【正文】 表 6 ： MLX90615 絕對最大額定值 參數(shù) MLX90615 。 MLX90615 絕對最大額定值見表 6， 超過絕對最大額定值會造成永久性損害。 MLX90615 可用電池供電。 作為標(biāo)準(zhǔn)， MLX90615 出廠校準(zhǔn)的物體發(fā)射率為 1。 C，物體溫度為 40 到 115 176。此數(shù)值可通過串行兩線 SMBus 兼容協(xié)議獲或是器件的 10 位 PWM 格式獲得。計算 所得的物體溫度被存儲在 MLX90615 的 RAM，分辨率為 176。器件有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) TO46 封裝形式。 圖 410 系 統(tǒng)框圖 由于方案一與方案二中僅傳感器不同，所以公共元件介紹在后邊。然后將對應(yīng)的數(shù)字信號傳輸入單片機(jī) STC89LE52 中，通過單片機(jī)程序處理信號，將對應(yīng)的溫度值顯示在 LCD1602 上，設(shè)置超限溫度，超過后報警。C。 圖 49 信號處理電路圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 共 38 頁 (方案二 )設(shè)計思路 MLX90615 數(shù)字式紅外測溫傳感器內(nèi)部集成了低噪聲放大器， 16位 ADC 和強(qiáng)大的 DSP的 MLX90325 單元。采用 100K 電阻與其串聯(lián)分壓，令熱敏電阻的阻值為 R，電源用直流 5V 電壓供電，則其電壓計算公式為： U= RKR?100 5 通過對輸出電壓的采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號，經(jīng)過運算查表就可得出對應(yīng)的環(huán)境溫度值了。 （ 7） 數(shù)據(jù)寄存器 數(shù)據(jù)寄存器是一個 16 位的只讀寄存器，用于存放 AD7705 的最新轉(zhuǎn)換結(jié)果。具體控制位如表 46 所示。 MD MD0=00：正常工作模式，轉(zhuǎn)換器進(jìn)行正常 A/D 轉(zhuǎn)換； MD MD0=01：自校準(zhǔn)模式，一次完成零標(biāo)度和滿標(biāo)度校準(zhǔn)； MD MD0=10：零標(biāo)度系統(tǒng)校準(zhǔn)，零基準(zhǔn)電壓由外部提供； MD MD0=11：滿標(biāo)度系統(tǒng)校準(zhǔn)，滿標(biāo)度電壓由外部提供； 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 共 38 頁 G2 ~G0:為增益控制位，增益對照表如表 45 所示。 表 43 CH CH0 關(guān)系對應(yīng)表 CH1 CH0 AIN(+) AIN() 校準(zhǔn)寄存器對 0 0 AIN1(+) AIN1() 寄存器對 0 0 1 AIN2(+) AIN2() 寄存器對 1 1 0 AIN1() AIN1() 寄存器對 0 1 1 AIN1() AIN2() 寄存器對 2 （ 5） 設(shè)置寄存器 設(shè)置寄存器也是一個 8 位寄存器，該寄存器必須先在通信寄存器中選擇后才能進(jìn)行讀或?qū)懀饕糜谶x擇工作模式和輸入增益，控制字如表 44 所示。具體說明如下： /DRDY：寫操作時，必須把“ 0”寫到此位，以保證對通信寄存器寫操作的順利完成。其對芯片的所有操作都必須先 從寫通信寄存器開始，當(dāng)上電復(fù)位后，芯片的等待指令數(shù)據(jù)即被寫入通信寄存器，陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 共 38 頁 寄存器地址如表 41 所示，通信寄存器的格式如表 42 所示。 ⑨ DRDY： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志； ⑩ DOUT：轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端； DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端； （ 3） 讀寫時序 AD7705 可以直接與單片機(jī)進(jìn)行接口，用到的數(shù)據(jù)線有片選 /CS、串行時鐘輸入 SCLK、指令或數(shù)據(jù)輸入 DIN 以及轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出 DOUT 等，只有在狀態(tài)信號 DRDY 指示輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒時，單片機(jī)才可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，圖 47和圖 48分別給出了讀寫數(shù)據(jù)周期的時序圖。 圖 46 AD7705 的引腳排列 （ 2） 各引腳的功能說明如下： ① SCLK：串行接口時鐘輸入端； ② MCLK IN：芯片工作時鐘輸入，可以是晶振或外部時鐘，其頻 率范圍為 500KHz到 5MHz； ③ MCLK OUT：時鐘信號輸出，當(dāng)用晶振作為芯片的工作時鐘時，晶振必須在 MCLK IN和 MCLK OUT 之間。在本設(shè)計中非常實用，只需要 1 片 AD芯片就能滿足需求，節(jié)約了硬件成本。AD7705 具有分辨率高、動態(tài)范圍廣、自校準(zhǔn)等特點，因而非常適合于工業(yè)控制、儀表測量等領(lǐng)域。 這種器件帶 有增益可編程放大器，可通過軟件編程來直接測量傳感器輸出的各種微小信號。片內(nèi)數(shù)字濾波器處理調(diào)制器的輸出信號。利用Σ Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了 16 位無丟失代碼性能。 AD7705 簡介和應(yīng)用 在本設(shè)計中選用的 AD7705 集成模塊是 AD 公司推出的 16 位Σ Δ A/D 轉(zhuǎn)換器，可用于測量低頻模擬信號。熱電堆輸出的信號直接是電壓信號，所以不需要進(jìn)行其它處理，就是直接將高精度放大器 A/D 轉(zhuǎn)換器 單片機(jī) 信號 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 共 38 頁 其信號放大處理得到使 A/D 轉(zhuǎn)換器能夠檢測分辨的電壓信號就可以了。 圖 45 測量電路方框圖 測量電路對所探測到的信號進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳送給單片機(jī)，再由單片進(jìn)行特定的處理。它的阻值 隨 之 溫 度的升高而降低，由此通 過測 量其阻值就可以得知 環(huán) 境 溫 度。因此， 還 要 進(jìn) 行 環(huán) 境 溫 度 補償 ，也就是要 測 出 熱電 堆的冷端 溫 度。由于 環(huán) 境 溫 度 時 可 變 的，所以 還 要 進(jìn) 行 環(huán) 境 溫 度 補償 。 由于 實際傳 感器只 測 量一定的波 長 范 圍 并且其敏感度只有在一定的波 長 范 圍 才可以看成是 常數(shù) ，所以上式可以 進(jìn)一步修正 為 ： U=S K/（δ T4δ δ 0T04δ ） 由此可以看出， 當(dāng)環(huán) 境 溫 度一定 時 ， 紅 外 傳 感器其 輸 出 電壓 與被 測 物的 絕對溫 度的4δ次方成 線 性 關(guān) 系。由此可得出 紅 外 傳 感器的 輸 出電壓為： U=S K/（δ T4δ 0T04） 其中： S 是傳 感器的敏感度（ V/W）。 圖 42 TS1183外 部結(jié) 構(gòu) 圖 圖 43 TS1183內(nèi)部結(jié) 構(gòu) 圖 44 TS1183 引腳圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 共 38 頁 紅 外 傳 感器的 輸 出特性 溫 度 為 T的物體， 其單 位元面 積 在全部波 長 的 輻 射功率可以表 示為： P≈ Kδ T4 其中： K 是波 爾茲 曼 常數(shù) ， K≈ 1023J/K，δ是物 體的發(fā)射 系 數(shù) ，δ在 01 之間 。其外部機(jī)構(gòu)如 圖 42 所示， 紅 外 溫度 傳 感器 我們選用 TS1183， TS1183 紅 外 溫 度 傳 感器的 環(huán)境溫 度 補償 范 圍為 40℃ —100℃，比 較 適合 測 量體 溫 。 在 紅 外 傳 感器熱電 堆的 熱 端 貼有熱 量吸收器，它用 來 吸收被 測 物體 輻 射的 紅 外 線 并 轉(zhuǎn) 化 為熱 能。熱電 堆是用半 導(dǎo) 體集成 電 路（ IC） 工藝 和微機(jī)械 電 子（ MEMS） 工藝制 造的，它可以等效為多個熱電 偶串 聯(lián) 。 由于時鐘電路外帶電源，所以在單片機(jī)系統(tǒng)斷電的時候，時鐘電路仍能正常工作，滿足了許多需要 RTC 的場合 。 圖 41 系 統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)的測量原理為：傳感器探測到人體輻射紅外線后，傳送到 A/D 7705 轉(zhuǎn)換器經(jīng)放大、然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，傳送到單片機(jī)，單片機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行采樣、量化和編碼最后輸送到 LCD1602 進(jìn)行顯示。同時根據(jù)實際需要，功能的多樣性，還配備了時鐘電路顯示當(dāng)前的測量時間，便于測量人員記錄測量的時間信息。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 共 38 頁 4． 硬件電路的 設(shè)計 (方案一 )設(shè)計思路 所有的物體都會向外發(fā)射紅外線，發(fā)射功率正比于物體表面溫度，人體向外發(fā)射的紅外線的波長范圍在 9~10um，為此我們選用了德國 HLPlanartechnik 公司生產(chǎn)的TS1183 型 無接觸式表面溫度測量傳感器，將吸收到的紅外線能量轉(zhuǎn)換成熱量，而內(nèi)部的熱電容把熱量成比例地轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出的電壓經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)變成單片機(jī)能處理的數(shù)字量，然后通過一系列的算法運算將其換算成相對應(yīng)的溫度值，再傳送給液晶顯示屏顯示。紅外溫度測量技術(shù)的最大優(yōu)點是測試速度快， 1 秒鐘以內(nèi)可測試完畢。由于該波長范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，因而可利用人體輻射的紅外能量精確地測量人體表面 溫度。測溫原理： 自然界一切溫度都是高于絕對零度（ ）的物體，由于分子的熱運動，都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克（ Plank）定律。 顯 示部分的 選擇 方案二中顯示與方案一中 基本一致，無需變動，依然選擇 LCD1602。但絲毫不影響功能的實現(xiàn)，已經(jīng)測量的準(zhǔn)確性。缺點：精度比不上 TS1183，且價格也不低。 MLX90615同樣 是集熱電偶和熱敏電阻于一體的紅外傳感器 。C，物體溫度為 40 到 115 186。此數(shù)值可以通過串行兩線 SMBUS 兼容協(xié)議獲得或是器件的 10 位 PWM 格式獲得。計算所得的溫度被存儲在陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 共 38 頁 MLX90325 的 RAM 并且分辨率可以達(dá)到 186。 方案二： 傳感器的選擇 出于可能方案一 TS1183 雖然精度很高，但相對資料短缺，加之信號微弱不好處理等問題，我提出方案二，作為方案一的替代方案。該顯示屏具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)豐富、使用方便等諸多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式 LCD，目前常用 16*1， 16*2，20*2 和 40*2 行等的模塊 。液晶顯示屏正好可以克服這點，顯示部分看來來直觀簡潔，耗電量較少。 顯 示部分的 選擇 我們多學(xué)過的顯示主要 有兩種方法，一種是 LED 數(shù)碼管，另一種就是 LCD 液晶 顯示屏 。最高運作頻率 35MHz， 6T/12T 可選。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、 定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash，512字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 看門狗定時器 ，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路，3 個 16 位 定時器 /計數(shù)器， 4個外部中斷，一個 7 向量 4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51 的 5向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工 串行口 。 STC89C52使用經(jīng)典的 MCS51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51單片機(jī)不具備的功能。 控制部分的選擇 單片機(jī)主要我們學(xué)過的是 AT和 STC 的，有 51 和 52 兩種居多，但 51 由于內(nèi)存較小等原因?qū)υO(shè)計要求較高，所以對于初學(xué)者我選 擇 52。使得 電 路的設(shè)計變 的非常 簡單 。放大器可以由 單個 的 集成 運 算放大 器 構(gòu)成，從而達(dá)到放大的目的，缺 點 是 這 種方陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 共 38 頁 法 產(chǎn) 生 的測 量 誤 差 較 大，并且 數(shù) 據(jù)也不 穩(wěn) 定。 考慮到制作的可靠性和電路的可制作性， 開始嘗試 選擇紅外溫度傳感器 TS1183 作為方案一的紅外傳感器 。一種是內(nèi)部只由熱電偶構(gòu)成的紅外傳感器，如 LHI778 傳感器，測量的是目標(biāo)物體與環(huán)境溫度的差值，真實的測量目標(biāo)溫度是要外加環(huán)境 溫度補償電路，該方法的優(yōu)點是傳感器價格便宜，但是電路相對復(fù)雜，不易制作。 3. 總體設(shè)計 方案一： 傳 感器的 選擇 測量人體溫度的紅外傳感器主要有熱釋電紅外傳感器、熱電偶構(gòu)成的紅外傳感器和集熱電偶、熱敏電阻于一體的紅外傳感器。 體積小，方便攜帶 。 靈敏度高：只要 人 體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測出 。 紅外探測器中靈敏元非常靈敏， 只要接收到目標(biāo)紅外輻射即可在短時間內(nèi)定溫。 標(biāo)準(zhǔn)溫度（ ℃ ） 環(huán)境溫度（ ℃ ） 測量值（ V） 系 數(shù) Ka（ V/℃ ） 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 共 38 頁 測量范圍廣：因 為人體紅外測溫儀 是非接觸 式 測溫，所以測溫儀并不處在較高或較低的溫度場中，而是工作在正常的溫度或測溫儀允許的條件下 進(jìn)行測量的，所以測量范圍比較廣 。 所以人體 紅外測溫儀具有以下優(yōu)點： 非接觸測量：它不需要接觸到 人體 ， 只需在額頭前方 5 厘米左右測溫即可，而且紅外探測器只需感應(yīng)人體輻射的紅外線。 下表為表 21：