毕业设计（论文）-基于单片机红外温度检测系统设计.doc

1 jimei university 毕业设计（论文） 题目 基于红外的温度检测系统设计 2 【摘摘 要要】 随着我国工业的迅速发展，用电负荷的急剧增加，电力系统中高压开关柜、 刀闸等电力设备会经常出现局部温度过高，从而引起相应的电力事故。由于高 压电力设备局部温度点的电位处于高电位，对其测量需要满足非接触测量的要 求。基于上述测量的背景及要求，对于高压设备的局部温度的测量采用红外温 度传感器进行非接触性测量。整个测试系统由单片机p89v51rd、ad7706模数转 换器和红外温度传感器三部分构成。利用红外温度传感器将温度信号转变为电 信号，并利用单片机和ad7706构成的采集系统对电信号进行数据采集，从而实 现对温度的测量。整个系统由于采用了单片机、高速ad转换器和红外温度传感 器，从而实现对高压设备的温度的实时检测。此外，整个系统还具有测试精度 高、智能化程度高等特点。 关键词：ad7706 单片机 红外温度传感器 3 【abstract】 with the development of industry in our country, the load is improving rapidly, which results that the temperature at part of high voltage equipments become higher and higher, and bring forth accident in electrical net. because the voltage near the high voltage equipment is very high, non-contract technology is need to measure the temperature of high voltage equipment. base on these reasons, the infrared-temperature sensor is used to measure temperature. the whole system includes p89v51rd, ad7706 conversion and infrared-temperature sensor. at first, the temperature signal is transformed into electrical signal by infrared-temperature sensor, then the conversion circuit of p89v51rd and ad7706 transform is used to convert the analog signal to digital signal. at last, the temperature of part of high voltage equipment is measured. the p89v51rd and the high speed ad7706 transform is used in the whole system, the temperature can be measured in real time. besides these things, the system also has other characters, such as high measuring precision, high degree of intelligence. key words: ad 7706 converter single chip microcomputer infrared temperature sensor 4 目录 引言引言-1 第一章第一章 温度测量的概述温度测量的概述 -2 1.11.1 温度的概念与温标温度的概念与温标-2 1.1.1 温度 -2 1.1.2 温标 -3 1.21.2 测温方法测温方法-8 1.2.1.接触式测温 -8 1.2.2.非接触式测温-10 第二章第二章. .红外温度传感器测量电路的设计红外温度传感器测量电路的设计 -14 2.12.1 单片机单片机 p89v51p89v51 简介简介-14 2.1.1 概述-14 2.1.2 主要特性-14 2.1.3 管脚功能介绍-14 2.1.4 spi 接口概述-16 2.22.2 ad7706ad7706 模数转换器介绍模数转换器介绍 -17 2.2.1 概述-17 2.2.2 主要特性-18 2.2.3 管脚功能介绍-18 2.2.4 电路说明-19 2.2.5 注意事项-21 2.32.3 单片机与单片机与 adad 的接口电路设计的接口电路设计-22 2.42.4 输入信号电路设计输入信号电路设计-22 2.52.5 imp813imp813 看门狗电路设计看门狗电路设计 -23 2.62.6 ad780ad780 基准电源电路设计基准电源电路设计-25 2.72.7 整体电路设计整体电路设计-25 第三章第三章 采集程序编写采集程序编写 -27 3.13.1 寄存器介绍寄存器介绍-27 5 3.1.1 spcrspi 控制寄存器-27 3.1.2 通信寄存器(rs2、rs1、rs0=0、0、0) -28 3.1.3 设置寄存器(rs2、rs1、rs0=0、0、1),上电/复位状态，01hex-30 3.1.4 时钟寄存器(rs2、rs1、rs0=0、1、0);上电/复位状态：05hex-31 3.1.5 数据寄存器(rs2、rs1、rs0=0、1、1) -32 3.1.6 测试寄存器(rs2、rs1、rs0=1、0、0)；上电/复位状态：00hex -32 3.1.7 零标度校准寄存器(rs2、rs1、rs0=1、1、0)；上电/复位状态：1f4000hex -32 3.1.8 满标度校准寄存器(rs2、rs1、rs0=1、1、1)；上电/复位状态：5761abhex -32 3.23.2 数据采集程序设计数据采集程序设计-33 6 6 结论结论-39 参考文献参考文献-40 致谢致谢-41 附录附录-42 附录附录 1 1：整体电路：整体电路-42 引言 1 引言 随着我国工业的迅速发展，用电负荷的急剧增加，电力系统中高压开关柜、 刀闸等高压设备在载流过大时经常出现局部温升过高，使相邻的绝缘部件性能 劣化，甚至击穿而造成事故。据统计，电力系统发生事故原因中有相当一部分 与电力设备过热问题有关。因此，必须采取有效措施监控重要高压设备局部的 温度点。 在高压输电系统中，配电柜开关接点的温度的异常变化常预示着一次重大事故 的发生， 因此， 对开关接点温度的监测就有很大的现实意义。在常把变色示 标贴片贴在重要的开关接点上， 利用其颜色由深到浅的变化来判断接点温度的 变化。这种方法简单价廉，但准确度较差， 需要值班人员的定时巡检，工作强 度大。近年来出现了一种便携式红外线测温仪，不接触测量， 测量准确， 价 格较贵， 同样需要值班人员的定时巡检， 并作好记录， 以便于分析各接点的 温度变化趋势。以上2种方法， 都是利用人工方法进行定时监测， 测量结果和 记录数据含有较多的人为因素， 并且不能连续监测。因此连续温度监控和实时 关键部件温度趋势汇报已经成为急需解决的问题。而在线温度连续监控系统可 以实时监控系统温度，通过趋势分析， 能超前发现隐情， 将电气故障扼杀在 萌芽状态。介绍一种利用红外温度传感器对开关接点进行在线实时监测， 并利 用微机来对各接点的温度数据进行管理、存储、分析， 以对温度异常变化的接 点进行重点监测、维修，做到防患于未然。因此，研制一种非接触式温度测量 装置对于电力系统的安全运行是非常有必要的。 在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满 足了多方面的要求，特别是需要对温度进行远距离监测的场合，一般都是温度 传感器大显身手的地方。其测试原理:任何物体都会发出电磁辐射，这种电磁辐 射能被红外温度传感器测量。当物体温度变化时，其辐射出的电磁波的波长也 会随之变化，红外传感器能将这种波长的变化转换成温度的变化，从而实现监 控、测温的目的。由此可见，可以利用红外温度传感器对高压电力设备的触头 温度进行实时监测。此外，红外温度传感器在对食品、药物等温度检测的领域 也得到了广泛的应用。 基于上述的分析，本文采用红外温度传感器对电力设备的温度进行监测。 整个测试系统由单片机p89v51rd、ad7706模数转换器和红外温度传感器三部分 构成。利用红外温度传感器将温度信号转变为电信号，并利用单片机和ad7706 构成的采集系统对电信号进行数据采集，从而实现对温度的测量。整个系统由 于采用了单片机、高速ad转换器和红外温度传感器，从而实现对高压设备的温 第 1 章 温度测量的概述 2 度的实时检测。此外，整个系统还具有测试精度高、智能化程度高等特点 第一章 温度测量的概述 1.1 温度的概念与温标 1.1.1 温度 温度是一个基本物理量。温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互 为热平衡的两物体，其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的 表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。自然界中几乎所有的物理化学过程都 与温度紧密相关，因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍 进行测量和控制的一个重要物理量1。 1.1.2 温标 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些 特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读 数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温 标、摄氏温标、热力学温标。 经验温标的基础是利用物质体膨胀与温度的关系。认为在两个易于实现且 稳定的温度点之间所选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。把在两温 度之间体积的总变化分为若干等分，并把引起体积变化一份的温度定义为 1 度。 经验温标与测温介质有关，有多少种测温介质就有多少个温标。按照这个原则 建立的有摄氏温标、华氏温标 。 摄氏温标：所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气 压力下，水的冰点为零度，沸点为 100 度，水银体积膨胀被分为 100 等份，对 应每份的温度定义为 1 摄氏度，单位为“” 。 华氏温标：标准仪器是水银温度计，按照华氏温标，水的冰点为 32，沸 点是 212。分成 180 份，对应每份的温度为 1 华氏度，单位为“” 。摄氏温 度和华氏温度的关系为 （1-1） 9 32 5 oo t ft c 热力学温标: :又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温 度为绝对零度，水的三相点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度， 为 273.16k，水的凝固点，即相当摄氏温标 0，相当华氏温标 32的开氏温 第 1 章 温度测量的概述 3 标为 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 4 273.15k。热力学温标（符号为 t）它的单位为开尔文（符号为 k） ，定义为 水三相点的热力学温度的 1/273.16。 1.2 测温方法 按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类。 1.2.1.接触式测温 接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交 换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象 的温度值。 优点：直观可靠。 缺点：是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差， 另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。 接触式测温仪器又可分为: a.膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计) b.电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计) 利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度 计。大多数金属在温度升高 1 c 时电阻将增加 0.40.6。但半导体电阻一 般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高 1 c ，电阻约减小 26。 目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍，它们已得到广泛的 应用。 1.铂电阻温度计 铂是一种贵金属。它的特点是精度高，稳定性好，性能可靠，尤其是耐氧 化性能很强。铂在很宽的温度范围内约 1200c 以下都能保证上述特性。铂很容 易提纯，复现性好，有良好的工艺性，可制成很细的铂丝(0.02mm 或更细)或极 薄的铂箔。与其它材料相比，铂有较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的 热电阻材料。缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小,价格贵.在 0c 以上，其电 阻与温度的关系接近于直线，其电阻温度系数 a 为 3.9103/c 。我国已采 用 iec 标准制作工业铂电阻。按 iec 标淮，使用温度已扩大到-200850 c ， 初始电阻有 100 和 50 两种。 2.铜电阻温度计 在一般测量精度要求不高、温度较低的场合，普遍地使用铜电阻。它可用 来测量50150 c 的温度，在这温度范围内，铜电阻和温度呈线性关系： 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 5 （1- 0(1 ) t rrt 2） 3 4.26 10/oc 铜电阻的缺点是电阻率小所以制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样 机械强度就不高，或者就要长，使体积增大。此外铜很容易氧化，所以它的工 作上限为 150 c 。但铜电阻价格便宜，因此仍被广泛采用 热电阻把温度量转换成电阻置，这样就可以通过测量电阻来测量温度。测 量电阻通常可利用欧姆表或电桥。 平衡电桥法如图 1-1 所示。如果电阻 r1=r2，当热电阻 rt 阻值随温度变化 时，调节电位器 rw 的电刷位置 x，使电桥处于平衡状态，则有 rt=r0x/l=nr0。 图 1-1 平衡电桥法 热电阻测温系统的误差由热电阻的基本误差、指示仪表的误差、电阻体自 热误差和引线电阻误差组成。自热误差是由流过电阻体的电流引起，电流大可 提高输出信号，但带来的自热误差也大。一般工业热电阻工作电流被限制在 6ma 以内，这样自热温差就不会超过 0.1 c。 c.热电式温度计(包括热电偶和 p-n 结温度计)以及其它原理的温度计。 热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于 热电效应其工作原理：两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，当两 个接触点(称为结点)温度 t 和 t0不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通， 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 6 这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。 热电偶基本定律有以下几种： 1.均质导体定律 由均质材料构成的热电偶、热电动势的大小只与材料及结点温度有关。与 热电偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀、由于温度梯 度的存在，将会有附加电动势产生。 2.中间导体定律 将 a、b 构成的热电偶的 t0 端断开，接入第三种导体 c，只要保持第三导 体两端温度相同，接入导体 c 后对回路总电动势无影响。 3.中间温度定律 在热电偶回路中，两接点温度为 t、t0时的热电动势，等于该热电偶在接 点温度为 t、ta 和 ta、t0 时热电动势的代数和，即： （1- 00 ( ,)( ,)(,) ababaaba et tet tet t 3） 两端点在任意温度时的热电势为： （1-( ,)( ,0)( ,0) abaababa et tetet 4） 4.标准电极定律 两种导体 a、b 分别与第三种导体 c 组成热电偶如果 a、c 和 b、c 热 电偶的热电动势已知、那么这两种导体 a、b 组成的热电偶产生的电动势可由 下式求得： （1- 000 ( ,)( ,)( ,) abacbc et tet tet t 5） 热电偶的参比端处理 如前所述，为使热电偶的热电动势与被测量间呈单值函数关系，热电偶的 参比端可采用以下方法处理。 1.0c 恒温法 这种方法是将热电偶的参比端保持在稳定的 0c 环境中。 2.参比端温度修正法 当热电偶参比端为不等于 0 c 时，需对仪表的示值加以修正，因为热电偶 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 7 的温度热电动势关系以及分度表是在参比端为 0 c 得到的。修正公式： （1- 00 ( ,0)( , )( ,0) oo e tce t te tc 6） 补偿导线的应用 所谓补偿导线就是用热电性质与热电偶相近的材料制成导线用它将热电 偶的参比端延长到需要的地方，而且不会对热电偶回路引入超出允许的附加测 温误差。 随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工委员会也制定 了国际标准，适合于标准化热电偶使用。 1.2.2.非接触式测温 非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交 换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温法 热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。 非接触测温主要是利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都特有一部分 的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射 能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x 光、紫外光、可见光、 红外光一直到电磁波。而在温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量 被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。 热辐射基本定律有以下几种： 1.基尔霍夫定律 光谱吸收比： （1-7） ( , ) ( ) ( ) dt t d 式中，为照射到物体单位面积上的辐通量(包括有不同波长 的辐射)； ( , ) dt 为被物体吸收的辐通量。( )d 在热平衡时被分析物体向四周的辐射功率等于它吸收的功率，就是温度 t 时绝对黑体的光谱辐射出射度。 （1- ( ) ( ) ( ) mt ft t 8） 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 8 为物体的光谱辐射出射度( )mt 2.斯忒潘玻耳兹曼定律 斯式潘根据实验得出结论，物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比。 3.普朗克定律： （1- 2 () 01 5 2 ( )1 hc kt c h mte 9） （1- 2 () 01 1 5 ( )1 c t c mte 10） 也可用亮度表示： （1- 2 () 01 1 5 ( )1 c t c l te 11） 式中， 为波长；c1为普朗克第一辐射常数, c2为普朗克第二辐射常数，h 为普 朗克常数；c 为光速；k 为玻耳兹曼常数。 26 1 23.7408 10chcw m 2 2 1.4388 10 hc ck m k 4.维恩位移定律 热辐射电磁波中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长与物体 自身的绝对温度 t 成以下关系： （1-2897() mt mk 12） 非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它 们都是以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。 1.全辐射温度计 全辐射温度计是利用物体的温度与总辐射出射度全光谱范围的积分辐射能 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 9 量的关系来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为： （1- 04 ( )mtt 13） 或 （1- 0 4 ( )mt t 14） 只要采用敏感元件测量出这辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度。 应该注意的是仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使 用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。 我们一般把这个温度称为“辐射温度”： （1- 44 tf tt 15） 或 （1-4 1 f t tt 16） 式中，t 和 tf分别为物体的真实温度和辐射温度，t为温度 t 时物体全辐射的 黑度系数。 2.部分辐射温度计 为了提高仪表的灵敏度，有时热敏元件不是采用热电堆，而是采用光电池、 光敏电阻以及其它的一些红外探测元件，这些元件和热电堆相比具有光谱选择 性，它们仅能对某一波长范围的光谱产生效应。因此它们对测量的要求是，只 能使工作光谱仅限于一定的光谱范围内。我们称此类辐射温度计为部分辐射温 度计。 部分辐射温度计的光路系统所示，一般由主镜和次镜一组发射系统来完成 焦距的调整，使成像集中在热敏元件表面，而目镜系统主要用于对目标的瞄准、 热敏元，件的输出信号通过测量电路来完成信号的放大和整流。测量电路包括 测量桥路、前置放大、选频、移相放大以及相敏整流等部分。 按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。超低 温一般是指 010k，低温指 10800k，中温指 8001900k，高温指 19002800k 的温度，2800k 以上被认为是超高温。 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 10 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 11 第二章.红外温度传感器测量电路的设计 2.1 单片机单片机 p89v51p89v51 简介简介 2.1.1 概述 p89v51rd2 是一款 80c51 微控制器，包含 64kb flash 和 1024 字节的数据 ram。p89v51rd2 的典型特性是它的 x2 方式选项。利用该特性，设计者可使应 用程序以传统的 80c51 时钟频率（每个机器周期包含 12 个时钟）或 x2 方式 （每个机器周期包含 6 个时钟）的时钟频率运行，选择 x2 方式可在相同时钟频 率下获得 2 倍的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半来保持 特性不变，这样可以极大地降低 emi3。 flash 程序存储器支持并行和串行在系统编程（isp） 。并行编程方式提供 了高速的分组编程（页编程）方式，可节省编程花费和推向市场的时间。isp 允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。应用固件的产生/更新能力实 现了 isp 的大范围应用。 p89v51rd2 也可采用在应用中编程（iap） ，允许随时对 flash 程序存储器 重新配置，即使应用程序正在运行时也不例外。 2.1.2 主要特性 80c51 核心处理单元； 5v 的工作电压，操作频率为 040mhz； 64kb 的片内 flash 程序存储器，具有 isp（在系统编程）和 iap（在应用 中编程）功能； 通过软件或 isp 选择支持 12 时钟（默认）或 6 时钟模式； spi（串行外围接口）和增强型 uart； pca（可编程计数器阵列） ，具有 pwm 和捕获/比较功能； 4 个 8 位 i/o 口，含有 3 个高电流 p1 口（每个 i/o 口的电流为 16ma） ； 3 个 16 位定时器/计数器； 可编程看门狗定时器（wdt） ； 8 个中断源，4 个中断优先级； 2 个 dptr 寄存器。 2.1.3 管脚功能介绍 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 12 p89v51rd2 的管脚图如 2-1 所示： 图 2-1 p89v51 管脚分布 p0.0-p0.7 p0 口：p0 口是一个开漏双向 i/o 口。写入1时 p0 口悬浮， 可用作高阻态输入。当访问外部程序和数据存储器时，p0 口复用为低位地址和 数据总线。应用中 p0 口利用强内部上拉来发送1电平。p0 口可在外部主机 模式编程过程中接收代码字节和在外部主机模式校验过程中发送代码字节。p0 口用作程序校验或通用 i/o 口时均需连接一个外部上拉电阻。 p1.0-p1.7 p1 口：p1 口是一个带内部上拉的 8 位双向口。写入1时 p1 口被内部上拉拉高，可用作输入。用作输入时，由于内部上拉的存在，p1 口 被外部器件拉低时将吸收电流（iil） 。此外，p1.5,p1.6,p1.7 还有 16ma 的高 电流驱动能力。在外部主机模式编程和校验中，p1 口也可接收低位地址字节。 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 13 p2.0-p2.7 p2 口：p2 口是一个带内部上拉的 8 位双向口。写入1时 p2 口 被内部上拉拉高，可用作输入。用作输入时，由于内部上拉的存在，p2 口被外 部器件拉低时将吸收电流（iil） 。在取指外部程序存储器或访问 16 位地址 （movx dptr）的外部数据存储器时，p2 口发送高位地址。应用中 p2 口利用 强内部上拉来发送1 。 在外部主机模式编程和校验中，p2 口可接收一些控制信号和部分高地址位。 p3.0-p3.7 p3 口：p3 口是一个带内部上拉的 8 位双向口。写入1时 p3 口被内部上拉拉高，可用作输入。用作输入时，由于内部上拉的存在，p3 口 被外部器件拉低时将吸收电流（iil） 。在外部主机模式编程和校验中，p3 口可 接收一些控制信号和部分高地址位。 psen 程序选通使能：psen 是外部程序存储器的读选通信号。psen 在执行 内部程序存储器的程序时无效（高电平） ，执行外部程序存储器时每个机器周期 内两次有效，但当访问外部数据存储器时两个有效 psen 脉冲将被跳过。当 rst 输入引脚的高电平时间大于 10 个机器周期时，向 psen 脚强制输入一个高电平 到低电平的跳变将使器件进入外部主机模式编程。 rst 复位：振荡器工作时，该引脚上 2 个机器周期的高电平逻辑状态将使 器件复位。当 rst 输入引脚为高电平时，如果 psen 脚输入一个高电平到低电平 的跳变，器件将进入外部主机模式。否则进入正常工作模式。 ea 外部访问使能：若器件要对外部程序存储器取指，ea 就必须与 vss 相 连。器件执行内部程序存储器的程序时 ea 必须与 vdd 相连。然而，4 个安全锁 定电平可将 ea 禁能，使器件只能执行内部程序存储器的程序。ea 脚可承受 12v 的高压。 ale/prog 地址锁存使能：ale 是一个输出信号，在访问外部存储器时将 地址低字节锁存。该引脚也用作 flash 的编程脉冲输入（prog） 。通常，ale1 在 1/6 的振荡频率2时输出，可用作外部定时或外部时钟。每次访问外部数据 存储器时都有一个 ale 脉冲被跳过。但是，只要 ao 被置 1，ale 就被禁能。 2.1.4 spi 接口概述 spi 描述： 串行外围接口（spi）实现了 p89v51rd2 和外围器件之间以及多个 p89v51rd2 器件之间数据的高速同步传输。图 2-2 所示为主机和从机 spi 器件 之间的连接。sck 是主机和从机模式的时钟输入、输出脚。主器件 spi 数据寄 存器的写操作完成后，起动 spi 时钟发生器。写入的数据便从主器件的 mosi 脚移出，移入到从器件的 mosi 脚。一个字节的数据传输结束后，spi 时钟发 生器关闭，spif 标志置位。如果 spi 中断使能位（spie）和串口中断使能位 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 14 （es）置位，产生 spi 中断请求。 图 2-2 spi 主机从机之间的连接 当外部主机驱动从机选择输入脚，ss/p14，为低电平时，spi 模块用作 从机。如果 ss/p14脚不为低电平，则 spi 单元不被激活，mosi/p15只能用 作输入口。 2.2 ad7706 模数转换器介绍 ad7706 具有与 p80v51 相匹配的 spi 接口，并且是 16 位的，可以提供高精 度的数据采集，满足精度要求，所以选择 ad7706 模数转换器。 2.2.1 概述 ad7706 是应用于低频测量的 3 通道的模拟前端。该器件可以接受直接来 自传感器的低电平的输入信号，然后产生串行 的数字输出。利用-转换技 术实现了 16 位无丢失代码性能。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的 增益可编程专用前端。片内数字滤波器处理调制器的输出信号。通过片内控制 寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新速率，从而对数字滤波器的第一个陷 波进行编程4。 ad7706 只需 2.7-3.3v 或 4.75-5.25v 单电源。ad7706 是 3 通道伪差分模拟 输入，有一个差分基准输入。当电源电压为 5v，基准电压为 2.5v 时，可将输 入信号范围从 020mv 到 02.5v 的信号进行处理。还可处理 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 15 20mv2.5v 的双极性输入信号，ad7706 是 common 输入端。当电源电 压为 3v，基准电压为 1.225v 时，可处理 010mv 到 01.225v 的单极性 输入信号，它的双极性输入信号范围是10mv 到1.225v。因此，ad7706 可 以实现 3 通道系统所有信号的调理和转换。 ad7706 是用于智能系统、微控制器系统和基于 dsp 系统的理想产品。其 串行接口可配置为三线接口。增益值、信号极性以及更新速率的选择可用串行 输入口由软件来配置。该器件还包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身 或系统的增益和偏移误差。 2.2.2 主要特性 3 个全差分输入通道的 adc 16 位无丢失代码 0.003%非线性； 可编程增益前端 增益:1128 ； 三线串行接口 spitm,qspitm,microwiretm和 dsp 兼容； 有对模拟输入缓冲的能力； 2.7-3.3v 或 4.75-5.25v 工作电压。 2.2.3 管脚功能介绍 ad7706 的管脚图如图 2-3 所示： 图 2-3 ad7706 管脚分布 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 16 sclk 串行时钟，施密特逻辑输入。将一个外部的串行时钟加于这一输入端口， 以访问 ad7706 的串行数据。该串行时钟可以是连续时钟以连续的脉冲串传送所 有数据。反之，它也可以是非连续时钟，将信息以小型数据发送给 ad7706。 mclk in 为转换器提供主时钟信号。能以晶体/谐振器或外部时钟形式提供。 晶体/谐振器可以接在 mclk in 和 mclk out 二引脚之间。此外，mclk in 也可 用 cmos 兼容的时钟驱动，而 mlck out 不连接。时钟频率范围为 500khz5mhz。 mclk out 当主时钟为晶体/谐振器，晶体/谐振器被接在 mclk in 和 mclk out 之间。如果在 mclk in 引脚处接上一个外部时钟，mclk out 将提供一个反 相时钟信号。这个时钟可以用来为外部电路提供时钟源，且可以驱动一个 cmos 负载。如果用户不需要，mclk out 可以通过时钟寄存器中的 clk dis 位关掉。 这样，器件不会在 mclk out 脚上驱动电容负载而消耗不必要的功率。 cs 片选，低电平有效的逻辑输入，选择 ad7706/7706。将该引脚接为低电平， ad7706 能以三线接口模式进行。在串行总线上带有多个器件的系统中，可由该 端口对这些器件做出选择，或在与 ad7706/7706 通信时，可用作帧同步信号。 reset 复位输入。低电平有效的输入，将器件的控制逻辑、接口逻辑、校准 系数、数字滤波器和模拟调制器复位至上电状态。 ain1 对于 ad7706，模拟输入通道 1 的输入端。 ain2 对于 ad7706，模拟输入通道 2 的输入端。 common 对于 ad7706，common 输入端，模拟通道 1、2、3 的输入以此输入端为 基准。 ref in(+) 基准输入端。ad7706/7706 差分基准输入的正输入端。基准输入 是差分的，并规定 ref in(+)必须大于 ref in(-)。ref in(+)可以取 vdd和 gnd 之间的任何值。 ain3 对于 ad7706，模拟输入通道 3 的输入端。 drdy 逻辑输出。该输出端上的逻辑低电平表示可以从 ad7706/7706 的数据寄 存器获取新的输出值。 dout 串行数据输出端。从片内的输出移位寄存器读出的串行数据由此端输 出。根据通讯寄存器中寄存器选择位，移位寄存器可容纳来自通讯寄存器、时 钟寄存器或数据寄存器的信息。 din 串行数据输入端。从片内的输入移位寄存器写入的串行数据由此端输入。 根据通讯寄存器中寄存器选择位，输入移位寄存器中的数据被传送到设置寄存 器、时钟寄存器或通讯寄存器。 vdd 电源电压，2.7v5.25v。 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 17 gnd 内部电路的地电位基准点。 2.2.4 电路说明 ad7706 是一种片内带数字滤波的a/d 转换器，旨在为宽动态范围 测量、工业控制或工艺控制中的低频信号的转换而设计的。它包括一个 （或电荷平衡）adc、片内带静态 ram 的校准微控制器、时钟振荡器、数字 滤波器和一个双向串行通信端口。该器件的电源电流仅为 320ua，使得它理想 的用于电池供电的仪器中。器件具有两种可选电源电压范围分别是 2.73.3v 或 4.755.25v。 ad7706 包括 3 个可编程增益全差分模拟输入通道，输入通道的可选增益 为 1、2、4、8、16、32、64、和 128，当基准输入电压为 2.5v 时允许器件接收 0mv+20mv 和 0v+2.5v 之间的单极性信号或20mv 至2.5v 范围内的双 极性信号。基准电压为 1.225v 时，在单极性模式下，输入范围是 0mv+10mv 至 0v+1.225v,双极性模式下，输入范围是 10mv1.225v。 ad7706 片内包括 8 个寄存器，这些寄存器通过器件的串行口访问。第一 个是通信寄存器，它管理通道选择，决定下一个操作是读操作还是写操作，以 及下一次读或写哪一个寄存器，所有与器件的通信必须从写入通信寄存器开始。 上电或复位后，器件等待在通信寄存器上进行一次写操作。这以写到通信寄存 器的数据决定下一次操作是读还是写，同时决定这次读操作或写操作在哪一个 寄存器发生。所以，写任何其他寄存器首先要写通信寄存器，然后才能写选定 的寄存器。所有的寄存器进行读操作之前，必须先写通信寄存器，然后才能读 选定的寄存器。此外，通信寄存器还控制等待模式和通道选择，此外 drdy 状态 也可以从通信寄存器上读出。第二个寄存器是设置寄存器，决定校准模式、增 益设置、单/双极性输入以及缓冲模式。第三个寄存器是时钟寄存器，包括滤波 器选择位和时钟控制位。第四个寄存器是数据寄存器，器件输出的数据从这个 寄存器读出。最后一个寄存器是校准寄存器，它存储通道校准数据。 输入到模拟输入端的信号被持续采样，采样频率由主时钟 mclk in 的频 率和选定的增益决定。电荷平衡 a/d 转换将采样信号转化为占空比包含数字信 息的数字脉冲链。模拟输入端的可编程增益功能配合-调制器，修正输入的 采样频率，以获得更高的增益，sinc3低通数字滤波器处理-调制器的输出 并以一定的速率更新输出寄存器，这速率由滤波器第一个陷波的频率决定。输 出数据可以从串行端口上随机地或周期性地读出，读出速率可为不超过输出寄 存器更新速率的任意值。数字滤波器的第一个陷波频率（以及-3db 频率）可以 第 2 章.红外温度传感器测量电路的设计 18 通过设置寄存器的 fso 和 fsi 编程。当主时钟的频率为 2.4576mhz 时，第一陷 波频率的可编程范围为 50hz500hz。当时钟频率为 1mhz 时，第一陷波的可编 程范围为 20hz200hz，-3db 频率的范围为 5.24hz52.4hz。 图 2-4 是 ad7706 的基本连接电路图，如图所示，整个芯片的工作电压为 5v。其信号的转换过程为：首先利用模拟信号的输入口，将被测模拟信号输 入到 ad7706 模数转换器中，根据通过 din 口的输入指令，并利用