红外热辐射温度测量系统的设计与研究毕业论文.doc

红外热辐射温度测量系统的设计与研究毕业论文目 录第1章 绪 论11.1课题来源11.2 课题意义21.3 国内研究现状31.4 研究目标41.5 研究内容41.6 研究安排5第2章 红外测温原理及系统的总体方案设计62.1 红外热辐射的概念与基础理论62.2 红外热辐射测温原理及方法82.3 红外热辐射测温的特点及影响因素82.4系统方案102.5 研究方法102.6 本章小节11第3章 硬件电路设计123.1 单片机控制中心123.2 红外测温传感器143.3电源模块173.4 RS232电路转换模块183.5 LCD显示模块193.6 硬件电路功能213.7 本章小结21第4章 软件设计224.1 软件总体设计224.2时钟初始化224.3 LCD显示初始化234.4 UART初始化244.5 串口设置254.6 红外热测温模块程序设计264.7 系统仿真274.8本章小节29第5章 总结与展望305.1 工作总结305.2 展望30致 谢32参考文献33附 录35附件1：常见物质辐射率表35附录2：LCD测试程序35 江西理工大学2014届本科生毕业论文 第1章 绪 论1.1课题来源 本毕业设计采用非接触式红外测温的方法，对公路表面温度进行测量，其成果主要应用于高速公路表面温度测温仪。 可见光的辐射主要来自高温辐射物体，如太阳，铁水，灼热的金属，高温燃烧物体等，而任何低温，常温以及加热后的物体都一定会有红外热辐射。在电磁波谱中能够被人眼察觉的是0.4微米到0.75微米波段我们称之为可见光波段，而把波长从0.75微米到1000微米的之间电磁波称为红外波段，红外波段的短波段与可见光中的红光相连，长波端与微波相接。根据普朗克辐射定理，我们知道凡是绝对温度大于零度的物体都无一例外的能向外辐射出电磁波，该物体的辐射强度大小与物体表面的辐射能力强弱及温度的高低有关，辐射的光谱分布也与物体温度紧密相关。 确定物质状态的参数有非常多，而温度参数恰恰是确定物质状态的重要参数之一，它的测量与控制方面在国防科技、军事、工业、农业生产以及科学研究中占有十分重要的地位。我们在工农业生产中，通常通过测量设备表面的温度来监测设备的运行状况，而现代的工业设备大都是在高电压、强电流等危险环境下运行的，传统的测量方法是依靠人工接触式检测，这样既浪费时间、人力，又通常具有一定的危险性，同时对测温设备所采用的材料性质也有非常严格的限制。因此有必要研究出一种新的方法去检测目标系统的温度。 目前，人们使用最广泛的水银体温计是根据水银性质随温度升降而热胀冷缩的物理性质，我们在使用传统温度计时要和被测量物体相接触，为了与被测物体达到热平衡，需要等待较长的时间，当测量结束后还要将水银重新甩入水银泡中，由于甩的时候极易破碎，其中的水银蒸汽会对人体有极强的毒害作用，因此传统的温度计有非常严重的安全隐患。所以此方法就必然有很多的局限性，在很多环境要求下不能满足快速，安全可靠的非接触式测量的要求。红外测温提供了快速，准确及时的检测方法和结果。而且可以以数字的方式显示出测量结果，消耗时间非常短，往往在几秒钟之内就能测得结果，更重要的是此方法所测量的结果比较精确，避免了人为读数的误差，而且系统的寿命长，是较为理想的测温仪器。 随着红外检测技术的日趋成熟，依据红外热测温技术正以响应速度快、测量精确度高，设备耐用等优势，近年来红外测温技术被越来越多的场合所认识和接受。由于社会的进步，交通的发达，人民生活节奏变得快捷的同时也带来了许多安全隐患。随着科技的飞速发展，单片机的应用正在日益广泛，同时也带动传统控制检测日新月异的变革。在工业智能检测、控制系统中，通常使用单片机作为一个控制中心来使用，然后配合相应的外围硬件设备，以及针对具体应用对象特点的软件相结合，如此加以完善。单片机控制系统能够取代以往利用复杂电子电路和数字电路构成的控制系统，我们可以用软件控制来实现，并能够轻松地实现智能化控制。1.2 课题意义对温度测量的传统方法需要工作人员到现场进行数据采集，整理，分析才能计算出调研结果。过程比较繁琐，耗时费力，更不理想的就是当我们需要多个目标地点的温度数据时，没有足够的人力物力去获得数据，相关工作人员不能及时得到数据，这样极大的降低了工作效率，体现不了工作人员的价值。随着工作人员对现场安全实时监控提出越来越高的要求，因此对现场安全进行实时监测十分必要。故而需要有更方便安全快捷的工作模式来取代传统的测量方法，正因如此，红外热辐射温度测量技术运应而生。在某些应用领域中，要求测量温度的传感器不能直接与被测物体相接触，这就需要满足这种领域非接触式测量，本设计正是应上述实际需求来设计的红外测温系统。红外热测温系统是以黑体辐射定律作为理论基础，红外控制理论以及电子技术综合发展的产物。与传统的测温方法相比，红外测温具有以下优点：(1)不需要与被测物体接触，不会扰乱被测物的温度场，温度场的分布不会受到影响，因此具有较高的测量精确度；(2)在测量过程中，光电器件不必与被测介质达到新的热平衡，因而能检测温度的迅速变化，而且还能测量运动物体的温度；(3)测量距离可近可远，近者可测几厘米，有的甚至更小，而远者可测近几公里外的目标；(4)可以用来测量小面积的物体，目前可测量出直径小至7.5微米的目标温度；(5)以黑体作为测量对象最为合适，但也可以测量一般物体。正是这些优点使得红外测温技术受到越来越广泛的欢迎，该技术在温度测量领域里具有不可替代的优势。红外测温的设计，其知识包括了检测技术，MCU，控制技术等多方面的内容。红外测温技术是一门很实用和很有前景的技术，通过此次毕业设计，有利于我理论联系实际，更好的掌握这一方面的知识体系，是对学习内容的总结归纳与升华，特别是对单片机控制技术知识的深入理解，对于自身综合素质与工程应用能力的培养也有及其重要的意义。1.3 国内研究现状轨道交通是一个庞大、复杂、易出现事故的交通运输系统，因而，从机车制造到运营，可靠性、安全性一直是社会关注的重点。一方面，无论何种设备，它的维修与护理护是一种设备运转状况驱动的预防性维护。它是对运转状况、热量分布和其他指标进行直接监视，以便确定实际的平均无故障时间或对其危害在设施内所有关键系统装置运转效率损失的确定因素。因此定期地测量设备，实时跟踪监测结果，而温度恰恰就是一个非常重要非常有用的参数。目前，其中监视温度的红外热像仪检测技术就是一种检测方向的应用;另一方面，随着轨道交通行业的快速发展，消费者群体对于机车的性能要求也越来越高，轨道交通与汽车行业一样，就是对可靠性、安全性、舒适性的严格要求。红外热像技术在轨道交通运营过程中能够起到更有效、更快速地追踪交通系统的动态。由于高速公路的路面工程量大、牵涉面广、建设和维修难度系数大。然而路面又经常由多层各不相同的材料及所含成分所组成配比不同，特别是沥青面层所用材料品种多、配比多、要求严格，每层都有各自要求的工艺水准。在路桥施工建设，公路表面、高桥的维护及施工过程，都必须要对沥青或混凝土的成分及温度进行检测；工艺要求较高的区域更是需要采用能够提供可靠的、全面反映测量区域内温度的分布及变化情况的仪表。红外热测温的应用按其用途可以大体分为两大类，一为定性观察，二为定量分析。定性观察是根据图像判断物体的存在和运动，主要应用于军事、安检、监控等方面。定量分析是利用红外热像仪的测温功能对物体的温度分布进行检测分析。2003 年非典期间，社会公众对红外热像仪的测温功能提出了很高的要求。针对公路路面温度和铁轨温度测量的传统方法比较麻烦，更重要的是这种传统的方法不能全天24小时实时监控，需要人为现场测试，耗费了不少人力物力。 随着社会节奏的变快，交通逐渐发达，这些传统的方法已经不能够满足我们对安全的及时监测需要。然而随之产生的交通通信设备日渐繁多，功能完善。红外测温也慢慢步入在交通指示的应用领域，目前已经有部分高速路段铺设有红外测温系统，用于测定高速路段地面温度，及时显示在LCD显示屏幕上。这种仪器结构简单、容易制作、便于安装及维修，所测温度可直接输出到单片机进行后期数据处理，十分方便易行。红外测温打破了传统的测温模式，它响应快，测量精度高，可靠性强，范围广，为非接触测量，因而更不容易被损坏，该温度计以其准确快速的测量优势，和清晰易懂的数字化显示方便了科研领域的使用以及方便了人们日常生活工作。第一在本次毕业设计中根据红外热辐射的基本原理，采用“直接定标”的方法，即在测量不同环境下的公路表面温度时，实时定标红外测温。第二，传统的红外测温仪在原理上均需讨论物体辐射率修正的问题。然而如果要确定物体的辐射率则却是红外测温中的一大难题。通常情况下，我们是通过经验测量或者查阅资料来确定固体和液体在特定情况下的辐射率，以此作为红外测量中的参数。然而，由于不同路段及地理位置公路表面的温度随季节和地域情况的不确定性，很难确定不同地域路面的辐射率。所以，根据能量的守恒关系，巧妙的避开了公认的“辐射率修正”这一难题。第三，根据实际需要，设计了系统硬件电路，并对系统进行了仿真。1.4 研究目标1. 针对公路表面红外热辐射的测量，通过系统处理，直观的显示其温度；2. 基于单片机AT89C51开发的温度控制系统；3. 能够准确的测量出温度并将数据输入到单片机内；4、对不在规定范围内的温度进行调节以使其始终稳定在一个恒定范围内；5、控制精度高，系统稳定、成本低；1.5 研究内容本系统采用红外温度传感器TN9对公路地面温度进行采集，89C51单片机为控制中心，提高了准确性和安全性。系统采用的红外温度传感器体积小、性能好，再加上稳定的运放和精度较高的A/D处理，将温度参数显示在LCD显示屏上，可实现对目标温度的准确测量。研究内容如下：1 红外热辐射测温系统的硬件设计 （1）单片机处理模块 （2)红外热辐射温度传感器TN9 （3)RS232转换电路模块 （4）电源模块 （5）LCD显示模块2. 红外热辐射测温系统的软件设计由于受检对象表面的红外辐射能量，是经大气传输到红外检测仪器里的，这就会受到大气成分中的水蒸汽、二氧化碳、氮气等气体分子的吸收以及空气中悬浮尘埃微粒的遮挡与吸收而衰减，设备辐射能量辐射的衰减程度大小随着检测仪器到被测设备之间的距离的增大，在很大程度上降低了被测物体辐射的穿透率，所以其衰减程度大小是随两者距离的增大而增加。降低受检设备故障部位与正常部位的辐射的对比度，也会导致红外探测仪器接收到的目标能量减少，从而使得结果仪器显示出来的温度值比被测故障点的真实温度低。尤其是检测温升较低的设备故障时，这是非常不利的。所以检测距离越大，大气组合成分的影响就会越来越大。因此如果要获得目标温度的准确性，必须采取以下相应的措施： （1）尽量选择在环境干燥地段进行检测； （2）在不影响安全的条件下尽可能减小检测距离，以便测得实际温度值；1.6 研究安排本文章节主要安排如下：第1章 ：本论文的绪论，包括课题来源，课题意义，国内研究现状，研究目标，研究内容，研究安排； 第二章 ：红外热辐射的基本概念介绍，红外热辐射测温的基础理论，红外热辐射测温原理和方法，红外热辐射测温的特点，红外热辐射测温影响因素； 第三章 ：系统的总体结构设计方案,硬件电路设计：单片机处理模块，电源模块，红外测温模块，RS232电路转换模块，LCD显示模块；第4章 ：软件设计，程序的总体设计；第5章 ：总结与展望；第2章 红外测温原理及系统的总体方案设计2.1 红外热辐射的概念与基础理论 1.红外热辐射的概念 红外热是一种电磁波，具有与无热电波及可见光一样的性质。红外热的波长在0.76到1000微米之间，位于无热电波与可见光之间。任何物体，如果它的温度只要比零下273.15摄氏度高，就都能够自发地向外发射出红外热。与可见光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等共有特性相同以外同时还具有粒子性。对人的眼睛很不敏感，要使用对红外敏感的探测器才能探测到。红外辐射的本质是热辐射，在0.76m40m红外辐射的热效应却是最大的。红外测温运用的原理是根据普朗克原理。即自然界中只要温度高于绝对零度(-27315)的一切物体，由于分子的热运动效应都在不停地向外辐射出包括红外波段在内的电磁波。其辐射能量密度与物体本身的温度二者之间的关系符合普朗克定律的关系。一般我们理解为红外测量的是被测物体表面的温度，但是事实上测得的是被测对象与传感器或者说是被测物体温度与环境温度之间的差值。物体辐射能量的大小也直接与该被测物体的温度紧密相关。红外热辐射温度测量技术的发展主要是从两方面来看：一方面是红外热辐射测温设备仪器的发展；另一方面是红外热辐射测温技术的发展。2红外热基础理论 （1）生物波普（Biological spectrum）生物自身发出的生物物理信息的光波或频率的综合特性叫做生物波谱，它是构成生物体周围的生物信息场。科学研究表明，生物信息场包括生物产生的温度场，电场和磁场等，所以我们可以用物理学中的电磁波谱频率或波长，温度等物理量来表述，它遵循电磁波的所有物理特性。 （2）地表辐射（Ground radiation）地球表面从太阳辐射吸收能量的同时，又会将其中的大部分能量以辐射的形式传送到大气当中。地球表面这种以其本身的热量日夜不间断地向外辐射的方式，称地面辐射。由于地表面平均温度约为300k左右，所以地表温度比太阳低得多，因而地面辐射的主要能量集中在130微米波段之间，地球表面最大辐射的平均波长为10微米，属于红外区间，与太阳短波辐射相比较而言，称为地面长波辐射。地球表面辐射能力的强弱，主要取决于地面本身的温度。由普朗克定理知道辐射能力的强弱随辐射体温度的增高而增强，所以白天地表温度较高，地表辐射也就较强；同理反之，夜晚地表温度较低，地表辐射也就相对比较弱。依据理论和科学实践证明：物体辐射出来的波长与物体本身的温度值成反比，即温度越高，波长越短；温度越低，波长越长。地面的辐射属于长波辐射，除了部分透过大气向宇宙辐射外，大部分辐射被大气中水蒸汽和二氧化碳、臭氧层、空气悬浮微粒等大气组合成分所吸收，其中水蒸汽对长波辐射的吸收更为显著。所以，大气，尤其是对流层中的大气，它的增热主要是靠吸收地面辐射的能量。 （3）红外辐射的发射及其规律首先需要对黑体的红外辐射规律简单介绍一下。所谓的黑体，简单讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体，简而言之就是全吸收。然而，自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射，吸收率不可能等于1，也就是说不可能完全吸收。所以，黑体这一概念知识只是人们为了便于研究而抽象出来的一种理想化的模型，现实中并不存在。但是由于黑体热辐射的基本规律是红外热辐射研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度与波长的定量关系。 （4）黑体辐射规律 黑体红外辐射的基本规律揭示的是红外热辐射温度及波长的一种定量关系。黑体仅仅是一种抽象出来的理想物体，如果它们在相同的温度下，那么它们都能够发出同样的电磁波谱，而与黑体的具体成分、状态和形状等特性无关。物理学家斯特藩和玻耳兹曼通过物理科学实验和计算得出黑体辐射定律： （2-1）式中： 温度为时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能，称为总辐出度；一斯特藩玻耳兹曼常量；一物体温度。上式是黑体的热辐射定律。实际物体的辐射定律一般比较复杂，需借助于黑体的辐射定律来研究。设被测物体的温度为时，总辐出度为M 等于黑体在温度为时的总辐出度Mo，即： （2-2） 解得： （2-3）其中为发射率，不同物体的发射率并不相同，具体材料的值可通过本论文的附录1或实验得到，T是被测物体对象的辐射温度，所以如果我们已经知道了被测物体的和，那么我们就可算出物体的实际温度。 2.2 红外热辐射测温原理及方法 依据测温原理的不同，红外测温的设计有三种方法：1 对物体的全波长的热辐射进行测量，从而确定物体的辐射温度的方法称之为全辐射测温法；2 对物体在一定波长下的单色辐射亮度进行红外测量，从而来确定它辐射物的亮度温度的称为亮度测温法；3 对被测物体在不同的两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化来确定温的方法称为比色测温法。 亮度测温法不需要环境温度补偿，误差较小，故而测温精度较高，但由于工作于短波段间，因此此方法只适于高温物体的温度检测。比色测温法的光学系统可局部遮挡，这样受烟雾灰尘的影响就比较小，测温误差也减小了，但必须选择在适当的波段，使波段的发射率对比相差不是很大。本文采用的是全辐射测温法。全辐射测温法是根据所有波长范围内的总辐射来确定物体温度的，得到的就是物体的辐射温度。选用这种方法是因为中低温物体的波长较大，辐射信号很弱，更重要的是系统结构比较简单，成本较低AT89C51单片机是本系统的控制中心，它负责控制启动温度测量、接收测量数据、计算温度值、显示温度值；红外热测温模块负责温度数据的采集、测量，并将采集到的数据通过数据端口传送给AT89C51单片机； RS232转换电路模块可以使单片机同PC机方便的进行串口通信，并可以同时接收或传送外部送来的资料；LCD显示模块把测量的温度值可以直观地显示给观测者。2.3 红外热辐射测温的特点及影响因素 1.红外热辐射测温的特点 （1）远距离和非接触测量红外测温不需要与被测物体相接触，它特别适合于对运动物体，旋转物体，带电体以及高温高压强电流等危险环境下物体的温度测量。 （2）响应速度快红外热传感器测温并不像热电偶或传统温度计那样，必须与被测物体相接触，最后还需要使温度计与被测物达到热平衡，它只要接收到目标的红外辐射即可进行温度测量，其响应时间通常在毫秒甚至微秒数量级，所以红外热温度传感器的响应速度快。（3）灵敏度高就算物体温度的微小变化也会引起辐射功率的较大变化，很容易被探测器探测出来，所以红外测温的可测温差特别小，几乎达到零点几摄氏度。（4）准确度高红外测温时是非接触测量的方式，这样就不会破坏物体本身的温度分布，因此，所测温度真实，可靠，准确。（5） 测温范围非常广 测量范围在-33到220摄氏度。 2.红外热辐射测温的影响因素 （1）待测目标辐射率通过以上原理的描述可知辐射率的大小决定了物体的红外能量幅出度与被测物体实际温度紧密相关。辐射率是指一般物体相对于黑体的辐射能力大小的一个物理量，与测量的方向、物体的材料形状、表面粗糙度等因素有关。不同物质的辐射率是各异的，常见物质辐射率见附件1，红外测温装置从被测目标上接收到的辐射能量大小与它的辐射率成正比。 （2）待测目标尺寸使用红外测温装置测温时，通常只能测定被测目标表面上某一确定面积的平均值。因为红外热温度传感器都有一个测量的视角，测温装置的精度与被测物体尺寸和传感器视角相关。待测物体的尺寸与传感器视角有以下几种关系：1）当被测物体尺寸小于测试视角时，被测物体周围辐射体辐射出来的能量就会进入传感器的测量区域，干扰测温数据，造成误差。最终我们得到的温度信息是被测物体和周围事物温度的加权平均值。因此，我们在实际测温时，通常要求被测物体尺寸一定要超过传感器视角大小的50%。2）当被测目标大于测试视角时，测温装置就不会受到测量区域以外事物干扰，能够准确的测量被测物体位于传感器视角内确定面积的实际温度，此时传感器的测试效果最好。3）当被测目标等于传感器测试视角的时候，由于环境中临近物体间的能量在不断的传递，尤其是物体与物体直接相互接触部位，所以此时被测物体温度也受到一定程度影响，但一般影响还比较小，测试效果相对可信。从上述三种情况可看出在设计测温装置时需要对测量实际情况进行实地考察，确定被测物体对象的尺寸，选取合适的温度传感器视角，从而保证测量装置的测量精度。 （3）测量距离由于空气中悬浮微粒，水蒸气和其他气体成分的存在，自然界中的所有能量的传递都会有一定程度的衰减，被测物体辐射出的能量在传送到传感器的过程中同样都会受到外界环境的干扰，造成能量衰减，衰减程度的大小与传感器到被测物体的距离相关，距离越远衰减程度就越大。因此在使用红外传感器进行温度信号采集时，需要选取合适的距离。 （4）环境影响红外热测温的精确度还与环境温度有很大的关系，被测对象处于一定温度的环境下，自身辐射能量的同时会吸收环境的辐射能量。大气吸收，太阳辐射等因素都会影响接收器对目标红外热的接收效果。 （5）使用注意事项应该准确确定被测物体的发射率。避免周围环境高温物体对目标温度场的影响。对于透明材料，环境温度应低于被测物体温度。测温距离不应太大。不能应用于表面非常光亮的物体。例如抛光的金属表面，因为抛光的表面会造成较大误差。由于普通红外测温仪仅限于测量物体外表的温度，对于物体内部和存在有障碍物时的情况下的温度不方便测量。为了解决这种直线测量的难题，所以我们可以在其检测头部加上一小段光导纤维，同时在其前端装一个小视角的透镜，这样被测物体的辐射就能够经过透镜传到光导纤维的内部，在光导纤维里面经过多次反射后最终传至检测器,这样就可以测量有障碍物被挡住的地方的温度。2.4系统方案以89C51单片机为控制中心，它负责控制启动温度测量、接收测量数据、计算温度值、控制显示过程；红外测温模块负责温度数据的采集，并将采集到的数据通过数据端口传送给AT89C51单片机。红外热测温系统的硬件结构框图如图2-1所示： AT89C51单片机电源模块红外热测温模块RS232模块电路LCD显示模块块块 图2-1：红外热测温系统的硬件结构框图2.5 研究方法红外热测温系统的设计有三种方法，如果是对物体的全波长的热辐射进行测量，从而确定物体的辐射温度的方法称之为全辐射测温法；对物体在一定波长下的单色辐射亮度进行测量，从而来确定辐射物的亮度称为亮度测温法；对被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化来定温的方法称为比色测温法。 亮度测温法不需要环境温度补偿，发射率误差较小，所以测温精度较高，但由于工作于短波段间，因此此方法只适于高温物体的温度测量。比色测温法的光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘的影响比较小，测温误差小，但必须选择适当波段，使波段的发射率相差不大。本文选用全辐射测温法。通过TN9红外温度传感器接收红外热辐射数据，传至单片机内处理后显示在LCD显示屏上。 2.6 本章小节 本章内容主要介绍了红外热测温的原理以及应遵循的理论依据，根据系统测温原理推导出计算温度的公式。同时对运用红外温度传感器测量温度时的一些重要影响因素和设计时应需要注意的事项，如何减小该系统温度测量结果的误差做了简要说明。最后根据红外热测温原理设计出了整个系统的总体方案，简要介绍了一些重要模块的相关功能。 第3章 硬件电路设计3.1 单片机控制中心本次毕业设计系统选择以AT89C51单片机为系统的控制中心，此单片机模块的工作原理是：AT89C51单片机加载相应程序的后把红外测温模块传来的数据加以处理，送LCD显示屏显示。下图3-1是单片机处理模块的电路原理图: 图3-1：单片机处理模块电路图单片机作为红外测温系统的控制中心，它关系到整个系统的性能指标。因此它的选择是非常重要的。本测温仪选择的AT89C51RC单片机，下面是AT89C51RC单片机相关资料信息：AT89C51指令代码与8051单片机的完全兼容，具有12时钟/机器周期和6时钟/机器周期，我们可以根据具体需要任意选择，AT89C51RC系列单片机具有在系统可编程（ISP）特性，如此可以不用去购买通用编程器，单片机在用户系统上就能够实现用户程序的下载与烧录，无须将其从以生产好的产品上拆下。由于用户可以在目标系统上将程序直接下载进系统查看运行结果，故无须仿真器。 1、AT89C51RC单片机的特点： 1）增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051 CPU； 2）工作电压：3.8V-5.5V； 3）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断；共3个16位定时器/计数器，定时 器0还可以当成2个8位定时器使用； 4）工作频率范围：0-40MHz； 5）4k的Flash程序存储器； 6）片上集成512字节RAM； 7) ISP/IAP； 8) 通用I/O口，P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，作为I/O口用时需要加上拉电阻； 2、AT89C51各引脚的功能描述如下：（1）XTAL1输入到振荡器的反向放大器； XTAL2反向放大器输出，输入到内部时钟发生器。（2）RST：单片机的上电复位或掉电保护端；（3）ALE: 地址锁存有效信号输出端；（4）：片外程序存储器读选通信号输出端。3、晶振电路 晶振电路图如图3-2所示： 图3-2：晶振电路图晶振为整个系统提供时钟信号，供单片机的CPU和AD进行数据处理使用，电路中的电容C1和C2的选择在30PF左右，但是如果电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高，采用的晶振频率为32.768KHZ。4、复位电路复位电路图如图3-3所示： 图3-3：复位电路单片机长期工作难免会出死机，因此对单片机要进行定时的复位操作。复位电路由电阻、电容、二极管以及按键组成如Error! Reference source not found.-3，3.3V接到二极管然后再接按键接地。电容和电阻组成上电复位，当单片机上电时自动复位，而在单片机运行过程中则通过按键S进行手动复位。3.2 红外测温传感器此红外测温模块采用非接触式方法，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。在设计中选择合适的红外检测器已成为一个重要问题。首先考虑的是器件的以下性能参数:光谱响应范围、响应速度、有效检测面积、元件数量和检测目标的温度。本红外测温仪选用了TN9的红外探测器作为测温模块，它是一种集成的红外热探测器，内部设计有温度补偿电路和热性处理电路，因此简化了本系统的设计。 它的测量距离大约为30米，测量的回应时间大概为0.5秒。而且它还同时具备SPI接口，可以很方便地与MCU进行数据的传送工作。其相关资料如下：VDCAG TN9红外 热传感器1、红外测温传感器的引脚介绍 图3-4 红外测温传感器引脚图红外测温传感器引脚图如图3-4所示，其中V为电源引脚VCC，VCC一般为3V到5V之间大小的电压，但是该系统采用的是5V电压；D为数据接收引脚，如果没有数据接收时D就为高电平；C就为2KHz Clock输出引脚；G为接地引脚；A为测温启动信号引脚，低电平有效。当它通过红外温度传感器扫描被测物体，同时把相应的红外辐射数据通过P1.5、P1.6和P1.7口传送给单片机模块处理。TN9直流参数如表3-1所示： 表3-1：TN9直流参数 工作参数符号 数值结果单位测试条件工作最小值典型值工作最大值工作电压 VDD3.6_5.0v工作电流_69mAVDD=4.5V=600KHZ静态电流_34.5uAVDD=4.5V输入高电平3.0_uAVDD=4.5V输入低电平_0.8uAVDD=4.5V高电平输出电流_-2.0_mAVDD=4.5V=3.5低电平输出电流_2.5_mAVDD=4.5V=0.8 测试条件 -33220分辨力 1/16 =0.0625 工作范围 -1050响应时间0.5秒 精 度+/-0.6 波长 5um14um 刷新频率 1.4HZ 表3-2 ：TN9测试条件及范围参数表 2 红外测温模块时序图红外测温模块的时序图如图3-5所示，为SPI数据格式，TN9在时钟的下降沿接收数据，在完成一次温度测量的过程中需要接收5个字节大小的数据，接收正确时Sum=Item+MSB+LSB；CR称为结束标志，当CR为0x0dH时表示完成一次温度数据接收。 一帧数据包括5个Byte，每个Byte具体代表含义如下： Item：“L”(4CH): 代表目标温度，“f”(66H): 代表环境温度 MSB：8 bit Data Msb LSB：8 bit Data Lsb Sum：Item+MSB+LSB=SUM CR： 0DH,结束码 图3-5：红外测温模块时序图3 红外测温模块温度值的计算不管我们测量的是环境温度还是目标温度，只要我们检测到Item为0x4cH或0x66H的同时检测到CR为0x0dH，那么它们的温度的计算原理和方法都是相同的。计算公式为 ： 温度 = Temp/16 273.15 （3-1）其中Temp为十进制，但是测量结果却为十六进制，我们把它直接转换为十进制即可。TN9电路模块如图3-6所示： 图3-6：TN9红外测温模块电路 3.3电源模块 单片机是直流5V供电，所以需要对交流电进行降压整流，采用LM7805整流得到5V直流供给单片机使用，电路图如下图3-7：图37：整流电源电路3.4 RS232电路转换模块因为单片机中的UART和电脑串口RS232的区别仅在于电平类型的不同,电脑串口采用的是RS232电平,而单片机UART则采用TTL电平,所以如果不进行单片机与电脑串口之间的电平转换,它们就不能直接进行通信。我们通过RS232转换电路如此单片机就可以方便的同PC机进行串口通信，可以同时接收或传送外部送来的数据。MAX232对单片机与电脑串口两者之间通信的数据没有其他任何作用,只是负责将两者之间的电平进行统一,只要电平统一了,两者之间就可以进行直接通信,所以我采用了MAX232这一芯片。但是进行串行通讯时要满足一定的条件，因为RS232电路是用正负电压来表示逻辑状态的,然而TTL却是用高低电平来表示逻辑状态的,因此,为了能够和PC机接口或终端的TTL器件相连接,必须在RS232与TTL电平之间进行电平转换。近年来集成电路转换器件的使用越来越广泛。RS-232被普遍定义为一种在低速串行通信中增加通信距离的单端标准通信。RS232转换电路图如图3-8所示：图3-8：RS232转换电路图 MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换的芯片,使用+5v单电源供电。图3-8所示RXD和TXD接单片机相应接口。MAX232引脚图如图3-9所示： 图3-9：MAX232引脚图3.5 LCD显示模块液晶显示器简称LCD显示器，液晶显示模块是一种常见的人机界面，在单片机系统中的应用极其广泛。本系统采用的是1602的LCD接口。1602是一种点阵字符型液晶显示模块，可以显示两行共32个字符。因为LCD型号不同，所需要的背光电阻大小也会不同，根据具体要求可自行调节。其主要引脚的功能如下：RS：数据/命令选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。RW：读/写信号选择端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作E：使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。LCD显示电路与单片机连接图如图3-10所示： 图3-0： LCD显示电路与单片机的连接示意图 系统总体电路设计如图3-11所示 ： 图3-11： 系统总体设计电路图3.6 硬件电路功能系统硬件电路主要完成温度信号采集、信号调理、数据处理、温度显示四大功能，因此可以将硬件电路分为以下四个模块：1、信号采集本系统采用具有安全、准确、快速等优点的TN9系列数字红外温度传感器进行温度信号采集。红外温度传感器感知被测物体的温度和环境温度，然后通过内部调理电路处理，分别将被测物体红外辐射能量和环境温度信号转化为电压信号和电阻信号，再送入后续调理电路进行相应处理。2、信号处理红外温度传感器输出被测目标温度信号大都为毫伏级甚至微伏级的电压信号，其输出信号携带大量噪声，因此在进行后续处理前首先应该对传感器信号进行适当的放大滤波处理，滤除噪声，放大有用信号。此外，由于单片机只对电信号进行处理因此该模块同时还完成电阻值信号到电压信号的转换。3、数据处理由前两部分电路输出的信号都是模拟信号，而单片机只能处理数字信号，因此需要先将温度信号进行模数转换，模数转换完成后的数据才能送入单片机进行处理。单片机将所接收的数字信号通过一定的算法转换成实际温度值。4、温度显示采用LCD对被测物体温度进行实时显示，实现人机数据交互，方便对信息的查询。3.7 本章小结本章主要介绍了系统的硬件设计方案、元器件型号的选择以及每一模块的具体原理图设计。选择元器件时对该系统中主要的器件相关参数以及主要功能进行了详细的描述，对其他未介绍的模拟器件将根据电路制作实际情况而定。根据系统框图的设计，本章应用Proutues画出相应的模块的电路原理图，原理图布线。第4章 软件设计4.1 软件总体设计红外热辐射测温系统的软件结构较为简单，包含了TN9红外测温传感器软件设计、AD转换初始化、LCD显示初始化、数据转换初始化、时钟初始化、UART初始化等几部分。LCD显示部分负责将被测温度和环境温度在LCD对应位置显示出来。数据处理采用取8次转换结果求平均的方式，目的是为了减小因数据的波动和AD转换的随机性误差对结果造成的偏差；被测物体温度根据环境温度，同样采取结合计算与查表的方式来获取。系统软件流程如图4-1所示：系统初始化 开始 温度显示 时钟初始化 LCD初始化 数据处理 延时 信号采集 AD初始化UART初始化 图4-1：软件流程图4.2时钟初始化AT89C51基础时钟模块提供3种时钟信号:(1)MCLK是主时钟，其来自XTZCLK、LFXTICLK以及DCO信号经过l、2、4或8分频后得到，MCLK用于CPU和系统使用。(2)ACLK是辅助时钟，ACLK也是LFXTICLK信号经1、2、4或8分频后得到的，可用软件选择分频数，可通过软件选作外围设备的时钟信号。(3)SMCLK子时钟，SMCLK同MCLK主时钟一样可通过软件选择来自XTZCLK、LFXTICLK以及DCO信号经l、2、4或8分频后得到， SMCLK由软件选作外围模块的时钟信号。本设计中时钟信号由32.768MHZ的低速晶体整荡器产生，时钟初始化程序如下：void int_clock(void) if (CALBC1_8MHZ =0xFF | CALDCO_8MHZ = 0xFF) while(1); BCSCTL1 = CALBC1_8MHZ; / 设置DCO为8MHz DCOCTL = CALDCO_8MHZ; P5DIR |= 0x78; / 将P5.6、5、4、3 设置为输出 P5SEL |= 0x70; / 选择P5.6、5、4 因为外加晶振有可能会出现不起振的情况，所以在程序中加入了对DOC振荡器进行初始化。当外部晶振失效的时候系统会自动启用DOC振荡器，同时将其频率设为8MHZ，供系统使用。程序将P5端口的4、5、6脚设置为输出，来作为检测三种时钟信号的测试口。4.3 LCD显示初始化LCD的作用是将系统测得被测物体的实时温度信息显示出来，此次毕业设计选用的LCD1602液晶显示在使用前首先得对它的显示方式、操作方法等初始化。本设计中需要对LCD的显示方式，光标显示，字符显示进行初始化，具体程序见附录2,LCD显示初始化的流程框图如图4-2所示： 清除LCD屏幕 结束发送命令读取指令程序 延时 查忙 开始 图4-2：LCD显示初始化流程框图 4.4 UART初始化通用串行同步/异步(UART)是一个串行通信接口，它允许7或8位串行位数据流以预设的速率或外部时钟确定的速率移入、移出AT89C51单片机。在本系统中，使用它的异步模式UART，数据帧格式被定义为8位数据位、1位停止位、无奇偶校验。软件程序如下：void init_uart(void) UCA0CTL1 = UCSWRST; /初始化UCA0 UCA0CTL1 |= UCSSEL_1; /串口通信时钟为ACLK UCA0BR0 = 0x03; /波特率为9600 UCA0BR1 = 0x00; UCA0MCTL = 0x06; P3SEL = 0x30; /将P3.4、5设置为串口通信模式 UCA0CTL1 &= UCSWRST; /初始化UCA0状态机 IE2 |= UCA0RXIE; /使能UCA0接收中断4.5 串口设置串口设置主要是对串口参数进行设置，要完成上位机与硬件电路的通信，必须保证两者间的数据帧格式、比特率特性完全相同。串口设置程序如下：void CTePomDlg:SetCom() CString strtemp; int i; UpdateData (TRUE); /读取编辑框内容i=m_CtrlCbo1.GetCurSel()+1;if (m_TePom.GetPortOpen()m_TePom.SetPortOpen(FALSE);m_TePom.SetCommPort(i); /选择comif ( !m_TePom.GetPortOpen()m_TePom.SetPortOpen(TRUE);/打开串口elseAfxMessageBox(cannot open serial port);strtemp=m_Cbo2;if (m_Cbo3=NONE无) strtemp+=,n,+m_Cbo4+,+m_Cbo5; else if (m_Cbo3=ODD 奇) strtemp+=,o,+m_Cbo4+,+m_Cbo5;else strtemp+=,e,+m_Cbo4+,+m_Cbo5;m_TePom.SetSettings(strtemp); /波特率9600，无校验，8个数据位，1个停止位m_TePom.SetInputMode(1); m_TePom.SetRThreshold(1); m_TePom.SetInputLen(0); m_TePom.GetInput();/先预读缓冲区以清除残留数据4.6 红外热测温模块程序设计该系统红外测温模块的数据输出信号和脉冲信号分别接单片机P1.5和P1.6口,测温控制端接单片机的P1.7口。它的程序流程图如图4-3所示，此模块首先定义了