基于C51单片机的红外温度测试仪（含外文翻译）.doc

南 京 工 程 学 院毕业设计说明书(论文)作 者： 崔明明 学 号： 202090637 院 系： 计算机工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 题 目： 基于C51单片机的红外温度测试仪 指导者：王桂珍/郑胜男 高级实验师/助理实验师 评阅者： 王桂珍/高级实验师 2013年5 月 南 京 毕业设计说明书（论文）中文摘要现代的温度测量技术在生活中应用十分广泛，但在某些领域中，所测物体不能与温度测量仪相接触，此时需要一种非接触式的温度测试仪来满足上述的要求。本论文所研究的红外温度测试仪正是为了迎合上述的需求而设计的。红外温度测试仪是以黑体辐射定理作为理论基础，是结合光学和微电子学等领域所发展的产物。本论文介绍了红外温度测试仪的基本理论基础和实现的具体方法。详细地介绍了系统的组成结构和具体的实现方式，给出了硬件原理图和软件的设计流程图。本系统主要由光电探测器系统、控制系统、报警系统、调温系统、显示输出等五部分组成。光电探测器汇聚视场内目标的红外辐射能量，红外辐射能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。C51单片机负责控制启动系统测量、接收测量数据和处理数据，分析报警数据，传送数据最后通过LCD把结果显示出来。与传统的测温方式相比具有非接触、响应时间快、不干扰被测物体的温场等一系列优点。 关键词: STC89C51单片机 红外测温 LCD显示 报警系统毕业设计说明书（论文）英文摘要Title Infrared Thermomrter Based on C51 MCU AbstractToday，the technology of temperature measurement is used widespread in our life . But in some application domains, the measured object can notcontact with temperature measuring instrument, which needs a kind of non-contact temperature measurement to satisfies the demand . Infrared temperature instrument designed in this paperis in order to meetthe above requirements.Infrared temperature instrument uses the blackbody radiation laws as the theories foundation, it is the product of the combination of Optics and microelectronics field.This paper introduces the basic theory of infrared temperaturer and realization method. The paper introduces the system structure and the concrete realization way, and gives the hardware principle diagram and the design flow chart of the software. The system is formed by the photoelectron detector, display system,Control system,alarm system,temperature control system and output partially. The optical system collects the infrared radiation energy of the object in its field of view, the infrared energy focus on the instrument and transforms to the corresponding electrical signal. The C51 MCU is used to start the system measurement, receiving measurement data, processing data, analysis of alarm data, transmitting data and display the result on LCD.Compared to the traditional temperature measurement, it has a series of advantages, such as non-contact,short in response time , noninterference to temperature field, etc.Keywords: The C51 MCU, Infrared Radiation Thermometry, LCD, Alarm System -i-目 录第一章 前言11.1 课题背景及意义11.2 红外温度仪的发展现状11.3 论文的主要研究内容21.4 本章小结3第二章 开发平台与主要语言42.1 C51单片机简介42.2 编程语言92.3 本章小结10第三章 红外温度仪的系统设计113.1 红外温度计的工作原理113.2 系统规划及流程设计123.3 硬件模块的设计143.4 报警模块233.5 本章小结24第四章 红外温度仪的软件设计254.1 主程序模块的软件设计254.1 初始化功能模块的软件设计264.3 红外测温模块的软件设计274.4 显示模块的软件设计284.5 报警模块软件设计304.6 主程序的仿真调试304.7 本章小结32第五章 下载与实现335.1 硬件下载335.2 调试中解决的问题335.3 实现的结果355.4 红外温度测试仪的改进思路36-i-5.5 本章小结37第六章 结束语386.1 毕业设计的难点与创新386.2 收获38致谢40参考文献41附录一：英文技术资料翻译42英文原文：42中文译文：47附录二： 程序清单52-ii-南京工程学院毕业设计说明书（论文）第一章 前言1.1 课题背景及意义随着现代医学和工业发展的需求，在很多情况下需要一个快速而又准确的测温仪器，而传统的温度计显然不能满足要求，比如在车站和机场的人口密度很大的情况下，快速准确测温很重要。在国外这种测温技术已经日趋成熟，而在国内红外测温技术还处于发展阶段。因此，为了适应医学发展的需要，在特殊环境下快速测温，急需设计一种测温速度快、准确率高的仪器。针对这种情况，我们通过红外测温的原理，设计了一种带有温度补偿电路的温度仪。该温度仪可以自动调节温度差数，提高测量的精确度，适用于快速测温的场合。1.2 红外温度仪的发展现状红外测温技术在生工业产过程如产品质量控制和监测、设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面得到普遍应用。红外检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目，红外检测是一种在线实时监测(不停电)式高科技检测技术，红外温度计应用了很多领域的知识，包括光电、信息、图像处理等重要的高科技技术。通过接收物体本身发射出来的红外光线，在接收端收集红外信号，并通过转换成温度信号，最终在屏幕端显示出来。其工作原理是任何物体由于其自身分子的运动，都在不停地向外部环境辐射红外热能，从而热能在物体表面产生温度场，俗称“热像”。正是通过吸收这种辐射的红外能量，红外诊断技术能测出设备表面温度场的分布，从而判断设备发热状况。而近20年来，非接触式红外人体测温仪在技术上边得到迅速发展，性能不断完善而功能不断增强、品种不断增多、适用范围也不断扩大。比起接触式测温方法，红外测温仪有着非接触、响应时间快、使用安全及使用寿命长等优点。非接触式红外测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件。此温度测量系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是被测物体上某一点的温度测量；可以是便携式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工艺简单、成木低廉、测温时不接触被测物体。具有响应时间短、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。但利用红外辐射测量温度，也必然受到物体发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。在这种温度测量技术中红外温度传感器的选择是非常重要的，而且不仅在点温度测量中要使用红外温度传感器，大面积温度测量也可使用红外温度传感器。本设计正是采用红外温度传感器这种温度测量技术，它具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点；另外红外温度传感器的种类较多，发展非常快，技术比较成熟，这也是本设计采用红外温度传感器设计非接触温度测量仪的主要原因之一。目前，我国也在研发一种体积小、成本较低，又不受外界环境温度干扰的人体红外测温仪，对医学、工业的发展有很重大的意义。1.3 论文的主要研究内容本论文以工行分为六个章节：第一章主要介绍了红外温度仪的选题意义背景以及发展的现状。第二章通过研究红外温度仪所需要的软硬件平台，介绍了C51单片机的内部结构以及单片机在系统中的功能，在软件方面详细介绍了函数的调用以及编程所需要的软件知识。第三章通过对红外温度仪的硬件的研究，详细介绍了该系统各个功能模块，每个硬件模块需要的功能，给出了系统在硬件上的连接图。第四章通过对系统软件功能的研究，详细说明了软件编程的实现，对每个软件功能进行了介绍。第五章通过硬件软件方面的调试，系统下载软件程序进行测试，并给出了调试过程中所需要的问题及解决思路。第六章介绍了这次设计的学习体会。最终实现一个具有以下功能的红外温度测试仪：1、 开机复位时自动初始化设备，引导程序正确执行；2、开机或复位之后启动A/D转换，对环境温度进行采样，并在显示器上显示当前环境温度；3、保持环境温度显示的同时，对覆盖热释电探测器视场的物体表面的红外辐射进行转换和采样，并比较各采样值，直到采样值为热释电探测器响应的峰值电压为止；4、实时显示所测温度；5、测量精度：+/-2%,2C；6、测量范围-33220C/-27428F；7、操作范围-1050C/14122F；9、响应时间：1sec；10、D:S为1:1；11、波长：5um-14um；12、人体测温距离：510cm。2、 软件设计部分的程序主要实现以下功能：1、循环采样，重复读取数据做到实时显示；2、对数据进行处理，对红外温度模块的采集红外数据进行转换，并在脉冲下传送数据到单片机中；3、当温度超过设定的上限报警温度时候，则蜂鸣器开始响，进行温度的报警；4、系统的上限报警温度可以调节；5、液晶显示子程序完成最后的温度。1.4 本章小结本章主要介绍了红外温度仪的设计背景以及发展的前景，可以看出在国内医学和工业方面有巨大的应用价值。本章站在实际的应用角度，从应用价值出发分析了红外温度仪所要达到的设计要求，结合生活的实际，与传统温度仪相比有巨大的优势。从而论证了选题和此次毕业设计的意义以及价值。第二章 开发平台与主要语言本章中详细介绍了非接触式红外温度测试仪的开发平台和主要使用的编程语言。本次开发主要使用单片机作为硬件平台，keil编程软件作为软件环境。2.1 C51单片机简介89C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，集成了时钟输出和向上或向下计数器等很多的功能，在很多工业控制中广泛应用。C51单片机主要有以下几个特性：增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051 CPU；工作电压：5.5v-3.8v；工作频率为0-40MHz，实际工作时频率可达到48MHz；4k的Flash程序存储器；片上集成512字节RAM；ISP/IAP，无须专用编程器/仿真器；通用I/O口，复位后：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时需加上拉电阻；EEPROM功能；内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省略复位电路）共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以作为2个8位定时器来使用；外部中断4路，下降沿产生中断或通过低电平来触发中断，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；超低功耗，正常工作模式，典型功耗2mA；掉电模式，典型功耗0.5uA，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序；工作温度范围：075/4085；封装形式：PDIP-40/PLCC-44/PQFP-44。2.1.1 C51单片机接口介绍图2-1 单片机引脚上述单片机一共有21个引脚，在工业应用中主要作为小型控制模块。操作简单，编程方便，价格低廉因此得到广泛使用。电源引脚：Vcc和Vss：Vcc(40或44脚)是电源端，为+5V，Vss(20或22脚)是接地端。时钟电路引脚：XTAL1（19或21脚），接外部晶振和微调电容的一端；在片内是反向放大器的输入端，在采用外部时钟时，该引脚作为外部时钟脉冲输入端；XTAL2（18或20脚），接外部晶振和微调电容的另一端，在89C51片内它是反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，则该引脚悬空，89C51正常工作时，该引脚应有脉冲信号输出。控制信号引脚RST：复位信号输入端，高电平有效，当此输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作；ALE：地址锁存允许信号端，正常工作时，该引脚以振荡频率的1/6固定输出正脉冲，CPU访问片外存储器时，该引脚输出信号作为锁存低8位地址的控制信号，它的负载能力为8个LS型TTL负载；PSEN（29或32脚）：程序存储器允许信号输出端。在访问片外ROM时，定时输出负脉冲作为读片外ROM的选通信号，接片外ROM的OE端，它的负载能力为8个LS型TTL负载；EA：外部程序存储器地址允许输入端。当该引脚接高电平时，CPU访问片内行片内程序存储器中的指令，但当过0FFFH（片内ROM为4KB）时，将执行片外ROM中的程序，当该引脚接低电平时，CPU只访问片执行外部程序存储器中的程序。I/O端口P0、P1、P2、P31、I/O口：当I/O口作为输入时，应先向此口锁存器写入全1，此时该口引脚浮空，可作高阻抗输入；P0口：漏极开路的8位准双向I/O口，每位能驱动8个LS型TTL负载。P0口可作为一个数据输入/输出口；在CPU访问片外存储器时，P0口为分时复用的低8位地址总线和8位数据总线P1口：带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载；P2口：带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。在CPU访问片外存储器时，它输出高8位地址；P3口：带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。P3口除作为一般I/O口外，每个引脚都有第二功能。2.1.2 C51单片机的内部系统模块 图2-2 系统模块有以下几个结构：8位CPU程序存储器(ROM)(52为8K)；256bytes的数据存储器(RAM)（52有384bytes的RAM）；32条I/O接口线；单字节指令占大部分；21个专用寄存器；2个可编程定时器；5个中断源；2个优先级（52有6个）；全双工串行通信口一个；64kB外部数据存储器寻址空间；64kB外部程序存储器寻址空间为，具有逻辑操作位寻址的功能，直插双列40PinDIP封装，单一+5V电源供电；CPU：由运算和控制逻辑组成；还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以读写的数据，比如运算中间结果、最后结果以及所要显示的数据；ROM：用以存放一些原始数据、程序和表格；I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，来实现串行通信；时钟电路和片内振荡器，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。2.1.3 C51单片机内部存储资源分配1）程序存储器的空间。编址为89C51片内Flash ROM的容量为4KB。地址为0000H0FFFH。片外最多可扩至64KBROM/EPROM，地址为1000HFFFFH。当EA=“1”时，89C51的PC在00000FFFH范围内执行片内ROM中的程序，当指令地址超过0FFFH后就自动转向片外ROM中取指令。当EA=”0”时，89C51片内ROM不起作用，CPU只能从片外Flash ROM/EPROM中取指令。可以从 0000H 开始寻址。由于8031片内不带ROM，所以使用时必须EA=”0”。89C51从片内ROM和片外ROM取指的速度相同。程序存储器的保留存储单元。如表2-1所示。表2-1程序存储器保存单元存储单元保留目的0000H-0002H复位后初始化引导程序0003H-000AH外部中断0000BH-0012H定时器0溢出中断0013H-001AH外部中断1001BH-0022H定时器1溢出中断0023H-002AH串行口中断002BH定时器2中断2）数据存储器地址空间分为：1、片外RAM：64kB，其地址为0000HFFFFH寻址是用MOVX指令；2、片内RAM：256B，其片内RAM地址空间有低128字节RAM（00H7FH），工作寄存器区（00H1FH），由四组（32个）工作寄存器组成，每组8个寄存器（R0-R7），共占32个单元。表2-2工作寄存器地址表组RS1RS0R0R1R2R3R4R5R6R700000H01H02H03H04H05H06H07H10108H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH21010H11H12H13H14H15H16H17H31118H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH3） 位寻址区D地址范围是20H2FH，位寻址区有16个单元，每个单元8位，共128位位地址为00H-7FH。表 2-3位寻址地址表字节地址MSB位地址LSB2FH7F7E7D7C7B7A79782EH77767574737271702DH6F6E6D6C6B6A69682CH67666564636261602BH5F5E5D5C5B5A59582AH575655545352515029H4F4E4D4C4B4A494828H474645444342414027H3F3E3D3C3B3A393826H373635343332313025H2F2E2D2C2B2A292824H272625242322212023H1F1E1D1C1B1A191822H171615141312111021H0F0E0D0C0B0A090820H07060504030201004)用户RAM区地址范围为30H7FH，其中高128字节RAM为80HFFH，有21个特殊功能功能寄存器和有11个具有位寻址能力。表2-4 特殊功能寄存器表符号名称地址符号名称地址*ACC累加器E0H*BB寄存器F0H*PSW程序状态字D0HSP栈指正81H*P0P0锁存器80H*P2P2锁存器A0H*P1P1锁存器90H*P3P3锁存器B0HDPTR数据指针（高8位DPH低8位DPL83H82HTL0定时器/计数器0（低字节）8AH*IE中断允许控制寄存器A8H*TCON定时器/计数器控制寄存器88HTMOD定时器/计数器工作方式寄存器89HT0H定时器/计数器0（高字节）8CHTH1定时器/计数器1（高字节）8DHTL1定时器/计数器1（低字节）8BH*SCON串行口控制寄存器98HSBUF串行数据缓冲器99H*IP中断优先级控制寄存器D8HPCON电源控制及波特率选择寄存器87H2.2 编程语言本系统是基于C51单片机的红外温度测试仪系统，编程语言在keil的软件环境下实现，为了更好的理解软件程序，下面简单介绍编程的环境。2.2.1 Keil简介 Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。其C语言与汇编相比，在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而简单易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的开发调试工具，全Windows界面。它提供了一个完整开发方案，其中包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和功能强大的仿真调试器等，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。其界面如图2-3所示：图2-3 Keil编程环境2.2.2 Keil主要特点1、全功能的源代码编辑器；2、器件库用来配置开发工具设置；3、项目管理器方便用户创建和维护项目；4、集成的MAKE工具可以进行汇编、编译和连接用户的嵌入式应用；5、开发工具的设置都是以对话框形式的出现的；6、高级GDI（AGDI）接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51进行通信。2.3 本章小结本章节从设计红外温度仪所需要的硬件条件和软件知识方面入手，详细的介绍了红外温度仪控制中心器件C51单片机的功能以及单片机的工作原理和内部结构。为红外温度仪的硬件设计提供了很好的硬件支持。同时在软件方面，使用的是C语言的编程，C语言具有简单易于编写且方便维护的特点，同时在keil的开发环境下，编程易于操作仿真，为红外温度仪的软件方面积累了一定的设计基础。第三章 红外温度仪的系统设计本章主要介绍红外温度计的技术原理和工作指标，以及各个模块的硬件设计和软件方面的编程实现。3.1 红外温度计的工作原理自然界一切高于绝对零度(-273.15)的物体，由于物体内部分子的热运动，都在时刻地向周围空间发射的电磁波包括红外波段在内，其物体温度与辐射能量密度关系符合辐射定律。红外辐射原理辐射定律如下： （2.1）式中：是辐射时的分子出射度数，单位为；为斯蒂芬波尔兹曼常数，；是物体辐射率；是物体温度，单位为；为物体所处环境温度，单位为。所以根据上式测量出发射，就可得出温度。红外温度仪表就是运用这个原理所制成。所制成的温度仪不需要与物体的表面接触，因此属于非接触式的温度仪。温度范围不同，物体发出的电磁波能量的波长也不同，在常温（0100）范围，能量集中在远红外和中红外波长。根据式（2.1）的原理，仪表所测得的红外辐射为： （2.2）式中：为光学常数，与温度仪具体设计有关；为被测物体的辐射率；为红外温度仪的辐射率；为被测对象的温度表面（K）；为红外温度计的所处环境温度（K）；它由一个内置的温度检测元件检测出来。辐射率是一个表达物体表面发射辐射的系数，数值大小由0到1.0。所有物体，包括人体的表面，其值都是低于1.0的。人体红外线辐射波长主要集中在910，通过对人体所辐射得红外能量的测量，便能准确地算出人体表面温度。由于该范围内的波长光线不能被空气吸收，因而利用人体红外辐射的能量便可以精确地测量人体表面温度。红外温度测量技术有很多优点，区别以往温度计最大的优点是测试速度快，1秒钟内便可完成测试。红外测温仪由光电探测器、光学系统、滤波电路、信号放大器及信号处理、显示等模块组成。总体来说，红外线测温仪的重要性能指标包括温度测量范围、物体的显示分辨率、测温的精度、工作环境温度、环境相对湿度、响应时间、响应光谱、尺寸、峰值、重量、发射率等。1）确定测量温度的范围：测量范围是测温仪很重要的一个指标。每个型号的测温仪都有自己的测温范围。2）确定所测目标的尺寸：红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标应充满测温仪探头视场。否则背景会干扰测温精度，造成误差。对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长内所发射的辐射能量的比值来确定的。3）确定所测物体距离系数（光学分辨率）：测量距离系数由D：S之比确定，即测温仪探头到目标的距离D与被测目标直径之比。测温仪如果由于环境条件必须安装在远离目标之处，而又要测量较小的目标，此时应选择光学分辨率高的测温仪。光学分辨率越高，其测温仪的成本也会越高。4）确定所测物体波长范围：目标物体的发射率和表面材料特性决定测温仪的相应波长，对于高反射率合金材料，有低或变化着的发射率。5）确定测量响应时间：红外测温仪对被测物体温度变化的反应速度表示响应时间，由达到最后读数95%能量需要的时间来定义，它与红外探头、信号处理电路模块及显示系统的时间常数有关。6）所测物体环境条件：测温仪所处的环境温度对测量结果影响很大，加以考虑并适当解决，否则会影响测温结果精度甚至引起温度仪的损坏。7）红外辐射测温仪的标定：所测物体必须经过红外测温仪标定才能使正确地显示出被测目标的温度。3.2 系统规划及流程设计本节主要介绍红外温度仪的总体设计思路以及开发流程3.2.1 系统规划红外温度仪系统设计流程如图3-1所示：图3-1 系统总体结构框图由上图可以看出红外温度仪有四大系统模块组成。红外信号接收来经过系统的处理模块，对红外信号经过放大、滤波、再计算模数转换转化成相应的温度信号在屏幕上显示，如果所测量目标的温度信号大于所设定的报警温度，则蜂鸣器响，进行预警。如果所测得的数据有错误，则再经过控制系统对温度进行重新检测，直到输出正确的信号为止。3.2.2 整体框图的设计如图3-2所示，当红外温度进行系统初始化后，按下按钮进行测量，每次的测量所得数据实时显示在液晶屏幕上。其工作步骤为：当按下按钮时候，整个电路进行工作，物体表面辐射的能量经过热释电传感器接收后，将热辐射信号转化成电信号，经过放大器放大信号后到达A/D模数转换器，C52单片机作为CPU接收到的数据信号，经过数据处理后得到物体表面的温度在LCD液晶屏幕上显示出来。传感器放大器滤波器ADC0804转 换 器AT89C51液显LCD1602图3-2 总体电路框图3.3 硬件模块的设计本节主要介绍红外温度仪各个功能模块的设计，也是设计的重点部分。下面分别对每个模块进行详细介绍。3.3.1 红外检测模块设计本系统中采用了集成化的TN9红外测温模块，具有响应快，数据准确的特点，其工作原理如下框图所示：图3-3 TN9工作原理图此红外测温模块采用非接触手段，解决了传统测温中需要接触的问题，具有回应速度快，测量精度高，测量范围广等优点。它通过红外温度传感器扫描被测物体，并把相应的红外辐射数据通过P1.0和P1.2口传送给单片机模块。图3-4是红外测温模块电路图：图3-4 红外测温电路模块面对目前众多的红外检测器件产品，在设计中选择合适的红外检测器已成为一个重要问题。在设计过程中选择红外线检测器件时，首先需要考虑的是器件的以下性能因素:光谱响应范围、响应速度、有效检测面积、元件数量、制冷方式和检测目标的温度。本红外测温仪选用了凌阳公司生产的型号为TN901的红外探测温度传感器作为测温模块，内部集成了红外探测所需要的模块，有温度补偿电路单元和线性处理电路单元，因此简化了本系统的设计。它的测量距离大约为30米，测量回应时间大约为0.5秒。而且它具备SPI接口，可以很方便地与单片机（MCU）传输数据。其相关资料如下：（1）红外测温传感器的引脚介绍 图3-5 红外测温传感器引脚图红外测温传感器引脚图如图3-5，其中V端为电源接线口VCC，VCC一般为3V或者5V的电压，本系统中取5V；D为数据发送端口引脚，有数据时D为低电平有效；C为2KHz 时钟输出端口引脚；G为接地端口引脚；A为测温启动信号端口引脚，是低电平有效。以上面的例子说明无论测量环境温度还是目标温度，只要检测到Item为0x4cH或者0x66H同时检测到CR为0x0dH，他们的温度的计算方法都相同。计算公式为目标温度/环境温度=Temp/16-273.15，其中Temp为十进制，当把它转换成十六进制的高八位为MSB，低八位为LSB；比如MSB为0x14H，LSB为0x2ah，则Temp十六进制时为0x142aH，十进制时为5162，则测得的温度值为5162/16-273.15=39.475。TN9模块是内部集成模块，内部有红外探头、信号放大器、滤波器、模数转化器以及温补偿电路组成，其主要各部分电路如下：1）红外传感器本设计中TN9模块的的探头是红外线传感器，它能探测人体发射出的红外线并接收使之转换成有效的电压信号。本设计中TN9模块选用的是PM611热释电传感器，是单灵敏元器件，但是由于采用一个接收元串联和二个补偿元并联的结构，能有效地补偿所处环境温度起伏以及振动等对目标温度干扰影响。它的工作温度在-20+50范围内，特别适合测量人体的温度。且PM611单元各项指标都比较好，因此可用来做TN9温度仪的探头。如图3-6所示：图3-6传感器的内部典型连接电路2）放大电路由于传感器探测到的人体红外线信号比较弱，因此当红外信号转化为电压信号后需要通过放大器放大。因为探测器测到的信号可能掺杂了外界环境影响的某些因素，所以在放大电路中要加入低通滤波电路，用来把多余的信号滤掉。如图3-7所示：图3-7放大部分电路传感器输出的信号经47F电容耦合到第一个同相放大器，它的闭环增益为2324之间。同时第一个放大器还兼做高通滤波器，其截止频率为0.3Hz。第二个放大器是一个低通滤波器，其闭环增益约为1，截止频率为7Hz。第一个，第二个放大器能把低于0.3Hz和高于7Hz的信号都滤掉，使输出的信号仅仅是经过调制器调制的1Hz红外信号。通过上面的原理可知红外信号转换为电压再转化成温度信号才显示出来的，这个过程将在第三个放大器中完成。放大滤波的输出信号输入到模数转换器的Vin（+）端，模数转换器会把收到的信号进行模数转换，从而转化成可显示的温度信号。3）模数转换电路由于传感器探测到红外线后被放大的是模拟信号，而在LCD液显上显示出来的信号必须是数字信号，所以在本设计需要利用模数转换器来实现。因为只用到了一个输入信号，可以采用ADC0804把有用的模拟信号转换成数字信号，最后显示出来。ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。分辨率8位，输入电压范围是05V, 增加一些外部电路后，输入模拟电压为5V。此芯片内有输出锁存器，当与计算机连接时转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上不用再加接口电路。ADC0804芯片的外引脚图如3-8所示，引脚名称及意义如下： 图3-8 ADC0804引脚图Vin（+）、Vin（-）：芯片的两个模拟信号输出端，用来接收单极性、双极性和差模输入信号；D0D7：A/D转换器输出数据的端口；AGND：模拟信号的接地端；DGND：数字信号的接地端；CLK IN：时钟脉冲信号的输入端口；CLK R：内部时钟发生器的外接电阻端，与外部CLK IN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，频率为1/1.1RC；CS：片选信号输入端，低电平有效，当低电平时，表示转换器被选中，则开始工作。WR：写信号输入，低电平有效。当CS、WR同时为低电平时，启动转换。RD：读信号输入，低电平有效，当CS、RD同时为低电平时，可以读取转换输出的数据。INTR：转换结束输出信号，低电平有效。低电平时候表示完成此次的转换。A/D模数转换电路连接图如下图3-9：图3-9 ADC0804模数转换电路3.3.2 LCD液晶显示模块本系统中采用LCD1602液晶显示屏，具有轻薄易于设计、功耗低等优点。其工作流程如下图所示：图3-10 LCD液晶屏工作流程在本设计采用的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，这里以2行16个字的1602液晶模块来介绍显示屏的编程方法。1602所采用的是标准的16脚接口，其中：第3脚：VEE为液晶屏的对比度调整端口；第4脚：RS为寄存器的选择端口，当RS为高电平时，RS选择为数据寄存器，当为低电平时RS选择为指令寄存器；第5脚：RW是读写信号线，高电平时读操作，低电平时写操作。当RW和RS都为低电平时则可以显示地址也可以写入指令，当RW是高电平RS是低电平时读忙信号，当RW是低电平，RS是高电平时则写入数据；第6脚：E端为使能端口，当E端由高电平跳变到低电平时，液晶模块开始执行命令；第714脚：D0D7为8位双向数据线；第1516脚：背光。1602液晶显示模块是一个慢显示屏幕器件，因此在执行每条指令之前首先要确认模块的忙标志是否为低电平，否则此指令失效。要显示字符时首先输入显示字符地址，也就是告诉液晶屏将要在哪里显示字符，表3-1是DM-162的内部显示地址。表3-11602的内部显示地址12345678910111213141516序号000102030405060708090A0B0C0D0E0F第一行404142434445464748494A4B4C4D4E4F第二行LCD1602液晶模块的字符存储器（CGROM)存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：英文字母、阿拉伯数字、常用符号和日文假名等，其中每一个字符都有其固定的代码。在液显电路连接上，LCD1602显示模块可以直接和单片机STC89C51直接接口，液晶显示的D0D7八个双向端口接STC89C51单片机的P0口的P0.0P0.7，单片机的P0口可以作为通用的输入，输出端口使用，此时，若要驱动NMOS或其他拉电流负载时，需外接上拉电阻，才能使该位高电平有效。由于VEE端接电源时接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，对比度过低会使屏幕模糊不清，所以使用时可以通过一个10K的电位器来调整它的对比度。LCD1602的RS寄存器选择端口接单片机的P2.0口，通过软件程序中对此端口的设置来决定选择的寄存器。液显的RW端口直接接地，此液晶屏只用来写数据，高电平时进行对输入的数字信号进行读数。使能E端接单片机的P2.1口，使能端由高电平到低电平时开始执行命令，把读数显示出来。下图3-11是LCD1602显示电路的连接图：图3-11LCD显示电路连接图3.3.3 控制模块本红外温度测试仪采用C51单片机作为控制系统，具有控制好，体积小，编程操作简单的优点,在本系统中其工作流程如下图所示：图3-12 C52单片机工作流程该红外测温仪是以STC89C51单片机为核心器件，此单片机模块的工作原理是：加载相应程序的STC89C51单片机把红外测温模块传来的数据加以处理，送LCD显示屏显示。图3-13是单片机处理模块的电路原理图，如下所示 图3-13 单片机处理模块电路图其复位电路如图3-13左边上部分，本单片机处理模块是通过自动复位的，只要在RST引脚出现大于10ms的高电平，单片机就进入复位状态。而此仪器的震荡电路选用的是晶体震荡电路，其具体电路如图3-1左边下部分。采用晶体震荡电路的原因是因为它的频率稳定性好，而这正是本红外测温仪非常重要的技术要求。在本系统中C51单片机作为整个电路的核心处理模块，担负着CPU的功能，当开始测量时候，单片机处于待命状态。按下按钮时，单片机接收到电路的工作信号，开始测量。接收红外模块传送过来的温度信号，进行软件编程方面的相应处理，处理好的结果存放在寄存器中而后传送到LCD液晶屏上显示处理结果。如此循环，可以做到实时测量、实时显示，达到的极小的响应时间。当电路超过所设定的预置值时，单片机判断出来，此时报警电路响应并工作，达到报警的功能。整个电路的连接如下图所示：图3-14 C51单片机的连接图3.4 报警模块在本系统中，当温度超过一定值时候，则单片机驱动蜂鸣器进行报警，系统初始设置的报警上限温度时37度，当目标温度显示大于37度时候，此时蜂鸣器报警，其硬件原理图如下所示：图3-15 蜂鸣器连接图由于单片机本身的驱动电压比较小，需要一个三极管作为导通开关，当软件编程满足报警条件时候，单片机的引脚输较出低电平时，三极管导通，此时蜂鸣器两端加上+5V的电压，蜂鸣器响。在本系统中还可以设置报警的温度，由按钮进行设置。将在下面的软件编程中介绍。3.5 本章小结在本章中，从系统的硬件来具体介绍红外温度仪的设计。通过一个总体的硬件模块图，说明红外温度仪从收集辐射到放大滤波到模数转化到显示。其中再从每个模块分别介绍红外温度仪的硬件电路，包括TN9红外温度模块、C51单片机控制模块、按键模块、报警电路模块、显示模块。每个模块介绍时，分别附上模块的流程图和模块的硬件图。详细介绍了模块与模块之间的连接。第4章 红外温度仪的软件设计4.1 主程序模块的软件设计当红外测温仪接通电源时，STC89C51单片机自动复位，开始运行该程序。该程序首先对STC89C51初始化。然后给出开机显示，接着判断是否有键输入，若没有键输入，则继续判断；若有键输入，则判断是否是红外测温。若不是就返回开机显示，是则进行红外测温，接收数据，并将计算的温度值显示出来，如果是环境温度通过数码管前四位显示，目标温度用后四位显示。并等待结束测温命令。再判定是否结束温度测量，若没则继续测温，若收到结束命令则返回开机显示，重新判断。具体工作的流程图如下图4-1：图4-1 主程序流程图主程序中设计单片机的启动读数的条件：当开关按下时，而后开始读取温度，由于要实时显示温度，顾考虑不断的更新Temp温度的数据，这时候可以定义一个循环的读数程序来实现，当温度数据经红外温度传送进来，经过单片机处理传送到液晶屏显示出来时候，再进行循环，反复这样的动作，便可以实时显示。4.1 初始化功能模块的软件设计1）对管脚的定义，字节地址定义代码如下所示： A）对TN9红外温度模块的管脚定义： sbit TN_ACK =P12; /* TN9触发 */ sbit TN_Clk =P11; /* TN9时钟线 */ sbit TN_Data =P10; /* TN9数据线 */ B) 对LCD液晶显示屏的管脚定义： sbit rs=P20; sbit lcden=P21;2) 初始化屏幕： uchar code table0=Welcome to the ; uchar code table1= TN9 System; uchar code table2=Target T: 00.0 C; uchar code table3=HuanJi T: 00.0 C; /初始化void Init_LCD() uchar num; lcden=0; write_com(0x38); write_com(0x0c); write_com(0x06); write_co