【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)部有溫度補償電路和線性處理電路，使本系統(tǒng)的設(shè)計得到了簡化。 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，當進行溫度測量時，將 TN9 的紅外傳感器探頭對準被測量者的額頭，隨即按下功能按鍵 0， 即開始鍵 ，單片機通過向測試腳提供一個高電平的信號，即啟動紅外測溫。在時鐘的下降沿開始讀數(shù)據(jù)，共 5 個字節(jié)，當?shù)谝粋€字節(jié)為 4CH（或 66H），且第 5 個字節(jié)為 0DH 時，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，單片機對讀到的有效數(shù)據(jù)進行運算處理，然后送 LCD1602 顯示。 LCD1602 設(shè)計原理圖 本系統(tǒng)采用 LCD1602 作為顯示器，相比于 LED， LCD1602 需要的管腳少，電路圖和實物比較簡單。同時 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)上電運行時就開始顯示時間，該顯示模塊與單片機的連接如圖 24 所示。 8 圖 24 LCD1602 顯示電路圖 RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選指令寄存器 ；通過單片機的 ， R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。 由于本設(shè)計中只需要對液晶進行寫操作，為了節(jié)省單片機引腳資源，它直接接為低電平； EN端為使能端，當 EN端由高電平跳變成低電平時， 液晶模塊執(zhí)行命令 ，通過單片機 。圖 36中的 R8是一個 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 本次設(shè)計的系統(tǒng)開啟紅外測溫功能只需按下電源電路中的開關(guān)， LCD1602 上能對報警上下限進行調(diào)整，比如數(shù)字的加和減以及調(diào)整完之后的確認，經(jīng)過設(shè)想，最終系統(tǒng)的功能按鍵設(shè)置為 4 個，均采用獨立按鍵模塊，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個獨立式鍵盤。相較于矩陣鍵盤，獨立式鍵盤是一種常開型按鍵開關(guān) ，常態(tài)下鍵的兩個觸點處于斷開狀態(tài)，按下鍵時它們才閉合，最大的優(yōu)點是使用方便，程序編寫比較簡單。 4個按鍵的功能具體如下： 按鍵 S3:調(diào)節(jié)報警上下限的功能按鍵，按下后進入調(diào)整狀態(tài)； 9 按鍵 S4：在跳針的情況下，實現(xiàn)“加”功能； 按鍵 S5：在跳針的情況下，實現(xiàn)“減”功能； 按鍵 S6：對上述“加減”功能調(diào)節(jié)后的確認鍵。 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 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提供一個穩(wěn)定的節(jié)拍 ,C2， C3這兩個電容叫晶振的負載電容，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。實際上等同于電容三點式電路的分壓電容，接地點就是分壓點，以接地點作為參考點，振蕩引腳的輸入和輸出是反相的。當兩個電容量相等時，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 報警電路的設(shè)計 該系統(tǒng)的報警電路的原理圖如圖 28 所示。 圖 28 報警電路原理圖 報警電路實際就是蜂鳴器驅(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可以看做是個電子開關(guān)，用來控制蜂鳴器的控制中斷。 當 FM口輸出 高電平 時， Q1飽和導(dǎo)通， 蜂鳴器 獲得電工作發(fā)出鳴響，當 FM口 輸出 低電平 時 Q1截止蜂鳴器 失電，停止工作。 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 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 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 Kei1C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows界面。另外重要的一點，編譯后生成的匯編代碼，到 Kei1C51 生成的目標代碼效率非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解，在開發(fā)大型項目時非常理想。 系統(tǒng)軟件設(shè)計要求及任務(wù) 軟件是整個系統(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現(xiàn)不同的功能。 本設(shè)計的紅外測溫系統(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)計方法和硬件設(shè)計相對應(yīng)，采用模塊對應(yīng)進行編寫，將系統(tǒng)的硬件劃分為相應(yīng)的子程序模塊，分別進行編寫、調(diào)試，使整個程序看起來簡潔，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 主程序的運行過程：系統(tǒng)正常上電，開始初始化，對功能按鍵進行掃描處理，看是否有按鍵按下，如果有，則進入設(shè)置狀態(tài)，對上下限進行調(diào)節(jié)，如果沒有，則顯示測的溫度，且對過限的溫度進行報警，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 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，最后一個字節(jié)是否為 0DH，因為單片機每一次讀取 5 個 BYTE，當?shù)谝粋€ BYTE 和最后一個 BYTE 分別同時為 4CH（或 66H）和 0DH 時，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 字 節(jié) 是 否為 0 D H ?送 L C D 1 6 0 2 顯示計 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 才認為這是一個有效的數(shù)據(jù)， 否則單片機將不停地進行讀取。如果是，則進行溫度的計算及溫度的處理，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，所以我沒有進行最后的仿真，僅僅用 Altium designer 進行了編譯，程序部分用 KeilC51 進行了編譯。在進行該過程時分為兩步：目標程序糾錯，整體程序調(diào)試。 目標程序糾錯：該階段工作 通常在目標程序編輯時就完成。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)系整體電路進行調(diào)試，看根據(jù)現(xiàn)行的程序和硬件條件是否能實現(xiàn)預(yù)計的功能顯示。在這階段若發(fā)生故障，可以考慮各子程序在運行時是否破壞現(xiàn)場，數(shù)據(jù)緩沖單元是否發(fā)生沖突，標志位的建立和清除在設(shè)計上是否失誤，堆棧是否溢出，輸入輸出狀態(tài)是否正常等再進一步對細節(jié)進行修改。 硬件調(diào)試 單片機應(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)計圖，仔細檢查樣機線路是否連接正確，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求，必要時可用萬用表檢測線路通斷情況。 電源調(diào)試：樣機的第一次通電測試很重要，若樣機中存在電源故障，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，檢查空載時電源工作情況；另一種是拔下樣機上的主要集成芯片，檢查電源的負載能力（用假負載）。確保電源無故障并性能符合 設(shè)計要求 [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，仔細測量相應(yīng)的輸入輸出電平是否正常。單片機系統(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)性能的一個重要指標。通常距離越遠的物體，紅外測溫儀測溫時所經(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，就越接近真實值。 （ 4） 干擾光的影響。因為該系統(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，在選取傳感器時盡量選取吸收系數(shù)高的器件；測量時盡量多測量幾次數(shù)據(jù)，取其平均值，降低誤差；軟件設(shè)計時，采用循環(huán)系統(tǒng)測量，想辦法得到更精確的算法；測量時盡量注意周圍環(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)進行模塊化處理，分別分為不同的幾個電路：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很好的把握。 在制作本系統(tǒng)時，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沒辦法和諧的安裝，只能重新制作，浪費了不少功夫，還有在腐蝕銅板的時候，沒有把握時間，有些電路不得不在焊接的時候用焊錫連接起來。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，蜂鳴器等有正負極的期間的焊接情況，其是否接反。確認無誤后，想測試下電路是否能正常運 行，因為傳感器的價格較高，我沒有連接，實驗結(jié)果證明電路正常運行，顯示屏亮。我按照各管腳的順序用杜邦線接上傳感器，開機，系統(tǒng)初始化，因為我設(shè)置的初始的上下限是 4 度和 25 度，顯示屏顯示的 26 度，標志正常溫度的黃色 LED 燈亮，之后我又設(shè)置最高限是 20 度，此時，紅燈亮起，蜂鳴器報警，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)。實踐證明，本系統(tǒng)可以運行。 18 結(jié)論 本系統(tǒng)利用 STC89