【文章內容簡介】 此在前置 放大器和后級放大器之間加了帶通濾波器來抑制寬帶噪聲，提高信噪比。但帶通濾波器的帶寬不能做得太窄，否則當溫度發(fā)生變化時，信號的頻譜有可能偏離帶通濾波器的通頻帶而導致測量誤差。根據(jù)本系統(tǒng)測溫需要，系統(tǒng)采用二階無限增益多路巴特沃斯型帶通濾波器，其中心頻率設計為 30Hz 左右，帶寬在 10Hz 左右。相應的電路圖如下： NULLININ+VNULLV+OUTOV12348765U C4+12VV2主放大電路OP07C312VR3C210uFC110uF33KR1R2前置放大電路V1 圖 7 帶通濾波電路 Fig7 The band pass filter circuit 經(jīng)過查《常用電子元器件手冊》 [10]計算 : 其通帶增益： )( 211 23 ?????? CCR CRK p (4) 12 固有角頻率：21321210 CCRRR RRW ?? (5) 阻尼度：)( 21213 21 RRCCR RR ??? (6) 信號采集電路 經(jīng)放大電路放 大后的模擬電信號需要轉換成數(shù)字信號后才能送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集選用 TLC549 集成芯片進行 A/D轉換。 TLC549 是 8 位串行 A/D 芯片，既有 4MHz 的片內系統(tǒng)時鐘，轉換時間最長為17μs，允許最高轉換速度達 40000 次 /s，總失調誤差最大為 177。，典型功耗為6mW 。 TLC549 可 按 比 例 量 程 校 準 轉 換 范 圍 ， 其 VREF 接地時，(VREF+)(VREF)≥1V，可用于較小信號的采樣， 3～ 6V的供電范圍 。 TLC549 帶有片內系統(tǒng)時鐘，該時鐘與 I/O CLOCK 是獨立工作 的，無需特殊速度和相位匹配。當 CS 為高時，數(shù)據(jù) DATA OUT 處于高阻態(tài)，此時 I/O CLOCK 不起作用。這種 CS 控制作用允許在同時使用 TLC549 時，共用 I/O CLOCK，以減少 A/D轉換時的 I/O 控制端口 [11]。 TLC549 與單片機通過 I/O CLOCK、 CS、 DATA OUT 3 個引腳串行連接。該器件有 1個模擬輸入端口 AIN，三態(tài)數(shù)據(jù)串行輸出接口可方便與微處理器或外圍設備相連。 TLC549 僅僅使用輸入 /輸出時鐘 (I/O CLOCK)和片選信號 (CS)控制數(shù)據(jù)，與 51單片機的接口電路如下圖所示。 REF+AINREFGNDDOCLKVCCCS87654321VCC主放大電路1KR→VCCUTLC549STC89C51 圖 8 TLC549與單片機的接口電路 Fig8 TLC549 and MCU interface circuit 環(huán)境溫度補償電路 由于熱釋電傳感器測量是全輻射測溫法，測得的是被測物體與環(huán)境的輻射能量差，因此需要在信號處理電路中增加環(huán)境溫度的檢測電路。系統(tǒng)采用集成溫度13 傳感器 DS18B20 進行環(huán)境溫度的檢測， DS18B20 采用電源供電方式，與單片機的接口電路如下圖所示 : VCCDQGNDDS18B20VCCSTC89C51 圖 9 DS18B20與單片機的接口電路 Fig9 DS18B20 and MCU interface circuit DS18B20 的 1腳接地， 2腳作為信號線， 3腳接電源。當 DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為 10μs。P1 口內部自帶上拉電阻，總線上不需要外加上拉電阻。采集信號 DQ 由 口送入單片機，經(jīng)過單片機分析處理，轉換成相應大小的溫度數(shù)值。 測溫模塊的時序與計算 紅外測溫模塊的時序圖如下圖，在 Clock 的下降沿時接收數(shù)據(jù)。其中例 Item為 0x4c 表示測量目標溫度， Item 為 0x6c 表示測量環(huán)境溫度； MSB 為接收溫度的高八位數(shù)據(jù)； LSB 為接收溫度的低八位數(shù)據(jù)； Sum 為驗證碼，接收正確時Sum=Item+MSB+LSB。CR 為結束標志，當 CR為 0x0dH 時表示完成一次溫度數(shù)據(jù)接收。 圖 10 紅外測溫時序圖 Fig10 Infrared temperature measurement timing diagram 14 紅外測溫模塊溫度值的計算 以上面的例子；無論測量環(huán)境溫度還是目標溫度，只要檢測到 Item 為 0x4cH或者 0x66H 同時檢測到 CR 為 0x0dH，他們的溫度的計算方法都相同。 計算公式： 目標溫度 /環(huán)境溫度 =Temp/ (7) 其中 Temp 為十進制，當把它轉換成十六進制的高八位為 MSB，低八位為 LSB；其中例 MSB 為 0x14H， LSB 為 0x2Ah，則 Temp 十六進制時為 0x142aH，十進制時為5162，則測得的溫度值為 5162/=℃。 單片機處理模塊 該紅外測溫儀是以 STC89C51單片機為核心器件，此單片機模塊的工作原理是：加載相應程序的 STC89C51 單片機把紅外測溫模 塊傳來的數(shù)據(jù)加以處理，送 LED顯示屏顯示。 下圖是單片機處理模塊的電路原理圖： RSTXTAL2XTAL1GNDGND123456781011121315161718914201912晶振C30pFC30pFSTC89C51VccEA/VppALE/PROGPSEN4039383736353433323130292827262524232122SKEYD1N414810KR10uFC+5VVCCC30pF 圖 11 單片機處理模塊電路圖 Fig11 Single chip processing circuit module 其復位電路如上圖左邊上部分，本單片機處理模塊是通過開關手動復位的，只要在 RST 引腳出現(xiàn)大于 10ms 的高電平，單片機就進入復位狀態(tài)，這樣做的目的是便于根據(jù)實際情況而選擇是否復位溫度測量數(shù)據(jù)。 15 而此儀器的振蕩電路選用的是晶體振蕩電路，其具體電路如上圖左邊下部分。采用晶體振蕩電路的原因是因為它的 頻率穩(wěn)定性好，而這正是本紅外測溫儀非常重要的技術要求。 單片機作為紅外測溫儀的核心處理部件，它關系到整個儀器的性能指標。因此它的選擇是非常重要的。本測溫儀選擇的 STC89C51 單片機，下面是 STC89C51單片機相關資料信息： STC89C51 單片機是新一代超強抗干擾、高速、低功耗的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機， 12 時鐘 /機器周期和 6 時鐘 /機器周期可任意選擇， D 版本內部集成 MAX810 專用復位電路 [12]。 STC89C51 系列單片機具有在系統(tǒng)可編程（ ISP）特性，這樣可以省去購買 通用編程器，單片機在用戶系統(tǒng)上即可下載、燒錄用戶程序，無須將單片機從以生產(chǎn)好的產(chǎn)品上拆下。對于一些尚未定型的設計可以一邊設計一邊完善，加快了設計速度，減少了一些軟件缺陷風險。由于可以在用戶的目標系統(tǒng)上將程序直接下載進單片機看運行結果，故無須仿真器。下圖是次單片機的引腳圖： RSTXTAL2XTAL1GND1234567810111213151617189142019STC89C51VccEA/VppALE/PROGPSEN4039383736353433323130292827262524232122 圖 12 STC89C51 單片機引腳圖 Fig12 STC89C51 Microcontroller pin diagram STC89C51 單片機的特點 [13]： (1) 增強 型 6 時鐘 /機器周期， 12 時鐘 /機器周期 8051CPU； (2) 工作電壓： ； (3) 工作頻率范圍： 040MHz，相當于普通 8051 的 0~80M，時間工作頻率可達 16 48MHz； (4) 4k 的 Flash 程序存儲器； (5) 片上集成 512 字節(jié) RAM； (6)ISP/IAP，無須專用編程器 /仿真器； (7) 通用 I/O 口，復位后： P1/P2/P3/P4 是準雙向口 /弱上拉， P0 口開漏輸出，作 為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時需加上拉電阻； (8) EEPROM 功能； (9) 看門狗； (10) 內部集成 MAX810 專用復位電路（外部晶體 20M 以下時，可省略復位電 路）； (11)共 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器，其中定時器 0 還可以當成 2 個 8 位定時器使 用； (12) 外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷， Power Down 模式可由外 部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒； (13)超低功耗，正常工作模式，典型功耗 2mA；掉電模式，典型功耗 ， 可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序； (14) 2 個數(shù)據(jù)指針； (15) 同意異步串行口（ UATR)，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UATR； (16) 工作溫度范圍： 0— 75℃ /— 40~+85℃； (17) 封裝形式： PDIP40/PLCC44/PQFP44 。 STC89C51 各引腳的功能描述如下： (1)電源和晶振： Vcc—— 運行和程序校驗時加的電壓； Vss—— 接地； XTAL1—— 輸入到振蕩器的反向放大器； XTAL2—— 反向放大器輸出，輸入到內部時鐘發(fā)生器。 (2) RST：單片機的上電復位或掉電保護端； (3)ALE：地址鎖存有效信號輸出端； (4) PSEN ：片外程序存儲器讀選通信號輸出端。 單片機外圍電路模塊 RS232 電平轉換模塊 通過 RS232 轉換電路單片機可以方便的同 PC 機進行串口通信，可以同時接收17 或傳送外部送來的資料。但是進行串行通訊時要滿足一定的條件，因為 RS232 是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)的，而 TTL 是用高低電平來表示邏輯狀態(tài)的，因此，為了能夠同 PC 機接口或終端的 TTL 器件連接，必須在 RS232 與 TTL 電平之間進行電平轉換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉換器件，本設計采用 MAX232 芯片它可完成 TTL到 EIA 雙向電平的轉換。 RS232C 是串行數(shù)據(jù)接口標準，它規(guī)定了連接電纜 和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。 RS232 被定義為一種在低速串行通信中增加通信距離的單端標準，它采取非均衡傳輸方式，即所謂的單端通信。典型的 RS232信號在正負電平之間擺動，發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅動器輸出正電平 +5~+15V，負電平為 15~ 5V