【文章內(nèi)容簡介】 路，使得硬件可以盡可能的簡單化，相比于其他紅外模塊， TN9產(chǎn)品只需要 3伏電源供電。它是一種集成的紅外探測器，內(nèi)部有溫度補(bǔ)償電路和線性處理電路，使本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到了簡化。 TN9紅外模塊接口如圖圖 23所示 [2]。 圖 23 TN9 紅外模 塊接口電路圖 TN9 紅外模塊的工作過程 :系統(tǒng)正常上電，當(dāng)進(jìn)行溫度測量時(shí)，將 TN9 的紅外傳感器探頭對準(zhǔn)被測量者的額頭，隨即按下功能按鍵 0， 即開始鍵 ，單片機(jī)通過向測試腳提供一個(gè)高電平的信號，即啟動紅外測溫。在時(shí)鐘的下降沿開始讀數(shù)據(jù)，共 5 個(gè)字節(jié)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)字節(jié)為 4CH（或 66H），且第 5 個(gè)字節(jié)為 0DH 時(shí)，讀取的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，否則讀取的數(shù)據(jù)無效，數(shù)據(jù)讀取后，單片機(jī)對讀到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后送 LCD1602 顯示。 LCD1602 設(shè)計(jì)原理圖 本系統(tǒng)采用 LCD1602 作為顯示器，相比于 LED， LCD1602 需要的管腳少，電路圖和實(shí)物比較簡單。同時(shí) LCD1602 還可以顯示字母和數(shù)字， LED 就只能顯示數(shù)字。 LCD1602顯示是從系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí)就開始顯示時(shí)間，該顯示模塊與單片機(jī)的連接如圖 24 所示。 8 圖 24 LCD1602 顯示電路圖 RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選指令寄存器 ；通過單片機(jī)的 ， R/W為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 由于本設(shè)計(jì)中只需要對液晶進(jìn)行寫操作，為了節(jié)省單片機(jī)引腳資源，它直接接為低電平； EN端為使能端，當(dāng) EN端由高電平跳變成低電平時(shí)， 液晶模塊執(zhí)行命令 ，通過單片機(jī) 。圖 36中的 R8是一個(gè) 5K歐姆的滑動變阻器，通過改變它的數(shù)值，可調(diào)節(jié)顯示器的對比度 [10]。 按鍵電路的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)開啟紅外測溫功能只需按下電源電路中的開關(guān)， LCD1602 上能對報(bào)警上下限進(jìn)行調(diào)整，比如數(shù)字的加和減以及調(diào)整完之后的確認(rèn)，經(jīng)過設(shè)想，最終系統(tǒng)的功能按鍵設(shè)置為 4 個(gè)，均采用獨(dú)立按鍵模塊，電路原理圖如下圖 25 所示。 圖 25 系統(tǒng)按鍵電路原理圖 鍵盤模塊采用動態(tài)掃描的方式，采用 4個(gè)獨(dú)立式鍵盤。相較于矩陣鍵盤，獨(dú)立式鍵盤是一種常開型按鍵開關(guān) ，常態(tài)下鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，按下鍵時(shí)它們才閉合，最大的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，程序編寫比較簡單。 4個(gè)按鍵的功能具體如下： 按鍵 S3:調(diào)節(jié)報(bào)警上下限的功能按鍵，按下后進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)； 9 按鍵 S4：在跳針的情況下，實(shí)現(xiàn)“加”功能； 按鍵 S5：在跳針的情況下，實(shí)現(xiàn)“減”功能； 按鍵 S6：對上述“加減”功能調(diào)節(jié)后的確認(rèn)鍵。 系統(tǒng)其它硬件電路 系統(tǒng)的電源電路 電源電路原理圖如圖 26 所示。 圖 26 電源電路接口 系統(tǒng)使用的電源為 5V，由外部引入，二極管作為電源指示燈， C C5 起濾波的作用 。 系統(tǒng)晶振電路 STC89C52單片機(jī) 引腳 XTAL1和 XTAL2與晶體振蕩器及 C C3的連接如圖 27所示。 圖 27 系統(tǒng)晶振電路原理圖 晶振的作用是給單片機(jī)提供一個(gè)穩(wěn)定的節(jié)拍 ,C2， C3這兩個(gè)電容叫晶振的負(fù)載電容，接法如上圖所示，大小為 30pF，它會影響到晶 振的諧振頻率和輸出幅度，也是使振蕩頻率更穩(wěn)定。實(shí)際上等同于電容三點(diǎn)式電路的分壓電容，接地點(diǎn)就是分壓點(diǎn)，以接地點(diǎn)作為參考點(diǎn)，振蕩引腳的輸入和輸出是反相的。當(dāng)兩個(gè)電容量相等時(shí)，反饋系數(shù)是 ，一般是可以滿足振蕩條件的，但如果不易起振或 振蕩不穩(wěn)定可以減小輸入端對地電容量 ,而增加輸出端的值以提高反饋量。 10 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)的報(bào)警電路的原理圖如圖 28 所示。 圖 28 報(bào)警電路原理圖 報(bào)警電路實(shí)際就是蜂鳴器驅(qū)動電路， R6為限流電阻，防止電路電流過大損壞其他器件。FM輸出的是控制信號， Q1可以看做是個(gè)電子開關(guān)，用來控制蜂鳴器的控制中斷。 當(dāng) FM口輸出 高電平 時(shí)， Q1飽和導(dǎo)通， 蜂鳴器 獲得電工作發(fā)出鳴響，當(dāng) FM口 輸出 低電平 時(shí) Q1截止蜂鳴器 失電，停止工作。 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件編譯 KeilC51 開發(fā)環(huán)境 Kei1C51 集成開發(fā)環(huán)境是美國 KeilSoftwaer 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 Kei1C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，編譯后生成的匯編代碼，到 Kei1C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解，在開發(fā)大型項(xiàng)目時(shí)非常理想。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求及任務(wù) 軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它具有充分的靈活性與可修改性，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求而變化。在硬件結(jié)構(gòu)一定的情況下，通過改變軟件就能實(shí)現(xiàn)不同的功能。 本設(shè)計(jì)的紅外測溫系統(tǒng)的軟件方面全部采用 C 語言編寫， 以提高系統(tǒng)的可讀性和可移植性。其設(shè)計(jì)方法和硬件設(shè)計(jì)相對應(yīng)，采用模塊對應(yīng)進(jìn)行編寫，將系統(tǒng)的硬件劃分為相應(yīng)的子程序模塊，分別進(jìn)行編寫、調(diào)試，使整個(gè)程序看起來簡潔，明了，在調(diào)試過程中也方便自己發(fā)現(xiàn)錯誤，提高了編程的效率。整個(gè)系統(tǒng)軟件主要包括主程序、紅外測溫模塊、功 11 能按鍵模塊、顯示模塊等子程序。 系統(tǒng)主程序流程圖 主程序的運(yùn)行過程：系統(tǒng)正常上電，開始初始化，對功能按鍵進(jìn)行掃描處理，看是否有按鍵按下，如果有，則進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，對上下限進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果沒有，則顯示測的溫度，且對過限的溫度進(jìn)行報(bào)警，相應(yīng) LED 指示燈亮 ，繼電器閉合，執(zhí)行根據(jù)自己設(shè)定的動作，阻止過限的繼續(xù)。主程序流程圖如圖 31 所示。 12 圖 31 系統(tǒng)主流程圖 紅外測溫流程圖 紅外傳感器模塊流程圖如圖 32 所示。 初 始 化開 始按 鍵 掃 描溫 度 顯 示顯 示 溫 度設(shè) 置 模 式N oY e s設(shè) 置 完 畢是 否 過 限報(bào) 警Y e sN o 繼 電 器 閉 合做 出 相 應(yīng) 動 作來 阻 止 過 限 溫度結(jié) 束 13 圖 32 紅外測溫流程圖 如流程圖所示：系統(tǒng)正常上電，開始初始化，判斷是否有功能按鍵 0 按下，如果是，再次判斷首字節(jié)是否為 4CH 或者 66H，最后一個(gè)字節(jié)是否為 0DH，因?yàn)閱纹瑱C(jī)每一次讀取 5 個(gè) BYTE，當(dāng)?shù)谝粋€(gè) BYTE 和最后一個(gè) BYTE 分別同時(shí)為 4CH（或 66H）和 0DH 時(shí)，開 始初 始 化是 否 有 按 鍵 0 按下 ？首 字 節(jié) 是 否 為 4 C H（ 6 6 H ） ？第 5 個(gè) 字 節(jié) 是 否為 0 D H ?送 L C D 1 6 0 2 顯示計(jì) 算 處 理返 回讀 取 數(shù) 據(jù)關(guān) 閉 T N 9 0 1N oN oN oY e sY e sY e s 14 才認(rèn)為這是一個(gè)有效的數(shù)據(jù)， 否則單片機(jī)將不停地進(jìn)行讀取。如果是，則進(jìn)行溫度的計(jì)算及溫度的處理，然后 送 LCD1602 顯示，最后關(guān)閉 TN901；如果不是，則繼續(xù)按下按鍵 0，直到符合有效數(shù)據(jù)的要求，才進(jìn)行溫度的讀取。 15 第四章 制作與調(diào)試 軟件調(diào)試 本設(shè)計(jì)由于需要外界環(huán)境作為媒介才能完成仿真，所以我沒有進(jìn)行最后的仿真，僅僅用 Altium designer 進(jìn)行了編譯，程序部分用 KeilC51 進(jìn)行了編譯。在進(jìn)行該過程時(shí)分為兩步：目標(biāo)程序糾錯，整體程序調(diào)試。 目標(biāo)程序糾錯：該階段工作 通常在目標(biāo)程序編輯時(shí)就完成。一般來說，軟件能為用戶輸入的程序指令糾錯，包括書寫格式、標(biāo)號未定義或多重定義、轉(zhuǎn)移地址溢出等錯誤，這一步主要是一些細(xì)節(jié)上的問題，需要一部分一部分的去檢查。 整體程序調(diào)試：即把各子程序整體連起來聯(lián)系整體電路進(jìn)行調(diào)試，看根據(jù)現(xiàn)行的程序和硬件條件是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的功能顯示。在這階段若發(fā)生故障，可以考慮各子程序在運(yùn)行時(shí)是否破壞現(xiàn)場，數(shù)據(jù)緩沖單元是否發(fā)生沖突，標(biāo)志位的建立和清除在設(shè)計(jì)上是否失誤，堆棧是否溢出，輸入輸出狀態(tài)是否正常等再進(jìn)一步對細(xì)節(jié)進(jìn)行修改。 硬件調(diào)試 單片機(jī)應(yīng)用系 統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是分不開的，許多硬件故障在軟件調(diào)試時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，但通常要先排除系統(tǒng)中明顯的硬件故障。調(diào)試工作可以分為四步： 線路檢查：根據(jù)硬件邏輯設(shè)計(jì)圖，仔細(xì)檢查樣機(jī)線路是否連接正確，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求，必要時(shí)可用萬用表檢測線路通斷情況。 電源調(diào)試：樣機(jī)的第一次通電測試很重要，若樣機(jī)中存在電源故障，則加電后將造成器件損壞。調(diào)試的方法有兩種：一種是斷開穩(wěn)壓電源的輸出端，檢查空載時(shí)電源工作情況；另一種是拔下樣機(jī)上的主要集成芯片，檢查電源的負(fù)載能力（用假負(fù)載）。確保電源無故障并性能符合 設(shè)計(jì)要求 [12]。 通電檢查：在確保電源良好前提下，接通電源。最好在電源與其余電路之間串接一個(gè)電流表。若接通后電流很大，須立即切斷電源。電源大得超出正常范圍，說明電路中有短路或故障。通電檢查的主要目的是看系統(tǒng)是否存在短路或由元器件損壞、裝配錯誤引起的電流異常。 檢查芯片的邏輯關(guān)系是否出錯：加電后檢查各插座上相關(guān)引腳的電位，仔細(xì)測量相應(yīng)的輸入輸出電平是否正常。單片機(jī)系統(tǒng)大都是數(shù)字邏輯電路，使用電平檢查法可首先查出邏輯設(shè)計(jì)是否正確，選用器件和連接關(guān)系是否符合要求等。 16 系統(tǒng)誤差分析及處理 由于該系統(tǒng)是非接 觸式測溫，這就給獲得正確的溫度值帶來一定困難，影響紅外測溫系統(tǒng)的溫度誤差的因素很多，通過查閱資料和自己的了解，主要體現(xiàn)在以下幾方面： （ 1） 距離系數(shù)是該系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。通常距離越遠(yuǎn)的物體，紅外測溫儀測溫時(shí)所經(jīng)過的光路上受到的干擾以及大氣衰減越大，精度也越低。 （ 2） 物體的輻射率的影響。輻射率是指相同幾何條件和光譜的條件下，實(shí)際被測物體和同溫度黑體的輻射的能量之比，不同的物體的輻射率不同，且和黑體輻射的能量也有差別，所以輸入值必然存在一定誤差。 （ 3） 環(huán)境因素對測溫的影響。環(huán)境溫度，被測物到測溫儀的現(xiàn)場清晰度都和輸出溫度有關(guān)。通常，環(huán)境溫度越低，從外界進(jìn)入紅外測溫儀窗口的輻射能量就少，而且環(huán)境的清晰度越高，傳感器接收到的能量越多，就越接近真實(shí)值。 （ 4） 干擾光的影響。因?yàn)樵撓到y(tǒng)是通過物體輻射出來的紅外線測得溫度的，外界的一切光線都會對系統(tǒng)產(chǎn)生一定干擾。 由于該系統(tǒng)存在上述影響，故在使用時(shí)必須采取一定的措施來盡量減輕誤差。比如，在選取傳感器時(shí)盡量選取吸收系數(shù)高的器件；測量時(shí)盡量多測量幾次數(shù)據(jù)，取其平均值，降低誤差；軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用循環(huán)系統(tǒng)測量，想辦法得到更精確的算法；測量時(shí)盡量注意周圍環(huán)境的影響，在比較適合測量的環(huán)境測 量溫度。 系統(tǒng)的制作與調(diào)試 在系統(tǒng)的制作與調(diào)試中除了要關(guān)注上述問題之外，系統(tǒng)本身的情況也需要注意，本系統(tǒng)進(jìn)行模塊化處理，分別分為不同的幾個(gè)電路：電源電路， LCD1602 顯示電路，復(fù)位電路，功能按鍵電路，過限狀態(tài)指示電路，繼電器輸出電路，晶振電路以及最重要的紅外測溫模塊電路。 在制作前首先要了解各個(gè)電路的原理和作用，這樣才能知道電路可以使用哪些元器件，比如，電源電路的電容起到了濾波的作用，我們就可以根據(jù)電路電壓的大小來選擇合適的電容， LED 指示電路的電阻起到的是限流的作用，可以選擇的范圍為 100Ω—1KΩ，這樣可以對元器件的選擇有一個(gè)很好的把握。 在制作本系統(tǒng)時(shí)，同樣的遇到了很多問題，比如 PCB 板的排版問題，由于封裝不合適，最后顯示屏和按鍵以及單片機(jī)沒辦法和諧的安裝，只能重新制作，浪費(fèi)了不少功夫，還有在腐蝕銅板的時(shí)候，沒有把握時(shí)間，有些電路不得不在焊接的時(shí)候用焊錫連接起來。這些問題都是可以通過自己的注意加以避免的。 17 制作好實(shí)物后，首先我用萬用表測量了那些腐蝕過度并用焊錫連接的地方，保證其連通，檢查電解電容，二極管，三極管，蜂鳴器等有正負(fù)極的期間的焊接情況，其是否接反。確認(rèn)無誤后，想測試下電路是否能正常運(yùn) 行，因?yàn)閭鞲衅鞯膬r(jià)格較高，我沒有連接，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明電路正常運(yùn)行，顯示屏亮。我按照各管腳的順序用杜邦線接上傳感器，開機(jī)，系統(tǒng)初始化，因?yàn)槲以O(shè)置的初始的上下限是 4 度和 25 度，顯示屏顯示的 26 度，標(biāo)志正常溫度的黃色 LED 燈亮，之后我又設(shè)置最高限是 20 度，此時(shí)，紅燈亮起，蜂鳴器報(bào)警，繼電器閉合，表示溫度超過最大限度。最后設(shè)置最低限為 30 度，超過室溫，綠燈亮起，蜂鳴器報(bào)警，繼電器閉合，表示低于最低溫度。按下復(fù)位按鈕，系統(tǒng)變?yōu)槌跏紶顟B(tài)。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)可以運(yùn)行。 18 結(jié)論 本系統(tǒng)利用 STC89