基于单片机的非接触式红外测温仪设计

非接触式红外测温仪设计摘 要温度测量技术应用十分广泛，而且在现代设备故障检测领域中也是一项非常重要的技术。但在某些应用领域中，要求测量温度用的传感器不能与被测物体相接触，这就需要一种非接触的测温方式来满足上述测温需求。本论文正是应上述实际需求而设计的红外测温仪。红外测温仪是以黑体辐射定律作为理论基础，是光学理论和微电子学综合发展的产物。与传统的测温方式相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。本文介绍了红外测温仪测温的基本原理和实现方法，提出了以 STC89C51 单片机为其核心控制部件的红外测温系统。详细介绍了该系统的构成和实现方式，给出了硬件原理图和软件的设计流程图。该系统主要由光学系统、光电探测器、显示输出等部分组成。光学系统汇集其视场内目标的红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。STC89C51 单片机负责控制启动温度测量、接收测量数据、并按照单片机中的温度值计算算法计算出目标的温度值再通过 LED 把结果显示出来。关键词: STC89C51 单片机，红外测温，LED 显示THE DESIGN OF NONCONTECT INFRARED THERMOMETER ABSTRACTThe technology of temperature measurement is used widespread, and it also 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 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 series 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 MCU 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 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 arithmetic with in MCU and the result is displayed on LED.KEYWORDS: The STC89C51 MCU, infrared radiation thermometry, the LED display目 录前 言 .1第一章 红外测温系统的设计背景及方案介绍 .21.1温度测量技术的概述 .21.1.1、红外温度测量技术 .21.1.2、红外温度传感器 .31.2红外测温原理及方法 .31.2.1、红外测温原理 .31.2.2、红外测温的方法 .41.3 红外测温系统的方案介绍 .51.3.1、红外测温仪系统的技术指标及主要功能 .51.3.2、红外测温仪的硬件系统方案设计 .61.3.3、红外测温仪的应用软件系统的方案设计 .6第二章 红外测温系统的硬件设计 .72.1 单片机处理模块 .72.1.1、STC89C51RC 单片机的特点： .92.1.2、STC89C51 各引脚的功能描述如下： .102.2红外测温模块 .102.2.1、红外测温传感器的引脚介绍 .112.2.2、红外测温模块的时序 .112.3 RS232A 电平转换模块 .122.4 电源模块 .132.5 键盘模块 .142.6 LED 显示模块 .14第三章 红外测温系统的软件设计 .173.1 主程序模块的设计 .173.2 红外测温程序模块 .183.3 键盘扫描程序模块 .203.4 显示程序模块 .22总 结 .23参考文献 .24附 录 .24英文翻译 .26前 言 温度是确定物质状态的重要参数之一，它的测量与控制在国防、军事、科学研究以及工农业生产中占有十分重要的地位。在工业生产中，我们通常通过测量设备表面的温度来监测设备的运行状况，而现代的工业设备往往是在高电压、大电流等危险情况下运行的，传统依靠人工接触式检测的方法既浪费时间、人力，又带有一定的危险性，同时对测温仪所采用的材质也有严格的限制。因此有必要去应用一种新的方式去检测目标系统的温度，确保设备的平稳运行。针对现代故障检测非接触技术指标的要求，本文讨论了这种非接触红外辐射温度测量技术，这种技术通过测量物体的红外辐射而达到测量物体温度的目的。本测温仪是基于 STC89C51 单片机的红外测温仪，首先它是根据实际需要制定的红外测温的性能指标和功能要求，然后由此具体设计出了硬件电路原理图及其相关软件。本论文的第一章简要地介绍了现代测温技术的发展背景、红外辐射测温原理以及本测温仪的总体设计方案；第二章系统地介绍了红外测温仪的硬件设计及其各硬件模块的功能与原理图；第三章则概述性的介绍了本红外测温仪的软件设计，以流程图的方式介绍了各个功能的具体实现。由于时间紧迫，知识面窄等因素，该系统并非非常完善，还有一些方面需要进一步的修改与调试。这其中的不足之处，请各位老师加以批评指正。第一章 红外测温系统的设计背景及方案介绍红外测温技术在生产过程中，在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发挥了着重要作用。近 20 年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。比起接触式测温方法，红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。非接触红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。在不同规格的各种型号测温仪中，正确选择红外测温仪型号对用户来说是十分重要的。红外检测是一种在线监测(不停电)式高科技检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，通过接收物体发出的红外线(红外辐射)，将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况，具有准确、实时、快速等优点。任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像” 。红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况。目前应用红外诊技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。红外诊断技术对电气设备的早期故障缺陷及绝缘性能做出可靠的预测，使传统电气设备的预防性试验维修(预防试验是 50 年代引进前苏联的标准)提高到预知状态检修，这也是现代电力企业发展的方向。特别是现在大机组、超高电压的发展，对电力系统的可靠运行，关系到电网的稳定，提出了越来越高的要求。随着现代科学技术不断发展成熟与日益完善，利用红外状态监测和诊断技术具有远距离、不接触、不取样、不解体，又具有准确、快速、直观等特点，实时地在线监测和诊断电气设备大多数故障(几乎可以覆盖所有电气设备各种故障的检测)。它备受国内外电力行业的重视(国外 70 年代后期普遍应用的一种先进状态检修体制)，并得到快速发展。红外检测技术的应用，对提高电气设备的可靠性与有效性，提高运行经济效益，降低维修成本都有很重要的意义。是目前在预知检修领域中普遍推广的一种很好手段，又能使维修水平和设备的健康水平上一个台阶。目前应用红外诊断技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。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，对医学的发展有很重大的意义。自从 1800 年英国天文学家 FW赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到 1940 年前后才真正出现现代的红外技术。当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。其中有些达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。对于红外传感器的全球市场，第三世界国家将比欧美更加看好。虽然欧美很多工业国家加工业广泛，但其市场以趋向饱和；而在中国以及拉美一些新兴国家和地区，随着其经济的复苏与发展，各国各地区纷纷加强工业化建设，加工厂不断增多，红外传感器在该区域的销量每年以 25的速度增长，并且其市场销量还处于增长趋势。我国的红外检测技术的发展起步比较晚，直到 2003 年非典的袭击，我国才迅速诞生了一支专门抗击非典的医疗仪器队伍，特别是在红外体温检测仪的研发方面取得了突出的成就。国家相关部门也在重点强调非接触式体温计的研发。随着工农业、 国防事业、 医 学 的 发 展 ， 对 温 度 测 量 越 来 越 迫 切 。 在 某 些 场合 ， 温 度 测 量 逐 步 上 升 为 主 要 矛 盾 ， 引 起 了 个 方 面 的 普 遍 重 视 。 例 如 在 不 停 机的 情 况 下 对 机 械 设 备 、 电 力 设 备 、 生 产 设 备 等 进 行 温 度 测 量 ； 在 不 能 造 成 产 品的 污 染 或 损 坏 的 情 况 下 对 成 产 过 程 或 仓 库 的 产 品 温 度 进 行 测 量 ； 在 医 学 领 域 内 ，为 了 了 解 病 人 的 身 体 状 况 ， 需 要 对 病 人 身 体 的 各 个 铺 位 的 温 度 进 行 安 全 的 测 量 。在 这 种 背 景 下 使 用 方 便 、 可 快 速 对 物 体 温 度 进 行 非 接 触 ， 无 损 测 量 的 红 外 测 温技 术 得 到 的 了 极 大 的 发 展 。非接触红外测温的优点如下：a.它的测量不干扰被测温度场，不影响温场的分布，从而具有较高的测量准确度；b.温度范围宽。在理论上无测量上限，可以测量相当高的温度；c.测量器的反应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量；d.不必接触被测物体，操作方便；e.可以确定微小目标的温度。从根本上解决普通温度测量技术在不能再测量条件下测量的难题，所以研究红外测温的意义重大。本红外测温仪设计的出发点也正是基于此。在本章中简要介绍了温度测量技术的发展，在此基础上进一步概述了红外测温的原理与方法，并给出了本仪器的设计方案。1.1温度测量技术的概述普通温度测量技术经过相当长时间的发展已近于成熟。目前，随着经济的发展日益需要的是在特殊条件(如高温、强腐蚀、强电磁场条件下或较远距离)下的温度测量技术。因此，当前研究的重点也在于此。1.1.1、红外温度测量技术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，成木较低，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。1.1.2、红外温度传感器红 外 技 术 发 展 到 现 在 ， 已 经 为 大 家 所 熟 知 ， 这 项 技 术 在 现 代 科 技 、 国 防科 技 和 工 农 业 科 技 等 领 域 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 红外温度传感器按照测量原理可以分为两类:光电红外温度传感器和热电红外温度传感器。本红外测温仪选用热电红外温度传感器。热电红外温度传感器是利用红外辐射的热效应，通过温差电效应、热释电效应和热敏电阻等来测量所吸收的红外辐射，间接地测量辐射红外光物体的温度。本设计根据现代非接触故障检测技术的需求选用了型号为凌阳的TN9温度传感器。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。1.2红外测温原理及方法1.2.1、红外测温原理红外测温由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。 在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布 与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为 1。但是，自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体，为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称 黑体辐射定律。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于 1 的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因素在：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。 当 用 红 外 辐 射 测 温 仪 测 量 目 标 的 温 度 时 首 先 要 测 量 出 目 标 在 其 波 段 范 围内 的 红 外 辐 射 量 ， 然 后 由 测 温 仪 计 算 出 被 测 目 标 的 温 度 。 单 色 测 温 仪 与 波 段 内的 辐 射 量 成 比 例 ； 双 色 测 温 仪 与 两 个 波 段 的 辐 射 量 之 比 成 比 例 红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定，即：21/5CMe下图 1-1 是不同温度下的黑体光谱辐射度图：图1-1 不同温度下的黑体光谱辐射度从上图中曲线可以看出黑体辐射具有几个特征: 在任何温度下，黑体的光谱辐射度都随着波长连续变化，每条曲线只有一个极大值； 随着温度的升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减小。这表明随着温度的升高，黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加； 随着温度的升高，黑体辐射曲线全面提高，即在任一指定波长处，与较高温度相应的光谱辐射度也较大，反之亦然。1.2.2、红外测温的方法依据测温原理的不同，红外测温仪的设计有五种方法a.全辐射测温法它是根据测量波长从零到无限大整个光谱范围物体的总辐射功率用黑体定标的仪器来确定物体的温度。其总辐射功率的大小与被测对象温度之间的关系是由斯蒂芬- 玻尔兹曼定律来描述。b.亮度测温法它是根据测量给定波长 K0 附近一窄光谱范围的辐射用黑体定标的仪器来确定物体的温度, 适用于高温测量。c.双波段测温法 它是根据测量两个给定波长 K1 和 K2 的辐射功率之比, 用黑体定标的仪器来确定物体的温度, 适合测量发射率变化或未知的物体, 但只适合于测量辐射能量密度大的高温物体。这 3 种方法均由普朗克定律来描述。d.多波段测温法依次取多个波段, 通过计算这些波段辐射功率之间的复杂关系来确定物体的温度。e.最大波长测温法由维恩位移定律, 黑体辐射峰值波长 Kmax 与绝对温度 T 之积为一常数, 通过测量峰值波长 Kmax 来计算温度 T。此法常用测量极高温(大于 2 000 C)。由此可见, 非接触红外测温有以下的缺点：测得的温度值是测量对象的表面温度, 且必须用发射率进行修正, 增加了测量的复杂性; 周围介质的影响引起测量误差。亮度测温法无需环境温度补偿，发射率误差较小，测温精度高，但工作于短波区，只适于高温测量。比色测温法的光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘影响小，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来计算被测量物体的温度，全辐射测温法是根据所有波长范围内的总辐射而定温，得到的是物体的辐射温度。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，而且结构简单，成本较低，但它的测温精度稍差，受物体辐射率影响大。下面是全辐射测温法的相关方法介绍：由普朗克公式可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系式：V=RaT4=KT4式中 K=Ra，由实验确定，定标时 取 1T被测物体的绝对温度R探测器的灵敏度a与大气衰减距离有关的常数辐射率斯蒂芬玻耳兹曼常数因此，可以通过检测电压而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号与目标温度呈非线性关系，V 与 T 的四次方成正比，所以要进行线性化处理。线性化处理后得到物体的表观温度，需进行辐射率修正为真实温度， 其校正式为：4()rT式中 Tr辐射温度( 表观温度 )(T) 辐射率，取 0.10.9由于调制片辐射信号的影响，辐射率修正后的真实温度为高于环境的温度，还必须作环温补偿，即真实温度加上环温才能最终得到被测物体的实际温度。1.3 红外测温系统的方案介绍红外测温技术在生产过程中，在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发挥了着重要作用。可以对正在运行的设备进行非接触检测，拍摄其温度场的分布、测量任何部位的温度值，据此对各种外部及内部故障进行诊断，具有实时、遥测、直观和定量测温等优点，用来检测发电厂、变电所和输电线路的运转设备和带电设备非常方便、有效。用红外测温仪，你可连续诊断电子连接问题和查找连接处的热点，以检测设备的功能状态，还可检验电池组件和功率配电盘接线端子，开关齿轮或保险丝连接，防止能源消耗。此红外测温仪的特点：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、稳定性好等优点。该设计方案主要包括：软件设计部分与软件设计部分。1.3.1、红外测温仪系统的技术指标及主要功能1：温度测量精度1 ；2：温度测量的分辨率 0.1：2：LED 显示；3：电源：DC 5V10%；4：工作环境温度60 工作环境湿度90%；1.3.2、红外测温仪的硬件系统方案设计本红外测温仪采用模块化的设计思想，它的硬件结构由 STC89C51 单片机模块，红外测温模块， RS232 转换电路模块，电源模块，键盘模块和 LED 显示模块组成。STC89C51 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、并根据取得的键值控制显示过程；红外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 STC89C51 单片机； RS232 转换电路模块可以使单片机方便地同 PC 机进行串口通信，并可以同时接收或传送外部送来的资料；通过键盘模块可以方便地进行测温及各种操作；LED 显示模块把测量的温度值直观地显示给观测者；电源模块负责本红外测温仪电源的供应。主 要 技 术 指 标 ：（ 1） 核 心 器 件 采 用 STC89C51 单 片 机 设 计 电 路 ；（ 2） 测 量 温 度 传 感 器 采 用 TN9 红 外 传 感 器 ；（ 3） 采 用 数 码 管 显 示 器 显 示 测 量 温 度 值 ；（ 4） 设 计 硬 件 电 路 并 编 译 有 关 软 件 程 序 ；（ 5） 测 量 温 度 范 围 不 超 过 -33-220此红外测温仪系统的硬件结构框图如图 1-2 所示：图 1-2 红外测温仪系统的硬件方案设计框图1.3.3、红外测温仪的应用软件系统的方案设计此红外测温仪的软件设计同样采用模块化的设计思想，它把整个系统分成若干模块分别予以解决，它包括主程序模块，红外测温模块，键盘扫描模块和显示模块。主程序模块主要完成系统初始化，温度的检测，串行口通信，键盘和显示等功能。其中系统初始化包括: 时间中断的初始化、外部中断源的初始化、串口通信中断的初始化、LED 显示的初始化。红外测温模块包括：获取温度数据，计算温度值。键盘扫描模块 ：获取按键信息，处理按键请求等。显示模块：获取并处理相应的温度数据，在此红外测温仪的软件系统设计中，时钟的设置是相当重要的，通过时钟的设置才能获得良好的时钟频率，这个时钟频率是整个软件系统是否能正常有序地运行的关键。具体的软件方案设计如下图 1-3：主程序模块红外测温 键盘扫描 显示模块 通 信 模块图 1-3 红外测温仪系统的软件方案设计框图第二章 红外测温系统的硬件设计基于 STC89C51 单片机的红外测温仪的硬件设计采用目前使用比较广泛的模块化设计思想，将整个系统分成六大模块：单片机处理模块；红外测温模块； RS232 转换电路模块；电源模块；键盘模块和 LED 显示模块。通过划分模块的方法，可以把一个复杂的问题分割成几个相对容易解决的问题，分别予以解决，大大简化了设计的难度。2.1 单片机处理模块该红外测温仪是以 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LED 显示屏显示。下图 3-1 是单片机处理模块的电路原理图图 2-1 单片机处理模块电路图复位电路复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的按钮复位。其复位电路如图 2-1 左边上部分，本单片机处理模块是通过开关手动复位的，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，这样做的目的是便于根据实际情况而选择是否复位温度测量数据。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 2-1 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。单片机作为红外测温仪的核心处理部件，它关系到整个仪器的性能指标。因此它的选择是非常重要的。本测温仪选择的 STC89C51RC 单片机，下面是STC89C51RC 单片机相关资料信息：STC89C51RC 单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周期可任意选择，最新的 D 版本内部集成 MAX810 专用复位电路。STC89C51RC 系列单片机具有在系统可编程（ISP）特性，这样可以省去购买通用编程器，单片机在用户系统上即可下载/烧录用户程序，无须将单片机从以生产好的产品上拆下。对于一些尚未定型的设计可以一边设计一边完善，加快了设计速度，减少了一些软件缺陷风险。由于可以在用户的目标系统上将程序直接下载进单片机看运行结果，故无须仿真器。下图 2-2 是此单片机的引脚图：图 2-2 STC89C51RC 单片机引脚图各引脚功能如下：a.电源及接地GND:电源接地端。Vcc:供电电压即正常运行和编程校验时为+5V 电源(士 10%)。b.时钟及复位信号XTAL1:是片内振荡器反相放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。当采用外部振荡器为时钟源时，此脚必须接地。XTAL2:是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。使用外部振荡器时，可由此脚引入外部时钟信号。RST:复位信号输入端，高电平有效。若此输入端保持 2 个机器周期（24 个时钟振荡周期）以上的高电平，即可以将 89C51 完成复位操作。此外，RST 引脚的第二功能是 VPD，即备用电源的输入端。当主电源 Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，单片机自动将+5v 电源接入 RST 端，为 RAM 提供备用电源，以保证存储在RAM 中的信息不丢失，以使复电后能继续正常运行。c. :地址锁存允许/编程信号端。当 89C51 上电正常工作后，ALE 管脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的六分之一。CPU 访问片外存储器时，此信号作为锁存地址总线的低 8 位地址的控制信号。因此 ALE 信号可以对外输出时钟或定时信号。ALE 端的负载驱动能力为 8 个 LS 型 TTL。e.Error!：程序存储允许输出信号端。在访问片外存储器时，此端定时输出脉冲作为读片外存储器的选通信号。此管脚接 EPROM 的 OE 端，PSEN 端有效，即允许读出 EPROM/ROM 中的指令码。当 CPU 访问外部程序存储器时，要产生两次 PSEN负脉冲信号，当 CPU 访问内部程序存储器时，PSEN 不跳变。此端驱动 8 个 LS 型TTL。e.Error!/VPP:外部程序存储器地址通话输入端/固化编程电压输入端。当 EA 端接高电平时，CPU 只访问片内 EPROM 并执行内部程序存储器中的指令，但在 PC 的值超过 0FFFH 时，将自动转向执行片外程序存储器内的程序。当 EA 端接低电平时，则 CPU 只访问外部 EPROM 并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。此管脚的第二功能 Vpp 是对 89c51 片内 EPROM 固化编程时，作为施加较高编程电压的输入端。f.I/O 端口引脚：I/O 端口 P0P3（地址为 80H，90H，A0H，B0H） ，且 P0P3 为四个 8 位特殊功能寄存器，特殊功能寄存器位地址表详见附录 A 所示。分别为四个并行 I/O 端口的锁存器。它们都有字节地址，每一个端口锁存器还有位地址，所以每一条 I/O 线独立地用做输入或输出时，数据可以锁存；作输入时，数据可以缓冲。P0.0P0.7: P0 口是一个 8 位漏极开路的 8 位准双向 I/O 端口，每位可驱动 8个 LS 型 TTL 负载，故有较强的带负载能力。在 CPU 访问片外存贮器时，P0 口是分时提供 8 位地址和 8 位数据的复用总线。当 P0 口作为输入口使用时，应先向锁存器（地址 80H）写入全 1，此时 P0 口的全部管脚浮空，可作为高阻抗输入或者通过外接上拉电阻。作输入口使用时要先写 1，这就是准双向的含义。在访问外接扩展存储器时，地址数据总线分时复用。即在指令的前半周期，PO 口作为地址总线的低 8 位输出，在 ALE 信号的下降沿该地址被锁存，在指令的后半周期用做 8 位数据总线。P1.0P1.7: P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 端口，其某一闰的电路结构如图 4.2 所示。每位可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。当 P1 口用做输入口使用时，应先向 P1 口锁存器（地址 90H）写入全 1，此时 P1 端口管脚会被内部上拉电阻拉至高电平。当 P1 口输出高电平时，能向外提供拉电流负载，所以不必再接上拉电阻。在端口用做输入时，也必须先向对应的锁存器写入“1” ，使 FET 截止。由于片内负载电阻较大，约 2040K，所以不会对输入的数据产生影响。上拉电阻是两个场效应管（FET）并在一起，一个 FET 为负载管，其电阻固定；另一个 FET 可工作在导通或截止两种状态，使其总电阻值变化近似为 0 或阻值很大两种情况。当阻值近似为 0 时，可将管脚快速上拉至高电平；当阻值很大时，P1 口为高阻输入状态。P2.0P2.7: P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 端口。P2 口缓冲器能接收，输出 4 个 TTL 门电流，每位可驱动 4 个 LS 型的 TTL 负载，在访问外接存储器器时，用做高 8 位地址输出。当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的原故。P3 口是一个多功能端口，其某一位的结构如图 4.3 所示。P3.0P3.7: P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，每位可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载，其功能和驱动能力与 P1 口、P2 口相同。此外，P3 口与其它 I/O 端口有很大区别，它除作为一般准双向 I/O 口外，还具有特殊的控制功能:P3.0(RXD):串行数据接收端（串行口输入） 。P3.1(TXD):串行数据发送端（串行口输出） 。P3.2(INT0):外部中断 0，低有效。P3.3(INT1):外部中断 1，低有效。P3.4(T0):计时器 0 外部时钟输入。P3.5(T1):计时器 1 外部时钟输入。P3.6(WR):片外数据存储器写选通控制输出。P3.7(RD):片外数据存储器读选通控制输入。对比 P1 口的结构图不难看出，P3 口与 P1 口的差别在于多了与非门 3 和缓冲器4，正是这两个部分，使得 P3 口除了具有 P1 口的准双向 I/O 功能之外，还可以使用各管脚所具有的第二功能。与非门 3 的作用实际上是一个开关，决定是输出锁存器上的数据还是第二输出功能的信号。当 W=1 时，输出 Q 端信号；当 Q=1 时，可输出 W 线信号。编程时，可不必事先由软件设置 P3 口为第一功能（通用 I/O 口）还是第二功能。当 CPU 对 P3 口进行 SFR 寻址（位或字位）访问时，由内部硬件自动将第二功能输出线置为 1，这时 P3 口为通用 I/O 口；当 CPU 不把 P3 口作为 SFR 寻址访问时，即用做第二功能输出/输入线时，由内部硬件锁存器 Q=1。2.1.1、STC89C51RC 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：5.5v-3.8v；3. 工作频率范围：0-40MHz，相当于普通 8051 的 080M，实际工作频率可达 48MHz；4. 4k 的 Flash 程序存储器；5. 片上集成 512 字节 RAM；6. ISP/IAP，无须专用编程器/仿真器；7. 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；8. EEPROM 功能；9. 看门狗；10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）11共 3 个 16 位定时器/计数器，其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用；12外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；13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；142 个数据指针；15通用异步串行口（UATR） ，还可用定时器软件实现多个 UATR；16工作温度范围：075/4085；17封装形式：PDIP-40/PLCC-44/PQFP-44。2.1.2、STC89C51 各引脚的功能描述如下：（1）电源和晶振：V CC运行和程序校验时加的电压；VSS接地；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。PSEN2.2红外测温模块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P1.5和P1.6 口传送给单片机模块。图 2-3 是红外测温模块电路图：图 2-3 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TN9的红外探测器作为测温模块，它是一种集成的红外探测器，内部有温度补偿电路和线性处理电路，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：2.2.1、红外测温传感器的引脚介绍红外测温元件H J S E N S O RVDCGA图 2-4 红外测温传感器引脚图红外测温传感器引脚图如图 2-4，其中 V 为电源引脚 VCC，VCC 一般为 3V到 5V 之间的电压，一般取 3.3V；D 为数据接收引脚，没有数据接收时 D 为高电平；C 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。 量程一般在-33-200/-27-428F，工作温度在-10-50 /14-122F，精度在 0.6，反应时间 1sec，重量 8g。2.2.2、红外测温模块的时序红外测温模块的时序图如图 2-5。TN9 红外传感器向单片机发送一帧数据共有 5 个 BYTE 组成，每个 BYTE 位的含义如下：Item：如果为 4CH 代表此帧测量为目标温度，为 66H 代表此帧测量为环境温度。MSB：数据高八位。LSB：数据低八位。SUM:校验位 SUM=Item+MSB+LSB。CR：0DH 为结束码。在 CLOCK 的下降沿时接收数据。(例：如果一次温度测量需接收 5 个字节的数据，这 5 个字节中：Item 为 0x4c 表示测量目标温度，为 0x6c 表示测量环境温度；MSB 为接收温度的高八位数据； LSB 为接收温度的低八位数据； Sum 为验证码，接收正确时 Sum=Item+MSB+LSB；CR 为结束标志，当 CR 为 0xodH 时表示完成一次温度数据接收。)5 0 0 n sB y t e 0I t e m M S B L S B S u m C RM e s s a g e f o r m a t 0 . 1 s e c2 0 n sD A T AD A T AC L O C KD A T A图 2 - 5 图 图 图 图 图 图 图红外测温模块温度值的计算以上面的例子：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