【文章內(nèi)容簡介】 外測溫傳感器 的 視場 D ： S = 1:1 距離 ：目標直徑 = 1:1 Field of View TN901 視場 9 第四章 系統(tǒng)主要設計 及思路 分析 紅外傳感器與 單片機 通信 TN901 與單片機的 硬件 連接圖 雖然 TN901 與單片機引腳連接簡單，但 TN9 如何 把數(shù)據(jù)傳輸剛給單片機 ，單片機怎么接受到數(shù)據(jù)并 計算 是本設計的關鍵，也是難點。 經(jīng)過查閱大量書籍，分析 SPI 接口的傳輸方式，以及 多次試驗和 總結 ， 得出程序設計的關鍵在于 CLOCK 信號的下降沿檢測，單片機讀取 TN9 傳感器送入的每一幀數(shù)據(jù)位。 單片機一次讀 5 個 BYTE。 只有當?shù)谝粋€ BYTE 和最后一個 BYTE 分別為 4CH （或 66H） 和 0DH 時，才可以認為這是一個有效的數(shù)據(jù)，否則單片機不停的進行讀取。 單片機一直在做一個 While 循環(huán)，當有按鍵 K1 或 K2觸發(fā)時，單片機通過給 引腳一個低電平來啟動紅外傳感器 TN901。 只要啟動 紅外傳感器 TN901，它會測量環(huán)境溫度和目標溫度，但我們采用的是最簡單的 4 位一體的數(shù)碼管，不能同時顯示兩個數(shù)值。所以我們分 K1 和 K2來區(qū)分要測量的是環(huán)境溫度還是目標溫度。 具體程序見附錄 B。 10 單片機 送數(shù)據(jù)到 數(shù)碼管 顯示： 選擇一： LED 數(shù)碼管 （ 4 位一體數(shù)碼管 ） 是一種半導體發(fā)光器材，其基本單元是發(fā)光二極管。 選擇 二 ： LCD 液晶顯示屏， LCD 的構造是兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電 線，透過通電與否來控制杠狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。雖然顯示效果頗佳，但價格較昂貴。由于設計顯示少，故不選用 LCD 顯示屏。 4 位一體數(shù)碼管，其內(nèi)部段已連接好， 外部 引腳 下圖 所示（正面朝自己，小數(shù)點在下方）。 但外部引腳并不是按段選和位選整齊排列的，所以焊接復雜。 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dP為段引腳， 4分別表示四個數(shù)碼管的位。 。 。 。 。 。 。 1 a f 2 3 b 。 。 。 。 。 。 e d dp c g 4 數(shù)碼管 引腳焊接 圖 把數(shù)碼管的 12 個引腳按順序（ a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dP ， 4）連接到小萬用板的排針上，分別為位選 8個引腳 和 段選 4個引腳 ，整齊的 順序 方便與萬用板連接。 11 數(shù)碼管與單片機連接原理圖 數(shù)碼管顯示 方式 共 陰 LED 數(shù)碼管字形 (段碼 )表 顯示數(shù)字 dp g f e d c b a 二進制代碼 十六進制代碼 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0011 1111 3f 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0000 0110 06 2 0 1 0 1 1 0 1 1 0101 1011 5b 3 0 1 0 0 1 1 1 1 0100 1111 4f 4 0 1 1 0 0 1 1 0 0110 0110 66 5 0 1 1 0 1 1 0 1 0110 1101 6d 6 0 1 1 1 1 1 0 1 0111 1101 7d 7 0 0 0 0 0 1 1 1 0000 0111 07 8 0 1 1 1 1 1 1 1 0111 1111 7f 9 0 1 1 0 1 1 1 1 0110 1111 6f 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 12 數(shù)碼管動態(tài)顯示是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一 。 從 本設計的 原理圖中我們 可以看到 數(shù)碼管的段碼 a,b,c,d,e,f,g,dp 分別與單片機的 ～ 相連， P0口 接了上拉 電阻，因為它是漏極開路的 ， 控制數(shù)碼管中顯示的字形 。 位選 與 單片機的 ～ 相連，同上表，得 到 4 位 共陰 LED 數(shù)碼管 字形 位選代碼0xef,0xdf,0xbf,0x7f，控制數(shù)碼管不同的位數(shù)顯示不同的字形。 當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管 的位選 ，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。 在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感 。 復位電路 按鍵后：電容器被短路放電、 RST 直接和 VCC 相連，就是高電平，此時進入“復位狀態(tài)”。 松手后：電源開始對電容器充電，此時，充電電流在電阻上，形成高電平送到 RST，仍然是“復位狀態(tài)”； 稍后，充電結束，電流降為 0，電阻上的電壓也將為 0， RST 降為低電平，單片機進入工作狀態(tài)。 13 晶振電路 單片機片內(nèi)有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器和陶瓷電容連接，就構成了自激振蕩器，其輸出就是時鐘脈沖。 蜂鳴器電路 通過控制引腳 來達到蜂鳴器報警 。 程序預置 beep 高電平，當測量得到的溫度數(shù)值 超過 38℃時， beep 變成低電平，產(chǎn)生回路，有電流經(jīng)過蜂鳴器，達到報警的目的。 14 電源設計 電源硬件實物圖 供電方式 1：采用最常用的 USB 供電。 供電方式 2：用 10V 的干電池，經(jīng) 7805 降壓芯片 后 ，輸出 5V穩(wěn)定的直流電。 第五章 系統(tǒng) 測 試 及 誤差 分析 系統(tǒng) 測試 下表是采用本設計得到的溫度實測值與標準水銀溫度計的測量溫度值、誤差以及誤差率。 測量次數(shù) 真實值 (176。C ) 實測值 (176。C ) 誤差 (176。C ) 誤差率 (%) 1 2 3 4 不同溫度下實際測量溫度數(shù)據(jù)及誤差 注 ：水銀溫度計的測量范圍 從 35℃ 到 42℃ ， 測量范圍 有限， 測量時間長 ， 所以本測試有一定的局限性。 真實值：由市場上購買的測量體溫用的水銀溫度計測量得到； 實測值：由本設計的紅外測溫儀得到； 誤差 =|真實值 — 實測值 |； 誤差率 =（誤差 /真實值） x 100%。 15 誤差分析 環(huán)境因素 被測物體所處的環(huán)境條件對測量的結果有很大的影響，它主要體現(xiàn)在兩個方面，即環(huán)境的溫度和 清 晰 度。 1. 環(huán)境溫度的影響 設被測目標的溫度為 T1，環(huán)境溫度為 T2 時，該目標單位面積表面發(fā)射的輻射能為 41TA?? ，而相應地被它所吸收輻射能為 42TA?? ，則該物體發(fā)出的凈輻射能 Q 為 : Q= 41TA?? 42TA?? （ 5） 式中， A— 單位面積； ε — 物體的輻射率； α — 吸收率。 設被測物體的 ε 和 α 兩者相等，由式 (5)可得： ? ?4241 TTAQ ?? ?? 2. 大氣吸收的影響 紅外線在輻射的傳輸過程中，由于大氣的吸收作用，能量總要受到一定的衰減。大氣吸收是指在傳輸過程中使一部分紅外線輻射能量變成其它形式的能量，或以另一種光譜分布。大氣吸收程度隨空氣溫溫變化而變化，被測物體距離越遠，大氣透射對溫度測量的影響就越大。所以，在室外進行紅外測溫時，應盡量在無雨、無霧、空氣比較清晰的環(huán)境下進行。在室內(nèi)進行紅外測溫時，應在沒有水蒸氣的環(huán)境下進行，這樣就可以在誤差最小的情況下測得較準確的數(shù)值。 目標尺寸 測量距離與目標直徑 S:D=1:1 的測溫儀，測量 距離應滿足下表的要求。 目標大小 D(mm) 400 800 1600 測量距離 S(mm) 400 800 1600 被測物體和測溫儀視場決定了儀器測量的精度。使用紅外測溫儀測溫時，一般只能測定被測目標表面上確定面積的平均值。一般測試時有以下三種情況： 1. 當被測目標大于測試視場時，測溫儀就不會受到測量區(qū)域外面的背景影 16 響，就能顯示被測物體位于光學目標內(nèi)確定面積的真實溫度，這時的測試效果最好。 2. 當被測目標等于測試視場時，背景溫度已受到影響，但還比較小，測試效果一般。 3. 當被測目標小于測試視場時，背景輻射 能量就會進入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。儀器僅顯示被測物體和背景溫度的加權平均值。 因此在實際測溫時，被測目標尺寸超過視場大小的 50%為好，具體情況如圖所示。 目標與視場示意圖 17 第六章 總結 經(jīng)過將近一年學習和實踐，我們設計的 基于單片機的 紅外測溫儀 達到了立項時的預期目標。 它體積小巧，能夠很方便地測量近距離物體的表面溫度以及所處環(huán)境的溫度 ， 完全可以滿足常溫領