【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 外測(cè)溫傳感器 的 視場(chǎng) D ： S = 1:1 距離 ：目標(biāo)直徑 = 1:1 Field of View TN901 視場(chǎng) 9 第四章 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì) 及思路 分析 紅外傳感器與 單片機(jī) 通信 TN901 與單片機(jī)的 硬件 連接圖 雖然 TN901 與單片機(jī)引腳連接簡(jiǎn)單，但 TN9 如何 把數(shù)據(jù)傳輸剛給單片機(jī) ，單片機(jī)怎么接受到數(shù)據(jù)并 計(jì)算 是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。 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(yàn)和 總結(jié) ， 得出程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于 CLOCK 信號(hào)的下降沿檢測(cè)，單片機(jī)讀取 TN9 傳感器送入的每一幀數(shù)據(jù)位。 單片機(jī)一次讀 5 個(gè) BYTE。 只有當(dāng)?shù)谝粋€(gè) BYTE 和最后一個(gè) BYTE 分別為 4CH （或 66H） 和 0DH 時(shí)，才可以認(rèn)為這是一個(gè)有效的數(shù)據(jù)，否則單片機(jī)不停的進(jìn)行讀取。 單片機(jī)一直在做一個(gè) While 循環(huán)，當(dāng)有按鍵 K1 或 K2觸發(fā)時(shí)，單片機(jī)通過給 引腳一個(gè)低電平來(lái)啟動(dòng)紅外傳感器 TN901。 只要啟動(dòng) 紅外傳感器 TN901，它會(huì)測(cè)量環(huán)境溫度和目標(biāo)溫度，但我們采用的是最簡(jiǎn)單的 4 位一體的數(shù)碼管，不能同時(shí)顯示兩個(gè)數(shù)值。所以我們分 K1 和 K2來(lái)區(qū)分要測(cè)量的是環(huán)境溫度還是目標(biāo)溫度。 具體程序見附錄 B。 10 單片機(jī) 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(dǎo)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(gòu)造是兩片平行的玻璃當(dāng)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(xì)小電 線，透過通電與否來(lái)控制杠狀水晶分子改變方向，將光線折射出來(lái)產(chǎn)生畫面。雖然顯示效果頗佳，但價(jià)格較昂貴。由于設(shè)計(jì)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(diǎn)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(fù)雜。 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dP為段引腳， 4分別表示四個(gè)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(gè)引腳按順序（ a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dP ， 4）連接到小萬(wàn)用板的排針上，分別為位選 8個(gè)引腳 和 段選 4個(gè)引腳 ，整齊的 順序 方便與萬(wàn)用板連接。 11 數(shù)碼管與單片機(jī)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(jìn)制代碼 十六進(jìn)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(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)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(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。 12 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一 。 從 本設(shè)計(jì)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(jī)的 ～ 相連， P0口 接了上拉 電阻，因?yàn)樗锹O開路的 ， 控制數(shù)碼管中顯示的字形 。 位選 與 單片機(jī)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(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)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(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管 的位選 ，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。 在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r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(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)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(huì)有閃爍感 。 復(fù)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(shí)進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”。 松手后：電源開始對(duì)電容器充電，此時(shí)，充電電流在電阻上，形成高電平送到 RST，仍然是“復(fù)位狀態(tài)”； 稍后，充電結(jié)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(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。 13 晶振電路 單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)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(gòu)成了自激振蕩器，其輸出就是時(shí)鐘脈沖。 蜂鳴器電路 通過控制引腳 來(lái)達(dá)到蜂鳴器報(bào)警 。 程序預(yù)置 beep 高電平，當(dāng)測(cè)量得到的溫度數(shù)值 超過 38℃時(shí)， beep 變成低電平，產(chǎn)生回路，有電流經(jīng)過蜂鳴器，達(dá)到報(bào)警的目的。 14 電源設(shè)計(jì) 電源硬件實(shí)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(cè) 試 及 誤差 分析 系統(tǒng) 測(cè)試 下表是采用本設(shè)計(jì)得到的溫度實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的測(cè)量溫度值、誤差以及誤差率。 測(cè)量次數(shù) 真實(shí)值 (176。C ) 實(shí)測(cè)值 (176。C ) 誤差 (176。C ) 誤差率 (%) 1 2 3 4 不同溫度下實(shí)際測(cè)量溫度數(shù)據(jù)及誤差 注 ：水銀溫度計(jì)的測(cè)量范圍 從 35℃ 到 42℃ ， 測(cè)量范圍 有限， 測(cè)量時(shí)間長(zhǎng) ， 所以本測(cè)試有一定的局限性。 真實(shí)值：由市場(chǎng)上購(gòu)買的測(cè)量體溫用的水銀溫度計(jì)測(cè)量得到； 實(shí)測(cè)值：由本設(shè)計(jì)的紅外測(cè)溫儀得到； 誤差 =|真實(shí)值 — 實(shí)測(cè)值 |； 誤差率 =（誤差 /真實(shí)值） x 100%。 15 誤差分析 環(huán)境因素 被測(cè)物體所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量的結(jié)果有很大的影響，它主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即環(huán)境的溫度和 清 晰 度。 1. 環(huán)境溫度的影響 設(shè)被測(cè)目標(biāo)的溫度為 T1，環(huán)境溫度為 T2 時(shí)，該目標(biāo)單位面積表面發(fā)射的輻射能為 41TA?? ，而相應(yīng)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(shè)被測(cè)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(cè)物體距離越遠(yuǎn)，大氣透射對(duì)溫度測(cè)量的影響就越大。所以，在室外進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí)，應(yīng)盡量在無(wú)雨、無(wú)霧、空氣比較清晰的環(huán)境下進(jìn)行。在室內(nèi)進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí)，應(yīng)在沒有水蒸氣的環(huán)境下進(jìn)行，這樣就可以在誤差最小的情況下測(cè)得較準(zhǔn)確的數(shù)值。 目標(biāo)尺寸 測(cè)量距離與目標(biāo)直徑 S:D=1:1 的測(cè)溫儀，測(cè)量 距離應(yīng)滿足下表的要求。 目標(biāo)大小 D(mm) 400 800 1600 測(cè)量距離 S(mm) 400 800 1600 被測(cè)物體和測(cè)溫儀視場(chǎng)決定了儀器測(cè)量的精度。使用紅外測(cè)溫儀測(cè)溫時(shí)，一般只能測(cè)定被測(cè)目標(biāo)表面上確定面積的平均值。一般測(cè)試時(shí)有以下三種情況： 1. 當(dāng)被測(cè)目標(biāo)大于測(cè)試視場(chǎng)時(shí)，測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影 16 響，就能顯示被測(cè)物體位于光學(xué)目標(biāo)內(nèi)確定面積的真實(shí)溫度，這時(shí)的測(cè)試效果最好。 2. 當(dāng)被測(cè)目標(biāo)等于測(cè)試視場(chǎng)時(shí)，背景溫度已受到影響，但還比較小，測(cè)試效果一般。 3. 當(dāng)被測(cè)目標(biāo)小于測(cè)試視場(chǎng)時(shí)，背景輻射 能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀的視聲符支干擾測(cè)溫讀數(shù)，造成誤差。儀器僅顯示被測(cè)物體和背景溫度的加權(quán)平均值。 因此在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)尺寸超過視場(chǎng)大小的 50%為好，具體情況如圖所示。 目標(biāo)與視場(chǎng)示意圖 17 第六章 總結(jié) 經(jīng)過將近一年學(xué)習(xí)和實(shí)踐，我們?cè)O(shè)計(jì)的 基于單片機(jī)的 紅外測(cè)溫儀 達(dá)到了立項(xiàng)時(shí)的預(yù)期目標(biāo)。 它體積小巧，能夠很方便地測(cè)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(lǐng)