【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 4)用戶 RAM 區(qū)地址范圍為 30H~7FH，其中高 128 字節(jié) RAM 為 80H～ FFH，有21 個(gè)特殊功能功能寄存器和有 11 個(gè)具有位尋址能力。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 9 表 24 特殊功能寄存器表 符號(hào) 名稱 地址 符號(hào) 名稱 地址 *ACC 累加器 E0H *B B 寄存器 F0H *PSW 程序狀態(tài)字 D0H SP 棧指正 81H *P0 P0 鎖存器 80H *P2 P2 鎖存器 A0H *P1 P1 鎖存器 90H *P3 P3 鎖存器 B0H DPTR 數(shù)據(jù)指針（高 8位 DPH 低 8 位DPL 83H 82H TL0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器0（低字節(jié)） 8AH *IE 中斷允許控制寄存器 A8H *TCON 定時(shí) 器 /計(jì)數(shù)器控制寄存器 88H TMOD 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器工作方式寄存器 89H T0H 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器0（高字節(jié)） 8CH TH1 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器1（高字節(jié)） 8DH TL1 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器1（低字節(jié)） 8BH *SCON 串行口控制寄存器 98H SBUF 串行數(shù)據(jù)緩沖器 99H *IP 中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器 D8H PCON 電源控制及波特率選擇寄存器 87H 編程語(yǔ)言 本系統(tǒng)是基于 C51 單片機(jī)的紅外溫度測(cè)試儀系統(tǒng)，編程語(yǔ)言在 keil 的軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，為了更好的理解軟件程序，下面簡(jiǎn)單介紹 編程的環(huán)境。 Keil 簡(jiǎn)介 Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。其 C 語(yǔ)言與匯編相比，在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而簡(jiǎn)單易學(xué)易用。 Keil C51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全 Windows界面。它提供了一個(gè)完整開(kāi)發(fā)方案，其中包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部份組合在一起。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。其界面如 圖 23所示： 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 10 圖 23 Keil 編程環(huán)境 Keil 主要特點(diǎn) 全功能的源代碼編輯器； 器件庫(kù)用來(lái)配置開(kāi)發(fā)工具設(shè)置； 項(xiàng)目管理器方便用戶創(chuàng)建和維護(hù)項(xiàng)目； 集成的 MAKE 工具可以進(jìn)行匯編、編譯和連接用戶的嵌入式應(yīng)用； 開(kāi)發(fā)工具的設(shè)置都是以對(duì)話框形式的出現(xiàn)的； 高級(jí) GDI（ AGDI）接口用來(lái)在目標(biāo)硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試以及和 Monitor51 進(jìn)行通信。 本章小結(jié) 本章節(jié)從設(shè)計(jì)紅外溫度儀所需要的硬件條件和軟件知識(shí)方面入手，詳細(xì)的介紹了紅外溫度儀控制中心器件 C51 單片機(jī)的功能以及單片機(jī)的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為紅外溫度儀的硬件設(shè)計(jì)提供了很好的硬件支持。同時(shí)在軟件方面，使用的是 C 語(yǔ)言的編程， C 語(yǔ)言具有簡(jiǎn)單易于編寫(xiě)且方便維護(hù)的特點(diǎn)，同時(shí)在keil 的開(kāi)發(fā)環(huán)境下，編程易于操作仿真，為紅外溫度儀的軟件方面積累了一定的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 11 第三章 紅外溫度儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本章主要介紹紅外溫度計(jì)的技術(shù)原理和工作指標(biāo)，以及各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)和軟件方面的編程實(shí)現(xiàn)。 紅外溫度計(jì)的工作原理 自然界一切高于絕對(duì)零度 (℃ )的物體，由于物體內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)，都在時(shí)刻地向周圍空間發(fā)射 的電磁波包括紅外波段在內(nèi)，其物體溫度與輻射能量密度關(guān)系符合輻射定律。紅外輻射原理 — 輻射定律如下： 440()E T T???? （ ） 式中： E是輻射時(shí)的分子出射度數(shù)，單位為 3W/m ； ? 為斯蒂芬―波爾茲曼常數(shù)， 8 2 * 10 W / ( m )K? ?； ? 是物體輻射率； T 是物體溫度，單位為 K ； 0T 為物體所處環(huán)境溫度，單位為 K 。所以根據(jù)上式測(cè)量出發(fā)射 E，就可得出溫度。 紅外溫度儀表就是運(yùn)用這個(gè)原理所制成。所制成的溫度儀不需要與物體的表面接觸，因此屬于非接觸式的溫度儀。 溫度范圍不同，物體發(fā)出的電磁波能量的波長(zhǎng)也不同，在常溫（ 0～ 100℃）范圍，能量集中在遠(yuǎn)紅外和中紅外波長(zhǎng)。根據(jù)式（ ）的原理，儀表所測(cè)得的紅外輻射為： 441 2 1 2()E A T T?? ??? （ ） 式中： A 為光學(xué)常數(shù)，與溫度儀具體設(shè)計(jì)有關(guān)； 1? 為被測(cè)物體的輻射率； 2?為紅外溫度儀的輻射率； 1T 為被測(cè)對(duì)象的溫度表面（ K）； 2T 為紅外溫度計(jì)的所處環(huán)境溫度（ K）；它由一個(gè)內(nèi)置的溫度檢測(cè)元件檢測(cè)出來(lái)。 輻射率 ? 是一個(gè)表達(dá)物體表面發(fā)射輻射的系數(shù)，數(shù)值大小由 0 到 。所有物體，包括人體的表面，其 ? 值都是低于 的。人體紅外線輻射波長(zhǎng)主要集中在 9～ 10 m? ，通過(guò)對(duì)人體所輻射得紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地算出人體表面溫度。由于該范圍內(nèi)的波長(zhǎng)光線不能被空氣吸收，因而利用人體紅外輻射的能量便可以精確地測(cè)量人體表面溫度。 紅外溫度測(cè)量技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，區(qū)別以往溫度計(jì)最大的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試速度快，1 秒鐘內(nèi)便可完成測(cè)試。紅外測(cè)溫儀由光電探測(cè)器、光學(xué)系統(tǒng)、濾波電路、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示等模塊組成。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 12 總體來(lái)說(shuō)，紅外線測(cè)溫儀的重要性能指標(biāo)包括溫度測(cè)量范圍、物體的顯示分辨率、測(cè)溫的精度、工作環(huán)境溫度、環(huán)境相對(duì)濕度、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)光譜、尺寸、峰值、重量、發(fā)射率等。 1）確定測(cè)量溫度 的范圍：測(cè)量范圍是測(cè)溫儀很重要的一個(gè)指標(biāo)。每個(gè)型號(hào)的測(cè)溫儀都有自己的測(cè)溫范圍。 2）確定所測(cè)目標(biāo)的尺寸：紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀（輻射比色測(cè)溫儀）。對(duì)于單色測(cè)溫儀，在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)應(yīng)充滿測(cè)溫儀探頭視場(chǎng)。否則背景會(huì)干擾測(cè)溫精度，造成誤差。對(duì)于雙色測(cè)溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)內(nèi)所發(fā)射的輻射能量的比值來(lái)確定的。 3）確定所測(cè)物體距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）：測(cè)量距離系數(shù)由 D： S 之比確定，即測(cè)溫儀探頭到目標(biāo)的距離 D 與被測(cè)目標(biāo)直徑之比。測(cè)溫儀如果由于環(huán)境條件必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測(cè)量 較小的目標(biāo)，此時(shí)應(yīng)選擇光學(xué)分辨率高的測(cè)溫儀。光學(xué)分辨率越高，其測(cè)溫儀的成本也會(huì)越高。 4）確定所測(cè)物體波長(zhǎng)范圍：目標(biāo)物體的發(fā)射率和表面材料特性決定測(cè)溫儀的相應(yīng)波長(zhǎng)，對(duì)于高反射率合金材料，有低或變化著的發(fā)射率。 5）確定測(cè)量響應(yīng)時(shí)間：紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)物體溫度變化的反應(yīng)速度表示響應(yīng)時(shí)間，由達(dá)到最后讀數(shù) 95%能量需要的時(shí)間來(lái)定義，它與紅外探頭、信號(hào)處理電路模塊及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。 6）所測(cè)物體環(huán)境條件：測(cè)溫儀所處的環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，加以考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫結(jié)果精度甚至引起溫度儀的損壞。 7）紅外輻射測(cè)溫儀的標(biāo)定：所測(cè)物體必須經(jīng)過(guò)紅外測(cè)溫儀標(biāo)定才能使正確地顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度。 系統(tǒng)規(guī)劃及流程設(shè)計(jì) 本節(jié)主要介紹紅外溫度儀的總體設(shè)計(jì)思路以及開(kāi)發(fā)流程 系統(tǒng)規(guī)劃 紅外溫度儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖 31所示： 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 13 圖 31 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 由上圖可以看出紅外溫度儀有四大系統(tǒng)模塊組成。紅外信號(hào)接收來(lái)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的處理模塊，對(duì)紅外信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、再計(jì)算模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的溫度信號(hào)在屏幕上顯示，如果所測(cè)量目標(biāo)的溫度信號(hào)大于所設(shè)定的報(bào)警溫度，則蜂鳴器響，進(jìn)行預(yù)警。如果所測(cè)得的數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，則再 經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行重新檢測(cè)，直到輸出正確的信號(hào)為止。 整體框圖的設(shè)計(jì) 如圖 32 所示，當(dāng)紅外溫度進(jìn)行系統(tǒng)初始化后，按下按鈕進(jìn)行測(cè)量，每次的測(cè)量所得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶屏幕上。其工作步驟為：當(dāng)按下按鈕時(shí)候，整個(gè)電路進(jìn)行工作，物體表面輻射的能量經(jīng)過(guò)熱釋電傳感器接收后，將熱輻射信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大信號(hào)后到達(dá) A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器， C52 單片機(jī)作為CPU 接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后得到物體表面的溫度在 LCD 液晶屏幕上顯示出來(lái)。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 14 圖 32 總體電路框圖 硬件模塊的設(shè)計(jì) 本節(jié)主要介紹紅外溫度儀各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部分。下面分別對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。 紅外檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中采用了集成化的 TN9 紅外測(cè)溫模塊，具有響應(yīng)快，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的特點(diǎn)，其工作原理如下框圖所示： 開(kāi) 始發(fā) 送 轉(zhuǎn) 換命 令判 斷 是 否結(jié) 束繼 續(xù) 發(fā) 送輸 出 結(jié) 果結(jié) 束YN 圖 33 TN9工作原理圖 此紅外測(cè)溫模塊采用非接觸手段，解決了傳統(tǒng)測(cè)溫中需要接觸的問(wèn)題，具有回應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。它通過(guò)紅外溫度傳感器掃描被測(cè)物體，并把相應(yīng)的紅外輻射數(shù)據(jù)通過(guò) 。 傳 感 器 放 大 器 濾 波 器 ADC0804轉(zhuǎn) 換 器 AT89C51 液顯LCD1602 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 15 圖 34 是紅外測(cè)溫模塊電路圖： 圖 34 紅外測(cè)溫電路模塊 面對(duì)目前眾多的紅外檢測(cè)器件產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)中選擇合適的紅外檢測(cè)器已成為一個(gè)重要問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇紅外線檢測(cè)器件時(shí)，首先需要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(cè)面積、元件數(shù)量、制冷方式和檢測(cè)目標(biāo)的溫度。 本紅外測(cè)溫儀選用了凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的型號(hào)為 TN901的 紅外探測(cè)溫度傳感器作為測(cè)溫模塊，內(nèi)部集成了紅外探測(cè)所需要的模塊 ，有溫度補(bǔ)償電路單元和線性處理電路單元，因此簡(jiǎn)化了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 它的測(cè)量距離大約為 30米，測(cè)量回應(yīng)時(shí)間大約為 。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)。其相關(guān)資料如下： （ 1）紅外測(cè)溫傳感器的引腳介紹 圖 35 紅外測(cè)溫傳感器引腳圖 紅外測(cè)溫傳感器引腳圖如圖 35，其中 V 端為電源接線口 VCC， VCC 一般為3V 或者 5V 的電壓，本系統(tǒng)中取 5V； D 為數(shù)據(jù)發(fā)送端口引腳，有數(shù)據(jù)時(shí) D 為低電平有效； C 為 2KHz 時(shí)鐘輸出端口引腳； G 為接地端口引腳； A 為測(cè)溫啟動(dòng)信號(hào)端口引腳，是低電平有效。 紅 外 測(cè) 溫 元 件HJSENSORVDCGA南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 16 以上面的例子說(shuō)明無(wú)論測(cè)量環(huán)境溫度還是目標(biāo)溫度，只要檢測(cè)到 Item 為0x4cH 或者 0x66H 同時(shí)檢測(cè)到 CR 為 0x0dH，他們的溫度的計(jì)算方法都相同。計(jì)算公式為目標(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(cè)得 的溫度 值為5162/=℃。 TN9 模塊是內(nèi)部集成模塊，內(nèi)部有紅外探頭、信號(hào)放大器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)化器以及溫補(bǔ)償電路組成，其主要各部分電路如下： 1）紅外傳感器 本設(shè)計(jì)中 TN9 模塊的的探頭是紅外線傳感 器，它能探測(cè)人體發(fā)射出的紅外線并接收使之轉(zhuǎn)換成有效的電壓信號(hào)。本設(shè)計(jì)中 TN9 模塊選用的是 PM611 熱釋電傳感器，是單靈敏元器件，但是由于采用一個(gè)接收元串聯(lián)和二個(gè)補(bǔ)償元并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，能有效地補(bǔ)償所處環(huán)境溫度起伏以及振動(dòng)等對(duì)目標(biāo)溫度干擾影響。它的工作溫度在 20℃ —— +50℃范圍內(nèi)，特別適合測(cè)量人體的溫度。且 PM611 單元各項(xiàng)指標(biāo)都比較好，因此可用來(lái)做 TN9 溫度儀的探頭。如圖 36 所示： 圖 36 傳感器的內(nèi)部典型連接電路 2）放大電路 由于傳感器探測(cè)到的人體紅外線信號(hào)比較弱，因此當(dāng)紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后需 要通過(guò)放大器放大。因?yàn)樘綔y(cè)器測(cè)到的信號(hào)可能摻雜了外界環(huán)境影響的某些因素，所以在放大電路中要加入低通濾波電路，用來(lái)把多余的信號(hào)濾掉。如圖 37 所示： 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 17 圖 37 放大部分電路 傳感器輸出的信號(hào)經(jīng) 47μ F 電容耦合到第一個(gè)同相放大器，它的閉環(huán)增益為 23～ 24 之間。同時(shí)第一個(gè)放大器還兼做高通濾波器，其截止頻率為 。第二個(gè)放大器是一個(gè)低通濾波器，其閉環(huán)增益約為 1，截止頻率為 7Hz。第一個(gè)，第二個(gè)放大器能把低于 和高于 7Hz 的信號(hào)都濾掉，使輸出的信號(hào)僅僅是經(jīng)過(guò)調(diào)制器調(diào)制的 1Hz 紅外信號(hào)。通過(guò)上面的原理 可知紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓再轉(zhuǎn)化成溫度信號(hào)才顯示出來(lái)的，這個(gè)過(guò)程將在第三個(gè)放大器中完成。放大濾波的輸出信號(hào)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 Vin（ +）端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器會(huì)把收到 的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而轉(zhuǎn)化成可顯示的溫度信號(hào)。 3）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 由于傳感器探測(cè)到紅外線后被放大的是模擬信號(hào)，而在 LCD 液顯上顯示出來(lái)的信號(hào)必須是數(shù)字信號(hào)，所以在本設(shè)計(jì)需要利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)