【正文】 STC89C51 單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制中心，它負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)溫度測量、接收測量數(shù)據(jù)、計(jì)算溫度值、并根據(jù)取得的鍵值控制顯示過程；紅外測溫模塊負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集、測量，并將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)端口傳送給 STC89C51 單片機(jī)； RS232 轉(zhuǎn)換電路模塊可以使單片機(jī)方便地同 PC 機(jī)進(jìn)行串口通信，并 可以同時(shí)接收或傳送外部送來的資料 ；通過鍵盤模塊可以方便地進(jìn)行測溫及各種操作； LED 顯示模塊把測量的溫度值直觀地顯示給觀測者；電源模 塊負(fù)責(zé)本紅外測溫儀電源的 6 供應(yīng)。該設(shè)計(jì)方案主要包括：軟件設(shè)計(jì)部分與軟件設(shè)計(jì)部分 。 紅外測溫系統(tǒng)的方案介紹 紅外測溫技術(shù)在生產(chǎn)過程中，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測，設(shè)備在線故障診斷和安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。選用這種方法是因?yàn)?中低溫物體的波長較大，輻射信號(hào)很弱，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但它的測溫精度稍差，受物體輻射率影響大。 4 二 、 紅外測溫的方法 依據(jù)測溫原理的不同，紅外測溫儀的設(shè)計(jì)有三種方法，通過測量輻射物體的全波長的熱輻射來確定物體的輻射溫度的稱為全輻射測溫法；通過測量物體在一定波長下的單色輻射亮度來確定它的亮度溫度的稱為亮度測溫法；如果是通過被測物體在兩個(gè)波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化來定溫的稱為比色測溫法。 167。 3 熱電紅外溫度傳感器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)，通過溫差電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)和熱敏電阻等來測量所吸收的紅外輻射，間接地測量輻射紅外光物體的 溫度。 在這種溫度測量技術(shù)中紅外溫度傳感器的選擇是非常重要的，而且不僅在點(diǎn)溫度測量中要使用紅外溫度傳感器，大面積溫度測量也可使用紅外溫度傳感器。目前，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展日益需要的是在特殊條件 (如高溫、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)電磁場條件下或較遠(yuǎn)距離 )下的溫度測量技術(shù)。本紅外測溫儀設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)也正是基于此。 本論文的第一章簡要地介紹了現(xiàn)代測溫技術(shù)的發(fā)展背景、紅外輻射測溫原理以及本測溫儀的總體設(shè)計(jì)方案；第二章系統(tǒng)地介紹了紅外測溫儀的硬件設(shè)計(jì)及其各硬件模塊的功能與原理圖；第三章則概述性的介紹了本紅外測溫儀的軟件設(shè)計(jì)，以流程圖的方式介紹了各個(gè)功能的具體實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)生產(chǎn)中，我們通常通過測量設(shè)備表面的溫度來監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀 況，而現(xiàn)代的工業(yè)設(shè)備往往是在高電壓、大電流等危險(xiǎn)情況下運(yùn)行的，傳統(tǒng)依靠人工接觸式檢測的方法既浪費(fèi)時(shí)間、人力，又帶有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)對測溫儀所采用的材質(zhì)也有嚴(yán)格的限制。 主程序模塊的設(shè)計(jì) .............................. 17 167。 RS232A 轉(zhuǎn)換電路模塊 ............................ 12 167。 紅外測溫原理及方法 .............................. 3 167。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)目標(biāo)的紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。與傳統(tǒng)的測溫方式相比，具有響應(yīng)時(shí)間短、非接觸、不干擾被測溫場、使用壽命長、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。 i 非接觸式紅外測溫儀設(shè)計(jì) 摘 要 溫度測量技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，而且在現(xiàn)代設(shè)備故障檢測領(lǐng)域中也是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。 紅外測溫儀是以黑體輻射定律作為理論基礎(chǔ)，是光學(xué)理論和微電子學(xué)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。該系統(tǒng)主要由 光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、顯示輸出等部分組成。 溫度測量技術(shù)的概述 .............................. 2 167。 紅外測溫模塊 ................................... 10 167。 LED 顯示模塊 ................................... 14 第三章 紅外測溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .......................... 17 167。 顯示程序模塊 .................................. 22 總結(jié) .................................................... 23 參考資料 ................................................ 24 致 謝 ................................................... 24 附 錄 ................................................... 24 英文翻譯 ................................................ 26 1 前 言 溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)之一，它的測量與控制在國防、軍事、科學(xué)研究以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。本測溫儀是基于 STC89C51 單片機(jī)的紅外測溫儀，首先它是根據(jù)實(shí)際需要制定的紅外測溫的性能指標(biāo)和功能要求，然后由此具體設(shè)計(jì)出了硬件電路原 理圖及其相關(guān)軟件。 2 第一章 紅外測溫系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì) 背景及方案介 紹 隨著現(xiàn)代 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的接觸式測溫方式以不 能滿足現(xiàn)代一些領(lǐng)域的測溫需求，對非接觸、遠(yuǎn)距離測溫技術(shù)的需求越來越大。 溫度測量技術(shù)的概述 普通溫度測量技術(shù)經(jīng)過相當(dāng)長時(shí)間的發(fā)展已近于成熟。此溫度測量系統(tǒng)比較簡單，可以實(shí)現(xiàn)大面積的測溫，也可以是被測物體上某一點(diǎn)的溫度測量；可以是便攜式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工藝簡單，成木較低，測溫時(shí)不接觸被測物體，具有響應(yīng)時(shí)間短、不干擾被測溫場、使用壽命長、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，但利用紅外輻射測量溫度，也必然受到物體發(fā)射率、測溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。本紅外測溫儀選用熱電紅外溫度傳感器。而且它具備 SPI接口，可以很方便地與單片機(jī)（ MCU）傳輸數(shù)據(jù)。這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長輻射所占比例增加； ③ 隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長處，與較高溫度相應(yīng)的光譜輻射度也較大，反之亦然。本文選用全輻射測溫法來計(jì) 算被測量物體的溫度， 全輻射測溫法是 根據(jù)所有波長范圍內(nèi)的總輻射而定溫，得到的是物體的輻射溫度。 5 167。 此紅外測溫儀的特點(diǎn)： 有溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、不擾動(dòng)被測目標(biāo)溫度分布場、測量精度高 、 穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn) 。 10%； 4：工作環(huán)境溫度≤ 60℃ 工作環(huán)境濕度≤ 90%； 二 、紅外測溫儀的硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 本紅外測溫儀采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，它的硬件結(jié)構(gòu)由 STC89C51 單片機(jī)模塊，紅外測溫模塊， RS232 轉(zhuǎn)換電路模塊，電源模塊，鍵盤模塊和 LED 顯示模塊組成。其中系統(tǒng)初始化包括 : 時(shí)間中斷的初始化、外部中斷源的初始化、串口通信中斷的初始化、 LED 顯示的初始化。具體的軟件方案設(shè)計(jì)如下圖 13： 7 主 程 序 模 塊紅 外 測 溫 鍵 盤 掃 描 顯 示 模 塊 通 信 模 塊 圖 13 紅外測溫儀系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計(jì)框圖 第二章 紅外測溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 基于 STC89C51 單片機(jī)的紅外測溫儀的硬件設(shè)計(jì)采用目前 使用比較廣泛的模塊化設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)系統(tǒng)分成六大模塊：單片機(jī)處理模塊；紅外測溫模塊； RS232轉(zhuǎn)換電路模塊；電源模塊；鍵盤模塊和 LED 顯示模塊。 下圖 31是單片機(jī)處理模塊的電路原理圖 8 圖 21 單片機(jī) 處理模塊電路圖 其復(fù)位電路如圖 21 左邊上部分，本單片機(jī)處理模塊是通過開關(guān)手動(dòng)復(fù)位的，只要在 RST 引腳出現(xiàn)大于 10ms 的高電平，單片機(jī)就進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，這樣做的目的是便于根據(jù)實(shí)際情況而選擇是否復(fù)位溫度測量數(shù)據(jù)。因此它的選擇是非常重要的。由于可以在用戶的目標(biāo)系統(tǒng)上將程序直接下載進(jìn)單片機(jī)看運(yùn)行結(jié)果，故無須仿真器。 167。在設(shè)計(jì)過程中選 擇紅外線檢測器件時(shí)，首先考慮的是器件的以下性能因素 :光譜響應(yīng)范圍、響應(yīng)速度、有效檢測面積、元件數(shù)量、制冷方式和檢測目標(biāo)的溫度。其相關(guān)資料如下： 一 、 紅外測溫傳感器的引腳介紹 紅 外 測 溫 元 件HJSENSORVDCGA 圖 24 紅外測溫傳感器引腳圖 紅外測溫傳感器引腳圖如圖 24，其中 V為電源引腳 VCC， VCC 一般為 3V到 5V 之間的電壓，一般取 ； D 為數(shù)據(jù)接收引腳，沒有數(shù)據(jù)接收時(shí) D 為高電平； C 為 2KHz Clock 輸出引腳； G 為接地引腳； A 為測溫啟動(dòng)信號(hào)引腳，低電平有效。 計(jì)算公式： 目標(biāo)溫度 /環(huán)境溫度 =Temp/ 其中 Temp 為十進(jìn)制，當(dāng)把它轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制的高八位為 MSB，低八位為LSB；比如 MSB 為 0x14H， LSB 為 0x2Ah，則 Temp 十六進(jìn)制時(shí)為 0x142aH，十進(jìn)制時(shí)為 5162，則測得的溫度值為 5162/=℃ . 167。目前較為廣 13 泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，本設(shè)計(jì)采用 MAX232 芯片它可完成 TTL 到 EIA 雙向電平的轉(zhuǎn)換。無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為 TTL。加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大約為 15 米，最高速度為 20Kb/s。 167。 本系統(tǒng)的鍵盤采用 1 8 行列式鍵盤。 167。 74HC164 為 8 位移位寄存器，當(dāng)清除端（ CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（ QA－ QH）均為低電平。 引出端符號(hào) CLOCK 時(shí)鐘輸入端 CLEAR 同步清除輸入端（低電平有效） A， B 串行數(shù)據(jù)輸入端 QA－ QH 輸出端 邏輯及封裝圖（雙列直插封裝） 兩片 74HC164 分別控制數(shù)碼管的位選和段選， 其中控制位選信號(hào)的 74HC164的輸出端 QA~QD 通過電阻、三極管與數(shù)碼管的共陰極連接，用 口控 制 CLOCK脈沖信號(hào)；另一個(gè)則通過電阻直接與數(shù)碼管連接輸送顯示的數(shù)字， 口控制CLOCK 脈沖信號(hào)。鍵盤掃描去抖動(dòng)通過應(yīng)用軟件的方法實(shí)現(xiàn)。 主程序模塊的設(shè)計(jì) 當(dāng)紅外測溫儀接通電源時(shí)， STC89C51單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，開始運(yùn)行該程序。并等待結(jié)束測溫命令。它的程序流程圖如 圖 32所示，此模塊首先定義一個(gè)字符型數(shù)組用于存放讀取到的一幀數(shù)據(jù)，然后啟動(dòng)測溫，讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是在脈沖的下降沿一位一位傳送的。 20 判 斷 P 1 . 6 是 否 為 0接 收 一 位 數(shù) 據(jù) 存 放 在 數(shù) 組中 ， 變 量 加 1開 始變 量 等 于 7 ？變 量 清 0 ， 接 收 下 一 個(gè) 字 節(jié) 的數(shù) 據(jù)NNYY 圖 33 讀測量數(shù)據(jù)流程圖 167。下圖 35 是按鍵抖動(dòng)示意圖： 圖 35按鍵抖動(dòng)示意圖 為使單片機(jī)能夠正確地讀出 口的狀態(tài)，對每一次按鍵只作一次響應(yīng)， 必須采取措施以消除抖動(dòng)。 167。 本顯示程序首先定義了數(shù)碼管的字型和字位口編碼表， 然后根據(jù)要讓哪個(gè)數(shù)碼管亮和讓它亮什么數(shù)據(jù)來選擇不同的字型字位口再進(jìn)行查表，把查到的編碼一位位送到兩片 164的數(shù)據(jù)端 進(jìn)行顯示。單片機(jī)負(fù)責(zé)控制紅外測溫把接收到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)處理后送 LED顯示。但同時(shí)也明顯感覺到還有很多地方需要完善和提高，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品與實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距。 24 參考文獻(xiàn) [1] 宋文 、 楊帆．傳感器與檢測技術(shù) . 北京：高等教育出版社， 2021 [2] 華成英、童詩白 .模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) .第三版 .高等教育出版社， [3] 閻石 .數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) .第四版 .高等教育出版社， [4] 莫力 .Protel 電路設(shè)計(jì) .國防工業(yè)出版社， [5] 姚四改 .Protel99SE 電子線路設(shè)計(jì)教程 .上海交 通大學(xué)出版社， [6] 李建忠 .單片機(jī)原理及應(yīng)用 .西安電子科技大學(xué)出版社， [7] 蔡惟錚 .常用電子元器件手冊 . 哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 ,1998 [8] 王武江 、 陳樹凱．常用集成電路速查手冊 .北京 :冶金工業(yè)出版社 ,2021 [9] 張俊謨．單片機(jī)中級(jí)教程．北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1999 [10] 胡漢才．單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京 :清華大學(xué)出版社 ,2021。就它本身而言是不能產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的。串聯(lián)諧振晶體在諧振頻率點(diǎn)有最小的阻抗，而并聯(lián)諧振晶體在諧振頻率點(diǎn)的阻抗最大。 補(bǔ)償振蕩器 晶體振蕩器的輸出頻率隨著溫度和電壓的變化而變化。恒溫控制振蕩器將晶體放置在一個(gè)溫控恒溫箱中，這樣保持晶體工作在一個(gè)精確的溫度下。 壓控振蕩器 壓控振蕩器的輸出是受電壓輸入引腳控制的。設(shè)計(jì)頻率合成器的目的是為了代替系統(tǒng)中的多個(gè)振蕩器，從而減少電路板的空間和降低成本。首先頻率校正是校正參考輸入和反饋輸入之間的大頻差，頻率校正是粗調(diào)；當(dāng)壓控振蕩器的頻率低于參考頻率的一半或者高于參考頻率的兩倍時(shí)