非接觸式紅外測溫儀設計

1、非接觸式紅外測溫儀設計摘 要 溫度測量技術應用十分廣泛，而且在現(xiàn)代設備故障檢測領域中也是一項非常重要的技術。但在某些應用領域中，要求測量溫度用的傳感器不能與被測物體相接觸，這就需要一種非接觸的測溫方式來滿足上述測溫需求。本論文正是應上述實際需求而設計的紅外測溫儀。紅外測溫儀是以黑體輻射定律作為理論基礎，是光學理論和微電子學綜合發(fā)展的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)的測溫方式相比，具有響應時間短、非接觸、不干擾被測溫場、使用壽命長、操作方便等一系列優(yōu)點。本文介紹了紅外測溫儀測溫的基本原理和實現(xiàn)方法，提出了以STC89C51單片機為其核心控制部件的紅外測溫系統(tǒng)。詳細介紹了該系統(tǒng)的構成和實現(xiàn)方式，給出了硬件原理圖和軟件

2、的設計流程圖。該系統(tǒng)主要由光學系統(tǒng)、光電探測器、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)目標的紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘枴TC89C51單片機負責控制啟動溫度測量、接收測量數(shù)據(jù)、并按照單片機中的溫度值計算算法計算出目標的溫度值再通過LED把結果顯示出來。關鍵詞: STC89C51單片機，紅外測溫，LED顯示THE DESIGN OF NONCONTECT INFRARED THERMOMETER ABSTRACTThe technology of temperature measurement is used widespread, and it also

3、important in the modern equipment failure examination field. But in some application domains, we neednt the sensor contact with the measured object which used in temperature measurement, this needs a kind of non-contact temperature measurement to satisfies the demand and the design of this infrared

4、thermometer is also based on the demand.Infrared thermomter, it uses the blackbody radiation laws as the theories foundation, it is the outcome that the optical theories and micro-electronics learn a comprehensive development. Compared to the way of traditional temperature measurement, it has a seri

5、es of merits, such as short in response time, non-contact, noninterference to temperature field, long useful time and convenient operation, etc.The paper introduces the basic principle of infrared thermometer and the method of realization, puts forward infrared trermometer system with the STC89C51 M

6、CU as the CPU. The paper introduces the composing and the method of that system in detail, and gives the hardware principle diagram and the design flow chart of the software. The system formed by the optical system, photoelectron detector,display and output partially. The optical system collects the

7、 infrared radiation energy of the object in its field of view, the infrared energy focusing on the instrument and transforms to the corresponding electrical signal. The STC89C51 MCU is used to start the temperature survey, data receive, count the value of the object temperature based on the arithmet

8、ic with in MCU and the result is displayed on LED.KEYWORDS: The STC89C51 MCU, infrared radiation thermometry, the LED display目 錄前 言1第一章紅外測溫系統(tǒng)的設計背景及方案介紹21.1溫度測量技術的概述21.2紅外測溫原理及方法31.3 紅外測溫系統(tǒng)的方案介紹5第二章 紅外測溫系統(tǒng)的硬件設計82.1 單片機處理模塊82.2紅外測溫模塊102.4 RS232A轉換電路模塊132.5 電源模塊142.6 鍵盤模塊142.7 LED顯示模塊15第三章 紅外測溫系統(tǒng)的軟件設計1

9、73.1 主程序模塊的設計173.2 紅外測溫程序模塊183.3 鍵盤掃描程序模塊203.4 顯示程序模塊22總結23參考資料24致 謝25附 錄26英文翻譯27前 言 溫度是確定物質狀態(tài)的重要參數(shù)之一，它的測量與控制在國防、軍事、科學研究以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。在工業(yè)生產(chǎn)中，我們通常通過測量設備表面的溫度來監(jiān)測設備的運行狀況，而現(xiàn)代的工業(yè)設備往往是在高電壓、大電流等危險情況下運行的，傳統(tǒng)依靠人工接觸式檢測的方法既浪費時間、人力，又帶有一定的危險性，同時對測溫儀所采用的材質也有嚴格的限制。因此有必要去應用一種新的方式去檢測目標系統(tǒng)的溫度，確保設備的平穩(wěn)運行。針對現(xiàn)代故障檢測非接觸技

10、術指標的要求，本文討論了這種非接觸紅外輻射溫度測量技術，這種技術通過測量物體的紅外輻射而達到測量物體溫度的目的。本測溫儀是基于STC89C51單片機的紅外測溫儀，首先它是根據(jù)實際需要制定的紅外測溫的性能指標和功能要求，然后由此具體設計出了硬件電路原理圖及其相關軟件。本論文的第一章簡要地介紹了現(xiàn)代測溫技術的發(fā)展背景、紅外輻射測溫原理以及本測溫儀的總體設計方案；第二章系統(tǒng)地介紹了紅外測溫儀的硬件設計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溫儀的軟件設計，以流程圖的方式介紹了各個功能的具體實現(xiàn)。由于時間緊迫，知識面窄等因素，該系統(tǒng)并非非常完善，還有一些方面需要進一步的修改與調(diào)試。

11、這其中的不足之處，請各位老師加以批評指正。第一章 紅外測溫系統(tǒng)的設計背景及方案介紹隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的接觸式測溫方式以不能滿足現(xiàn)代一些領域的測溫需求，對非接觸、遠距離測溫技術的需求越來越大。本紅外測溫儀設計的出發(fā)點也正是基于此。在本章中簡要介紹了溫度測量技術的發(fā)展，在此基礎上進一步概述了紅外測溫的原理與方法，并給出了本儀器的設計方案。1.1溫度測量技術的概述普通溫度測量技術經(jīng)過相當長時間的發(fā)展已近于成熟。目前，隨著經(jīng)濟的發(fā)展日益需要的是在特殊條件(如高溫、強腐蝕、強電磁場條件下或較遠距離)下的溫度測量技術。因此，當前研究的重點也在于此。一、紅外溫度測量技術非接觸式紅外測溫也叫輻射測溫

12、，一般使用熱電型或光電探測器作為檢測元件。此溫度測量系統(tǒng)比較簡單，可以實現(xiàn)大面積的測溫，也可以是被測物體上某一點的溫度測量；可以是便攜式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工藝簡單，成木較低，測溫時不接觸被測物體，具有響應時間短、不干擾被測溫場、使用壽命長、操作方便等一系列優(yōu)點，但利用紅外輻射測量溫度，也必然受到物體發(fā)射率、測溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。在這種溫度測量技術中紅外溫度傳感器的選擇是非常重要的，而且不僅在點溫度測量中要使用紅外溫度傳感器，大面積溫度測量也可使用紅外溫度傳感器。本設計正是采用紅外溫度傳感器這種溫度測量技術，它具有溫度分辨率高、響應速度快、

13、不擾動被測目標溫度分布場、測量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點；另外紅外溫度傳感器的種類較多，發(fā)展非?？?，技術比較成熟，這也是本設計采用紅外溫度傳感器設計非接觸溫度測量儀的主要原因之一。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，通過溫差電效應、熱釋電效應和熱敏電阻等來測量所吸收的紅外輻射，間接地測量輻射紅外光物體的溫度。本設計根據(jù)現(xiàn)代非接觸故障檢測技術的需求選用了型號為凌陽的TN9溫度傳感器。它的測量距離大約為30米，測量回應時間大約為0.5秒。而且它具備SPI接口，可以

14、很方便地與單片機（MCU）傳輸數(shù)據(jù)。1.2紅外測溫原理及方法一、紅外測溫原理紅外測溫儀的測溫原理是黑體輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對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。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度從上圖中曲線可以看出黑體輻射具有幾個特征: 在任何溫度下，黑體的光譜輻射度都隨著波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個極大值； 隨著溫度的升高，與光譜輻射度極大值對應的波長減小。這表明隨著溫度的升

15、高，黑體輻射中的短波長輻射所占比例增加； 隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長處，與較高溫度相應的光譜輻射度也較大，反之亦然。二、紅外測溫的方法依據(jù)測溫原理的不同，紅外測溫儀的設計有三種方法，通過測量輻射物體的全波長的熱輻射來確定物體的輻射溫度的稱為全輻射測溫法；通過測量物體在一定波長下的單色輻射亮度來確定它的亮度溫度的稱為亮度測溫法；如果是通過被測物體在兩個波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化來定溫的稱為比色測溫法。亮度測溫法無需環(huán)境溫度補償，發(fā)射率誤差較小，測溫精度高，但工作于短波區(qū)，只適于高溫測量。比色測溫法的光學系統(tǒng)可局部遮擋，受煙霧灰塵影響小，測溫誤差小，但必須選擇適

16、當波段，使波段的發(fā)射率相差不大。本文選用全輻射測溫法來計算被測量物體的溫度，全輻射測溫法是根據(jù)所有波長范圍內(nèi)的總輻射而定溫，得到的是物體的輻射溫度。選用這種方法是因為中低溫物體的波長較大，輻射信號很弱，而且結構簡單，成本較低，但它的測溫精度稍差，受物體輻射率影響大。下面是全輻射測溫法的相關方法介紹： 由普朗克公式可推導出輻射體溫度與檢測電壓之間的關系式： V=RaT4=KT4式中K=Ra，由實驗確定，定標時取1T被測物體的絕對溫度R探測器的靈敏度a與大氣衰減距離有關的常數(shù)輻射率斯蒂芬玻耳茲曼常數(shù)因此，可以通過檢測電壓而確定被測物體的溫度，上式表明探測器輸出信號與目標溫度呈非線性關系，V與T的四

17、次方成正比，所以要進行線性化處理。線性化處理后得到物體的表觀溫度，需進行輻射率修正為真實溫度， 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)制片輻射信號的影響，輻射率修正后的真實溫度為高于環(huán)境的溫度，還必須作環(huán)溫補償，即真實溫度加上環(huán)溫才能最終得到被測物體的實際溫度。1.3 紅外測溫系統(tǒng)的方案介紹紅外測溫技術在生產(chǎn)過程中，在產(chǎn)品質量控制和監(jiān)測，設備在線故障診斷和安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用?？梢詫φ谶\行的設備進行非接觸檢測，拍攝其溫度場的分布、測量任何部位的溫度值，據(jù)此對各種外部及內(nèi)部故障進行診斷，具有實時、遙測、直觀和定量測溫等優(yōu)點，用來檢測發(fā)

18、電廠、變電所和輸電線路的運轉設備和帶電設備非常方便、有效。用紅外測溫儀，你可連續(xù)診斷電子連接問題和查找連接處的熱點，以檢測設備的功能狀態(tài)，還可檢驗電池組件和功率配電盤接線端子，開關齒輪或保險絲連接，防止能源消耗。此紅外測溫儀的特點：有溫度分辨率高、響應速度快、不擾動被測目標溫度分布場、測量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。該設計方案主要包括：軟件設計部分與軟件設計部分。一、紅外測溫儀系統(tǒng)的技術指標及主要功能1：溫度測量精度1 ；2：溫度測量的分辨率0.1：2：LED顯示；3：電源：DC 5V10%；4：工作環(huán)境溫度60 工作環(huán)境濕度90%；二、紅外測溫儀的硬件系統(tǒng)方案設計本紅外測溫儀采用模塊化的設計思想

19、，它的硬件結構由STC89C51單片機模塊，紅外測溫模塊， RS232轉換電路模塊，電源模塊，鍵盤模塊和LED顯示模塊組成。STC89C51單片機是本系統(tǒng)的控制中心，它負責控制啟動溫度測量、接收測量數(shù)據(jù)、計算溫度值、并根據(jù)取得的鍵值控制顯示過程；紅外測溫模塊負責溫度數(shù)據(jù)的采集、測量，并將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)端口傳送給STC89C51單片機； RS232轉換電路模塊可以使單片機方便地同PC機進行串口通信，并可以同時接收或傳送外部送來的資料；通過鍵盤模塊可以方便地進行測溫及各種操作；LED顯示模塊把測量的溫度值直觀地顯示給觀測者；電源模塊負責本紅外測溫儀電源的供應。此紅外測溫儀系統(tǒng)的硬件結構框圖如

20、圖1-2所示： 圖1-2 紅外測溫儀系統(tǒng)的硬件方案設計框圖三、紅外測溫儀的應用軟件系統(tǒng)的方案設計此紅外測溫儀的軟件設計同樣采用模塊化的設計思想，它把整個系統(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，串行口通信，鍵盤和顯示等功能。其中系統(tǒng)初始化包括: 時間中斷的初始化、外部中斷源的初始化、串口通信中斷的初始化、LED顯示的初始化。紅外測溫模塊包括：獲取溫度數(shù)據(jù)，計算溫度值。鍵盤掃描模塊 ：獲取按鍵信息，處理按鍵請求等。顯示模塊：獲取并處理相應的溫度數(shù)據(jù)， 在此紅外測溫儀的軟件系統(tǒng)設計中，時鐘的設置是相當重要的，通過

21、時鐘的設置才能獲得良好的時鐘頻率，這個時鐘頻率是整個軟件系統(tǒng)是否能正常有序地運行的關鍵。具體的軟件方案設計如下圖1-3：圖1-3 紅外測溫儀系統(tǒng)的軟件方案設計框圖第二章 紅外測溫系統(tǒng)的硬件設計基于STC89C51單片機的紅外測溫儀的硬件設計采用目前使用比較廣泛的模塊化設計思想，將整個系統(tǒng)分成六大模塊：單片機處理模塊；紅外測溫模塊； RS232轉換電路模塊；電源模塊；鍵盤模塊和LED顯示模塊。通過劃分模塊的方法，可以把一個復雜的問題分割成幾個相對容易解決的問題，分別予以解決，大大簡化了設計的難度。2.1 單片機處理模塊該紅外測溫儀是以STC89C51單片機為核心器件，此單片機模塊的工作原理是：加

22、載相應程序的STC89C51單片機把紅外測溫模塊傳來的數(shù)據(jù)加以處理，送LED顯示屏顯示。下圖3-1是單片機處理模塊的電路原理圖圖2-1 單片機處理模塊電路圖其復位電路如圖2-1左邊上部分，本單片機處理模塊是通過開關手動復位的，只要在RST引腳出現(xiàn)大于10ms的高電平，單片機就進入復位狀態(tài)，這樣做的目的是便于根據(jù)實際情況而選擇是否復位溫度測量數(shù)據(jù)。而此儀器的震蕩電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為它的頻率穩(wěn)定性好，而這正是本紅外測溫儀非常重要的技術要求。單片機作為紅外測溫儀的核心處理部件，它關系到整個儀器的性能指標。因此它的選擇是非常重要的。本測

23、溫儀選擇的STC89C51RC單片機，下面是STC89C51RC單片機相關資料信息：STC89C51RC單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇，最新的D版本內(nèi)部集成MAX810專用復位電路。STC89C51RC系列單片機具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，這樣可以省去購買通用編程器，單片機在用戶系統(tǒng)上即可下載/燒錄用戶程序，無須將單片機從以生產(chǎn)好的產(chǎn)品上拆下。對于一些尚未定型的設計可以一邊設計一邊完善，加快了設計速度，減少了一些軟件缺陷風險。由于可以在用戶的目標系統(tǒng)上將程序直接下

24、載進單片機看運行結果，故無須仿真器。下圖2-2是此單片機的引腳圖：圖2-2 STC89C51RC單片機引腳圖一、STC89C51RC單片機的特點：1. 增強型6時鐘/機器周期，12時鐘/機器周期8051 CPU；2. 工作電壓：5.5v-3.8v；3. 工作頻率范圍：0-40MHz，相當于普通8051的080M，實際工作頻率可達48MHz；4. 4k的Flash程序存儲器；5. 片上集成512字節(jié)RAM；6. ISP/IAP，無須專用編程器/仿真器；7. 通用I/O口，復位后：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉，P0口開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時需加上拉電

25、阻；8. EEPROM功能；9. 看門狗；10內(nèi)部集成MAX810專用復位電路（外部晶體20M以下時，可省略復位電路）11共3個16位定時器/計數(shù)器，其中定時器0還可以當成2個8位定時器使用；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0.5uA，可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序；142個數(shù)據(jù)指針；15通用異步串行口（UATR），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UATR；16工作溫度范圍：075/4085；17封裝形式：PDIP-40/PLCC-44/PQFP-44。

26、二、STC89C51各引腳的功能描述如下：（1）電源和晶振：VCC運行和程序校驗時加的電壓；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)部時鐘發(fā)生器。（2）RST：單片機的上電復位或掉電保護端；（3）ALE: 地址鎖存有效信號輸出端；（4）：片外程序存儲器讀選通信號輸出端。2.2紅外測溫模塊圖2-3是紅外測溫模塊電路圖：圖2-3 紅外測溫電路模塊面對目前眾多的紅外檢測器件產(chǎn)品，在設計中選擇合適的紅外檢測器已成為一個重要問題。在設計過程中選擇紅外線檢測器件時，首先考慮的是器件的以下性能因素:光譜響應范圍、響應速度、有效檢測面積、元件數(shù)量、制冷方式和檢測目標的

27、溫度。本紅外測溫儀選用了凌陽公司生產(chǎn)的型號為TN9的紅外探測器作為測溫模塊，它是一種集成的紅外探測器，內(nèi)部有溫度補償電路和線性處理電路，因此簡化了本系統(tǒng)的設計。 它的測量距離大約為30米，測量回應時間大約為0.5秒。而且它具備SPI接口，可以很方便地與單片機（MCU）傳輸數(shù)據(jù)。其相關資料如下：一、紅外測溫傳感器的引腳介紹 圖2-4 紅外測溫傳感器引腳圖紅外測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，沒有數(shù)據(jù)接收時D為高電平；C為2KHz Clock輸出引腳；G為接地引腳；A為測溫啟動信號引腳，低電平有效。二、紅外測溫模

28、塊的時序紅外測溫模塊的時序圖如圖2-5，在CLOCK的下降沿時接收數(shù)據(jù)。(例：如果一次溫度測量需接收5個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這5個字節(jié)中：Item為0x4c表示測量目標溫度，為0x6c表示測量環(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為驗證碼，接收正確時Sum=Item+MSB+LSB；CR為結束標志，當CR為0xodH時表示完成一次溫度數(shù)據(jù)接收。)紅外測溫模塊溫度值的計算以上面的例子：無論測量環(huán)境溫度還是目標溫度，只要檢測到Item為0x4cH或者0x66H同時檢測到CR為0x0dH，他們的溫度的計算方法都相同。計算公式：目標溫度/環(huán)境溫度=Temp/16-273.

29、15其中Temp為十進制，當把它轉換成十六進制的高八位為MSB，低八位為LSB；比如MSB為0x14H，LSB為0x2Ah，則Temp十六進制時為0x142aH，十進制時為5162，則測得的溫度值為5162/16-273.15=39.475.2.4 RS232A電平轉換模塊通過RS232轉換電路單片機可以方便的同PC機進行串口通信，可以同時接收或傳送外部送來的資料。但是進行串行通訊時要滿足一定的條件，因為RS232是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)的,而TTL是用高低電平來表示邏輯狀態(tài)的,因此,為了能夠同PC機接口或終端的TTL器件連接,必須在RS232與TTL電平之間進行電平轉換。實現(xiàn)這種變換的方法

30、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換器件，本設計采用MAX232芯片它可完成TTL到EIA雙向電平的轉換。RS-232C是串行數(shù)據(jù)接口標準，它規(guī)定了連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。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準，它采取非均衡傳輸方式，即所謂的單端通信。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅動器輸出正電平+5+15V，負電平為-15-5V。無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TTL。從開始傳送數(shù)據(jù)到結束，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

31、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。RS232轉換電路圖如圖2-7圖2-7 RS232轉換電路MAX232C芯片介紹MAX232C是RS232與TTL電平之間進行電平轉換的工具芯片，它是MAXIM公司生產(chǎn)、包括兩路接收器和驅動器的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。2.5 電源模塊STC89C51的內(nèi)

32、核共電為5v，而此紅外測溫儀系統(tǒng)的紅外測溫模塊和LED鍵盤模塊的共電電壓都可為5V，所以通過此電源模塊后，將外部輸入電壓轉換成5V的單片機工作電壓，以保障紅外測溫系統(tǒng)的正常運行。圖2-9電源電路2.6 鍵盤模塊圖2-10 鍵盤電路原理圖鍵盤模塊采用動態(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18行列式鍵盤。其工作原理為： 單片機通過運行程序不斷掃描鍵盤，檢查是否有鍵按下，當掃描到有鍵按下時。經(jīng)過程序處理找出按下的鍵值，并調(diào)用相應鍵操作程序完成對應的鍵操作。其電路原理圖如圖2-10所示。2.7 LED顯

33、示模塊LED顯示模塊：數(shù)碼管顯示按顯示方式分動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種，靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，占用很少的CPU時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅動電路，使用的電路硬件較多；動態(tài)顯示需要CPU時刻對顯示器件進行數(shù)據(jù)刷新，所謂的動態(tài)就是一位一位地輪流點亮各位顯示器，對每一位顯示器而言，每隔一段時間點亮一次，利用人的視覺留感達到顯示的目的。動態(tài)顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用CPU時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。本設計采用的是動態(tài)顯示，顯示模塊由兩片74HC164,8個8段LED數(shù)碼管組成。74HC164 為8 位移位寄存器，當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QAQH）均為低電平。串行數(shù)

34、據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當A、B 任意一個為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下QA為低電平。當A、B有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK上升沿作用下決定QA的狀態(tài)。引出端符號CLOCK 時鐘輸入端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，其中控制位選信號的74HC164的輸出端QAQD通過電阻、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；另一個則通過電阻直接與數(shù)碼管連接輸送顯示的數(shù)字，P1.1口控制CLOCK脈

35、沖信號。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。LED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態(tài)掃描的方式，并共用同一個74HC164，所以在時間中斷程序中必須先運行鍵盤掃描子程序，再運行LED顯示子程序。動態(tài)掃描電路的掃描頻率應不低于50Hz,否則LED顯示器會不穩(wěn)定。鍵盤掃描去抖動通過應用軟件的方法實現(xiàn)。第三章 紅外測溫系統(tǒng)的軟件設計本紅外測溫系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化的設計思想，這樣就把一個復雜的軟件設計分成幾個相對簡單的部分分別予以解決。因為本論文完成的功能是測溫，所以對溫度數(shù)據(jù)接收及顯示部

36、分的程序設計做了詳細敘述，而對其它各模塊做了相應簡要的介紹。3.1 主程序模塊的設計當紅外測溫儀接通電源時，STC89C51單片機自動復位，開始運行該程序。該程序首先對STC89C51初始化。然后給出開機顯示，接著判斷是否有鍵輸入，若沒有鍵輸入，則繼續(xù)判斷；若有鍵輸入，則判斷是否是紅外測溫。若不是就返回開機顯示，是則進行紅外測溫，接收數(shù)據(jù)，并將計算的溫度值顯示出來，如果是環(huán)境溫度通過數(shù)碼管前四位顯示，目標溫度用后四位顯示。并等待結束測溫命令。再判定是否結束溫度測量，若沒則繼續(xù)測溫，若收到結束命令則返回開機顯示，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 紅外測溫程序模

37、塊 該紅外測溫模塊的數(shù)據(jù)輸出信號和脈沖信號分別接單片機P1.5，P1.6口,測溫控制端接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字符型數(shù)組用于存放讀取到的一幀數(shù)據(jù)，然后啟動測溫，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。把五個字節(jié)數(shù)據(jù)都讀完后判斷第一個字節(jié)是否為0x4c或0x66并且第五個字節(jié)為0x0d，若是則計算溫度值返回，否則繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。圖3-2 紅外測溫流程圖在此紅外測溫儀的軟件設計中，溫度值的計算也是一個非常重要的部分，它關系到整個產(chǎn)品的設計精度，因此把它的溫度數(shù)據(jù)讀取與計算用單獨的程序給出，其流程圖如圖3-3。因為紅外測溫模塊的數(shù)據(jù)是一位一位地送入單片機的，

38、所以用雙重循環(huán)，內(nèi)循環(huán)接收一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，外循環(huán)接收五個字節(jié)的數(shù)據(jù)。圖3-3 讀測量數(shù)據(jù)流程圖3.3 鍵盤掃描程序模塊鍵盤是單片機應用中不可缺少的一部分。本鍵盤的設計采用1列8行(1X8)的設計思想，74HC164在鍵盤中充當行驅動，列線接在單片機的P1.3口上，在固定的極短的時間內(nèi)對鍵盤的列線進行掃描，進而判斷是否有鍵按下，有鍵按下再判斷是哪個鍵按下從而根據(jù)按鍵值在程序中做出進一步的判斷。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)采用由機械觸點構成的獨立式按鍵，它存在按鍵開關的抖動問題，這種抖動的暫態(tài)過程大約經(jīng)過510ms的時間，人的肉眼是覺察不到的，但對高速的CPU來說，這

39、個抖動容易影響到單片機對按鍵的正確判斷。下圖3-5是按鍵抖動示意圖： 圖3-5按鍵抖動示意圖為使單片機能夠正確地讀出P1.3口的狀態(tài)，對每一次按鍵只作一次響應，必須采取措施以消除抖動。本設計采用軟件方法消除抖動，它通過延時來躲過暫態(tài)抖動過程，執(zhí)行一段10ms的延時程序后，再讀取穩(wěn)定的鍵狀態(tài)。在沒有鍵按下時P1.3口是高電平，在單片機獲得P1.3口為低電平的信息后，不立即認定鍵盤已被按下， 執(zhí)行10毫秒延時函數(shù)后再次檢測P1.3口，如果仍為低，說明鍵盤被按下了。這就消除了按鍵按下時前沿的抖動對單片機正確判斷按鍵造成的影響。 3.4 顯示程序模塊在顯示模塊中，我們采用兩片74HC164,4個8段L

40、ED數(shù)碼管組成。它的工作原理是主控單片機STC89C51通過控制位選的74HC164去控制點亮不同的數(shù)碼管，而另一片74HC164是用來根據(jù)主控單片機給出的不同信息，給出不同數(shù)碼管所要顯示的不同內(nèi)容，在給出點亮信號時，數(shù)碼管就顯示出74HC164輸出端的信息。4個8段數(shù)碼管是定時循環(huán)按順序被點亮，由于每次被點亮的時間間隔極短，也由于人眼對光亮的感覺延遲效應，所以在顯示不斷被刷新的同時，人眼不會有閃爍感。本顯示程序首先定義了數(shù)碼管的字型和字位口編碼表， 然后根據(jù)要讓哪個數(shù)碼管亮和讓它亮什么數(shù)據(jù)來選擇不同的字型字位口再進行查表，把查到的編碼一位位送到兩片164的數(shù)據(jù)端進行顯示。下圖3-6是具體的L

41、ED顯示程序圖：圖3-6 LED顯示程序流程圖總 結歷經(jīng)幾個月的畢業(yè)設計即將結束，回想這段時間收獲頗多。所做的設計基本上達到了任務書上的要求，能夠顯示環(huán)境溫度和目標溫度，而且溫度值分辨力達到0.01，比任務書要求的還要高。 本設計主要包括兩大部分：硬件設計部分和軟件設計部分，硬件部分包括了單片機處理模塊、紅外測溫模塊、LED顯示模塊、鍵盤模塊和RS232電平轉換模塊，軟件部分主要包括主程序模塊、紅外測溫程序模塊、LED顯示程序模塊。單片機負責控制紅外測溫把接收到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)處理后送LED顯示。通過對硬件電路的設計我對Protel軟件的使用更加熟練，而通過運用Keil進行軟件的設計使我的編程和調(diào)

42、試能力也有很大的提高。這不僅使我對課本上所學的知識有了更進一步的了解，而且也提高了我的動手能力、理論聯(lián)系實際能力。為今后的學習和工作打下了很好的基礎。但同時也明顯感覺到還有很多地方需要完善和提高，設計的產(chǎn)品與實際應用還有一定的差距。例如可以通過按鍵更靈活的控制測溫，如果再加上語音播報功能就更加完善了。所以在今后的工作中，還要不斷的學習充電，掌握更多的技能。爭取能夠在此基礎上設計出更先進、功能更強大、結構更簡單的智能化儀器。參考文獻1 宋文、楊帆傳感器與檢測技術. 北京：高等教育出版社，20042 3456 7 蔡惟錚.常用電子元器件手冊. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,19988 王武江、陳樹

43、凱常用集成電路速查手冊.北京:冶金工業(yè)出版社 ,20049 張俊謨單片機中級教程北京：北京航空航天大學出版社，199910 胡漢才單片機原理及系統(tǒng)設計北京:清華大學出版社,2002。11 魏澤鼎單片機應用技術與實例北京：電子工業(yè)出版社，2005.112 宗光華、李大寨多單片機系統(tǒng)與應用技術北京：北方交通大學出版社,2003.813 朱定華、戴汝平單片微機原理與應用北京：北方交通大學出版社，2003.1014 王福端單片機測控系統(tǒng)設計大全北京：北京航空航天大學出版社，1998.415 李昌禧智能儀表原理與設計北京：化學工業(yè)出版社，2005.216 盧勝利、胡新宇、程森林智能儀器設計與實現(xiàn)重慶：重

44、慶大學出版社2003.617 何力民.智能單片機應用文集. 北京：北京航空航天大學出版社,199318 戴義保高精密溫度測量的研究與實現(xiàn)J上海：自動化儀表第2003，24（3）：24-2719 謝光忠、蔣亞東溫濕度智能數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的研制J. 哈爾濱：傳感器技術2000，19（4），29-3320 劉君華. 現(xiàn)代檢測技術與測試系統(tǒng)設計M.西安：西安交通大學出版社，199921 求是科技單片機通信技術與工程實踐北京：人民郵電出版社，2005.1附 錄電路原理圖英文翻譯時鐘信號源時鐘器件現(xiàn)如今有多種多樣的時鐘器件。下面就以它們中的幾種做一下介紹。晶體晶體是一種基本的壓電石英晶體。就它本身而言是不

45、能產(chǎn)生時鐘信號的。它必須和時鐘振蕩器連在一起才能得到時鐘波形。晶體有兩種；一種是串聯(lián)諧振晶體，可看作高品質因數(shù)的串聯(lián)LC電路。另一種是并聯(lián)諧振晶體可看作高品質因數(shù)的并聯(lián)LC電路。串聯(lián)諧振晶體在諧振頻率點有最小的阻抗，而并聯(lián)諧振晶體在諧振頻率點的阻抗最大。晶體振蕩器 晶體振蕩器是一種用晶體做反饋元件的振蕩器。還有其他種類的振蕩器是用有源或無源元件作為反饋元件，但是晶體振蕩器能提供最精確和穩(wěn)定的輸出頻率。在大多數(shù)要求有時鐘信號的高速數(shù)字系統(tǒng)中，晶體振蕩器是最適合的。補償振蕩器 晶體振蕩器的輸出頻率隨著溫度和電壓的變化而變化。在要求有高穩(wěn)定的時鐘情況下通常用補償振蕩器。補償振蕩器試著調(diào)整因為溫度和電

46、壓變化而引起的頻率的變化。溫度補償振蕩器包含補償溫度變化的電路，從而抑制了頻率的變化。恒溫控制振蕩器將晶體放置在一個溫控恒溫箱中，這樣保持晶體工作在一個精確的溫度下。雙恒溫箱振蕩器含兩個恒溫箱，晶體在內(nèi)層恒溫箱中，而控制電路和內(nèi)層恒溫箱又包含在外層恒溫箱中。又恒溫箱振蕩器比恒溫控制振蕩器的溫度穩(wěn)定性更好。顯然，隨著溫度穩(wěn)定性的提高，振蕩器的成本也提高了。壓控振蕩器 壓控振蕩器的輸出是受電壓輸入引腳控制的。在整個頻率范圍內(nèi)控制電壓和頻率是非線性的關系但在部分范圍是線性的。頻率合成器 頻率合成器用一個或多個鎖相環(huán)從一個或多個參考時鐘源產(chǎn)生一到多個不同頻率的輸出。參考頻率通常是由晶體連到合成器上產(chǎn)生

47、的。設計頻率合成器的目的是為了代替系統(tǒng)中的多個振蕩器，從而減少電路板的空間和降低成本。圖1 展示了一個鎖相環(huán)的框圖。圖1 鎖相環(huán)框圖 鎖相環(huán)有兩個輸入，一個參考輸入和一個反饋輸入。鎖相環(huán)校正頻率有兩種方式。首先頻率校正是校正參考輸入和反饋輸入之間的大頻差，頻率校正是粗調(diào)；當壓控振蕩器的頻率低于參考頻率的一半或者高于參考頻率的兩倍時，要進行頻率校正。當壓控振蕩器的頻率在參考頻率的一半和兩倍之間時，要進行相位校正；相位校正是微調(diào)。 相位/頻率檢測器檢測參考輸入和反饋輸入之間的頻率差和相位差，并依據(jù)反饋頻率超前還是滯后于參考頻率分別產(chǎn)生用于補償?shù)摹癠p”信號和“Down”信號。然后，這些控制信號通過

48、一個電荷泵和一個環(huán)路濾波器產(chǎn)生控制壓控振蕩器的控制電壓。振蕩器的頻率取決于控制電壓信號。壓控振蕩器的穩(wěn)態(tài)頻率為Fvco=FrefP/Q。鎖相環(huán)的輸出頻率可以表示為FOUT=( FrefP)/(QN)。 頻率合成器的采樣率決定了進行相位和頻率校正而對輸入信號采樣的頻率。其表達式為Fref/Q。 基于鎖相環(huán)的頻率合成器的采集/鎖定時間是頻率合成器在上電后或在可編程輸出頻率發(fā)生改變后達到目標頻率所用的時間。 基于鎖相環(huán)的頻率合成器的精度是P，Q計數(shù)器的位數(shù)。精度決定了頻率改變的增量。 基于鎖相環(huán)的頻率合成器的死區(qū)是指無法被鎖相環(huán)校正的參考輸入和反饋輸入之間的最大相位差。 產(chǎn)生多個不相關頻率的頻率合成

49、器需要使用多個鎖相環(huán)。隨著系統(tǒng)復雜性的提高和系統(tǒng)中多個時鐘的使用，頻率合成器應用越來越普遍?！皶r鐘信號產(chǎn)生器”和“頻率合成器”這兩個詞可以互換使用。時鐘緩沖器 時鐘緩沖器是一種輸出波形直接跟隨輸入波形的器件。輸入波形通過該器件并被輸出緩沖器重新驅動。因此，這種器件存在傳播延遲。此外，由于各個輸入-輸出通道間存在傳播延遲的差別，輸出端將出現(xiàn)相位抖動。時鐘參數(shù) 時鐘抖動 抖動被定義為時鐘輸出的狀態(tài)轉換位置偏離了理想位置。這種偏離可能超前于理想位置，也可能滯后于理想位置。因此，抖動表示為ns。抖動可分為如下三類：周期間抖動，周期內(nèi)抖動和長期抖動。周期抖動是相鄰周期的長度差。這種抖動最難測量，通常需要

50、時序間隔分析儀。周期內(nèi)抖動也稱為短期抖動。它是指在相鄰兩個時鐘邊沿的范圍內(nèi)時鐘輸出狀態(tài)轉換位置偏離理想位置。需要注意的是短時抖動測量的是時鐘上升沿對理想位置的偏離，并表示為時間單位或頻率單位。長期抖動是指在“很多”周期范圍內(nèi)時鐘輸出狀態(tài)轉換位置對理想位置的偏離?！昂芏唷钡木唧w數(shù)字取決于應用和頻率。對于個人電腦主板和圖形應用，這個數(shù)字通常是1020微秒。對于其他應用,這個數(shù)字可能不同。抖動的成因抖動的成因主要有如下四項:電源噪聲、合成器內(nèi)部鎖相環(huán)、晶體或其他諧振器件的隨機熱噪聲和晶體振動產(chǎn)生的隨機機械噪聲。時鐘抖動影響幾乎所有的高速同步系統(tǒng)。受抖動影響的常見應用有：個人電腦的主板、圖形卡和通信設

51、備。相位偏移相位偏移是指應同時到達的兩路信號在抵達時間上的差異。相位偏移出兩部分組成：驅動器件的輸出相位偏移和由于布線導致的電路板設計相位偏移。時鐘驅動器相位偏移（內(nèi)部相位偏移）是由時鐘驅動器引起的相位偏移量。時鐘驅動器件有緩沖器件和基于鎖相環(huán)的器件兩類。緩沖器件的相位偏移出現(xiàn)在輸出端，因為輸入信號通過器件的傳播延遲各不相同。這種不同主要歸因于輸出負載的不同。對于基于鎖相環(huán)的時鐘器件而言，其相位偏移非常小，因為它能夠通過調(diào)整來補償輸出負載的變化。電路板設計相位偏移（外部相位偏移）是由下列電路板布線問題造成的相位偏移量。導線長度：信號通過一條導線所用的傳輸時間是由印刷電路板所用材料、導線長度、導

52、線寬度和容性負載決定的。導線長度的不同導致信號傳播時間的不同，從而引起相位偏移。門限電壓差別：接收器件的門限電壓也會導致導致相位偏移。例如，假設一個接收器件的門限電壓為1.2V，而另一個接收器件的門限電壓為1.7V，輸入信號的上升時間為1V/ns，那么兩個器件的狀態(tài)切換時刻就會相差500皮秒，這就是相位偏移。容性負載：導線容性負載的不同會導致負載端時鐘上升時間的不同。這將影響時鐘邊沿在何時超過輸入門限電平，從而導致相位偏移。傳輸線端接：由于當今時鐘驅動器極高的邊沿速率，長度超過4英寸的導線就被當做傳輸線。如果沒有正確進行端接，那么這些跡線就會出現(xiàn)電壓反射之類的傳輸線效應，從而導致相位偏移。相位

53、偏移為什么重要？在高速系統(tǒng)中，時鐘的相位偏移是構成系統(tǒng)時序極限的重要部分。對于15納秒的時鐘同時期而言，1納秒的相位偏移是很重要的。如果時序設計沒有考慮到相位偏移，那么系統(tǒng)很可能無法可靠地工作。測量兩路輸出信號間相位偏移的最簡單方法是用雙通道示波器顯示這兩路信號的波形，并測量二者上升沿的時間差。這就是相位偏移。容差/精度該參數(shù)度量的是器件的工作頻率和標稱頻率（一般是指在常溫下）的接近程度。例如，某個器件的標稱輸出頻率為25兆赫，而其在常溫下輸出頻率的長期（由用戶定義）平均值為25.001兆赫，那么該器件的精確度為+40ppm(ppm為百萬分之一)。頻率容差受晶體生產(chǎn)、校準工藝精度控制能力的影響

54、或控制。穩(wěn)定性穩(wěn)定性參數(shù)通常和晶體、振蕩器相關。穩(wěn)定性是指在常溫范圍內(nèi)工作頻率和常溫標稱頻率之間的差別(ppm)。該參數(shù)由頻率偏差的最大值和最小值給出（%或ppm）。穩(wěn)定性為什么重要？假如在設計時沒有考慮到穩(wěn)定性，可能會導致該設計在整個溫度范圍內(nèi)處于極限工作狀態(tài)。老化老化被定義為內(nèi)部晶體或振蕩器隨時間變化而引起的頻率上的系統(tǒng)變化。它通常用ppm/年來表示，而且如不單獨表述的話，可以和穩(wěn)定性指標合在一起。該參數(shù)通常和晶體振蕩器有關。新晶體的老化速度要高于舊晶體。擺動電壓或頻率的變化率稱為擺動。通常在數(shù)字信號的上升沿和下降沿進行“擺動”測量。然而，在生產(chǎn)商的產(chǎn)品目錄中，更為常見的是上升時間和下降時

55、間，而不是擺動。近來，隨著低功耗器件的出現(xiàn)，擺動被用于定義頻率變化率。占空比占空比是輸出信號高電平時間和整個周期時間之比。該參數(shù)用百分比表示。理想占空比是50%，而多數(shù)時鐘生產(chǎn)商指定的占空比為40%到60%。在既使用時鐘上升沿也使用時鐘下降沿的系統(tǒng)中，占空比是很重要的。TTL器件和CMOS器件均有占空比。由于TTL器件的電壓在0V到3V之間擺動，所以高電平時間在1.5V測量。由于CMOS器件的電壓在0V到Vdd之間擺動，所以高電平時間在Vdd/2測量。Clock SourcesClock Devices There are a variety of clock drvices available today. Some of them are described below. Crystals A Crystal is a basic piezoelectric quartz crystal. On its own, it cannot generate electrical clocks. It has to be connected to a clock oscillator to get a clock waveform. There are two kinds of cr