輻射傳感器——非接觸式紅外測(cè)溫儀畢業(yè)論文word格式

1、學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）輻射式傳感器 非接觸式紅外測(cè)溫儀學(xué)生姓名：王xx學(xué)號(hào)：xxx指導(dǎo)教師：xx所在學(xué)院：xxxx專 業(yè)：xxxxxxxx摘 要 溫度測(cè)量技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，而且在現(xiàn)代設(shè)備故障檢測(cè)領(lǐng)域中也是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。但在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，要求測(cè)量溫度用的傳感器不能與被測(cè)物體相接觸，這就需要一種非接觸的測(cè)溫方式來(lái)滿足上述測(cè)溫需求。本論文正是應(yīng)上述實(shí)際需求而設(shè)計(jì)的紅外測(cè)溫儀。紅外測(cè)溫儀是以黑體輻射定律作為理論基礎(chǔ)，是光學(xué)理論和微電子學(xué)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)的測(cè)溫方式相比，具有響應(yīng)時(shí)間短、非接觸、不干擾被測(cè)溫場(chǎng)、使用壽命長(zhǎng)、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了紅外測(cè)溫儀測(cè)溫的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，

2、提出了以stc89c51單片機(jī)為其核心控制部件的紅外測(cè)溫系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)方式，給出了硬件原理圖和軟件的設(shè)計(jì)流程圖。該系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)的紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測(cè)儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。stc89c51單片機(jī)負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)溫度測(cè)量、接收測(cè)量數(shù)據(jù)、并按照單片機(jī)中的溫度值計(jì)算算法計(jì)算出目標(biāo)的溫度值再通過(guò)led把結(jié)果顯示出來(lái)。關(guān)鍵詞: stc89c51單片機(jī)，紅外測(cè)溫，led顯示摘 要ii前 言41紅外測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景及方案介紹5§1.1溫度測(cè)量技術(shù)的概述5§1.2紅外測(cè)溫原理及方法6

3、7;1.3 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的方案介紹72. 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)9§2.1 單片機(jī)處理模塊9§2.2紅外測(cè)溫模塊11§2.3rs232a電平轉(zhuǎn)換模塊13§2.4 電源模塊14§2.5 鍵盤模塊15§2.6 led顯示模塊153.紅外測(cè)溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)17§3.1 主程序模塊的設(shè)計(jì)17§3.2 鍵盤掃描程序模塊20§3.3 顯示程序模塊22總 結(jié)22參考文獻(xiàn)23附 錄24前 言 溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)之一，它的測(cè)量與控制在國(guó)防、軍事、科學(xué)研究以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。在工業(yè)生產(chǎn)中，我們通常通

4、過(guò)測(cè)量設(shè)備表面的溫度來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，而現(xiàn)代的工業(yè)設(shè)備往往是在高電壓、大電流等危險(xiǎn)情況下運(yùn)行的，傳統(tǒng)依靠人工接觸式檢測(cè)的方法既浪費(fèi)時(shí)間、人力，又帶有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)對(duì)測(cè)溫儀所采用的材質(zhì)也有嚴(yán)格的限制。因此有必要去應(yīng)用一種新的方式去檢測(cè)目標(biāo)系統(tǒng)的溫度，確保設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。針對(duì)現(xiàn)代故障檢測(cè)非接觸技術(shù)指標(biāo)的要求，本文討論了這種非接觸紅外輻射溫度測(cè)量技術(shù)，這種技術(shù)通過(guò)測(cè)量物體的紅外輻射而達(dá)到測(cè)量物體溫度的目的。本測(cè)溫儀是基于stc89c51單片機(jī)的紅外測(cè)溫儀，首先它是根據(jù)實(shí)際需要制定的紅外測(cè)溫的性能指標(biāo)和功能要求，然后由此具體設(shè)計(jì)出了硬件電路原理圖及其相關(guān)軟件。本論文的第一章簡(jiǎn)要地介紹了現(xiàn)代測(cè)溫

5、技術(shù)的發(fā)展背景、紅外輻射測(cè)溫原理以及本測(cè)溫儀的總體設(shè)計(jì)方案；第二章系統(tǒng)地介紹了紅外測(cè)溫儀的硬件設(shè)計(jì)及其各硬件模塊的功能與原理圖；第三章則概述性的介紹了本紅外測(cè)溫儀的軟件設(shè)計(jì)，以流程圖的方式介紹了各個(gè)功能的具體實(shí)現(xiàn)。1紅外測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景及方案介紹隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫方式以不能滿足現(xiàn)代一些領(lǐng)域的測(cè)溫需求，對(duì)非接觸、遠(yuǎn)距離測(cè)溫技術(shù)的需求越來(lái)越大。本紅外測(cè)溫儀設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)也正是基于此。在本章中簡(jiǎn)要介紹了溫度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步概述了紅外測(cè)溫的原理與方法，并給出了本儀器的設(shè)計(jì)方案。§1.1溫度測(cè)量技術(shù)的概述普通溫度測(cè)量技術(shù)經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展已近于成熟。目前

6、，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展日益需要的是在特殊條件(如高溫、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)電磁場(chǎng)條件下或較遠(yuǎn)距離)下的溫度測(cè)量技術(shù)。因此，當(dāng)前研究的重點(diǎn)也在于此。一、紅外溫度測(cè)量技術(shù)非接觸式紅外測(cè)溫也叫輻射測(cè)溫，一般使用熱電型或光電探測(cè)器作為檢測(cè)元件。此溫度測(cè)量系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)大面積的測(cè)溫，也可以是被測(cè)物體上某一點(diǎn)的溫度測(cè)量；可以是便攜式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工藝簡(jiǎn)單，成木較低，測(cè)溫時(shí)不接觸被測(cè)物體，具有響應(yīng)時(shí)間短、不干擾被測(cè)溫場(chǎng)、使用壽命長(zhǎng)、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，但利用紅外輻射測(cè)量溫度，也必然受到物體發(fā)射率、測(cè)溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，其測(cè)量誤差較大。在這種溫度測(cè)量技術(shù)中紅外溫度傳感器的

7、選擇是非常重要的，而且不僅在點(diǎn)溫度測(cè)量中要使用紅外溫度傳感器，大面積溫度測(cè)量也可使用紅外溫度傳感器。本設(shè)計(jì)正是采用紅外溫度傳感器這種溫度測(cè)量技術(shù)，它具有溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、不擾動(dòng)被測(cè)目標(biāo)溫度分布場(chǎng)、測(cè)量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；另外紅外溫度傳感器的種類較多，發(fā)展非?？欤夹g(shù)比較成熟，這也是本設(shè)計(jì)采用紅外溫度傳感器設(shè)計(jì)非接觸溫度測(cè)量?jī)x的主要原因之一。二、紅外溫度傳感器紅外溫度傳感器按照測(cè)量原理可以分為兩類:光電紅外溫度傳感器和熱電紅外溫度傳感器。本紅外測(cè)溫儀選用熱電紅外溫度傳感器。熱電紅外溫度傳感器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)，通過(guò)溫差電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)和熱敏電阻等來(lái)測(cè)量所吸收的紅外輻射，間接地測(cè)

8、量輻射紅外光物體的溫度。本設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)代非接觸故障檢測(cè)技術(shù)的需求選用了型號(hào)為凌陽(yáng)的tn9溫度傳感器。它的測(cè)量距離大約為30米，測(cè)量回應(yīng)時(shí)間大約為0.5秒。而且它具備spi接口，可以很方便地與單片機(jī)（mcu）傳輸數(shù)據(jù)。§1.2紅外測(cè)溫原理及方法一、紅外測(cè)溫原理紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫原理是黑體輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對(duì)零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定，即： 下圖1-1是不同溫度下的黑體光譜輻射度圖：圖1-1 不同溫度下的黑體光譜輻射

9、度從上圖中曲線可以看出黑體輻射具有幾個(gè)特征: 在任何溫度下，黑體的光譜輻射度都隨著波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線只有一個(gè)極大值； 隨著溫度的升高，與光譜輻射度極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)減小。這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長(zhǎng)輻射所占比例增加； 隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長(zhǎng)處，與較高溫度相應(yīng)的光譜輻射度也較大，反之亦然。二、紅外測(cè)溫的方法依據(jù)測(cè)溫原理的不同，紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)有三種方法，通過(guò)測(cè)量輻射物體的全波長(zhǎng)的熱輻射來(lái)確定物體的輻射溫度的稱為全輻射測(cè)溫法；通過(guò)測(cè)量物體在一定波長(zhǎng)下的單色輻射亮度來(lái)確定它的亮度溫度的稱為亮度測(cè)溫法；如果是通過(guò)被測(cè)物體在兩個(gè)波長(zhǎng)下的單色輻射亮度之比隨溫度

10、變化來(lái)定溫的稱為比色測(cè)溫法。亮度測(cè)溫法無(wú)需環(huán)境溫度補(bǔ)償，發(fā)射率誤差較小，測(cè)溫精度高，但工作于短波區(qū)，只適于高溫測(cè)量。比色測(cè)溫法的光學(xué)系統(tǒng)可局部遮擋，受煙霧灰塵影響小，測(cè)溫誤差小，但必須選擇適當(dāng)波段，使波段的發(fā)射率相差不大。本文選用全輻射測(cè)溫法來(lái)計(jì)算被測(cè)量物體的溫度，全輻射測(cè)溫法是根據(jù)所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)的總輻射而定溫，得到的是物體的輻射溫度。選用這種方法是因?yàn)橹械蜏匚矬w的波長(zhǎng)較大，輻射信號(hào)很弱，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但它的測(cè)溫精度稍差，受物體輻射率影響大。下面是全輻射測(cè)溫法的相關(guān)方法介紹： 由普朗克公式可推導(dǎo)出輻射體溫度與檢測(cè)電壓之間的關(guān)系式： v=rat4=kt4式中k=ra，由實(shí)驗(yàn)確定，定標(biāo)時(shí)

11、取1t被測(cè)物體的絕對(duì)溫度r探測(cè)器的靈敏度a與大氣衰減距離有關(guān)的常數(shù)輻射率斯蒂芬玻耳茲曼常數(shù)因此，可以通過(guò)檢測(cè)電壓而確定被測(cè)物體的溫度，上式表明探測(cè)器輸出信號(hào)與目標(biāo)溫度呈非線性關(guān)系，v與t的四次方成正比，所以要進(jìn)行線性化處理。線性化處理后得到物體的表觀溫度，需進(jìn)行輻射率修正為真實(shí)溫度， 其校正式為： 式中tr輻射溫度(表觀溫度)(t)輻射率，取0.10.9由于調(diào)制片輻射信號(hào)的影響，輻射率修正后的真實(shí)溫度為高于環(huán)境的溫度，還必須作環(huán)溫補(bǔ)償，即真實(shí)溫度加上環(huán)溫才能最終得到被測(cè)物體的實(shí)際溫度。§1.3 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的方案介紹紅外測(cè)溫技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)，設(shè)備在線故障診斷和安

12、全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用?？梢詫?duì)正在運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行非接觸檢測(cè)，拍攝其溫度場(chǎng)的分布、測(cè)量任何部位的溫度值，據(jù)此對(duì)各種外部及內(nèi)部故障進(jìn)行診斷，具有實(shí)時(shí)、遙測(cè)、直觀和定量測(cè)溫等優(yōu)點(diǎn)，用來(lái)檢測(cè)發(fā)電廠、變電所和輸電線路的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備和帶電設(shè)備非常方便、有效。用紅外測(cè)溫儀，你可連續(xù)診斷電子連接問(wèn)題和查找連接處的熱點(diǎn)，以檢測(cè)設(shè)備的功能狀態(tài)，還可檢驗(yàn)電池組件和功率配電盤接線端子，開關(guān)齒輪或保險(xiǎn)絲連接，防止能源消耗。此紅外測(cè)溫儀的特點(diǎn)：有溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、不擾動(dòng)被測(cè)目標(biāo)溫度分布場(chǎng)、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)方案主要包括：軟件設(shè)計(jì)部分與軟件設(shè)計(jì)部分。一、紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及主要功

13、能1：溫度測(cè)量精度±1 ；2：溫度測(cè)量的分辨率0.1：2：led顯示；3：電源：dc 5v±10%；4：工作環(huán)境溫度60 工作環(huán)境濕度90%；二、紅外測(cè)溫儀的硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本紅外測(cè)溫儀采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，它的硬件結(jié)構(gòu)由stc89c51單片機(jī)模塊，紅外測(cè)溫模塊， rs232轉(zhuǎn)換電路模塊，電源模塊，鍵盤模塊和led顯示模塊組成。stc89c51單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制中心，它負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)溫度測(cè)量、接收測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算溫度值、并根據(jù)取得的鍵值控制顯示過(guò)程；紅外測(cè)溫模塊負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)端口傳送給stc89c51單片機(jī)； rs232轉(zhuǎn)換電路模塊可以使單

14、片機(jī)方便地同pc機(jī)進(jìn)行串口通信，并可以同時(shí)接收或傳送外部送來(lái)的資料；通過(guò)鍵盤模塊可以方便地進(jìn)行測(cè)溫及各種操作；led顯示模塊把測(cè)量的溫度值直觀地顯示給觀測(cè)者；電源模塊負(fù)責(zé)本紅外測(cè)溫儀電源的供應(yīng)。此紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示： 圖1-2 紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計(jì)框圖三、紅外測(cè)溫儀的應(yīng)用軟件系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)此紅外測(cè)溫儀的軟件設(shè)計(jì)同樣采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，它把整個(gè)系統(tǒng)分成若干模塊分別予以解決，它包括主程序模塊，紅外測(cè)溫模塊，鍵盤掃描模塊和顯示模塊。主程序模塊主要完成系統(tǒng)初始化，溫度的檢測(cè)，串行口通信，鍵盤和顯示等功能。其中系統(tǒng)初始化包括: 時(shí)間中斷的初始化、外部中斷源的初始化、串口

15、通信中斷的初始化、led顯示的初始化。紅外測(cè)溫模塊包括：獲取溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算溫度值。鍵盤掃描模塊 ：獲取按鍵信息，處理按鍵請(qǐng)求等。顯示模塊：獲取并處理相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)， 在此紅外測(cè)溫儀的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘的設(shè)置是相當(dāng)重要的，通過(guò)時(shí)鐘的設(shè)置才能獲得良好的時(shí)鐘頻率，這個(gè)時(shí)鐘頻率是整個(gè)軟件系統(tǒng)是否能正常有序地運(yùn)行的關(guān)鍵。具體的軟件方案設(shè)計(jì)如下圖1-3：圖1-3 紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計(jì)框圖2. 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)基于stc89c51單片機(jī)的紅外測(cè)溫儀的硬件設(shè)計(jì)采用目前使用比較廣泛的模塊化設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)系統(tǒng)分成六大模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)處理模塊；紅外測(cè)溫模塊； rs232轉(zhuǎn)換電路模塊；電源模塊；鍵盤模塊

16、和led顯示模塊。通過(guò)劃分模塊的方法，可以把一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分割成幾個(gè)相對(duì)容易解決的問(wèn)題，分別予以解決，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的難度。§2.1 單片機(jī)處理模塊該紅外測(cè)溫儀是以stc89c51單片機(jī)為核心器件，此單片機(jī)模塊的工作原理是：加載相應(yīng)程序的stc89c51單片機(jī)把紅外測(cè)溫模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)加以處理，送led顯示屏顯示。下圖3-1是單片機(jī)處理模塊的電路原理圖圖2-1 單片機(jī)處理模塊電路圖其復(fù)位電路如圖2-1左邊上部分，本單片機(jī)處理模塊是通過(guò)開關(guān)手動(dòng)復(fù)位的，只要在rst引腳出現(xiàn)大于10ms的高電平，單片機(jī)就進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，這樣做的目的是便于根據(jù)實(shí)際情況而選擇是否復(fù)位溫度測(cè)量數(shù)據(jù)。而此儀器的震蕩電

17、路選用的是晶體震蕩電路，其具體電路如圖2-1左邊下部分。采用晶體震蕩電路的原因是因?yàn)樗念l率穩(wěn)定性好，而這正是本紅外測(cè)溫儀非常重要的技術(shù)要求。單片機(jī)作為紅外測(cè)溫儀的核心處理部件，它關(guān)系到整個(gè)儀器的性能指標(biāo)。因此它的選擇是非常重要的。本測(cè)溫儀選擇的stc89c51rc單片機(jī)，下面是stc89c51rc 單片機(jī)相關(guān)資料信息：stc89c51rc單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇，最新的d版本內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路。stc89c51rc系列單片機(jī)具有在系統(tǒng)可編程（is

18、p）特性，這樣可以省去購(gòu)買通用編程器，單片機(jī)在用戶系統(tǒng)上即可下載/燒錄用戶程序，無(wú)須將單片機(jī)從以生產(chǎn)好的產(chǎn)品上拆下。對(duì)于一些尚未定型的設(shè)計(jì)可以一邊設(shè)計(jì)一邊完善，加快了設(shè)計(jì)速度，減少了一些軟件缺陷風(fēng)險(xiǎn)。由于可以在用戶的目標(biāo)系統(tǒng)上將程序直接下載進(jìn)單片機(jī)看運(yùn)行結(jié)果，故無(wú)須仿真器。下圖2-2是此單片機(jī)的引腳圖：圖2-2 stc89c51rc單片機(jī)引腳圖一、stc89c51rc單片機(jī)的特點(diǎn)：1. 增強(qiáng)型6時(shí)鐘/機(jī)器周期，12時(shí)鐘/機(jī)器周期8051 cpu；2. 工作電壓：5.5v-3.8v；3. 工作頻率范圍：0-40mhz，相當(dāng)于普通8051的080m，實(shí)際工作頻率可達(dá)48mhz；4. 4k的flas

19、h程序存儲(chǔ)器；5. 片上集成512字節(jié)ram；6. isp/iap，無(wú)須專用編程器/仿真器；7. 通用i/o口，復(fù)位后：p1/p2/p3/p4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，p0口開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為i/o口用時(shí)需加上拉電阻；8. eeprom功能；9. 看門狗；10內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路（外部晶體20m以下時(shí)，可省略復(fù)位電路）11共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器0還可以當(dāng)成2個(gè)8位定時(shí)器使用；12外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，power down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒；13超低功耗，正常工作模式，典型功耗2ma；掉電模式，典型功耗0

20、.5ua，可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序；142個(gè)數(shù)據(jù)指針；15通用異步串行口（uatr），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)uatr；16工作溫度范圍：075/4085；17封裝形式：pdip-40/plcc-44/pqfp-44。二、stc89c51各引腳的功能描述如下：（1）電源和晶振：vcc運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加的電壓；vss接地；xtal1輸入到振蕩器的反向放大器；xtal2反向放大器輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。（2）rst：?jiǎn)纹瑱C(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端；（3）ale: 地址鎖存有效信號(hào)輸出端；（4）：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端。§2.2紅外測(cè)溫模塊此紅外測(cè)溫模塊采用非

21、接觸手段，解決了傳統(tǒng)測(cè)溫中需要接觸的問(wèn)題，具有回應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。它通過(guò)紅外溫度傳感器掃描被測(cè)物體，并把相應(yīng)的紅外輻射數(shù)據(jù)通過(guò)p1.5和p1.6口傳送給單片機(jī)模塊。圖2-3是紅外測(cè)溫模塊電路圖：圖2-3 紅外測(cè)溫電路模塊面對(duì)目前眾多的紅外檢測(cè)器件產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)中選擇合適的紅外檢測(cè)器已成為一個(gè)重要問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇紅外線檢測(cè)器件時(shí)，首先考慮的是器件的以下性能因素:光譜響應(yīng)范圍、響應(yīng)速度、有效檢測(cè)面積、元件數(shù)量、制冷方式和檢測(cè)目標(biāo)的溫度。本紅外測(cè)溫儀選用了凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的型號(hào)為tn9的紅外探測(cè)器作為測(cè)溫模塊，它是一種集成的紅外探測(cè)器，內(nèi)部有溫度補(bǔ)償電路和線性處理電路，因此簡(jiǎn)化

22、了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 它的測(cè)量距離大約為30米，測(cè)量回應(yīng)時(shí)間大約為0.5秒。而且它具備spi接口，可以很方便地與單片機(jī)（mcu）傳輸數(shù)據(jù)。其相關(guān)資料如下：一、紅外測(cè)溫傳感器的引腳介紹 圖2-4 紅外測(cè)溫傳感器引腳圖紅外測(cè)溫傳感器引腳圖如圖2-4，其中v為電源引腳vcc，vcc一般為3v到5v之間的電壓，一般取3.3v；d為數(shù)據(jù)接收引腳，沒(méi)有數(shù)據(jù)接收時(shí)d為高電平；c為2khz clock輸出引腳；g為接地引腳；a為測(cè)溫啟動(dòng)信號(hào)引腳，低電平有效。二、紅外測(cè)溫模塊的時(shí)序紅外測(cè)溫模塊的時(shí)序圖如圖2-5，在clock的下降沿時(shí)接收數(shù)據(jù)。(例：如果一次溫度測(cè)量需接收5個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這5個(gè)字節(jié)中：item為0x

23、4c表示測(cè)量目標(biāo)溫度，為0x6c表示測(cè)量環(huán)境溫度；msb為接收溫度的高八位數(shù)據(jù)；lsb為接收溫度的低八位數(shù)據(jù)；sum為驗(yàn)證碼，接收正確時(shí)sum=item+msb+lsb；cr為結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)cr為0xodh時(shí)表示完成一次溫度數(shù)據(jù)接收。)紅外測(cè)溫模塊溫度值的計(jì)算以上面的例子：無(wú)論測(cè)量環(huán)境溫度還是目標(biāo)溫度，只要檢測(cè)到item為0x4ch或者0x66h同時(shí)檢測(cè)到cr為0x0dh，他們的溫度的計(jì)算方法都相同。計(jì)算公式：目標(biāo)溫度/環(huán)境溫度=temp/16-273.15其中temp為十進(jìn)制，當(dāng)把它轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制的高八位為msb，低八位為lsb；比如msb為0x14h，lsb為0x2ah，則temp十六進(jìn)制時(shí)

24、為0x142ah，十進(jìn)制時(shí)為5162，則測(cè)得的溫度值為5162/16-273.15=39.475.§2.3rs232a電平轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)rs232轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)可以方便的同pc機(jī)進(jìn)行串口通信，可以同時(shí)接收或傳送外部送來(lái)的資料。但是進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿足一定的條件，因?yàn)閞s232是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)的,而ttl是用高低電平來(lái)表示邏輯狀態(tài)的,因此,為了能夠同pc機(jī)接口或終端的ttl器件連接,必須在rs232與ttl電平之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，本設(shè)計(jì)采用max232芯片它可完成ttl到eia雙向電平的轉(zhuǎn)換。

25、rs-232c是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過(guò)程。rs-232被定義為一種在低速串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)，它采取非均衡傳輸方式，即所謂的單端通信。典型的rs-232信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平+5+15v，負(fù)電平為-15-5v。無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為ttl。從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從ttl電平到rs-232電平，然后返回ttl電平。接收器典型的工作電平為+3+12v與-12-3v。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為23v左右，所以其共模抑制能力差。加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大約為15米，最高速度為20kb/s

26、。rs232轉(zhuǎn)換電路圖如圖2-7圖2-7 rs232轉(zhuǎn)換電路max232c芯片介紹max232c是rs232與ttl電平之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的工具芯片，它是maxim公司生產(chǎn)、包括兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器的ic芯片，適用于各種eia-232c和v.28/v.24的通信接口。max232c芯片內(nèi)部有一個(gè)電壓變換器，可以把輸入的+5v電源電壓變換成為rs232所輸出電平所需的電壓。所以，采用此芯片的串行通信系統(tǒng)只需單一的+5v電源就可以了。§2.4 電源模塊stc89c51的內(nèi)核共電為5v，而此紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)的紅外測(cè)溫模塊和led鍵盤模塊的共電電壓都可為5v，所以通過(guò)此電源模塊后，將外部輸入電壓轉(zhuǎn)

27、換成5v的單片機(jī)工作電壓，以保障紅外測(cè)溫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。圖2-9電源電路§2.5 鍵盤模塊圖2-10 鍵盤電路原理圖鍵盤模塊采用動(dòng)態(tài)掃描的方式，鍵盤掃描電路輸出端和led顯示器段碼控制端口共用74hc164的輸出q0q7,這樣減少占用更多的i/o口。本系統(tǒng)的鍵盤采用1×8行列式鍵盤。其工作原理為： 單片機(jī)通過(guò)運(yùn)行程序不斷掃描鍵盤，檢查是否有鍵按下，當(dāng)掃描到有鍵按下時(shí)。經(jīng)過(guò)程序處理找出按下的鍵值，并調(diào)用相應(yīng)鍵操作程序完成對(duì)應(yīng)的鍵操作。其電路原理圖如圖2-10所示。§2.6 led顯示模塊led顯示模塊：數(shù)碼管顯示按顯示方式分動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種，靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯

28、示穩(wěn)定，占用很少的cpu時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的電路硬件較多；動(dòng)態(tài)顯示需要cpu時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，所謂的動(dòng)態(tài)就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器，對(duì)每一位顯示器而言，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次，利用人的視覺(jué)留感達(dá)到顯示的目的。動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用cpu時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。本設(shè)計(jì)采用的是動(dòng)態(tài)顯示，顯示模塊由兩片74hc164,8個(gè)8段led數(shù)碼管組成。74hc164 為8 位移位寄存器，當(dāng)清除端（clear）為低電平時(shí)，輸出端（qaqh）均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（a，b）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng)a、b 任意一個(gè)為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（

29、clock）脈沖上升沿作用下qa為低電平。當(dāng)a、b有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在clock上升沿作用下決定qa的狀態(tài)。引出端符號(hào)clock 時(shí)鐘輸入端clear 同步清除輸入端（低電平有效） a，b 串行數(shù)據(jù)輸入端qaqh 輸出端邏輯及封裝圖（雙列直插封裝）兩片74hc164分別控制數(shù)碼管的位選和段選，其中控制位選信號(hào)的74hc164的輸出端qaqd通過(guò)電阻、三極管與數(shù)碼管的共陰極連接，用p1.2口控制clock脈沖信號(hào)；另一個(gè)則通過(guò)電阻直接與數(shù)碼管連接輸送顯示的數(shù)字，p1.1口控制clock脈沖信號(hào)。它們的clear端都始終接高電平，a、b兩輸入端相連共同接到p1.0口上。le

30、d顯示電路原理圖如圖2-11：圖2-11 led顯示電路原理圖由于鍵盤掃描電路和led顯示器顯示電路采用動(dòng)態(tài)掃描的方式，并共用同一個(gè)74hc164，所以在時(shí)間中斷程序中必須先運(yùn)行鍵盤掃描子程序，再運(yùn)行l(wèi)ed顯示子程序。動(dòng)態(tài)掃描電路的掃描頻率應(yīng)不低于50hz,否則led顯示器會(huì)不穩(wěn)定。鍵盤掃描去抖動(dòng)通過(guò)應(yīng)用軟件的方法實(shí)現(xiàn)。3.紅外測(cè)溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本紅外測(cè)溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，這樣就把一個(gè)復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)分成幾個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的部分分別予以解決。因?yàn)楸菊撐耐瓿傻墓δ苁菧y(cè)溫，所以對(duì)溫度數(shù)據(jù)接收及顯示部分的程序設(shè)計(jì)做了詳細(xì)敘述，而對(duì)其它各模塊做了相應(yīng)簡(jiǎn)要的介紹。§3.1 主程序模塊

31、的設(shè)計(jì)當(dāng)紅外測(cè)溫儀接通電源時(shí)，stc89c51單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，開始運(yùn)行該程序。該程序首先對(duì)stc89c51初始化。然后給出開機(jī)顯示，接著判斷是否有鍵輸入，若沒(méi)有鍵輸入，則繼續(xù)判斷；若有鍵輸入，則判斷是否是紅外測(cè)溫。若不是就返回開機(jī)顯示，是則進(jìn)行紅外測(cè)溫，接收數(shù)據(jù)，并將計(jì)算的溫度值顯示出來(lái)，如果是環(huán)境溫度通過(guò)數(shù)碼管前四位顯示，目標(biāo)溫度用后四位顯示。并等待結(jié)束測(cè)溫命令。再判定是否結(jié)束溫度測(cè)量，若沒(méi)則繼續(xù)測(cè)溫，若收到結(jié)束命令則返回開機(jī)顯示，重新判斷。具體工作的流程圖如下圖3-1：圖3-1 主程序流程圖§3.2 紅外測(cè)溫程序模塊 該紅外測(cè)溫模塊的數(shù)據(jù)輸出信號(hào)和脈沖信號(hào)分別接單片機(jī)p1.5，p

32、1.6口,測(cè)溫控制端接p1.7口。它的程序流程圖如圖3-2所示，此模塊首先定義一個(gè)字符型數(shù)組用于存放讀取到的一幀數(shù)據(jù)，然后啟動(dòng)測(cè)溫，讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是在脈沖的下降沿一位一位傳送的。把五個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)都讀完后判斷第一個(gè)字節(jié)是否為0x4c或0x66并且第五個(gè)字節(jié)為0x0d，若是則計(jì)算溫度值返回，否則繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。圖3-2 紅外測(cè)溫流程圖在此紅外測(cè)溫儀的軟件設(shè)計(jì)中，溫度值的計(jì)算也是一個(gè)非常重要的部分，它關(guān)系到整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度，因此把它的溫度數(shù)據(jù)讀取與計(jì)算用單獨(dú)的程序給出，其流程圖如圖3-3。因?yàn)榧t外測(cè)溫模塊的數(shù)據(jù)是一位一位地送入單片機(jī)的，所以用雙重循環(huán)，內(nèi)循環(huán)接收一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，外循環(huán)接收五個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)

33、。圖3-3 讀測(cè)量數(shù)據(jù)流程圖§3.2 鍵盤掃描程序模塊鍵盤是單片機(jī)應(yīng)用中不可缺少的一部分。本鍵盤的設(shè)計(jì)采用1列8行(1x8)的設(shè)計(jì)思想，74hc164在鍵盤中充當(dāng)行驅(qū)動(dòng)，列線接在單片機(jī)的p1.3口上，在固定的極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)鍵盤的列線進(jìn)行掃描，進(jìn)而判斷是否有鍵按下，有鍵按下再判斷是哪個(gè)鍵按下從而根據(jù)按鍵值在程序中做出進(jìn)一步的判斷。它的程序流程圖如下圖3-4：圖3-4 鍵盤掃描程序由于系統(tǒng)采用由機(jī)械觸點(diǎn)構(gòu)成的獨(dú)立式按鍵，它存在按鍵開關(guān)的抖動(dòng)問(wèn)題，這種抖動(dòng)的暫態(tài)過(guò)程大約經(jīng)過(guò)510ms的時(shí)間，人的肉眼是覺(jué)察不到的，但對(duì)高速的cpu來(lái)說(shuō)，這個(gè)抖動(dòng)容易影響到單片機(jī)對(duì)按鍵的正確判斷。下圖3-5是按

34、鍵抖動(dòng)示意圖： 圖3-5按鍵抖動(dòng)示意圖為使單片機(jī)能夠正確地讀出p1.3口的狀態(tài)，對(duì)每一次按鍵只作一次響應(yīng)，必須采取措施以消除抖動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用軟件方法消除抖動(dòng)，它通過(guò)延時(shí)來(lái)躲過(guò)暫態(tài)抖動(dòng)過(guò)程，執(zhí)行一段10ms的延時(shí)程序后，再讀取穩(wěn)定的鍵狀態(tài)。在沒(méi)有鍵按下時(shí)p1.3口是高電平，在單片機(jī)獲得p1.3口為低電平的信息后，不立即認(rèn)定鍵盤已被按下， 執(zhí)行10毫秒延時(shí)函數(shù)后再次檢測(cè)p1.3口，如果仍為低，說(shuō)明鍵盤被按下了。這就消除了按鍵按下時(shí)前沿的抖動(dòng)對(duì)單片機(jī)正確判斷按鍵造成的影響。 §3.3 顯示程序模塊在顯示模塊中，我們采用兩片74hc164,4個(gè)8段led數(shù)碼管組成。它的工作原理是主控單片機(jī)stc89c51通過(guò)控制位選的74hc164去控制點(diǎn)亮不同的數(shù)碼管，而另一片74hc164是用來(lái)根據(jù)主控單片機(jī)給出的不同信息，給出不同數(shù)碼管所要顯示的不同內(nèi)容，在給出點(diǎn)亮信號(hào)時(shí)，數(shù)碼管就顯示出74hc164輸出端的信息。4個(gè)8段數(shù)碼管是定時(shí)循環(huán)按順序被點(diǎn)亮，由于每次被點(diǎn)亮的時(shí)間間隔極短，也由于人眼對(duì)光亮的感覺(jué)延遲效應(yīng)，所以在顯示不斷被刷新的同時(shí)，人眼不會(huì)有閃爍感。本顯示程序首先定義了數(shù)碼管