非接觸是溫度測量與無線傳輸系統(tǒng)

1、第二章 基礎(chǔ)技術(shù)的介紹2.1紅外測溫原理物質(zhì)內(nèi)部原子、電子和分子是一直在做運動狀態(tài)的，在向下躍遷時候會有一些能量釋放出來，它是以電磁波形式表現(xiàn)的。從物質(zhì)里面發(fā)射出來的能量便是輻射。當(dāng)身體溫度高于熱力學(xué)溫度0 K或停止對周圍電磁輻射電磁波，輻射能量將隨物體的溫度的變化而變化，電磁波的輻射長度也隨著變化。在大多數(shù)情況下我們把紅外輻射稱為紅外光或紅外線，紅外線也是電磁波中的一種，其波長范圍從078岬1000岬，在紅外光譜學(xué)中，日常分為近紅外、中紅外與遠(yuǎn)紅外三個波段。溫度決定了物體的熱輻射特性。光學(xué)溫度傳感與光電傳感的基礎(chǔ)是物體的溫度輻射特性。在日常溫度下，物體輻射出的物質(zhì)是人眼不能夠看到的紅外線。當(dāng)

2、溫度值上升至500左右，才會發(fā)射出一部分暗紅色的可見光；溫度繼續(xù)升高將會發(fā)射白色光。物體的溫度決定了對于熱輻射其強度，溫度越高，輻射能量也就越強，輻射出來的紅外線也就越多。紅外輻射的形式和電磁波的基本上一樣，在傳播的過程中同樣會發(fā)生反射與吸收情況。物體吸收紅外輻射能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成熱能，隨著傳播距離的增加，紅外輻射會逐漸衰減。 當(dāng)物體的溫度值在高于0K時，總是能自發(fā)的不斷向周圍的空間發(fā)射紅外線，因此在一定條件下紅外輻射源可以是任何物體。黑體是一個理想狀態(tài)下的的紅外輻射源，其能夠?qū)⑷魏尾ㄩL的電磁輻射全部吸收。吸收的輻射能等于發(fā)射的輻射能是黑體的最大特征，其吸收率與發(fā)射率都定義為1。在自然界中是沒有黑

3、體存在的，要想真正探測黑體只能人工制造出來模擬黑體。但灰體是吸收體，所以不能吸收入射到它上面的輻射，所以發(fā)射率被視為一個小于1的常數(shù)。2.1.1紅外輻射的基本理論紅外輻射除符合可見光的一部分性能外，還遵守著一些固有的特別規(guī)律。在十八世紀(jì)的時候，在第十八世紀(jì)，人們建立了三大定律，包括基爾霍夫定律，透射，反射和吸收定律，普朗克定律。在這些定律的基礎(chǔ)下我們了解了紅外輻射的本質(zhì)特性，奠定了紅外應(yīng)用的基礎(chǔ)。2.2.2透射、反射、吸收定律吸收率，反射率，透光率和發(fā)射率是相同的參數(shù)的對象或材料性能。吸收率表示物體對入射到其上的紅外輻射的吸收能力，是吸收量和入射量的比值。反射率p是物質(zhì)對入射到它上面的紅外輻射

4、的反射能力。對于光潔度比較高的表面，他的反射率就較高。透射率T是物體對入射到它上面的紅外輻射的透射能力。紅外輻射的發(fā)射能力用發(fā)射率來表示。某一個物體發(fā)射出來的紅外輻射量與同一溫度下的黑體紅外輻射發(fā)射量之比為發(fā)射率。一般情況下，當(dāng)一定的溫度量照射到一個物體上面的紅外輻射，能量一些被吸收，一些被反射，一些經(jīng)過物體被投射過去，這就是所說的吸收、反射、透射三種物理現(xiàn)象。比如說透射到物體表層的輻射能量為l，按照能量守恒定理，有光譜發(fā)射率嘶r、光譜發(fā)射率r和光譜透射率r之和為l，即 (21)對于黑體而言，它吸收了所有入射的紅外輻射能量，即=1，=0。2.2.3基爾霍夫定律在熱輻射這個問題中，基爾霍夫定律是

5、比較基礎(chǔ)的定律，主要的兩個量被涉及到，一個是物體的發(fā)射能力，一個是物體的吸收能力?；鶢柣舴颍涸跍囟纫欢ǖ那闆r下下，物體對波長的輻射能量與物體對波長的吸收率成正比，且數(shù)對任都一樣(就是說不管什么樣的物體都可以)。用數(shù)學(xué)形式表示為 (2)式(2)中各符號的下標(biāo)l，2表示不同物體的代號?；鶢柣舴蚨墒且粋€相當(dāng)常見的定律，它告訴我們?nèi)魏螐娏业奈障到y(tǒng)必須發(fā)出強烈的輻射。對于這個系統(tǒng)，其吸收的本領(lǐng)與物體表面的性質(zhì)或者是整個系統(tǒng)的構(gòu)造都是沒有關(guān)系的。在這個原理的基礎(chǔ)下，人們就可以做出非常類似于絕對黑體性質(zhì)的人工黑體。2.2.4斯特藩玻爾茲曼定律基爾霍夫定理提到了紅外輻射中所主意的中心問題，斯特藩玻爾茲曼定

6、律解決了黑體對所有波長的總發(fā)射本領(lǐng)與溫度的關(guān)系。在1879年，約瑟夫·斯忒藩在大量的實驗數(shù)據(jù)與分析下，總結(jié)出黑體的全光輻射出射度與它的熱力學(xué)溫度T的四次方成正比的關(guān)于黑體輻射的經(jīng)驗定律玻爾茲曼定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (3) 式中，為黑體全波輻射出射度 為斯忒藩玻爾茲曼常數(shù)。式(3)表明，隨著溫度的增加的黑體的總輻射是非常明顯的非線性變換，和溫度T的比例四。在溫度發(fā)生很小的改變時，全波輻射出射度的很大改變化。對 的測量，可十分靈敏的測量出熱力學(xué)溫度T，這正是紅外測溫的理。2.2.5維恩位移定律黑體輻射最大光譜與熱力學(xué)溫度之間存在的關(guān)系就是維恩位移定律。1893年，維恩給出了峰值波長與黑

7、體絕對溫度的關(guān)系，峰值波長就是光譜輻射出射度的峰值所對應(yīng)的值，其關(guān)系表達(dá)式： （4）式中，仇代表黑體輻射輻出量的峰值波長，b為維恩位移常數(shù)；T是絕對溫度(K)。 圖（2.1）不同溫度下黑體輻射出射度隨波長變化的變化維恩位移定律的告訴人們的是：溫度不斷升高的情況下，黑體的所輻出最大能量值總是移動，方向是朝著較短波長方向移動。通過維恩位移定律，當(dāng)知道熱力學(xué)溫度T時我們就可以通過公式計算出其射波長 ；同理，如果能夠測得一個黑體的峰值輻射波長 ，則可以計算出其熱力學(xué)溫度。使用維恩位移定律就可以解釋當(dāng)對金屬體加熱時，金屬塊的顏色首先發(fā)出暗紅色，隨著溫度的升高，慢慢出現(xiàn)橙色，然后又到了綠色、藍(lán)色，最后變成

8、白色現(xiàn)象。2.2.6普朗克定律在紅外輻射發(fā)現(xiàn)100年后，1900年，普朗克突破了經(jīng)典理論的束縛，提出來量子假設(shè)。根據(jù)這個量子假設(shè)，普朗克提出了能夠求出黑體輻射能量分布的普朗克公式。普朗克公式表達(dá)了對黑體區(qū)域的單位面積的能量之間的關(guān)系在單位時間和輻射的波長，和數(shù)學(xué)表達(dá)式： （5）式中，是黑體光譜輻射出射度，為指定的輻射波長，T代表黑體的熱力學(xué)溫度，h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，c是光在真空中的傳播速度，、代表第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)。普朗克公式揭示了黑體輻射的基本規(guī)律。由圖(21)可以看出，隨著溫度的上升而升高，各個溫度之間的曲線是不相交的：波長影響著黑體的光譜輻射出射度，波長在不斷增長的

9、情況下，就會出現(xiàn)一個峰值，為最大光譜輻射出射度。當(dāng)波長繼續(xù)增加光譜輻射出度開始減小，曲線的變化是連續(xù)與平滑的。在處，黑體的光譜輻射出射度是最大的，當(dāng)波長大于的波段黑體光譜輻射能量75存在于這里，剩下的25在波長小于的波段。2.3非黑體輻射 黑體這一理想化的輻射體在人們的總結(jié)下提出了紅外輻射的三大基本定律。然而，但自然界中是沒有正真的黑體存在的，而自然界中存在大量的非黑體輻射普遍現(xiàn)象。以上的黑體輻射的定律是不能夠直接用于實際的物體2.3.1比輻射率 由于實際物體的紅外輻射與表面狀態(tài)密切相關(guān)，因此在使用上述的紅外輻射定律的時候要進行修正，使用比輻射率來衡量一個實際物體輻射性能。黑體的輻射出射度總是

10、大于實際物體的輻射出射度的，因此設(shè)定黑體是比輻射率最大的物體。如果把黑體的比輻射率定位l，那么比輻射率就是其它物體在某一溫度T時的輻射輻出度與黑體在同一溫度下的輻射輻出度之比，也稱為發(fā)射率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 而根據(jù)基爾霍夫定律的關(guān)系式可知 因此 因此 公式表明，任何物體(材料)在一定溫度下，其比輻射率等于同一溫度下的吸收率。吸收率越大，其比輻射率也越大。我們要想對各種各樣的物體進行研究與計算，前提是必須知道他在不同溫度下所對應(yīng)的比輻射率，然后引用相關(guān)黑體輻射定律就能解決。并用該物體的比輻射率進行修正。普朗克公式可以改寫成 根據(jù)斯忒藩-玻爾茲曼定律，實際物體輻射的輻射出度改寫為 如果知道一個實際

11、物體的發(fā)射率，就可以根據(jù)上述公式計算出其紅外輻射出射度。2.3.2影響物體發(fā)射率的因素和變化規(guī)律不同的材料或者物體，其輻射性能差異很大，對于同一物體，在不同的溫度、輻射波長、表面狀況不同的情況下，其輻射也會不同。對于常見的物體與材料，可以和人工黑體進行相比較來測出其發(fā)射率，發(fā)射率的變化有如下的規(guī)律：(1) 對于金屬其發(fā)射率一般比較低，這是金屬對紅外輻射不透明而造成的。但是發(fā)射率會因為溫度的升高而變大。當(dāng)金屬氧化處理后，發(fā)射率也會增加。(2)同一物體在不同溫度下不同。對于金屬材料溫度會隨溫度的增加而增加，對于非金屬材料隨溫度的升高而減小。相同溫度下非金屬材料的要比金屬的高。(3)輻射率會因波長的

12、改變而改變，但是變化大小不同，在某些局部波域內(nèi)，可近似認(rèn)為為一個常數(shù)。(4)當(dāng)物體表面覆有涂層后，比輻射率就與涂層的厚度、材料有關(guān)。物體的表面電鍍或者涂覆的涂層厚度在0104咖之間時，物體的比輻射率僅僅與表面材料的輻射特性相關(guān)，與輻射體本身無關(guān)。242紅外測溫儀的誤差分析雖然有濾光片濾去了大部分波長的紅外線，但是仍有很多物體的紅外波長在與人體類似的914m的波段內(nèi)。比如地球的紅外波長為10 m，因此在使用紅外測溫儀測量時，要盡量減少其它目標(biāo)的紅外線干擾，紅外傳感器的上方都有一個目鏡，其決定了紅外探測器探測紅外輻射的視角，為了減少其它物體對探測目標(biāo)的干擾，被測目標(biāo)應(yīng)該充滿整個視角。溫度目標(biāo)發(fā)出的

13、紅外輻射向著四周輻射，而傳感器所接收到的紅外輻射僅僅是其中的一小部分，其余能量全部被釋放到周圍空間。但是周圍環(huán)境對鏡頭的角系數(shù)很小，所以環(huán)境對鏡頭的直接熱輻射影響非常小。根據(jù)紅外輻射理論，探測的目標(biāo)發(fā)射率總是小于1的，而且不同材料的物體發(fā)射率也是不同的，因此在探測目標(biāo)前需要設(shè)定目標(biāo)的發(fā)射率。根據(jù)非黑體輻射理論，灰體的輻射能量與黑體的輻射能比值為發(fā)射率，因此不同的發(fā)射率會計算出不同的熱輻射能，會造成測量結(jié)果的誤差。綜上所述，鏡頭所接受的輻射能量的大小主要取決于測目標(biāo)和環(huán)境溫度，測溫目標(biāo)的發(fā)射率，測溫鏡頭的感受波長、受光面積，鏡頭與目標(biāo)之間的距離和對目標(biāo)的對準(zhǔn)程度。26本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容是研究

14、了紅外測溫的理論基礎(chǔ)和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑恚ɑ鶢柣舴蚨桑干?、反射和吸收定律，普朗克定律在?nèi)的核心三大定律，得到了黑體輻射出射度公式，如何求單位球面積輻射能量的普朗克公式。通過理想的黑體輻射規(guī)律得到普遍的非黑體輻射規(guī)律，并由此引出了發(fā)射率的概念，無線傳輸數(shù)據(jù)的原理、特征及信號是如何傳輸。在本章中介紹了紅外探測器的原理，從紅外理論與探測器原理上分析了影響紅外測溫精度的因素。還有當(dāng)今無線傳輸?shù)陌l(fā)展和幾種主要的無線技術(shù)。第三章系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 本研究主要利用了非接觸式溫度傳感器MLX90614、單片機stm32、STC89S52單片機、諾基亞N5110液晶顯示屏以及無線傳輸模塊實現(xiàn)了非接觸式測溫與無

15、線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，首先，由stm32單片機對溫度傳感器的數(shù)據(jù)進行采集和處理，并將數(shù)據(jù)通過串口輸出，然后將數(shù)據(jù)通過無線串口模塊發(fā)到51單片機里進行處理，最后將數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，并進行高溫報警及不同溫度區(qū)間的亮燈提醒。3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計本章主要介紹了系統(tǒng)的硬件平臺及各功能模塊接口電路，按照功能劃分，系統(tǒng)可分為溫度采集模塊、無線傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)總體框架如圖3.1所示。 圖3.1 總體框架構(gòu)成3.2溫度采集模塊這部分由溫度傳感器和單片機構(gòu)成一個溫度采集模塊，主要完成溫度數(shù)據(jù)的串口輸出，方便后續(xù)設(shè)計的需求。3.2.1溫度傳感器的選擇MLX90614是一種使用方便的紅外測溫器件直接輸出完

16、全線性化的并已對環(huán)境溫度進行補償?shù)臄?shù)字溫度。這個器件的溫度輸出方式有兩種：數(shù)字PWM輸出及SMBus輸出，封裝使用的罐形(TO-39)，體積與其他非接觸式溫度傳感器比較小巧、在大多數(shù)情況下使用方便。MLX90614的測量溫度范圍為-70+380溫度精確度能達(dá)到-+01。當(dāng)測量溫度范圍為3242的情況下，多次測量的的絕對精度僅僅為士0.2，人體的溫度恰好在這個范圍，所以說此模塊是非接觸測量人體溫度不錯的選擇。 MLX90614的工作原理 MLX90614紅外線熱電堆傳感器MLX81101，邏輯控制電路，A / D轉(zhuǎn)換器，DSP單元，低噪聲放大器和脈沖寬度調(diào)制電路，在圖中所示的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。高性能，低

17、噪音的信號時處理17數(shù)字化處理后的熱電偶輸出的運算放大器放大到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），可編程FIR和IIR低通濾波器（即框圖DSP）的ADC輸出的溫度和運輸出MLX90614內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM存儲單元的輸出將被存儲，存儲的數(shù)據(jù)可以通過SMBus或PWM模式讀取 圖3.2 MLX90614的結(jié)構(gòu)框圖 3.2.2單片機的選擇 設(shè)置此單片機主要是為了處理溫度傳感器MLX90614所發(fā)出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過對比及一些資料的參考，初步選擇了STM32F3。它是意法半導(dǎo)體最近推出的新產(chǎn)品。開發(fā)自由度上讓用戶得到了更好的體驗。它包含了32位的系列型號，具有多種特性，主要有以下幾點：性能較其它類型單片機突出、實時功能

18、、低功耗正常工作、數(shù)字信號處理，在這些突出特性的基礎(chǔ)上依然保持了開發(fā)比較容易和集成度相當(dāng)高的眾多特點。STM32產(chǎn)品豐富，而且是基于業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，有眾多工具和軟件都兼容此芯片。這就使得該系列產(chǎn)品在業(yè)內(nèi)得到廣泛運用。 3.2.3測溫模塊硬件電路 這部分通過對硬件的選擇，然后合理的進行了電路設(shè)計，使測溫模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)串口輸出。具體電路圖如3.4所示。3.3 無線傳輸模塊3.3.1無線傳輸模塊的選擇 杭州威步科技有限公司生產(chǎn)的Power UTC-4432 系列無線通信模塊可以滿足中遠(yuǎn)距離傳輸。此模塊為穿透障礙物能力強、高集成度、中功率、半雙工、抗干擾的無線透明傳輸模塊，高性能MCU和超低功耗射頻芯片同

19、時集成在片上。 中功率模塊Power UTC-4432和微功率模塊 UTC-4432 配合使用， 在實際生活中相當(dāng)適合中遠(yuǎn)距離、點對多點、和無線自組網(wǎng)應(yīng)用的要求；在多點使用，它可以是微功率模塊UTC-4432（傳輸距離的范圍從幾百米兩公里，根據(jù)周圍環(huán)境）使用微功率模塊電源UTC-4432用作作為子節(jié)點中繼節(jié)點，所述中繼節(jié)點的信息收集，然后通過接收端在長距離傳輸?shù)墓β蔝TC-4432的模塊，這樣可以節(jié)約資源，又能達(dá)到預(yù)期效果。 為提高模塊的通用性， Power UTC-4432 模塊通過上位機進行在線修改工作相關(guān)射頻和功能屬性。這些在實際運用中都得到了較好運用，也是本文選用的此模塊的一個重要的參

20、考。 功能特性突出特性基本特性射頻前端采用高頻放大，靈敏度、穿越障礙物能力以及傳輸?shù)木嚯x都得到了很大的提升，最遠(yuǎn)距離可在 10km 以上，信號覆蓋大約有十幾層樓房。2.1-3.6V 和 4.8-5.2V 兩路同時供電UART 接口（ TTL 電平）可視傳輸距離 10km （空中速率 1kbps ）在點對多點的運用中，采用了與微功率模塊UTC-4432穿插使用，既節(jié)約資源有提高了整體性能波特率和校驗類型等串口參數(shù)可修改用戶可以根據(jù)自己的需求來改變模塊的射頻參數(shù)和功能屬性，運用相當(dāng)靈活FSK 調(diào)制，采用高效糾錯編碼 ， 抗干擾能力強通過監(jiān)聽射頻空中信道，采用無線防碰撞協(xié)議；解決了周圍不同信號的干擾

21、造成的信號混亂，使自己的信號可靠無誤的通信本機地址、目標(biāo)地址可修改，支持多點星形網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包長度可修改數(shù)據(jù)緩沖區(qū)容量較大，一次可支持 256 字節(jié)長度的數(shù)據(jù)包。支持包完整傳輸模式FEC機制，利用傳輸一兩個干擾冗余信息的方法，因此在傳輸說對方是否過程中出現(xiàn)錯誤時，允許接收器再建數(shù)據(jù)，極大的提高無線通信的抗干擾能力。數(shù)據(jù)包長度可修改喚醒時間間隔、延時觸發(fā)時間可修改3.3.2無線模塊的硬件電路設(shè)計模塊與單片機連接時，SET_A與SE T_B管腳分別接單片機的兩個I/O 口，無線傳輸模塊的RXD引腳和TXD引腳分別與處理器串口通訊引腳的TXD腳和RXD腳連接；AUX 腳接單片機的外部中斷腳，電源風(fēng)別給3

22、.3V引腳與5V引腳同時供電 。連接示意圖如下：此模塊采用無線透傳的形式，只要把模塊的TXD和RXD分別與單片機的RXD和TXD連接，就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，模塊可以設(shè)置工作模式，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求做出合理的設(shè)置，本文主要采用了模式一，發(fā)送和接收部分都處于不斷工作狀態(tài)。這樣的工作方式可以保證溫度采集模塊采集到的數(shù)據(jù)能不斷發(fā)送到主控單片機，實現(xiàn)一個實時監(jiān)控的效果。3.4數(shù)據(jù)處理模塊這部分主要由單片機、液晶顯示屏，蜂鳴器等模塊構(gòu)成了一個高溫報警的系統(tǒng)。3.4.1 主控單片機選擇 由于對數(shù)據(jù)處理需求不是特別嚴(yán)格，傳輸過來的信號是數(shù)字信號，故不需要采用功能強大的單片機，STC89C52就能滿足系統(tǒng)構(gòu)建

23、的需求，STC89C52具有眾多特點，如：功耗低、具有高性能CMOS8位微控制器，8K可編程Flash存儲器。STC89C52經(jīng)過改進，在使用MCS-51內(nèi)核的情況下，好多功能都是51所不具備的。在單芯片上，8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash等特點使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 3.4.2 液晶屏的選擇設(shè)計所采用的液晶屏是經(jīng)典手機諾基亞N5110的屏幕。此款手機極為經(jīng)典，但隨著科技的發(fā)展，漸漸被市場淘汰，但屏幕一直被學(xué)者最為經(jīng)典顯示屏使用，其有以下特點：（1）在現(xiàn)有市場中性價比較高，屏幕上可以顯示15個漢字和30個字符，而LCD1602只可以顯示

24、32個字符。Nokia 5110裸屏市場價不足十元，而LCD1602一般在10元以上，LCD12864則更加貴。 （2）接口相當(dāng)簡單，四根I/O線就能驅(qū)動使其運行，LCD12864需12根，占用I/O嚴(yán)重。 （3）反應(yīng)速度快，比LCD12864提高20倍，可想而知比LCD1602就更加迅速了。 （4）Nokia5110只需要提供3.3V電壓就能正常工作，電流也只需在200uA以下變能正常顯示，具有掉電模式，日常使用的電池供電即可驅(qū)動，便攜性更強。3.4.2.1液晶屏的管腳介紹從圖可以知道，只要需要4個管腳就可以驅(qū)動這個顯示屏，可以節(jié)省單片機的I/O就能達(dá)到所需要的功能。3.4.3數(shù)據(jù)處理硬件電

25、路設(shè)計這部分是本設(shè)計的主控部分，由STC89S52作為主控處理器與無線傳輸模塊做串口通訊，將接收到的數(shù)據(jù)進行解析、計算，然后把處理后的數(shù)據(jù)顯示在5110液晶屏上，并有報警系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，得到一個高溫報警、亮燈的提示效果。具體硬件電路如下圖。3.5本章總結(jié) 本章主要介紹了溫度測量和無線傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計,首先在總體上提出了系統(tǒng)框架,介紹了各功能模塊的組成;然后主要介紹了非接觸式溫度傳感器 MLX90614和無線串口模塊Power UTC-4432的一些特性,在采用這些模塊所構(gòu)成系統(tǒng)實現(xiàn)了基本功能。第四章 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)4.1 系統(tǒng)軟件的設(shè)計本章主要基于KEIL的軟件開發(fā)環(huán)境，對不同模塊進行了軟件

26、設(shè)計，首先是溫度采集部分，通過懂MLX90614的通訊協(xié)議的了解，編程了溫度采集程序，并將數(shù)據(jù)處理成串口輸出形式與無線模塊發(fā)射端的串口通訊，將數(shù)據(jù)經(jīng)過無線形式傳到主控單片機。然后主控單片機將數(shù)據(jù)處理，顯示在液晶屏上。4.2 測溫模塊的程序設(shè)計4.2.1 MLX90614的SMBus協(xié)議一個或者多個從動器件（SD）與系統(tǒng)某個時刻給定的一個主控器件之間的通訊就是SMBus 通信協(xié)議允許，MLX90614 芯片只能做從動器件（SD）使用。器件連接之前，需要為從動器件分配一個從動地址（SA），主控器件（MD）通過讀取設(shè)定的從動地址（SA）選擇從動器件 MLX90614開始進行信息的傳輸。當(dāng)從動設(shè)備收到

27、 8 位數(shù)據(jù)后，會根據(jù) PEC 的計算結(jié)果給出應(yīng)答信息 ACK 或者NACK 。在主控器件開始運行的時候時，就會發(fā)送一個從動地址，只有從動器件收到與自己地址一樣的時候才會做出響應(yīng)，地址不一樣的從動器件不作出響應(yīng)。如果從動地址的字節(jié)無法確認(rèn)無誤，那么從動器件就會給出 NACK 信息表明接收信息有誤，主控器件會停止通信選擇數(shù)據(jù)重傳，其中SMBus 發(fā)送的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖4.2 SMBus數(shù)據(jù)包格式 相對于標(biāo)準(zhǔn)的 SMBus 接口協(xié)議有十多種命令操作，MLX90614 紅外溫度傳感器只支持其中的兩種命令：讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)。 l 讀取數(shù)據(jù) 這個命令用來讀取RAM和EEPROM中的工作狀態(tài)和

28、信息數(shù) 據(jù)。讀器件數(shù)據(jù)格式如圖 4.3所示： l 寫入數(shù)據(jù) 用于寫命令到EEPROM 中操作芯片完成制定的流程。 寫器 件數(shù)據(jù)格式如圖 4.4所示： l 數(shù)據(jù)傳輸時序 SDA 管腳上的數(shù)據(jù)在 SCL 管腳變?yōu)榈碗娖讲⒀訒r 300ns 后即可改變， 通信數(shù)據(jù)在SCL管腳信號的上升沿被捕獲。 每次傳一個字節(jié)，一個字節(jié)包含 8 位數(shù)據(jù)，所以16位 數(shù)據(jù)需要分兩次傳輸完成。每個字節(jié)按照低位在后、高在 前的格式進行傳輸，兩個字節(jié)中間的第九個時鐘是應(yīng)答時 鐘。 圖4.3 SMBus讀取數(shù)據(jù)格式據(jù) (取決于命令 RAM 或EEPROM) 圖4.4 SMBus寫入數(shù)據(jù)格式 圖4.5 SMbus通信實例 (從

29、RAM 中讀取并寫入到 EEPROM) 圖4.6 數(shù)據(jù)傳輸時序 4.2.2 MLX90614紅外測溫模塊程序設(shè)計 MLX90614紅外測溫模塊的軟件程序框架相對比較簡單。當(dāng)在主函數(shù)中完成對它的相關(guān)硬件初始化和調(diào)用之后， 紅外測溫模塊就開始按照程序要求的順序執(zhí)行代碼完成相關(guān)的內(nèi)容。模塊的主要工作流程為：首先程序?qū)?MLX90614進行軟件的初始化（例如讀取傳感器的設(shè)定地址、合成相應(yīng)的指令等），然后微控制器通過 SMBus 傳輸協(xié)議來讀取儲存在MLX90614芯片RAM 里的環(huán)境溫度TO的數(shù)據(jù)（地址為 07h）。通過相關(guān)的公式換算，可以得出相應(yīng)的溫度值并顯示出來。流程圖如圖 4.7所示： 圖4.7

30、 紅外測試程序流程圖 MLX90614每次發(fā)送和接收數(shù)據(jù)都是按照字節(jié)一一進行的，紅外測溫模塊的數(shù)據(jù)處理程序流程如圖4.7所示，關(guān)于每個字節(jié)的數(shù)據(jù)讀寫流程則如圖4.8所示。每發(fā)送一個字節(jié)（發(fā)送按位進行，8個位字節(jié)）之后，系統(tǒng)會先確認(rèn)方是否產(chǎn)生了應(yīng)答，如了應(yīng)答，就表明這一送成功，接著發(fā)送下字節(jié)；如果沒有答信號的確認(rèn)，系統(tǒng)就會選擇再次重新這一字節(jié)的數(shù)據(jù)，直到接對方發(fā)來的應(yīng)答信號，才可以繼續(xù)發(fā)送下一個字節(jié)的內(nèi)容數(shù)據(jù)，如果進行了多次重發(fā)之后，仍然沒有收到任何的應(yīng)答信號，那么就停止發(fā)送。接收數(shù)據(jù)后，每接收到一個完整的字節(jié)（逐位也接收時，接收器是一個8位字節(jié)），以指示成功接收，然后發(fā)送一個應(yīng)答信號給對方，然

31、后重復(fù)此步驟，以接收下一個數(shù)據(jù)字節(jié)。從MLX90614是16讀出的數(shù)據(jù)，和由DataH（高8）和DATAL（低8）兩部分，它們存儲在RAM地址07H單元是當(dāng)前環(huán)境溫度（TO）的數(shù)據(jù)，模塊內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)其實為0x2D8Ah結(jié)束為0x4DB0h，通過計算公式能溫度范圍是-40 °C 85 °C。 圖4.8 MLX90614讀寫數(shù)據(jù)從MLX90614中讀出的數(shù)據(jù)（DataH ：DataL）并不是真實的環(huán)境溫度，需要換算公式把它換算為單位為攝氏度（） 的溫度數(shù)據(jù)， 換算公式為：To = RAM（DataH ：DataL）*0.02 273.15。紅外測溫程序中的主要函數(shù)如下： 1）

32、unsigned long int NEN_REND(unsigned char slave_addR,unsigned char cmdR) 功能: 給定受控地址和命令時由 MLX90614 讀取數(shù)據(jù) 2) unsigned char PEC_cal(unsigned char pec,int n) 功能: 根據(jù)接收的字節(jié)計算PEC 碼 3) void EEPROM_WRITE(unsigned char s ddW,unsigned char cmdW,unsigned charchar DataH cmdW,unsigned char DataL,unsigned char DataH

33、功能: 根據(jù)命令寫入相關(guān)數(shù)據(jù)到給定受控器件地址的 MLX90614 4) unsigned int *CALTEMP(unsigned long int TEMP) 功能: 根據(jù)十六進制數(shù)值計算溫度 4.3無線通訊模塊當(dāng)模塊工作狀按鍵處于正常模式(模式1)下時，兩個模塊之間就在進行雙向通信。此時模塊同時監(jiān)聽串口是否有數(shù)據(jù)和空中射頻信道中的情況，這時候模塊即可以當(dāng)做發(fā)射端使用也可以當(dāng)做接收端使用。4.3.1 發(fā)送端和接收端處理流程 （1）數(shù)據(jù)發(fā)送端處理過程（SET_A置0，SET_B置為0 ） 當(dāng)數(shù)據(jù)輸入時被串口檢測到，AUX置0并將內(nèi)部設(shè)置成無線發(fā)射狀態(tài)，交織糾錯編碼串口收到的數(shù)據(jù)，然后通過空

34、中射頻信道發(fā)送出來，在發(fā)送完成將AUX置1并轉(zhuǎn)入不斷檢測串口是否有數(shù)據(jù)輸入的狀態(tài)。 （2）數(shù)據(jù)接收端處理流程（SET_A設(shè)置為0，SET_B設(shè)置為0 ） 當(dāng)數(shù)據(jù)通過空中射頻信道傳送到接收端時，通過對數(shù)據(jù)的交織糾錯解碼并檢測數(shù)據(jù)是否正確無誤，如果正確 ，將AUX置0 然后把解碼的數(shù)據(jù)從串口輸出，當(dāng)輸出結(jié)束后將Aux值1并繼續(xù)監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)收到。4.3.2正常工作模式下的流程1. 在使用模塊的時候，我們可以使用兩個GPIO端口把SET_A和SET_ B兩個管腳置成低電平或者將這兩個管腳直接與GND（連接可以減少占用 MCU 2個IO 端口），使模塊工作在正常工作狀態(tài)。 在這種工作模式下，模塊的通訊

35、方式而是半雙工通信，即發(fā)送端和接收端可以互換位置。但是前提條件是發(fā)送端和接收端的射頻參數(shù)必須保持一致，正常通訊要讓收發(fā)目標(biāo)地址匹配。 2.在串口有數(shù)據(jù)輸入被發(fā)送端模塊監(jiān)聽到，在置低AUX的同事模塊會自動切換到發(fā)射狀態(tài)。剛才串口收到的串口數(shù)據(jù)會通過空中信道將數(shù)據(jù)發(fā)送出來。發(fā)送完成后AUX會置1并且模塊會自動轉(zhuǎn)入不斷檢測是否有數(shù)據(jù)收到的狀態(tài)。當(dāng)對方發(fā)出的數(shù)據(jù)信息變繼續(xù)進行接收。 3 .當(dāng)接收器模塊被發(fā)現(xiàn)有一個承載空氣濰坊出現(xiàn)，并從空氣通道接收由餓啊發(fā)出發(fā)送端模塊的數(shù)據(jù)將通過CRC校驗和的數(shù)目的確定和菲數(shù)據(jù)接收是否正確，當(dāng)數(shù)據(jù)是正確的是AUX設(shè)置為0，并從輸出端之后的串行輸出的解碼數(shù)據(jù)，在AUX被設(shè)

36、置1，再次進入檢測狀態(tài)。當(dāng)外部單片機需要接受模塊收到的數(shù)據(jù)時，只要進行簡單的串口通訊就能將數(shù)據(jù)傳到單片機中。單片機不需要個接收端任何命令就能收到數(shù)據(jù)。模塊工作流程描述如下：4.4 數(shù)據(jù)處理由于前邊采用了串口通訊，所以這節(jié)主要是51對串口數(shù)據(jù)的一個解析，并將得到的數(shù)據(jù)進行處理。4.4.1 串口數(shù)據(jù)的解析無線串口發(fā)過來的一幀數(shù)據(jù)格式為：（16進制）AA 2A 37 2C 37 C4 BB。其中： 幀頭AA 環(huán)境溫度低字節(jié)2A 高字節(jié)37 物體溫度低字節(jié)2C 高字節(jié)37 校驗和 C4 =2A+37+2C+37 結(jié)尾 BB 計算 物體溫度=0x372A*0.02-273.15=9.29 度

37、環(huán)境溫度=0x372C*0.02-273.15=9.33 度我們需要做的工作是把第二個到第四個數(shù)據(jù)取出來，具體如下：char deal_data(void) uint b=0,c=0,a=0; for(a=0;a<14;a+) if(LED_Buffera=0xaa)&&(LED_Buffera+6=0xbb) b=LED_Buffera+2; b=(b<<8)+LED_Buffera+1; c=LED_Buffera+4; c=(c<<8)+ LED_Buffera+3; ht=(float)b*0.02- 273.15; wt=(fl

38、oat)c*0.02- 273.15; return a; void main() uint htt=0; static uchar k=0; uchar a=0; init();/ qushuju(); LCD_init(); LCD_clear(); LCD_write_english_string(0,0,"WT:"); LCD_write_english_string(10*6,0,"C"); LCD_write_english_string(0,2,"HT:"); LCD_write_english_string(10*6,

39、2,"C"); while(1) while(!flag) ; EA=0; a=deal_data(); htt=(uint)(ht*100);if(htt>3000)led0=0;led1=1;led2=1;feng=1;Delay_1ms(1);feng=0; if(htt>3300)&&(htt<4000)led0=1;led1=0;led2=1;feng=1;Delay_1ms(1);feng=0; if(htt>4000)led0=1;led1=1;led2=0;Delay_1ms(50);led2=0;feng=1;Del

40、ay_1ms(1);feng=0; if(htt<3000)led0=1;led1=1;led2=1; display(4,2,wt); display(4,0,ht); for(k=a+1;k<a+5;k+) SBUF = LED_Bufferk;while(!TI) /如果發(fā)送完畢，硬件會置位 _nop_();TI = 0； Delay_1ms(10); ht=0; wt=0; a=0; k=0; flag=0; clean_LED_Buffer(); EA=1;4.4.2 液晶顯示主要運用了5110的字形庫，可以直接調(diào)用便能顯示需要的數(shù)據(jù)，主要程序如下：#include<

41、;reg52.h> #include "nokia_5110.h"#include "english_6x8_pixel.h"#include "write_chinese_string_pixel.h"typedef unsigned char uchar;typedef unsigned int uint;sbit SCLK = P11;/ pin 2 header5sbit SDIN = P12;/ pin 3 header4sbit LCD_DC = P13;/ pin 4 header3sbit LCD_CE = P1

42、4;/ pin 5 header2sbit LCD_RST = P15; / pin 9 header1void LCD_init(void) LCD_RST = 0; / 產(chǎn)生一個讓LCD復(fù)位的低電平脈沖 delay_s(); LCD_RST = 1;/ 關(guān)閉LCD LCD_CE = 0; delay_s(); LCD_CE = 1;/ 使能LCD delay_s(); LCD_write_byte(0x21, 0);/ 使用擴展命令設(shè)置LCD模式 LCD_write_byte(0xbd, 0);/ 設(shè)置偏置電壓 LCD_write_byte(0x06, 0);/ 溫度校正 LCD_writ

43、e_byte(0x13, 0);/ 1:48 LCD_write_byte(0x20, 0);/ 使用基本命令 LCD_clear(); / 清屏 LCD_write_byte(0x0c, 0);/ 設(shè)定顯示模式，正常顯示 LCD_CE = 0; / 關(guān)閉LCD void LCD_write_english_string(unsigned char X,unsigned char Y,char *s) LCD_set_XY(X,Y); while (*s) LCD_write_char(*s); s+; void LCD_write_shu(unsigned char row,unsigned

44、 char page,unsigned char c) /row:列 page:頁 dd:字符 unsigned char i; LCD_set_XY(row*6, page);/ 列，頁 for(i=0; i<6;i+) LCD_write_byte(font6x8ci, 1); void display(int x,int y,float t) unsigned int i,j; j=(uint)(t*100); i=j/1000; LCD_write_shu(x,y,i+16); i=j/100%10; LCD_write_shu(x+1,y,i+16); LCD_write_sh

45、u(x+2,y,14);/顯示. i=j/10%10; LCD_write_shu(x+3,y,i+16); i=j%10; LCD_write_shu(x+4,y,i+16);4.4.3高溫報警在程序中寫入了報警上限，當(dāng)溫度超過時蜂鳴器就會響起，并有不同顏色LED對不同溫度區(qū)間做為報警指示。4.5 本章總結(jié)本章分為四部分介紹了系統(tǒng)軟件部分構(gòu)成，第一部分介紹了編譯軟件，第二部分介紹了MLX90614的通訊協(xié)議以及主要測溫的程序。第三部分介紹了無線傳輸?shù)墓ぷ髁鞒?，第四部分為系統(tǒng)的核心，介紹了溫度傳感器測得溫度通過無線傳輸?shù)?1單片機的數(shù)據(jù)處理的程序編寫。第五章 系統(tǒng)調(diào)試與測試5.1系統(tǒng)的實物構(gòu)建

46、此系統(tǒng)有由非接觸式溫度傳感器MLX90614與STM32組成了測溫模塊、無線傳輸模塊和數(shù)據(jù)梳理模塊構(gòu)成。了中遠(yuǎn)距離的無線傳輸溫度數(shù)據(jù)的基本功能，并在數(shù)據(jù)處理方面添加了一些實現(xiàn)小功能，如高溫報警，液晶屏顯示等等。實物搭建圖為圖5.1。 圖5.1實物構(gòu)建圖5.2系統(tǒng)的調(diào)試與分析5.2.1溫度傳感器的誤差分析 作為一款非接觸式的測溫方法，紅外測溫一方面實現(xiàn)了處于運動狀態(tài)和存在一定危險的物體的溫度精確測量，另一方面，傳感器紅外探頭與檢測物體之間不能直接接觸造成了無法達(dá)到完全熱平衡，傳播路徑紅外熱量損失等各種各樣的誤差，主要影響因素有發(fā)射率、輻射角度、距離系數(shù)、物體形狀大小和環(huán)境因素等。根據(jù)現(xiàn)有條件，主

47、要探索了輻射角度、距離系數(shù)、物體形狀大小因素所造成的誤差。1. 輻射角度的影響MLX90614紅外溫度計中的熱電堆傳感器測量的是輻射角度范圍內(nèi)物體的平均溫度輻射角度越大，測試誤差也就越大。一般來說，選擇的類型的輻射角度最好小于30°，當(dāng)大于45°C是就會出現(xiàn)誤差，可在特殊情況下輻射角度不得不大于45°C，那么只能適當(dāng)?shù)販p小輻射率進行修正補償。本次設(shè)計中選用的傳感器為MLX90614ESF-BCC,這款傳感器的輻射視野角度FOV=35°，在誤差允許的范圍內(nèi)，測量數(shù)據(jù)是相對精確的。2. 距離系數(shù)的影響距離系數(shù)(K=S:D)是紅外溫度傳感器MLX90614的探

48、頭到被測瓶體之間的距離S 與被測瓶體的直徑D 的比值，這個參數(shù)的大小對溫度傳感器測量精度的影響相當(dāng)大，K值越大測度測量分辨率越高。所以在選擇遠(yuǎn)距離測量時，需要選擇分辨率更高的探頭或者光學(xué)透鏡，在日常使用中，不可以忽略測溫器件的分辨率，必須按照探頭與物體之間的的S:D 值的要求測溫，K值的不合理直接影響溫度測量精度，而且誤差相當(dāng)大。在測試過程中，我們把測量距離與目標(biāo)直徑設(shè)定為S:D=12:1 的情況下，測量距離應(yīng)滿足下表的要求。目標(biāo)大小D（mm）1530100200測量距離S(mm)<180<360<1200<2400 表5.1不同目標(biāo)大小對應(yīng)的距離值應(yīng)滿足的要求目標(biāo)大小

49、3. 物體形狀大小的影響 待測物體形狀大小和測溫傳感器視場影響儀器測量的精度。MLX90614在進行測溫時，測定的是視場內(nèi)待測物體上確定面積的表面溫度平均值。一般測量時物體大小與視場的關(guān)系有以下三種情況： (1)當(dāng)被測物體形狀大于紅外溫度傳感器探頭視場時，紅外溫度傳感器探頭視場內(nèi)只有待測物，體就不會受到測量區(qū)域之外的環(huán)境背景影響，所以可以顯示被測物體位于視場內(nèi)確定面積的真實溫度，這時的測量精度是最高的，測溫效果是最好。 (2)當(dāng)被測物體形狀等于紅外溫度傳感器探頭視場時，紅外溫度傳感器探頭視場內(nèi)會有部分環(huán)境背景，測溫結(jié)果會受到測量區(qū)域內(nèi)的環(huán)境背景影響，但背景影響相對來說還比較小，這時的測溫效果一般。 (3)當(dāng)被測物體形狀小于紅外溫度傳感器探頭視場時，物體周圍為范圍的其他輻射的能量就會進入紅外而無法探頭的視場具體內(nèi)干擾測溫讀數(shù)，造成人為誤差。這時候測量的溫度值是被測物體表面溫度和環(huán)境背景溫度的加權(quán)平均值。因此在實際測溫過程中，被測目標(biāo)形狀最好是規(guī)則的，物體大小最好超過視場大小的50%，具體情況如圖5.2。所示： 圖5.2 目標(biāo)大小與視場關(guān)系示意圖經(jīng)過多