核心力量训练对网球运动影响的研究综述及红外快速检测人体温度装置的设计与研制

PAGEPAGE1核心力量训练对网球运动影响的研究综述摘要：近年来，核心力量训练在体能训练中引起了很多人的关注，但是关于网球运动员核心力量训练的研究在国内学术界仍是一个新的研究课题。本文采用综述的形式参阅了大量的文献，通过对核心肌肉及核心力量的概念进行探究，通过分析网球技术动作中肌肉的利用阐明了核心力量对网球运动的重要性。帮助人们更好地认识核心力量训练。关键词：网球；核心力量；核心肌肉

近年来，核心力量训练(CoreTraining)在竞技体育训练中引起了极大地关注，被业内专家和教练员认为是运动员体能训练的一个重要部分，但大多数人并没有真正领会核心力量训练的实质和要点，因而未能为运动成绩的提高和体能水平的改善起到应有的作用。对国家网球队和当今网球的发展趋势研究表明，网球体能训练中运动素质的重要性依次为力量、速度、耐力、灵敏、柔韧等。力量是速度、耐力、柔韧、灵敏的基础,是运动技术掌握和提高的关键,是防止运动伤害的保证,是运动水平提高的条件。因此,力量训练的研究进展一直深受各国的体能教练的关注。在近几年间的力量训练发展中,发展运动员重心周围肌肉力量的核心力量训练(CoreTraining)成为国外众多体能训练专家和教练的研究热点。在我国有些网球运动员的体能训练中，张英波[7]在现代体能训练方法中将核心力量训练仅作为力量训练的一个辅助性的训练手段。目前核心稳定性的研究和训练方法方面的文章比较多，但理论方面研究比较缺乏，本文将就目前核心力量训练对网球运动的影响作一综述。1,核心肌肉及核心力量的定义发展探究国外的一些专家在核心肌肉具体划分上虽略有不同但范围基本一致。IanHasegawa把腹部、臀部、腰骶部、胸部和背部上的肌肉划为核心肌肉[1]。TravisBrown则以位于腹部和脊柱附近的大肌肉为核心肌肉,其中腹直肌、腹外斜肌、腹内斜肌、腹横肌和竖脊肌等是最主要的核心肌肉[2]。PaulJ.Goodman认为LPH(lumbo-pelvic-hip)联合体上的腹直肌、腹外斜肌、腹内斜肌、腹横肌、胸腰筋膜、腰方肌、髂腰肌、臀大肌、臀中肌和竖脊肌等29块肌肉都是核心肌肉[3]。总体上,核心肌群的范围是从胸的中部到大腿中部,包括正面、两侧和后面能够调控人体重心达到维持躯干平衡稳定的肌肉的统称。这些肌肉在人体运动中起到稳定、传导力量、发力减力等作用,如表1表1核心区域的肌肉起止点分布及数量肌肉起止点分布起止点都在核心起点在核心止点在核心（7对+1块） （25对） （1对）盆带肌髂肌、腰大肌、梨状肌、臀大肌、（8对）臀小肌、闭孔内肌、闭孔外肌大腿肌(9对)腹直肌、缝匠肌、股二头肌(长头)半腱肌、半膜肌、耻骨肌、长收肌、短收肌、大收肌、腹薄肌、阔筋膜肌背肌回旋肌、多裂肌、背阔肌、下后锯肌、竖棘肌（9对）棘间肌、横突间肌(棘肌、最长肌、髂肋肌)腹肌腹内斜肌、腹横肌、腹直肌腹外斜肌(5对)膈肌膈肌(1块)根据核心肌所处的位置与功能，ComerfordMottram在总结前人成果的基础上，提出了新的肌肉功能划分体系，将核心区的肌肉分为：局部稳定肌、整体稳定肌、整体运动肌三类。核心区肌肉在保持、促进核心稳定过程中是作为一个整体的功能单位进行活动的，肌肉的动员存在一定的层次性。因此在网球运动员核心肌肉训练时要依据其机制进行科学的安排和组织[6]。1996年德国一些研究者提出了躯干支撑力量[4]，这可能是关于核心力量的最早说法。核心力量的概念最早源于核心稳定性，核心稳定性的提出源于脊柱稳定性。1985年Panjabi首次提出脊柱稳定性的概念，他认为脊柱稳定性包括被动脊椎骨、主动脊柱肌肉和神经控制单元三个系统。[5]1992年，在脊柱稳定性的启发下，核心稳定性随之被其提出。尽管骨盆、髋关节和躯干部位的肌肉并不像四肢肌肉那样，直接完成人体的运动，但是，它们的“稳定性收缩”可以为四肢肌肉的收缩建立支点，提高四肢肌肉的收缩力量，同时，还可以协调不同肌肉之间的运动，加快力量的传递，整体上提高运动效率[2]。国内外一些专家对于核心力量的定位略有差异但都大致相同。黎涌明[8]等系统地从解剖学的角度从肌肉点出发,把附着在腰椎、骨盆、髋关节的肌肉进行了检索发现。2，网球击球与核心力量的关系目前对于核心力量的定位,都是停留在整体上,没有项目的划分,下面从网球不同的击球动作所参与的工作肌肉为参考依据,寻找网球运动的核心力量。表2发球和高压期间的肌肉工作用力动作工作的肌肉 随球动作阶段↑下肢比目鱼肌，腓肠肌，股四头肌，臀大肌↑躯干转动腹外斜肌，腹肌，背部伸肌↑手臂加速冈下肌，小圆肌，斜方肌，菱形肌，前锯肌，腕伸肌，前臂旋后肌加速阶段↑手臂挥动胸大肌，肩胛下肌，斜方肌，肱三头肌，腕屈肌，前臂旋前肌，肱二头肌躯干转动腹外斜肌，腹肌，背部伸肌↑下肢蹬地比目鱼肌，腓肠肌，股四头肌，臀大肌，股后肌群表3底线正手回击落地球期间的工作用力动作工作的肌肉随球动作阶段↑下肢比目鱼肌，腓肠肌，股四头肌，臀大肌↑躯干转动腹外斜肌，腹肌，背部伸肌手臂加速小圆肌，冈下肌，股三头肌，前锯肌，菱形肌，斜方肌，手腕旋伸肌，前臂旋后肌发力阶段↑向前挥拍三角肌前部，肩胛下肌，胸大肌，肩内转肌群，二头肌，前锯肌，手腕屈肌，前臂旋前肌↑躯干转动腹外斜肌，竖脊肌，腹肌↑蹬地比目鱼肌，腓肠肌，股四头肌，臀大肌表4正手抽球和截击 用力动作工作的肌肉随球动作阶段↑正手挥拍三角肌前部，胸大肌，肩内转肌群，肱二头肌，前锯肌↑躯干转动腹外斜肌，骶棘肌↑蹬地比目鱼肌，腓肠肌，股四头肌，臀大肌表4反手双手抽球和截击 用力动作工作的肌肉随球动作阶段↑反手挥拍非主控手三角肌前部，胸大肌，肩内转肌群↑反手挥拍主控手菱形肌和斜方肌前部，三角肌后部，三角肌中部胸大肌，肩外转肌群，肱三头肌，前锯肌↑躯干转动腹外斜肌，竖脊肌↑下肢蹬地比目鱼肌，腓肠肌，股四头肌，臀大肌(引自周海雄)[17]由此可以看出,共有14对肌肉位于核心区域。所有的腹肌都参与了击球过程,起点在核心部位大腿肌中的半腱肌、股二头肌长头大收肌;盆带肌中的臀大肌、臀中肌、臀小肌;背肌中的竖脊肌也参与了击球过程。同时，核心区肌群的协同活动还直接参与产生力量，并将这些力量有效地传递到肢体末端，从而使得网球击球环节末梢得到更大的叠加力量和叠加速度（如图1）。对网球运动员的发球动作所做的生物力学分析中发现：一半以上的球速来自腿部和躯干的协同发力。那些下肢和躯干不够强壮或稳定性差的运动员往往在技术方面出现问题，其根源就是他们不能在恰当的时机合理地利用各个环节形成一个动态的力量传导序列。Groundreactionforce图1网球运动员发球时不同环节力量发挥百分比（引自W.BKibler）[11](注解Groundreactionforce:地面反作用力；Ground:地面；Legs:腿部；Hips:臀部；Thunkandback:躯干和背部；Shoulder:肩部；Elbow:肘部；Wrist:腕部)3，核心力量训练与传统力量训练的区别目前人们在认识上有一个误区：常常错误地把核心稳定力量训练与传统的腰腹力量训练等同起来，其实不然。在训练方法和手段上，核心力量训练负重较轻、多维度、支撑不稳定、多深层肌肉、多大肌肉、注重神经肌肉的本体感觉，而传统的力量训练负重较重、单维度、支撑稳定、多表层肌肉、多小肌肉、注重完成的负荷强度和量。于红妍[15]等认为：稳定脊柱和骨盆肌群的核心力量训练同传统的力量训练具有很大的差别。与传统的腰腹肌训练不同，核心力量是针对核心区肌群综合训练方法，结合了核心部位肌肉的力量、灵敏、平衡和柔韧，以及本体感觉训练。突出了提高力量的传递、协调组合和控制肌肉的能力，表现在全身多肌群整体性在多个维度内同时参与运动[15]。陈小平教授[16]将核心力量训练称为核心稳定力量训练。其改变了传统力量训练在单一平面做运动，加强了屈伸、侧屈和旋转的多维运动，更接近人体自然地运动，并且避免了片面的肌力训练，导致肌力不平衡。当然，核心力量训练并没有替代和否定传统力量训练，核心力量训练摒弃了传统力量训练方法存在的弊端，有着传统体能训练不可比拟的优势，为现代运动员的体能训练提供新的思路4，核心力量对提高网球水平的作用张志武[12]利用球速实验进行测试，评价核心力量训练对专项素质的影响，结果表明，通过核心力量训练，对网球专项训练中的发球球速和正手击球球速都有着一定程度的提高。马特·维斯特根女士说：“髋部、肩部的稳定性和力量是非常重要的”。维斯特根把有肩膀、躯干和髋部组成的身体核心力量结构假设成一个“力量柱，你的技术动作就会充满能力而且还能降低伤病对身体侵袭的几率。”[13]很多文献认为：核心力量训练对网球运动员的体能训练有很重要的作用，大多数学者都认同的主要有以下几点。稳定脊柱和骨盆。核心区域就像是衔接上下半身的桥梁,其重要性就如同房子的地基一般,不但会影响四肢的动作，更负有控制全身姿势正确与否的重责。改善控制力和平衡性。提高能量输出，核心部位拥有的肌群最大，产能和储能也最多。研究也表明：下肢和躯干力量好，身体稳定性强的网球运动员，其发球速度要高于这方面弱的选手。预防运动损伤。运动员在进行快速发力动作时，强有力的核心肌群能够确保肢体在动作过程中保持在正常的位置，深层小肌肉群的稳定功能起到关键的保护作用，这预防了急性损伤的发生。5，展望随着核心力量理论的不断成熟，在网球运动体能训练中的不断的探索与应用，核心力量训练在网球训练领域将占有重要的地位。本文通过对核心肌肉及核心力量的定位，并与网球运动中的各项技术动作所需的核心肌肉相结合，进一步阐述了核心力量对网球运动的重要作用。通过分析核心力量训练与传统力量训练的区别，使核心力量的作用与影响更加清晰，更利于以后的运动员、教练员寻找最贴近网球专项训练的核心力量形式，网球专项核心力量训练将会是一个新的研究内容，相信对于网球运动员成绩的提高有重要意义。

参考文献：[1]IanHasegawa.TheUseofUnstableTrainingforEnhancingSportPerformance[J].NACA’sPerformanceTrainingJournal,2005,4(4):15-17.[2]TravisBrown.CoreFlexibilityStaticandDynamicStretchesfortheCore[J].NACA’sPerformanceTrainingJournal,2005,4(4):8-10.[3]PaulJ.Goodman.ConnectingtheCore[J].NACA’sPerformanceTrainingJournal,2004,3(6):10-14.[4]MareesDE.Sportphysiolgie[M].ko/n:SportundBuchStrau，1996：85.[5],PanjabiMM,TechD,WhiteAA1BasicbiomechanicsofthespineNeurosurgery,1980,7:76–93.[6]郭树涛，王卫星，姚旭霞等.核心稳定性-释义及形成机制：[J]北京体育大学学报，2010，33卷（8）：121-124.[7]张英波.现代体能训练方法[M].北京：北京体育大学出版社，2006.10.[8],黎涌明，于洪军，资薇，等．论核心力量及其在竞技体育中的训练—起源、问题、发展[J]．体育科学，2008（4）：19-29．[9]M.Comerford,S.Mottram.MovementDysfunction:FocusonDynamicStabilityandMuscleBlance[M].Southampton:KineticControlMovementDysfunctionCoursePublication,2000.[10]W.BKilber.Clinicalbiomechanicsoftheelbowintennis:implicationsforevaluationanddiagnosis[J].MedSciSportsExerc,1994,6(10):103-1206.[11]H.Wagner，Ch.Anders，Ch.puta，etal.Musculoskeletalsupportoflumberspinestability[J].Pathopysiology，2005，12:257-265.[12]，张志武，贾小强等.核心力量对提高网球球速的实证研究[J].北京体育大学学报.2010;33(3);125-127.[13]李珊译.建立坚不可摧的身体“核心力量柱”tennis2008.7118.[14]王卫星，李海肖.竞技运动员的核心力量训练研究[J].北京体育大学学报.2007;30(8);1120-1121.[15]于红妍，王虎，冯春辉等.核心力量训练与传统力量训练之间关系的理论思考：核心稳定性训练[J].天津体育学院学报,2008,23(6):509-511.[16]陈小平，黎涌明.核心稳定力量的训练[J].体育科学，2007，27(9):97-99.[17]周海雄，郑建岳，许强.网球运动员体能与心理训练手册[M].人民体育出版社，2008.编号毕业设计题目红外快速检测人体温度装置的设计与研制指导教师学生姓名学号专业电子信息工程教学单位物理系（盖章）目录摘要及关键词 引言 1.设计思路与原理方框图 1.1设计思路 1.2系统方框图及测量原理 2.器件选择 2.1红外器件的选择 2.2LM358放大器件 2.3温度传感器DS18B20 2.4A/D转换器TLC5492.5AT89C51单片机 2.6显示器件LM016L 3.电路设计 3.1复位电路设计 3.2上下限温度控制电路 3.3报警电路 3.4显示电路 3.5P7187红外传感电路 4.系统的调试仿真 5.源程序 参考文献 致谢 红外快速检测人体温度装置的设计与研制秦军红(德州学院物理系，山东德州253023)摘要系统由红外热释传感器、温度传感器DS18B20、高精度放大器、A/D转换器TLC549、AT89C51单片机、译码显示模块与报警电路等部分构成，实现非接触式红外快速测温，它能够在较短的时间内准确测量出人体的温度，而在测得温度超出某一范围时即启用报警电路进行超标报警。文中提出了具体设计方案，讨论了红外非接触式体温计的基本原理，进行了可行性论证。给出了电路图和程序流程图并附有源程序。由于利用了单片机及数字控制系统的优点，系统的各方面性能得到了显著的提高。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；同时也有测量值受被测物体发射率、反射热源、气氛干扰影响的弱点。关键词红外热释传感器；温度传感器；快速检测；非接触测量；A/D转换器；单片机；译码显示；超标报警AbstractThissystembyinfraredpyroelectricsensor，temperaturesensorDS18B20,highaccuracyamplifier，A/DswitchTLC549,AT89C51microcomputermastercontrolpartconstitution,decodingdemonstrationmoduleandwarningcircuit.Realizedthenon-contacttypeinfraredclinicalthermometer．Itcanbeaccurateinshortertimetomeasureatemperatureofhumanbody,butatmeasurethetemperatureoutrunsomeonescopebeinusetoreporttothepoliceelectriccircuittocarryonasupermarktoreporttothepolicenamely.Inthearticlediscussedtheinfrarednon-contacttypeclinicalthermometerbasicprinciple,proposedtheconcretedesignproposal,andhascarriedonthefeasibleproof.Andwehaveproducedthecircuitdiagramandtheprogramflowdiagramandattachthesourceprogram.Follow-ontrendofabroaddigitizewasatpresentcompliedwithinthedesignofthissystem,andtheexploitsinglymeritofpiecemachineandnumericalcontrolsystemmakestheeachsidefunctionofsystemgetthenotableraise.Withatemperaturehighresolution,fastresponse,non-disturbancemeasuredtargettemperaturedistributionfield,highaccuracyandstabilityandgood;alsohavemeasuredvaluesbythemeasuredobjectemissivity,reflectiveheat,theatmospheredisturbancesweaknesses.KeywordsPyroelectricInfraredSensors，temperaturesensor，fastcheck，noncontactmeasurement,A/Dswitch，singlechipcomputer,decodingdemonstration,excesswarning引言目前，国内传统的体温测量是用医用玻璃液体温度计（俗称体温表）、医用电子接触式温度计（常用热敏电阻作为它的感温元件等插入人体内部（舌下、肛门）或置于腋下，通过与人体接触使温度计测出人的体温。但这些体温计的缺点是测量的速度慢（约2分钟以上）。玻璃水银温度计还易碎，在使用时容易因消毒不彻底而引起交叉感染。红外快速检测人体温度装置，有效地避免国内传统的体温测量的缺点，能够在机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、写字楼、学校等人流量较大的公共场所，快速，准确，没有交叉感染地测出人体温度。

在2003年全国防“非典”斗争中，中科院上海技术物理研究所在863计划高技术成果的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究，在短时间内开发成功了“非接触式红外测温仪”，打开了国内“非接触式测量”的新篇章，但由于这种装置受一定因素影响，测量结果还有待进一步进行校正。

在国外，非接触式红外测温仪已经非常先进了，自1999年就有许多国家致力于这方面的开发研究，到现在为止很多国家的产品已经达到国际先进水平，并已广泛应用于各个领域。比如：美国早在2001年就颁布了有关红外测温仪的计量标准，美国雷泰公司生产的ST系列红外测温仪已达到世界领先水平。由于红外测温仪测量温度范围宽，除了用于人体温度检测外，还可用于电器的红外测温、供暖的红外测温、运输/汽车维修时的红外测温等各个领域。因此，它具有广泛的开发前景！

这里设计的红外快速检测人体温度装置，由红外热释传感器、温度传感器DS18B20、高精度放大器、A/D转换器TLC549、AT89C51单片机、译码显示模块与报警电路等部分构成，从原理上进行设计计算，并进行初步的制作与调试。1.设计思路与原理方框图1.1设计思路本设计中采用的热释电红外传感器是PerkinElmerOptoelectronics的P7187。温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的DS18B20。单片机是TI公司的带有LCD驱动的低功耗单片机，可以直接与LCD屏相连而不需要另外的驱动电路，它最多可以显示96段。ADC采用的是AD公司带有恒定电流源的高精度的16位∑-△AD，它为两路输入，一路与热电堆相连，另一路与热敏电阻相连。恒定电流源可以用于补偿电路中驱动热敏电阻。利用红外传感器对被测目标时的热辐射进行采集，通过转换电路将红外传感器采集到的光信号转换成电信号，再将电信号通过放大电路，A/D转换等单元电路处理后送到单片机中，最后单片机将带有数据信息的电信号进行分析处理，将电信号转变成与之相对应大小的温度值并将结果送到LCD进行显示。1.2系统方框图及测量原理1.2.1系统方框图根据设计要求，建立总的系统设计框架。总体框架图如1.2-11.2-1红外测温装置袭击框架1.2.2测量原理自然界一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量与物体本身的温度关系符合辐射定律E=E=δε（T4-T04)(公式一)公式一中：E为辐射出射度，表现物体辐射能力的强弱，单位是W／m3；δ为斯蒂芬—彼尔兹曼常数，5.67×10-8W／(m2·K4)；ε为物体的辐射率；T为物体的温度，单位K；T0为物体周围的环境温度，单位K。物体的温度越高，辐射功率就越大。相反，物体辐射功率越大，其温度也越高，利用这个公式，我们就可以知道所测量物体的温度。人体主要辐射波长在9～10μm的红红外线，通过对人体量的测量，便能准确的测量人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而能更准确的测量人体表面温度。红外测温最大的优点是测量速度快，并由于它只吸收人体对外发射的红外辐射，没有任何化学、生物因素作用于人体，所以可以安全放心使用。红外快速检测人体温度装置是利用红外传感器对被测目标时的热辐射进行采集，通过转换电路将红外传感器采集到的光信号转换成电信号，再将电信号通过放大电路，A/D转换等单元电路处理后送到单片机中，最后单片机将带有数据信息的电信号进行分析处理，将电信号转变成与之相对应大小的温度值显示输出。当人体靠近红外探测器的有效范围后，人体释放的电磁波或红外辐射会被红外热释传感器所吸收，从而引起红外热释传感器输出电压的变化。但因其输出电压信号特别小，所以要经过一定的放大处理。然后经过A/D转换等电路处理后送入单片机，单片机将传送过来的数据信号分析处理，并将起转换为相应大小的温度值显示输出。当显示的温度低于所设置的温度（T＜TL）就会启动报警电路声光报警；当显示的温度高于所设置的最高温度（T＞TH），也会启动声光电路报警。图1.2-2是红外测温的系统原理图。1.2-2系统原理图2器件选择2.1红外器件的选择2.1.1热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电性不能表现出来。某些晶体(如：PZT，LiTaO3，PVFZ等)的表面接受了红外线的辐射能量，其表面产生温度变化，随着温度的上升或下降，这些物质表面上就会产生电荷的变化。图2.1.1-1为热释电晶体表面电荷随温度变化的移动情况。图2.1.1-1热释电效应图可见，当红外线照射热释电元件时，其内部极化作用发生很大的变化，其变化部分作为电荷释放出，从外部取出该电荷就变成传感器的输出电压。由此可见，热释电传感器只有在温度变化时才有输出电压。2.1.2P7187热释电红外传感器热释电红外传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件PZT将波长在8mm～12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。P7187热释电红外探测器是由热释电红外传感器、菲涅耳透镜及电子电路组成的一种光电检测装置。他能无接触地检测人体运动时辐射出的红外线并转换成电信号输出。人体的体温约为37℃，辐射最多红外线的波长是10μm左右，而P7187对7～20μm范围波长比较灵敏，他采用了2个热释电元件PZT板，PZT板表面吸收红外线，并在受光面的内外各自安装取出电荷的一对电极，能敏感的捕捉到被测物体或光源，具有很高的灵敏度。这2个受光电极反向串联，可有效地防止背景波动以及干扰光照射时的误动作(一是环境变化引起的误动作，二是使用光调制器时的误动作)对传感器的影响，当2个受光电极同时受到红外线照射时，输出电压相互抵消而无输出，只有当人体移动时才有电压的输出，输出电压比较精确的反映了人体移动的情况。图2.1.2-1为组成结构图和P7187等效电路图。图2.1.2-1P7187热释电红外传感器结构图与等效电路图2.2LM358放大器件（1）LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。（2）LM358参数特性·内部频率补偿；·内部频率补偿；·直流电压增益高(约100dB)；·单位增益频带宽(约1MHz)；·电源电压范围宽：单电源(3—30V)；·双电源(±1.5一±15V)；·低功耗电流，适合于电池供电；·低输入偏流；·低输入失调电压和失调电流；·共模输入电压范围宽，包括接地；·差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；·输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)；2.3温度传感器DS18B202.3.1DS18B20性能特点DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；●无须外部器件；●可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；●零待机功耗；●温度以９或１２位数字；●用户可定义报警设置；●报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；●负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；2.3.2DS18B20内部结构DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2.3.2-1图2.3.2-1DS18B20其内部结构框图64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图2.3.2-2所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。图2.3.2-2DS18B20的字节定义由图2.3.2-3可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。R1R0分辨率/位温度最大转向时间/ms00993.750110187.510113751112750图2.3.2-3高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S＝1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。图2.3.2-4是一部分温度值对应的二进制温度数据。DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若T＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数据2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将0℃存器被预置在0℃所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器１的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器１重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。图2.3.2-4一部分温度对应表另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。2.4A/D转换器TLC5492.4.1TLC549的性能参数TLC549是采用IinCMOSTM技术并以开关电容逐次逼近原理工作的8为串行A/D芯片，可与通用微处理器、控制器通过I/O、CLOCKCS、DATAOUT三条口线进行串行接口。TLC549既有4MHz的片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长为17μs，允许最高转换速度达40000次/s。总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗为6mW。TLC549采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，由于其VREF-接地时，(VREF+)-(VREF-)≥1V,故可用于较小信号的采样，此外该芯片还单电源3～6V的供电范围。总之，TLC549具有控制口线少，时序简单，转换速度快，低功耗，价格便宜等特点，故我们选用TLC549作为A/D转换器件使用。TLC549的内部框图和引脚名称如图2.4.1-1图2.4.1-1TLC549内部框图2.4.2TLC549的工作原理TLC549带有片内系统时钟，该时钟与I/OCLOCK是独立工作的，无需特殊速度和相位匹配。当CS为高时，数据DATAOUT端处于高阻态，此时I/OCLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用TLC549时，共用I/OCLOCK，以减少A/D使用时的I/O控制端口。2.5AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51的管脚如图2.5-12.5-1AT89C51的管脚图1．主要特性·与MCS-51兼容·4K字节可编程闪烁存储器·寿命：1000写/擦循环·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24Hz·三级程序存储器锁定·128*8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路2.6显示器件LM016LLM016L是双行显示的液晶显示器。在温度显示方面观察较方便，相比较于LED数码管其连接电路简单而且观察方便。3电路设计根据设计要求，系统整体硬件电路包括：红外信号采集部分，环境温度采集部分，复位部分，键盘输入部分，显示部分，报警部分等电路组成。3.1复位电路设计当在AT89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持两个机器周期时，单片机内部就执行复位操作。若该引脚一直保持高电平，单片机就处于循环复位状态。我们采用的是上电与按键均有效的电路。按健复位电路是上电手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。复位电路如下图3.1-13.1-1复位电路3.2上下限温度控制电路如图3.2-1该电路由四个点动式开关构成，分别送入单片机的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7口。开始时P1.4、P1.5、P1.6、P1.7口的电位都处于高电位，此时显示屏显示当前温度，当按下控制P1.5的开关立即就会显示上限温度和下限温度。如果发现设置的温度上限过低，再点击控制P1.5的开关就会将温度上限所设置的温度降低，点击P1.7确定。如果觉得上限温度设置的过低，此时按下控制P1.4的开关，点击控制P1.5的开关就可将温度上限所设置的温度升高，同样点击P1.7确定。上述是对温度上限的设置。当需要设置温度下限的时候，我们同样需要点击控制P1.5的开关，在显示温度上限和下限时点击控制P1.6的开关就可调节温度下限，点击控制P1.4的开关就可以在升温降温间转换，设置好以后按确定按钮回到当前温度显示状态。3.2-1上下限温度控制3.3报警电路如图3.3-1发声器由P3.7口输出，当温度传感器或红外传感器所探测的温度低于或高于所设置的温度上下限，扬声器就会发出连续的报警声。图3.3-1报警电路3.4显示电路图3.3.4-1是LM016L与单片机的连接电路图。LM016L是双行显示的液晶显示器。在温度显示方面观察较方便，相比较于LED数码管其连接电路简单而且观察方便。图3.4-1显示电路3.5P7187红外传感电路如图3.5-1是红外热释传感器的工作电路图，该电路有放大和滤波功能。4系统调试仿真仿真步骤：在PROTUES中按照设计原理及设计框架搭图。利用QTH软件惊醒程序调试，生成XX.HEX文件。在PROTUES图中加载XX.HEX。观察现象。在电路图中调节滑动变阻器RV1改变红外放大电压大小，观察输出信号大小，使其信号不要超出ICL549的基准电压，以免烧坏A/D转换器ICL549。调试注意事项：调节RV1大小时注意使其信号不要超出ICL549的基准电压，以免烧坏A/D转换器ICL549。在不超过红外传感器温度上限和下限的情况下调试。5源程序TEMP_ZHDATA24HTEMPLDATA25HTEMPHDATA26HTEMP_THDATA27HTEMP_TLDATA28HTEMPHCDATA29HTEMPLCDATA2AHk0EQUP1.0K1EQUP1.4K2EQUP1.5K3EQUP1.6K4EQUP1.7DATE_SDOP2.5DATE_CSP2.6DATE_CLKP2.7BEEPEQUP3.7LCD_XEQU2FHLCD_RSEQUP2.0LCD_RWEQUP2.1LCD_ENEQUP2.2flag1equ20H.0KEY_UDEQU20H.1date_lineequp3.3ORG0000HJMPMAINMAIN:MOVSP,#60HMOVA,#00HMOVR0,#20HMOVR1,#10HCLEAR:MOV@R0,AINCR0DJNZR1,CLEARCALLSET_LCDCALLRE_18B20START:CALLRESETJNBFLAG1,START1CALLMENU_OKCALLREAD_E2CALLTEMP_BJJMPSTART2START1:CALLMENU_ERRORCALLTEMP_BJJMP$START2:CALLRESETJNBFLAG1,START1MOVA,#0CCHCALLWRITEMOVA,#44HCALLWRITECALLRESETMOVA,#0CCHCALLWRITEMOVA,#0BEHCALLWRITECALLREADcallCONVTEMPCallDISPBCDCALLCONVCALLTEMP_COMPCALLPROC_KEYSJMPSTART2PROC_KEY:JBK1,PROC_K1CALLBEEP_BLJNBK1,$MOVDPTR,#M_ALAX1MOVA,#1CALLLCD_PRINTCALLLOOK_ALARMJBK3,$CALLBEEP_BLJMPPROC_K2PROC_K1:JBK2,PROC_ENDCALLBEEP_BLJNBK2,$MOVDPTR,#RESET_A1MOVA,#1CALLLCD_PRINTCALLSET_ALARMCALLRE_18B20CALLWRITE_E2PROC_K2:CALLMENU_OKCALLTEMP_BJPROC_END:RETSET_ALARM:CALLRESET_ALARMCALLLOOK_ALARMAS0:JBK1,AS00CALLBEEP_BLJNBK1,$CPL20H.1AS00:JB20H.1,ASZ01JMPASJ01ASZ01:JBK2,ASZ02CALLBEEP_BLINCTEMP_THMOVA,TEMP_THCJNEA,#120,ASZ011MOVTEMP_TH,#0ASZ011:CALLLOOK_ALARMMOVR5,#10CALLDELAYJMPASZ01ASZ02:JBK3,ASZ03CALLBEEP_BLINCTEMP_TLMOVA,TEMP_TLCJNEA,#99,ASZ021MOVTEMP_TL,#00HASZ021:CALLLOOK_ALARMMOVR5,#10CALLDELAYJMPASZ02ASZ03:JBK4,AS0CALLBEEP_BLJNBK4,$RETASJ01:JBK2,ASJ02CALLBEEP_BLDECTEMP_THMOVA,TEMP_THCJNEA,#0FFH,ASJ011JMPASJ022ASJ011:CALLLOOK_ALARMMOVR5,#10CALLDELAYJMPAS0ASJ02:JBK3,ASJ03CALLBEEP_BLDECTEMP_TLMOVA,TEMP_TLCJNEA,#0FFH,ASJ021JMPASJ022ASJ021:CALLLOOK_ALARMMOVR5,#10CALLDELAYJMPAS0ASJ022:CPL20H.1JMPASZ01ASJ03:JMPASZ03RETRESET_ALARM:MOVDPTR,#RESET_A1MOVA,#1CALLLCD_PRINTRETRESET_A1:DB"RESETALERTCODE"TEMP_COMP:MOVA,TEMP_THSUBBA,TEMP_ZHJCCHULI1MOVA,TEMP_ZHSUBBA,TEMP_TLJCCHULI2MOVDPTR,#BJ5CALLTEMP_BJ3RETCHULI1:MOVDPTR,#BJ3CALLTEMP_BJ3CALLBEEP_BLRETCHULI2:MOVDPTR,#BJ4CALLTEMP_BJ3CALLBEEP_BLRETTEMP_BJ3:MOVA,#0CEHCALLWCOMMOVR1,#0MOVR0,#2BBJJ3:MOVA,R1MOVCA,@A+DPTRCALLWDATAINCR1DJNZR0,BBJJ3RETBJ3:DB">H"BJ4:DB"<L"BJ5:DB"!"TEMP_BJ:MOVA,#0CBHCALLWCOMMOVDPTR,#BJ1MOVR1,#0MOVR0,#2BBJJ1:MOVA,R1MOVCA,@A+DPTRCALLWDATAINCR1DJNZR0,BBJJ1RETBJ1:DB00H,"C"MENU_OK:MOVDPTR,#M_OK1MOVA,#1CALLLCD_PRINTMOVDPTR,#M_OK2MOVA,#2CALLLCD_PRINTRETM_OK1:DB"DS18B20OK",0M_OK2:DB"TEMP:",0MENU_ERROR:MOVDPTR,#M_ERROR1MOVA,#1CALLLCD_PRINTMOVDPTR,#M_ERROR2MOVA,#2CALLLCD_PRINTRETM_ERROR1:DB"DS18B20ERROR",0M_ERROR2:DB"TEMP:",0RESET:setbdate_linenopclrdate_linemovr0,#6bhmovr1,#04htsr1:djnzr0,$movr0,#6bhdjnzr1,tsr1setbdate_linenopnopnopmovr0,#32htsr2:jnbdate_line,tsr3djnzr0,tsr2jmptsr4tsr3:setbflag1jmptsr5tsr4:clrflag1jmptsr7tsr5:movr0,#06bhtsr6:djnzr0,$tsr7:setbdate_lineretRE_18B20:JBFLAG1,RE_18B20ARETRE_18B20A:CALLRESETMOVA,#0CCHLCALLWRITEMOVA,#4EHLCALLWRITEMOVA,TEMP_THLCALLWRITEMOVA,TEMP_TLLCALLWRITEMOVA,#7FHLCALLWRITERETWRITE_E2:CALLRESETMOVA,#0CCHLCALLWRITEMOVA,#48HLCALLWRITERETREAD_E2:CALLRESETMOVA,#0CCHLCALLWRITEMOVA,#0B8HCALLWRITERETSTORE_DATA:MOVA,#40HCALLWCOMMOVR2,#08HMOVDPTR,#D_DATAMOVR3,#00HS_DATA:MOVA,R3MOVCA,@A+DPTRCALLWDATADJNZR2,S_DATARETD_DATA:DB0CH,12H,12H,0CH,00H,00H,00H,00Hwrite:movr2,#8CLRCwr1:clrdat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