3．1COD图像传感器31．1CCD的工作原理与普通的MOS、TTL等电路一样，电耦合器件(CCD，ChargeCoupledDevices)属于一种集成电路，它具有多种独特的功能。通过CCD可以实现光电转换、信号存储、转移(传输)、输出、处理以及电子快门等一系列功能。基于它的这些功能，CCD器件在许多方面都得到了广泛的应用，尤其是在图像传感和非接触测量领域中的应用。组成CCD的基本单元是MOS(金属一氧化物一半导体)结构，在P型(或N型)半导体衬底上制作氧化层，再在此绝缘层上按一定次序淀积金属电极，便构成了CCD的基本单元。在对MOS的金属栅极施加电压之前，P型半导体中的空穴(载流子)的分布是均匀的。在栅极电压U，作用下(u。u：的时候，将形成一层极薄的但是电荷浓度很高的反型层，这说明了MOS结构有存储电荷的能力。如图3．1所示⋯。。金属栅电极G图：3．1CCD结构示意图Fig．3．1framesketchmapofCCDlO苕臀謇臀茸臀剐弓}霄警 而这些MOS结构就是在CCD摄像器件的表面的光敏单元阵列，光敏单元的作墉是把所接收到的光辐射信号通过光电转换变成电荷信号。信号电荷在CCD中的产生、存储、传输和检测构成了CCD的主要工作过程。势阱深度决定了所能容纳的电荷数量，在合适的光照强度和光照时间下，CCD中备像元产生的电荷量的分枷能够正确反映出成像面上的光强分布。通过按一定规则交替变化的驱动脉冲加到(：cD各电极上，使电荷在交替电压的作用下按一定的方向逐单元顺序迁移(图3．2)，最后在检测端通过电荷检测回路将电荷转换成电信号，送给后面的处理单元进行信号调制，以把图像信号转变为通用的视频信号(PAL或NTSC制式)。≈t爷芍翟￥1寻Y2々“≮等1∥117謦趟髯南≤嶷由≤簧南意事b≤铐蛏母獬热豳霉塞荷邑划k童圈3．2CCD中的电荷转移示意图Fig．3．2chargeshiftsketchmapofCCD需注意的是，如果光积分时间过长或者光强度过高，势阱中的电荷饱和并出现电荷“溢出”的现象，则会干扰相邻位置的信号，使图像的清晰程度下降甚至不可分辨，这种情况在工业火焰监视中经常碰到，此时须采取减少光积分时问、缩小光圈或通过在光学镜头前加中性衰减滤光片的方法，减少进入CCD的光通量。312彩色COD彩色CCD摄像机是可见光CCD(包括黑白和彩色)中的一种，它的光酷响应与人的视觉的光谱响应一致，因此我们可以借搽人眼视觉的色度学结果说明其色度学原理。人眼对颜色的感受有着两个任务：一方面它要把物体成像在视网膜上，在视刚膜上形成一个清晰的像：另一方面，把视}侧膜上接收到的辐射通过视神经纤维的作用形成刺激传递到大脑，转变为颜色感受。由于颜色匹配的三基色理论能够n¨土船璐攀 较好地描述和计量颜色，因而在彩色CCD摄像机成像中得到了应用。其主要观点是：自然界的可见彩色都可以用三个原色按一定的比例混合得到，反之，任意一种彩色都可以分解为三个原色；作为原色的三种彩色，要相互独立，即其中任何⋯个都不能用其它两个原色混合得到；三原色之间的比例直接决定了混合色调的饱和度；混合色的亮度等于各原色亮度之和。彩色CCD的任务就是把来自景物的入射光分解为不同比例的R、G、B三基色图案，以形成人眼所能感受到的彩色视觉效果。早期的三管CCD摄像机采用三片CCD，分别位于通过分光棱镜分出的红、绿、蓝三束光的像面L，各自输出独立的u，、U。、玑信号，经过信号处理电路进行彩色处理后送至编码器，输出全电视信号。由于采用了三片CCD，三管CCD摄像机可以达到较高的分辨率，然而由于CCD制造过程也存在偏差，经摄像镜头和分光系统后所形成的红、绿、蓝三幅单色图像的大小并不是完全一致的，需要复杂的校正电路来对光像尺寸进行校正，阁而现在已被单管(单板)彩色CCD摄像机所取代。单管彩色CCD只使用一片CCD，通过在像元表面设置滤波条纹或滤色点阵实现分色。因此，彩色CCD的分辨率要比黑白CCI)的分辨率低。基于人眼对红色和蓝色分辨力低的特点，提高绿光的采样点数目，可以在CCD水平分辨率不高的情况下，提高绿信号的采样频率，使图像的色彩均匀““。彩色CCD获取的信息中包含了三个颜色的色发信息，通过图像卡采集和计算机处理可将R、G、B信号分离出来，为我们探索利用不同波长的光信号测量温度场提供了可能。3．2色度学原理3．2．1色度学基础随着科学技术的发展，人们建立了现代色度学。它是一门以光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性学科，亦是--fl以大量实验为基础的实验性学科。它的任务在于研究和解决颜色的度量和评价方法以及测量和应用等问题。在这里我们就其一些基本概念和毛要相关问题作简要介绍。 人眼视网膜上的锥状细胞有三种类型：红敏细胞，绿敏细胞，蓝敏细胞，它们分别对相应的色光有最大的敏感度，它们各自的相对光谱视敏函数曲线如图3．：{所示。如果把图3．3中对应于每一波长的3条曲线上的数值相加，就得到人眼视觉灵敏度曲线，在图中用虚线表示。当这些细胞被色光激励时，可以产生色彩感觉。人眼视网膜的这种构造，使得人眼能够对不同色光有不问的感知，从而产生“色感”““。如前所述，不同波长的光波的能量不同，所以入眼对不同色光的敏感性，也就是对不同能量的光波的敏感性不同。我们知道，高温物体的能量越高，它所发出的辐射光中的高能量光波的成分就越大，人眼的这种辨色特性实际上就使人具有了对不同高温辐射分量的感知能力，从而也就能够据此对高温物体的温度进行估算，这也就是所谓的“辨色知温”“4l。从这个意义E说，人眼是一个天然的测温仪。相对桃t度螂’∞图3．3二种锥状细胞的相对视敏函数曲线Fig．3．3comparativelyinspectquickfunctioncurveofthreekindsofprickshapecellular由图3．3可见，三条曲线是交叉重迭的，对某一单色光束讲，其波长值可以处在一条、两条或三条曲线F。例如，580毫微米的黄光的波长值就在R和G曲线下，表明它既能激励红敏细胞，又能激励绿敏细胞。现在，当我们用红光和绿光以适当比例混合后同时作用于视网膜时，红、绿光敏细胞受到激励而产生的彩色感觉，可以与由黄单色光引起的视觉效果完全相同。这证明人限的亮度感觉是红、¨啪瞄¨ 绿、蓝三种彩色视觉合成的综合效果“⋯。在一般情况下，如有两组光潜成分不同的光，只要各种光敏细胞对它们的感觉相同，则主观彩色感觉(包括色度和亮度)就相同。根据人眼对彩色的视觉感受特性，在彩色复现过程中，并不要求恢复原景物辐射(自身辐射成反射辐射)光的光谱成分，丽重要的是应获得与原景物相同的彩色感觉。根据人眼的上述视觉特性，就可以选择三种基色，将它们按照不同比例进行组合，以引起各种不同的色彩感觉。3．2．2颜色的属性颜色的描述和度量是一个很复杂的问题，我们只作基本的归纳。颜色属性有以下几点n61：(1)颜色具有连续性。即当光的波长连续变化时，颜色的变化也是连续的，颜色是波长的函数。(2)颜色具有可分性。牛顿的色散实验，将白色光通过三棱镜可分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色。这就证明颜色的可分性。(3)颜色具有可合性。任一颜色可以看成是诈多独立色彩的线性组合，即c4荟吼ct’式中c是任一颜色，吼是组合系数，G是独立色彩。所谓独立色彩是：如果色彩c。与c：不论按什么比例混合都不能得到色彩G；色彩c。与c，不论按什么比例混合都不能得到色彩c：；色彩c：与G不论按什么比例混合都不能得到色彩cl，则cl、c：、c3便称为相互独立的色彩。(4)颜色符合亮度相加定律。即混合色的总亮度的总和。(5)三基色原理。即选择三种独立的基色，按一定的比例混合调配，模拟自然界中绝大多数常见的色彩的原理。现在实际应用中通常选择红(R)、绿(G)、蓝(B)作为三个基色。323颜色方程颜色光的匹配可以用数学的形式来表示，以e代表被匹配酌颜色(颜色转甜中心的颜色或颜色光实验的单一光源色)，以(R)，(G)，(B)代表红、绿、蓝三原色(颧笆转盘外圈的颜色或颜色光实验的三原色光)，又以R，G，B分别代表红、绿、蓝14 三原色的数量(三刺激值)，则可写出颜色方程“⋯：c(c)t尺(R)+G(G)+B(嚣)(3．1)式中“=”号代表匹配，即视觉上相等。当匹配相等能量光谱色时，所需三原色光的数量叫做光谱三刺激值，用；、i、b表示。匹配波长为k的等量光谱色c。的颜色方程：c。I，(尺)+g(G)+6(B)(：3．2)上式中光谱三刺激值r、g、b之一可能是负值，例如：C女一r(R)+g(G)一b(B)(3．3)在上述可能具有负值方式的颜色匹配条件下，所有的颜色，包括黑、自系列的各种灰色，各种色相和不同饱和度的颜色，都能由红、绿、蓝三原色的相加混合产生(匹配)。综上所述，任何一个颜色，包括可见光谱的全部颜色，都能用红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色光相加混合获得，条件是三原色光中的任何一种不能由其余两种相加获得。通过配色实验，1931年国际照明委员会(CIE—CommissionInternationaldeFEclariage)推荐的标准白光的三个基色光通量比例为：阪I：眩|：bItl：4．59．7：o．0601(3。4)以光通量为一光瓦的红基色光为基准，于是配出标准白光例要：IFl—1+4．5907+0．0601—5．65．8(光瓦)(3．5)为简化计算，国际上利用上述数据作出如下规定：把波长700．0nm，光通量为1光瓦的红光作为⋯个红基色单位，并用【R】表示；把波长546．1nm，光通量为4．5907光瓦的绿光作为一个绿基色单位，并用【G】表示；把波长435．8i2m，光通量为0。0601光瓦的蓝光作为一个蓝基色单位，并用【B】表示。由此可以得到标准白光的配色方程：F=I【R】+l[GI+l【B】(3．6、对于任意给定的彩色光(：，其配色方程为： C=R【R】十G【G】+B【B】(3．7，其中R，G，B称为三色系数。将它们按不同比例组合，可引起不同的彩色感觉。捏然，R，G，B的比例关系决定了所配彩色光的色度，而相应的数值则决定了所配彩色光的光通量。在只考虑彩色光色度时，起决定作用的是R，G，B的相对比例而不是其数值大小，于是可以进一步规格化。令rm—R+G+口IJ”R／m(3．8)lg，G／mk=B／m显然r+g十b=1，式中m称为色模，它代表彩色光所含三基色单位的总量。r，g，b称为RGB制的色度坐标或相对色系数，它们分别表示：当规定所用三基色单位总量为l时，为配出某给定色度的彩色光所需要的JR][GI[BI数值。将(3．8)式代入(3．7)式得到：C=m{r[RI+g[61+b【B】)(3．9)而光通量(或亮度)可写成；中zm(1．0000r+4．59079+O．0601b1(1m)(3．10)相对色系数可以通过配色实验测得，但实际上作为R，G，B计色制中的基准数据是分布色系数。分布色系数是指配出辐射功率为1瓦，波长为A的单色光(亦称光谱色)所需要的三基色光的单位数，分别用r(A)，g(Z)，b(Z)表示，写成公式如下：C。一r(AXR)+g(^)(G)+b(A)(占)(3．11)图3．4为以等能白光作为参考光源时光谱色的三色分布曲线。它表示以等能白光为标准光源时，每一光谱色的三色系数。i6 分布色系数图3．4定量地表示出可见光谱中每一单色光的三色系数。它与(3．11)式是色度学中最重要、最基本的关系，是建立其它数学关系和坐标系统的基础。3．3三基色温度测量原理及温度的计算3．3．1描述物体辐射的普朗克定律对于一般物体，其辐射及其分布由普朗克辐射定律描述：wm。而C1。·12’式中，C．为普朗克第一常数，C：为普朗克第二常数，E(A，丁)为单色辐射强度，T为绝对温度，￡，为单色发射率，A为波长。物体的单色发射率一般表现为波长和温度的函数：如=，(|；L，丁)(3一13)(3．12)式给出了物体辐射的光谱分布。(3．12)，(3．13)式告诉我们，物体辐射的这种光谱分布，是物体温度和发射率的函数。这种光谱分布，在可见光范围内，表现为视觉卜的所谓“色彩”效果。物体的色彩如何，取决于物体辐射的光潜成分，亦即取决于物体的温度和发射率，根据(3．t2)式所示的普朗克方程，可以确定如下的方程组： w一“而C1硝【expr2／下)一1】配刃％2爵CI五硝【eXpr乃下)一1】舷刃吨砑C1硪expr形T)一l】(3．14)在(3．14)所示的方程组中，有n+1个未知数{T，F∥s∥⋯，s。)，但只有，、个独立方程。显然，这是一个超定方程组，为了对它进行求解，我们可以建立一个￡，的模型。在前一章中我们己经分析了这种方法成立的条件及￡，模型存在的合理性。从图：j．5中可以看出，在可见光波段内，发射率曲线是比较简单的，所以我们可以尝试庄可见光波段建立数学模型对发射率￡，进行描述。光蕾发射功盎波长m图3j普朗克分布曲线 3．3．2彩色三基色温度辐射测量模型的建立对于具有任意辐射强度e(z，T1的彩色光下的色系数，可利用分布色系数方程计算：Rtr，(A汪(A，T)dA3’80780G2弘(A)E(A，r)dx(3·15)380780B‘P(A)E(A，T)dA式中的iQ)，虿(A)，西(A)为图3—2所示的RGB制混色曲线。对遵守普朗克辐射定律的一般物体，将式(3．12)代入(3．15)，则高温物体发出的彩色光色系数可以由下面的公式的确定：R。．rr(A)％d^G#弘％而丽C1以(3．16)口。点780口--。^，Fajii：；丽CldA在温度小于3400。C，波长小于0．78／an时，Planck定律可用维恩(Wien)定律近似：E(A，丁)tC1s。f5exp(一万C2)(3㈣这样，式(3．16)就可写为。纛 月。￡7‘^’F2：_丽(S1dAG2点g‘A’E。赢d^‘3·18’曰23，806‘A’￡^—Z—s—e—x』p二(CL—Z／一丁@。。，卜nlf(x,y)-去-。娶¨m，M，I玎[1001001001『1001001001，10，Y)一1100200100I，正O，Y)一1100140100I1100100100l1100100100lf10010010011100log1001其结果为：gl(x，Y)一IIOD100100l，92@，Y)。1100140100lflog100100f1100100logf 如果^@，y)中的灰度200为噪声，而L(x，Y)中的扶度140为非噪声，则闽值T选为50是合适的。如果L(x，Y)中的灰度200也为非噪声像素，则阈值T选为50就不合适了，这将造成图像细节的丢失。因此，闽值T的选择需要积累经验。如果存在一些先验知识(即事先知道噪声像素的灰度级范围)，这对T的选择将具有霞接的指导意义。总之，阈值T的选择需要根据图像的特点作具体分析。邻域平均法滤波流程图如下：图3．6邻域平均滤波流程图Fig．3，6neighbouraieaaveragesievewaveflowchart 图3．7朱经去噪的图像图3．8邻域平均法去噪Fig．3．7picturebeforewipedoffyawpFig．3．8pictureafterwipedoffyawp图3．7是一幅未经过滤的图像，图3．8是采用邻域平均法将图3．7过滤后的图像。经过仔细观察，从图3．8中可以看出，采用邻域平均法处理过的图像清晰，变化平滑。3．4．3伪彩色图像处理在某些场合下，需要把自然彩色图像变为伪彩色图像。伪彩色图像处理就是把彩色图像变成另一种彩色分布的图像。彩色图像的伪彩色处理的用途有二：第一，把人们已经习以为常的自然彩色变成伪彩色图像，会引起人们的特别的关注：第二，人眼对不同的颜色的灵敏度不同，为突出某些图像细节内容，可将其变成人眼灵敏度高的彩色。自然彩色的伪彩色处理一般采用如下形式进行：毽GgBga1房y1a2卢2，，2口3／33)，3R，G|B，(3．32)式中Rt、G，、BI为原始彩色图像的三基色分量；Rg、G。、Bg为处理后伪彩色图像的三基色分量；a，、羼、托(i=L2，3)所组成的矩阵为彩色变换矩阵。彩色变换矩阵的元素口。、屈、n(i；L2，3)可根据需要选定”⋯。具体伪彩色变换流程图如图3．9所示。图3．10是一幅未经变换的电炉子温度场图像，图3．11是经过伪彩色图像处理后的图像。经过观察刁i难发现，在图3．1l中，温度场中各个位置上的温度的区分更加明显，更加便于观察。 图3．9伪彩色变换流程斟Fig．3．9fakecolorswitchflowchart图3．10伪彩色图像处理前的醐像Fig．3．10picturebeforefakecolordispose蹦3．11伪彩色图像处理后的幽像Fig．3．1lpictureafterfakecolordispose 第4章基于彩色COD的锅炉温度场测量系统设计4．1彩色测温系统介绍在前面的章节中，我们分析了利用高温物体的辐射色彩进行温度测鬣的原理、方法和具体的实现手段。在此基础之上，我们对基于计算机操作平台的利用可见光波段进行温度测量的系统进行了尝试性的研究。该系统结构简单，操作方便，仅利用可见光波段的辐射测量传感器(彩色丽阵CCD)就能比较准确的测定物体的温度。为实现系统的测温功能，设计了一套锅炉温度场监控系统，测量系统示意图如图4．1所示。被测物图4．1图像采集系统Fig．4．1picturecollectionsystem温度伤本系统对温度场检测的具体过程为：首先，上位机通过云台控制器控制CCD摄像机获取待测温度场的图像，通过CCD摄像机，将光信号转化为电信号，再通过图像采集卡将CCD输出的模拟信号经过采样、离散后存储在计算机内。由计算机对温度场中每个采样点的色度值进行分析计算，得出具体的温度值。4．2系统的硬件构成系统的基本功能是利用彩色图像传感器和其他设备测量锅炉的温度场。为了实现这一功能，必要的硬件环境，如图像采集设备以及采集的控制设备是必不可ck塾一薰一～"№工翼弋量一警旦像一一嘲一一函_。，．．．．。。L泻》些、1j＼rlj∞口笛 少的。下面对本系统采用的各种硬件设备进行简要的介绍。4。2．1彩色CCD摄像机黑白摄像机所拍摄的图像的显示是依靠各点灰度值的不同，具体的灰度等级为0～255，而彩色摄像机采集的图像则是根据各点的RGB色度值进行显示，三种色度信号都可分为256个等级，三种色度信号进行组合，所能显示的图像信息就更加丰富，所以本系统选用彩色COD摄像机。表4．1SC一2194CCD摄像机的参数Tab．4，1SC-2194CCDvidiconparameter型号SC．2194影像传感器1，4”PANASONICCCDImageSensor影像图案510H×582VPAL水平解像400w摄低照度2LuX／F1．2信噪比>48dB电子快门I／50(60)t01／100．000背光补偿数位处理AUTO光圈驱动Video／DC(伺服型可选择)电源电压DCl2V／AC24V可选择运作温度-20℃巧O℃向平衡自动AUTO同步系统内同步Internal尺寸60宽X46高×130深重量560公克4．2．2图像采集卡通过CCD摄像机所获得的是模拟图像信号，计算机无法直接对模拟图像信号进行处理，这样就要求对模拟信号进行适当的处理，而图像采集卡能够实现这～。功能。图像采集乍包括数字化仪、缓冲寄存器和显示逻辑。CCD摄像机将拍掇图像 转换成全电视信号，数字化仪对摄像机输出的模拟图像信号进行等时闯闻隔采样，把每个采样点的色度信号存入缓冲寄存器，在缓冲寄存器中存储的便是数字化图像。这样计算和处理时，计算机可经缓冲寄存器对每个像素进行访问。在本系统中我们采用的是中国大恒有限公司生产的大恒系列图像板卡之一DH—CG300。它是彩色视频图像采集卡，不仅具有灵活、集成度高、功耗低等特点，还具有PCI图像卡的特点，即采集传输基本不占用CPU时间，并可将图像赢接传送到计算机内存或显存，适应于图像处理、工业控制、多媒体监控、办公自动化等领域。其主要技术性能及指标如下：①三路复合视频输入，一路S-Video输入，软件切换。其中第一路为音视频复用，S～Video的亮度信号输入也可作为复合视频输入。②支持PAL，NTSC或黑白视频输入，信号幅度=1K一。。③图像分辨率晟高：PAL制为768×576X24位NTSC制为640×480×24位④可编程亮度、对比度、色度、色饱和度。⑤支持YUV422、RGB8888、RGB888、RGB565、RGB555及Y8模式。⑥图像数据数值范围，亮度：O-255或16—253可选：色度：2-253。⑦支持计算机内容与图像同屏显示，图形覆盖功能。⑧支持Win9x、WinNT、Win2000、WinXP等操作系统。⑨支持单场、单帧、连续场、连续帧的采集方式。4．2．3上位机系统需要进行实时图像处理等多项复杂的任务，对计算速度要求很高，所以本系统选用赛扬2．4GHz处理器的计算机。与图像卡正常运行关系密切的硬件是计算机的主板和显示卡。显示卡对于显卡的要求主要是DMA传输速率、显存的读写速率。一般来说，娃卡设置的分辨率越高，显存的读写速率就越低。目前市场上主流的显示卡基本都能l卜常使用，一些不能正常使用的显示卡是：Trident9750；S3Savage3D、Savage4。在本系统中采用的是NVIDIAGeForce4MX440显示卡，它能够满足大恒高速实时 图像采集卡的正常使用。主机板目前对主机扳的要求是：提供符合PCI2．1标准的扩展槽，扩展槽同时提供5v电源；支持Pentium以上CPU(CPU主频可由用户根据任务需要而定)；内存32MB以上(本系统中上位机的内存为256M)或按采集图像的大小和多少而定。本系统选用微星845E主板可以满足以上要求。4．2．4摄像机控制装置——云台控制器云台控制器主要实现的是对监控现场的摄像头的控制，其中包括对上、卜^、左、右转动方向、光圈大小及焦距的控制。通过对摄像头转动的控制增大了摄像头的拍摄范围，通过对光圈的控制使CCD始终工作在其动态范围内。因为我if]IN道，如果光积分时间过长或者光强度过高，CCD势阱中的电荷饱和并出现电荷“溢出”的现象，这样会干扰相邻位置的信号，使图像的清晰程度下降甚至不可分辨，对于测量的结果产生影响。通过控制CCD摄像机的镜头光圈以控制曝光量，从而使得在光积分时间内CCD势阱中的电荷不会出现饱和电荷“溢出”的现象，即保证了CCD始终工作在其动态范围内。考虑到工作环境的影响以及现场控制的需要，需要对CCD摄像机进行远程控制。在本实验中，我们利用Pc机发出指令给云台控制器实现对摄像头的远程控制。在云台控制器中，利用ATMEL89C2051单片机实现具体的控制功能。下面，我们将对单片机的性能以及连接电路做出介绍。4．2．4．1ATMEL89C2051单片机性能特点本系统采用的是美国ATMEL公司的AT89C2051单片枫。ATMEL89系列单片机(简称89系列单片机)的最大特点就是片内含有闪速程序存储器(flashmemory)，因其是电可擦除只读存储器，因此有着十分广泛的用途，特别是在便携式，省电和特殊信息保存的仪器和系统中应用广泛。AT89C2051单片机只有2K片内闪速可编程可擦除的存储器，最多可擦写1000次。它不仅具有MCSSl系列单片机所有的特性，而且还具有加密功能(2位)。该单片机为20脚封装，它减少了P()口和P2口，对外只有lj条I／O口线。如图4．2所示。电路设计简单、工作可靠、价格低廉恰好满足本设计的要求，成为本设计的首选。对其引脚功能简要说明如下： (1)主电源引脚Vcc和GNDVcc(20脚)电源输入端，工作电源和编程效验接+5V电压；GND(10脚)接共用地端。每个电路芯片都少不了直流电源。(2)时钟振荡电路引脚XTALl和XTAL2XTALl(5脚)和XTAL2(4脚)分别用做单片机内部振荡电路的反相器输入和输出端。在使用外部震荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体，振荡频率为晶体振荡频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号。这个部分给单片机提供I：作节拍，是单片机的主频。671819141516893UAB唧VCCINT】P37P1．6RSTP1．7p1．0P1．2P1．1p1．3P1_5P1．4R如TO){TAL2T1)玎AI．1TmGNDAT89C205l20lll12131724510图4．2AT89C2051单片机管脚图Fi94．2AT89C2051SCMpinfig当采用外部振荡器时，对lIMOS单片机，XTALl(5脚)应接地，XTAL2(4脚)接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对CItMOS单片机，XTALl(5脚)作为驱动端，XTAL2(4脚)应悬浮。(3)控制信号引脚RSTRST(1脚)为复位信号输入端。当RST端保持两个机器周期(24个时钟周期)以上的高电平时，使单片机完成复位操作。当主电源Vcc一旦发生断电或电压降到一定值时，可通过此引脚为单片枫内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的数据不丢失，使Vcc上电后能继续正常运行。(4)输入／输出(I／0)引脚Pl、P3(共I5根)PL口(P1．O～P1．7，12脚～19脚)：是‘个内部带提升电阻的8位准双向I／0 []。由于这种接口输出没有高阻状冬，输入也不能锁存，故不是真萨的双向I／0}]。能驱动4个LSTTL负载。P3口(P3．0～P3．7，2，3，6，7，8，9．1l脚)：第一功能内部带上拉电阻的8位准双向I／0口，在系统中，这些引脚都有各自第二功能。能驱动4个LSTTL负载。作为第一功能使用时，就作为普通1／o口用，功自＆和操作方法与P1口相同。作为第二二功能使用时，各引脚的定义如F衷所示：表4．2ATMEL89C2051P3引脚第二二功能Tab．4．2ATMEL89C2051P3pinsecondfunction口线引脚第二功能P3．O2mXD($行输入口1P3．13TxD(串行输出口)P3．26INT0(g]-部中断∞P3．37INTl(外部中断1)P3．48TO(定时器0外部输入1P3．59TI(定时器1外部输入)P3．711RD(外部数据存储器读脉冲)4．2．4．2电平转换电路计算机与单片机之间的数据传送可以采用串行通信和并行通信二：种方式。由于串行通信方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通信时，要求通信双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯，构成一个测量、控制系统。RS-232接口是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接口，用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。RS一232串行接口总线适用于：设备之间的通讯距离不大于15m，传输速率最大为20Kb／s。根据系统设计的要求，我们选用RS一232接口：电气特性：RS一232采用负逻辑，即：逻辑“1”：一5V～一15V逻辑“0”：+5V～{i5Y用RS一232总线连接系统时，有近程通讯方式和远程通讯方式之分。近程通讯 是指传输距离小于15米的通讯，这时可用RS232电缆直接连接；15米以上-的长距离通讯，称远程通讯，需要采用调制解调器。我们采用9芯插座将单片机与上位机(PC机)连接，传输介质为二芯屏蔽电缆，接线图如图4．3所示。，‘5GND屏蔽缱lo＼^96^8oo———∞3豫D景色缱TxD穹【色缱o78o————∞2RXD虹色缱o5l9图4．3RS一232电缆接线圈Fig．4．3RS一232cablehookupRS--232的逻辑电平与TTL的逻辑电平不同，二者的逻辑电平比较见表4．3。表4．3RS--232的逻辑电平与TTL的逻辑电平比较Tab．4．3PS·232logicelectricallevelevenandITLlogicelectricallevelcompare逻辑电平⋯0’逻辑电平⋯1’RS一232—5V～一15V+5V～+15VrfLs+O．4Vs+2．4V为了进行『F常的通讯，首先必须解决电平转换问题。在此我们选用集成电平转换芯片MAX232。MAX232芯片为双列童播16脚封装，实现2路发送／接收，其参数如下：电源：+5V传输速率：120Kbps输入／输出：RS--232端：输出±8V输入±30V(最大)TTL端输入：逻辑高2V(最低) 逻辑低0．8V(最高)输入电流5“ATTL端输出：逻辑高0．2v逻辑低0．4v(最大)具体的电平转换电路如图4．4所示。，1．2．4．3时钟电路图4．4电平转换电路原理图Fig．4．4electricallevelconversioncircuittheoryfigAT89C2051芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片夕}晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体(在频率稳定性要求不离而希望尽可能廉价时，可选用陶瓷谐振器)以及电容c1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中，这时内部振荡器便可以自激振荡。外接晶体时，电容C1和C2一般取30PF，普通的瓷片电容或者云母电容即可满足要求。实际上高质量的晶体，对于这两个电容值大小的要求并不严格，允许其参数有一一定的离散性，如果选用较廉价的陶瓷滤波器则应将此二电容值略取大一些，一般47PF左右即可。本设计中电容C1和C2取值22pF。37 晶体的参数也可以在一定的范围内任选，在一般情况下推荐使用6心z晶振，在普通使用环境中，晶振频率取的高低并没有多大差别，但如果是高速实时处理的场合则要加以仔细考虑，因为这时的设计已涉及到每条指令执行的时问。考虑到数据串行通讯的要求，本时钟电路晶体选取参数22．1184MHz。如图4．5所示。UACl620—。一JL7Dn：DVCC1118D丌1P3．7119P1．6RST14P1．7P1．01215P1．2P1．113c216Pl_3P1．5178P1．4RXD29TDXTAl24TlXTALl5310一：T，∞OND4．2．4．4硬件WDT电路图4．5时钟电路Fig．4．5clockcircuitWDT(WatchDogTimer)，俗称看门狗，是单片机的定时监视器。在实际的环境中存在这很多电磁干扰，这种干扰对单片机系统的干扰是很危险的，经常会使一些没有经过抗干扰设计的系统出现死机或者跑飞的情况，这是用户所不能预料的，但可以通过看门狗电路进行复位，重新运行程序。看门狗硬件电路是一个独立运行的定时器，这个定时器要具有清零端和超时溢出信号端。看门狗的溢出信号端口要接到单片机的复位端口，如果出现超时溢出信号，则将单片机进行复位操作。为了不使看门狗溢出，在程序的执行过程中，要周期性的对看门狗计数器进行清零操作。看门狗的定时时间要依照系统的循环的时间周期来确定。在本实验中，我们选用MAX813芯片束实现看门狗的功能。MAX813属f美国ⅥAXIM公司推出的微处理器／单片机系统崎控集成电路MAX703—709／8131．系列。MAX813具有上电复位、“看门狗(Watchdog)”定时输出、掉电电压监测复位和手动 复位四大功能，而且价格低，可靠性高。它有8个弓l脚，双列直插式封装，{一5v供电。图4．6所示为MAX813与AT89C2051单片机的连接电路，它能实现程序运行监视复位。圈4．6看门狗电路Fig．4．6WDTcircuitAr89C20514．2。4．5光电隔离电路电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果，使电子电气设备符合电磁兼容性的要求。电路隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之问的隔离。在本实验中，涉及到的是数字电路与模拟电路之间的隔离。模数隔离的目的是隔开数字和模拟的相互串扰，各自工作在相对干净的环境。若不采取一定的措施，数字电路中的高频振荡信号就会对模拟电路带来一定的干扰，影响测量精度。为了抑制数字电路对模拟电路的高频干扰，一般须将模拟地与数字地分开布线。要想较彻底排除来自数字电路的高频干扰，必须把数字电路与模拟电路隔离开，常用的隔离方法是采用光电耦台器。在本实验中，使用了线圈和继电器，容易产生电磁干扰，所以在单片机和控制电路之间用光电耦合器TLP521—4来光电隔离，并且控制电路使用独立电源，以尽可能减小对其它电路产生干扰。在控制电路中，为提高单片机输出口驱动能力， 使用了达林顿放大电路集成芯片SN7407，使光电耦合器正常工作。光电耦合器输出电流也需经晶体管放大，才能驱动直流继电器，最终实现开关量的输出。利用这个开关量来控制云台控制器和镜头。当继电器释放时，继电器线圈两端会产生反向感生电压，容易把晶体管击穿，所以在继电器线圈两端反向接了1个二极管，当产生反向感应高压时，能通过：二极管短路掉，从而保护晶体管的安全。具体电路如图4．7所示。图4．7光电隔离电路Fig．4．7photoelectricityisolationcircuit4．3温度场检验系统的软件设计4．31软件功能从功能上分，软件完成的主要功能有以下几类：温度场显示部分：既可以动态显示温度场的图像便于总体观察，逝可以冻结任意一幅图像进行分析。CCD控制部分：可以根据要求控制摄像头的上、下、左、右转动，焦距的调侮以及光圈的改变。图像预处理部分：调用这一功能可以对图像完成基本处理：邻域平均滤波利40 伪彩色圈像处理，作用是可以消除图像的噪声，使图像更加清晰。状态显示部分：既可以对选定的画面进行场温度的总体测量，也可任意指定温度场画面中的一点显示该点的坐标值以及温度值。报警部分：在温度超过规定的上限时，发出报警信号。图4．8为具体的系统功能示意图。图4．8系统功能示意图Fig．4．8systemfunctionsketchmap4．3．2系统整体流程图图4．9为系统整体流程图。41 图4．9系统整体流程图Fig．4．9systemwholeflowchart4．3．3开发工具程序设计采用面向对象程序设计方法，面向对象程序设计语言是现代程序开发的主要工具。它主要以数据为中心，代码是围绕需要处理的数据而设计的，并具有风封装性、多态性、继承性等特征。可以很好的完成程序的设计与后期维护工作。vC++就是Microsoft公司推出丽向对象的支持可视化编程的集成环境。本 系统在Windows2000操作系统下选取的主要开发工具为MicrosoftVisual(：++6．0。另外，还用到了图象采集卡开发软件包：DH—CG300软件开发包；以及图象处理接口函数的静态链接库：CG30032．LIB。4．3．4CCD的控制CCD控制的流程图如图4．10所示。圈4．10CCD控制流程圈Fig．4．10CCDcontrolflowchart CCD控制面板如图4．1l所示。用户可以通过点击图上相应的控制按钮控制CCD的上、下、左、右转动以及光圈和聚焦的调整。根据不同的点击动作，计算机向串口放送不同的数据，经由下位单片机解析后，实现对CCD摄像机的控制。具体工作方式为：当按钮按下触发MouseDown消息．向解码器发送闭合对应继电器的指令，镜头随之运动；当按钮抬起时触发MouseUp消息，向解码器发送复位指令，镜头停止运动。甲口鳓I墨蚴蒯。i，■l舅劂型j：坠：3JRI$YOCIJS_蚓型0』图4．11CCD控制面板Fig．4．11CCDcontrolpanel43．5图像采集在本实验中，图像采集的功能是通过基于图像采集卡CG300在Windows2000操作系统下的软件开发实现的。在操作系统中使用动态连接库CG300D32．DLL控制CG300图像卡的工作，在编写的程序中，调用动态库中定义的接口函数(接口函数的动态链接库：CG300D32．DLL：静态链接库：CG300D32．LIB；接口函数的原形定义在包含文件CG300—32，H中)，进行CG300的应用丌发，来实现图像采集的功能。在程序中我们引入了一个时钟的概念用来控制图像的采集频率。设簧采集频率的原理主要是通过一个定时器(Timer)设置时钟频率，使程序每隔固定时侧(由频率决定)就执行一次程序中的图像采集函数VideoCatch0。图像采集流程图如图412所示。 图4．12图像采集流程剀Fig．4．12picturecollectionflowchart4．3．6温度值的显示这罩我们分别采用两种方法进行温度的测量，一是显示温度场，一’是显示1111．点温度值。当操作人员想对当前温度场中各点温度有一个总的了解时，我靠]选用第一种方式。当我们只对温度场中某个具体点的温度感兴趣时，我们选用后‘种 方式。4．3．6．1显示温度场的温度(1)流程图首先，设置温度场图像的显示区域的原点及坐标，这里我们选取图像的左卜角为原点，取横向向右为X轴正方向，纵向向F为Y轴正方向，建立坐标系。因为我们设定的窗口大小为68mmX48mm，所以，窗口的横坐标的变化范围为O～68mm，纵坐标的变化范围为O～48mm。其次，为了显示温度场中多点的温度值，我们必须设定一一个距离间隔，这样从起始点开始，每隔一定的距离间隔便得到一个坐标点，测温程序便可以针对每个坐标点进行测温和温度显示。在选取这个距离间隔时，如果间隔过小，计算量就会增大，影响计算速度，如果问隔过大，则信息显示不全面，所以我们要兼顾这两方面，这里，我们选取X轴的距离间隔为lOmm，Y轴的距离间隔为4mm，起始点为(8，4)。这样我们所测的坐标点可以用下面这个11×6的矩阵来表示：(8，4)08，4)(28，4)08’4)(48，4)(58，4)@8)08，8)(28，8)(38,8)(48，8)(58，8)(8，12)(18,12)(28,12)(38,12)(48,12)(58,12)(8，16)(18,16)(28,16)(3&16)(48,i6)(58,16)(8，20)08,20)(28，20)08,20)(48,20)(58,20)(8，24)08，24)(28，24)(38，24)(48,24)(58,24)(8，28)(18,28)(28，28)08，28)(48，28)(58，28)(8，32)(18,32)(28，32)(38,32)(48，32)(58，32)(8，36)(18，36)(28，36)(38，36)(48,36)(58，36)(8，40)(18,40)(28～40)(38，40)(48，40)(58，40)(8，44)(18，44)(2s，44)(38，44)(48，44)(58，44)最后，我们通过程序可以根据选定的坐标点的色度值进行温度测量和显示所显示的温度场也是一个11×6的矩阵。其具体工作的流程图如图4+13所示。 图4．13温度场温度显示流程图Fig．4．13temperaturefielddisplayflowchart(2)具体实现这里我们采用我们前面提到的开发工具VC++6．0进行操作界面的设计和程序47 的编写，在操作界面中，我们设置了两个选择按钮：温度场显示，单点温度显示。通过选择其中任意一个按钮，可以实现两种不同的显示方式。在本小节中，我们研究的是温度场温度的全面显示，所以我们选取其中的“温度场显示”。这时我们可以通过以下这个界面进行温度场的显示。图4．14我们对一幅温度场图像进行测温时的示意图。圈4．14温度场温度显示界蕊Fig．4，14temperaturefieldshowinterface在上图中，将温度场图像和温度场温度显示对应起来，我们可以清楚的观察到温度场中各点的温度值。4．3．6．2显示单点温度在上一小节中，我们主要介绍了温度场的显示，这种方法适用于对温度场宏观的显示，便于操作人员对温度场有一个总体的把握，但是，在这种方法中，考虑到对温度场的监控的实时性，因此不可能在计算机的计算￡浪费太多时问，所48 以选取的距离间隔不可能太小，这样就导致对于温度场温度的显示不能过于详细，难免有细节数据的丢失。考虑到这一点，我们用另一种温度的显示方法对其进行：补充，这就是本小节所要介绍的单点温度的显示。(1)具体功能及流程图通过单点温度的显示，我们想实现的功能是：首先我们观察一幅通过CCD采集到的图像，或是观察这幅图像所对应的温度场的温度显示部分，我们可能对温度场中的某点的状态很感兴趣，这时我们可以用鼠标在图像中我们所感兴趣的点处单击一下左键，获得该点的RGB值，并根据计算机中的具体程序进行温度值的计算，最后在状态显示区显示出该点的RGB值、坐标值以及温度值。温度测量的流程图如图4．15所示。图4．15温度测蹙流程图Fig．4．15temperaturemeasureflowchart其中，获得图像中选定点的坐标值和色度值即RGB值的原理很简单，只需爱 简要的三步。即：获取屏幕Dc；得到当前鼠标所在的像素值；分解出像素值中的红、绿、蓝三色。关键代码实现：“)获取屏幕DCHDChDC=：：GetDC(NUu0；／／获取屏幕Dcb)获取当前鼠标位置像素值CPointpt：GetCursorPos(＆pt)：／／得到当前鼠标所在位置COLORREFclr=：：GetPixel(hDC，pt．X，pt．y)：／／获取当前鼠标点像素值tj)分解出像素点中的红、绿、蓝颜色值CStringClrText：ClrTexL．Format(”％d”，GetRValue(clr))：／／分解出红色值ClrText．Format(”％d4，GetGValue(clr))：／／分解出绿色值ClrText．Format(’％d”，GetBValue(clr))：／／分解出蓝色值：：ReleaseDC(NULL，hDC)：／／释放屏幕DC(2)具体实现在上面我们所设计的操作界面中，我们选择所设置的“单点温度显示”按钮，这时只要用鼠标在温度场图像上选择任意一点，我们就可以通过以下这个界面进行温度场中单点温度的显示。图4．16就是我们对具体点温度测量的显示图。50 图4．16单点测温显示界面Fig．4．16singlepointtemperaturemeasul-eshow4．3．7报警的实现建立和保持稳定的燃烧火焰是锅炉燃烧的基本要求，锅炉燃烧的稳定性直接影响到生产的安全，在燃烧的锅炉中，锅炉炉膛内的温度场是决定锅炉运行状况的重要参数，温度过高或过低都可能导致锅炉不能安全运行，发生事故。所以对炉膛温度场进行实时监控并在温度出现异常时及时发出报警，这对于锅炉控制具有相当重要的意义。报警模块的程序流程图如图4．17所示。 图4．17报警程序流程图Fig．4．17alarmprogramflowchart4．3．8串行通信串行通信按照串行数据的同步方式可分为同步通信和异步通信。异步通信疗式，其优点是不需要传送同步脉冲，字符帧长度也不受限制，所需设备简单；疑 缺点是字符帧中因包含了起始位和停止位，从而降低了有效数据的传输数率。同步通信的数据传输速率较高，但其缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格同步，敞发送时钟除应和发射波特率保持‘一致外，还要求同时把它发送到接收端去。在这里我们采用异步通信方式。选择了适当的通信方式之后，还应该具体选择～下串行口的：E作方式。串行口的工作方式分为4种，在这里我们简单介绍一下其各种工作方式，具体情况如表4．4所示。表4，4串行口的工作方式和所用的波特率对照表Tab．4．4serialportworkingmannerandusingbaudratecomparisontable本实验中，我们选择串行口的工作方式l。在方式1下，字符帧中除了8位数据位外，还可有一位起始位和一位停止位，波特率为4800b／S。在本实验中，采用汇编语言对单片机ATMEL89C2051进行程序的编写。首先ATMEL89C2051将串口初始化为1位起始位、8位数据位、1位停止位，波特率为4800b／S。串行口信号输入采用中断方式，输出采用查询方式。为使波特率为4800b／S，取SMOD=1，串行口为方式i工作，那么，波特率由定时器控制，定时器初值由以下公式得出：’SMOD波特率2寻‘定时器五溢出率㈤1)定时器五溢出率==鲁·‘再1)(42)在式(4．2)中，T即为定时器的初值，k为单片机的主频，当定时器正为力 式2时，K=8。则根据(4．1)式和(4．2)式可计算出定时器墨的初使为：掰，。玛=Oxf4。在这里，我们采用汇编语言对单片机进行程序的编写，下位机串行通信主程序流程图和接收数据子程序流程图如图4．18和图4．19所示。荚中断工I寄存器清零工设置入口参数上i串行口工作方式20定时器初始化，I令波特率为4800’上开中断图4．18主程序流程图F蟾．4．18mainprogramflowchart保护现场清除接收中断标志RI接收数据块三长度字节清除RI，数据块长度字节存入R7比较A与01H釜j图4．19接收数据子程序流程幽Fig．4．19RXDsubprogramflowchart在程序设计编写完成之后，经过软件调试，语句无错误，能实现要求的功能，符合设计的要求。本设计选用SIMS051模拟／调试软件进行软件调试。SIM8051是在IBM—PC及其兼容机上运行的MCS-51单片机模拟／调试软件(Simulator／Debugger)。SIM8051使用户在没有在线仿真器和目标机的情况下，就可以在计算机上直接模拟调试MCS一51单片机应用软件，可用于开发比较简单的5l系列产品，尤其适合于51系列单片机的软件实验。SIM8051具有单步、断点、跟踪运行用户程序的功能，并能模拟产生各种中断和输入输出应答过程，能读出修改程序、内部RAM、内潞特殊功能寄存器、位单元以及扩展RAM、I／O口的内容。在运行过程中，屏幕L：锃豕CPIj 的当前状态、程序清单和程序流程图。图4．20为程序调试流程图。图4．20汇编程序调试流程图Fig．4．20assemblerprogramflowchart55 4．4实验结果为证明实验数据的可靠性，在实验过程中，我们选取任意一幅采集得到的图像，选用热电偶和本实验系统中单点测温同时对温度场中的某点进行温度测量，并将两种测量结果进行比较，得出具体的实验数据。表4．5列出了不同的燃烧状态下两种测量结果。表4．5两种测最结果的比较Tab．4．5compareoftwokindsofmeasuringresults两种测量方法所得出的实验结果(℃)热电偶821．3865．6918．3952．4996．71026．5利用图像计802．6858．0923．4985．31020．41067．8算值l温度误差．18．7．7．6+5．1+32．9+23．7+41．3通过观察比较两组数据，其最大相差41．3"C，低于5％误差允许范围，可见上述CCD测温方法具有较高的精度，可以满足温度场测量的需要。 结论本文根据热辐射学和面阵CCD成像理论，利用现代工业普遍使用的廉价彩色(：CD摄像机，结合数字图像处理技术，建立⋯套锅炉火焰温度场检测系统。本文的主要工作包括以下几个方面：1、研究了锅炉火焰燃烧和辐射的物理过程，根据辐射测温理论和彩色CCD的工作原理，建立了温度场测量的数学模型，为直接利用CCD摄像机检测锅炉燃烧火焰温度打下了理论基础。2、针对火焰图像的特性，对其图像处理的方法进行了研究。采用的邻域平均滤波方法有效地消除了图像噪声；利用伪彩色图像处理技术，使温度场湿示更加卣观。3、利用PC机、图像采集卡、彩色CCD摄像机和云台控制器建立一套温度场测量实验系统样机，该样机能够在实验室对电炉温度场进行测量。4、利用上位机与单片机的串口通讯实现了CCD摄像头的自动控制，即可以在上位机控制又可以在现场手动控制CCD。5、设计了基于Windows的锅炉温度场监控软件。该软件能够提供锅炉温度场中火焰燃烧的图像及温度信息，便于操作人员了解火焰燃烧的具体状况。同时在温度发生异常时，发出报警信号。本文对温度场检测理论进行了一定的研究，并设计了一套测温系统。但由于实验条件的限制，只是对锅炉温度场进行了模拟，所以和真正的锅炉测温系统有一定的不同。一方面受CCD正常工作温度范围的限制，不可能将CCD直接置于炉膛内部进行拍摄，还需要一套内窥光学潜望镜，利用它获取炉内火焰图像，经棱镜转向并用光纤引出后投射在CCD摄像机靶面上。另一方面光路中的水蒸气、烟雾、灰尘等因素很难以量化去描述，目前还无法得到这些因素的修正因子。所以在测量过程中，要避免光传播介质中这些非均匀介质的影响，另外还要保汪镜头以及所用的滤镜表面清洁。为了使光学系统在炉膛内安全工作，可以采用双层套管结构，通过冷却风降温，并通过气流清洁镜头，防止积灰。光学系统安装于锅炉上部，其视野能有效地覆盖整个炉膛断面，获得全炉膛完整的火焰燃烧图像。 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致谢衷心感谢我的导师朱景伟教授和樊印海教授。在我研究tI三学习期间，无论在学习上、思想上还是生活上，导师都给予了无微不至的关怀和耐心细致的指导，J亡其是在论文的选题、研究、实验、撰写过程中导师倾注了大量的心血，提出了许多宝贵的意见，令我受益匪浅。两位导师都是教导我多年的恩师，他们严谨的冶学态度，一丝不萄的敬业精神，诲人不倦的高尚师德，为我树立了做人、做事的楷模，对我今后的人生之旅将产生深远有益的影响。同时，在论文的完成过程中，得到了实验室多位老师及热心同学的指导和帮助。在此一并表示深深的谢意!衷心感谢所有帮助和鼓励过我的老师和同学! 姓名性别出生日期研究生履历高英使女1980年4月22日获学士学位专业及门类电气工程及其自动化获学士学位单位大连海事大学获硕士学位专业及门类电力电子与电力传动获硕士学位单位大连海事火学通信地址邮政编码电子邮箱大连海事入学9舍412116026Xixi5440@nevanail．dlmU．edu．Cn 基于彩色CCD的锅炉火焰温度场检测系统作者：高英侠学位授予单位：大连海事大学参考文献(34条)1.张玉杰.吕岑基于彩色CCD炉膛火焰温度场测量方法研究[期刊论文]-量子电子学报2004(5)2.李少辉.高岳.高稚允图像比色法在炉膛火焰温度场实时监测的研究[期刊论文]-光学技术2002(2)3.林开华热电偶的测量原理和基本定则1994(02)4.长春锅炉仪表总厂工业电视(火焰)[期刊论文]-机电新产品导报2000(8)5.周怀春.娄新生.肖教芳.尹鹤龄.邓元凯.顾一之.徐方灵.孙国俊炉膛火焰温度场图象处理试验研究[期刊论文]-中国电机工程学报1995(5)6.王飞.薛飞运用彩色CCD测量火焰温度场的试验研究及误差分析1998(74)7.余岳峰.赵铁成.徐伟勇煤粉燃烧火焰着火判据[期刊论文]-上海交通大学学报2000(9)8.高魁明.谢植红外辐射测温理论与技术19899.王安全彩色测温方法的原理研究[学位论文]博士200210.刘云鹏循环流化床锅炉温度场检测系统[学位论文]硕士200311.王元庆新型传感器原理及应用200212.郑辉彩色面阵CCD在物体表面温度检测中的应用[学位论文]硕士200513.刘榴娣.刘明奇.党长民实用数字图像处理199814.汤顺青色度学199015.刘榴娣显示技术199316.荆其诚.焦书兰.喻柏林色度学199117.TPanagiotou.YALevenndis.MDelichatsiosMeasurementsofparticlesflametemperatureusingthree-coloropticalpyrometer199618.JYHwangMeasurementsoftemperatureandonradicaldistributionsinasilicageneratingflameusingCARSandPLIF200119.WLFlowerSimultaneousOpticalmeasurementofsootvolumefractioninpremixedflames1994(03)20.YHuang.YYan.GRileyVision-basedmeasurementoftemperaturedistributionina500-kWmodelfurnaceusingthetwo-colormethod200021.战戟循环流化床锅炉温度场检测与处理系统的软件开发[学位论文]硕士200522.闫伟永火焰图像监测系统研究[学位论文]硕士200223.陈俊彩色测温方法的实验研究[学位论文]硕士200024.朱鳞章高温测量原理与应用199125.姜学东.韦穗.吴海滨图像处理技术在炉膛火焰温度场分布中的应用[期刊论文]-微机发展2002(3)26.王震洲.刘教民.贺代春基于彩色CCD的三色法测量电弧温度场分布[期刊论文]-河北科技大学学报2005(1)27.李吉林光电、红外、比色温度计原理与检定199028.周怀春.韩才元煤粉燃烧火焰颜色定量分析试验研究1993(01)29.周长发VsualC++数字图像编程2000 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