智能仪器期末论文

理学院S智能仪器原理与设计考试论文报告论文题目：智能红外体温计设计学生姓名：学生学号：所在班级：所在专业：总评成绩：智能红外体温计设计1、绪论1.1智能红外体温计的研究意义及功能实现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外表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到达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。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。这其中的缺乏之处，请各位老师加以批评指正。1.2本设计所做要求1.2.1总体要求：设计一个智能红外体温计。选择适宜的温度传感器和电路元器件，设计测试电路，完成体温测试。1.2.2功能要求：①实时显示体温数据②温度测量范围34-42摄氏度③有温度保持和去除功能〔可以通过按键实现〕④测量精度±0.2摄氏度1.3设计背景及方案介绍1.3.1背景随着现代科学技术的开展，传统的接触式测温方式以不能满足现代一些领域的测温需求，对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。本红外测温仪设计的出发点也正是基于此。普通温度测量技术经过相当长时间的开展已近于成熟。目前，随着经济的开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。1.3.2红外技术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。此温度测量系统比拟简单，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，开展非常快，技术比拟成熟，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。红外温度传感器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。1.3.3红外测温原理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外表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：下列图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。这说明随着温度的升高，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。1.3.4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平安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。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：DC5V±10%；4：工作环境温度≤60℃工作环境湿度≤90%；、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给。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，它把整个系统分成假设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列图1-3：图1-3红外测温仪系统的软件方案设计框图2、系统硬件设计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。下列图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其复位电路如图2-1左边上局部，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左边下局部。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：图2-2STC89C51RC单片机引脚图、STC89C51RC单片机的特点：增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU；工作电压：5.5v-3.8v；工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的0～80M，实际工作频率可达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；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，PowerDown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；14．2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：0－75℃/－40～＋85℃；17．封装形式：PDIP-40/PLCC-44/PQFP-44。2.2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，在设计中选择适宜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2KHzClock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。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，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。)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，他们的温度的计算方法都相同。计算公式：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；比方MSB为0x14H，LSB为0x2Ah，那么Temp十六进制时为0x142aH，十进制时为5162，那么测得的温度值为5162/16-273.15=39.475℃.2.3RS232A电平转换模块通过RS232转换电路单片机可以方便的同PC机进行串口通信，可以同时接收或传送外部送来的资料。但是进行串行通讯时要满足一定的条件，因为RS232是用正负电压来表示逻辑状态的,而TTL是用上下电平来表示逻辑状态的,因此,为了能够同PC机接口或终端的TTL器件连接,必须在RS232与TTL电平之间进行电平转换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，本设计采用MAX232芯片它可完成TTL到EIA双向电平的转换。RS-232C是串行数据接口标准，它规定了连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。RS-232被定义为一种在低速串行通信中增加通信距离的单端标准，它采取非均衡传输方式，即所谓的单端通信。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，发送数据时，发送端驱动器输出正电平+5～+15V，负电平为-15～-5V。无数据传输时，线上为TTL。从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平，然后返回TTL电平。接收器典型的工作电平为+3～+12V与-12～-3V。由于发送电平与接收电平的差仅为2～3V左右，所以其共模抑制能力差。加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大约为15米，最高速度为20Kb/s。RS232转换电路图如图2-7图2-6RS232转换电路MAX232C芯片介绍MAX232C是RS232与TTL电平之间进行电平转换的工具芯片，它是MAXIM公司生产、包括两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。MAX232C芯片内部有一个电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成为RS232所输出电平所需的电压。所以，采用此芯片的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。2.4电源模块STC89C51的内核共电为5v，，而此红外测温仪系统的红外测温模块和LED键盘模块的共电电压都可为5V，所以通过此电源模块后，将外部输入电压转换成5V的单片机工作电压，以保障红外测温系统的正常运行。图2-7电源电路2.5键盘模块图2-8键盘电路原理图键盘模块采用动态扫描的方式，键盘扫描电路输出端和LED显示器段码控制端口共用74HC164的输出Q0~Q7,这样减少占用更多的I/O口。本系统的键盘采用1×8行列式键盘。其工作原理为：单片机通过运行程序不断扫描键盘，检查是否有键按下，当扫描到有键按下时。经过程序处理找出按下的键值，并调用相应键操作程序完成对应的键操作。其电路原理图如图2-10所示。2.6LED显示模块LED显示模块：数码管显示按显示方式分动态显示和静态显示两种，静态显示虽然数据显示稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的电路硬件较多；动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，所谓的动态就是一位一位地轮流点亮各位显示器，对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次，利用人的视觉留感到达显示的目的。动态显示数据有闪烁感，占用CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。本设计采用的是动态显示，显示模块由两片74HC164,8个8段LED数码管组成。74HC164为8位移位存放器，当去除端〔CLEAR〕为低电平时，输出端〔QA－QH〕均为低电平。串行数据输入端〔A，B〕可控制数据。当A、B任意一个为低电平，那么禁止新数据输入，在时钟端〔CLOCK〕脉冲上升沿作用下QA为低电平。当A、B有一个为高电平，那么另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定QA的状态。引出端符号CLOCK时钟输入端CLEAR同步去除输入端〔低电平有效〕A，B串行数据输入端QA－QH输出端逻辑及封装图〔双列直插封装〕两片74HC164分别控制数码管的位选和段选，其中控制位选信号的74HC164的输出端QA~QD通过电阻、三极管与数码管的共阴极连接，用P1.2口控制CLOCK脉冲信号；另一个那么通过电阻直接与数码管连接输送显示的数字，P1.1口控制CLOCK脉冲信号。它们的CLEAR端都始终接高电平，A、B两输入端相连共同接到P1.0口上。LED显示电路原理图如图2-11：图2-10LED显示电路原理图由于键盘扫描电路和LED显示器显示电路采用动态扫描的方式，并共用同一个74HC164，所以在时间中断程序中必须先运行键盘扫描子程序，再运行LED显示子程序。动态扫描电路的扫描频率应不低于50Hz,否那么LED显示器会不稳定。键盘扫描去抖动通过应用软件的方法实现。3、系统软件设计3.1主程序模块的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，假设没有键输入，那么继续判断；假设有键输入，那么判断是否是红外测温。假设不是就返回开机显示，是那么进行红外测温，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，假设没那么继续测温，假设收到结束命令那么返回开机显示，重新判断。具体工作的流程图如下列图3-1：图3-1主程序流程图3.2红外测温程序模块该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，P1.6口,测温控制端接P1.7口。它的程序流程图如图3-2所示，此模块首先定义一个字符型数组用于存放读取到的一帧数据，然后启动测温，读取数据，数据是在脉冲的下降沿一位一位传送的。把五个字节数据都读完后判断第一个字节是否为0x4c或0x66并且第五个字节为0x0d，假设是那么计算温度值返回，否那么继续读取数据。图3-2红外测温流程图在此红外测温仪的软件设计中，温度值的计算也是一个非常重要的局部，它关系到整个产品的设计精度，因此把它的温度数据读取与计算用单独的程序给出，其流程图如图3-3。因为红外测温模块的数据是一位一位地送入单片机的，所以用双重循环，内循环接收一个字节的数据，外循环接收五个字节的数据。图3-3读测量数据流程图3.3键盘扫描程序模块本键盘的设计采用1列8行(1X8)的设计思想，它的程序流程图如下列图3-4：图3-4键盘扫描程序3.4显示程序模块在显示模块中，我们采用两片74HC164,4个8段LED数码管组成。它的工作原理是主控单片机STC89C51通过控制位选的74HC164去控制点亮不同的数码管，而另一片74HC164是用来根据主控单片机给出的不同信息，给出不同数码管所要显示的不同内容，在给出点亮信号时，数码管就显示出74HC164输出端的信息。4个8段数码管是定时循环按顺序被点亮，由于每次被点亮的时间间隔极短，也由于人眼对光亮的感觉延迟效应，所以在显示不断被刷新的同时，人眼不会有闪烁感。本显示程序首先定义了数码管的字型和字位口编码