【正文】 進(jìn)行溫度的數(shù)字化采集，并將結(jié)果 通過(guò) LED 模塊顯示，并需要給其設(shè)計(jì)相應(yīng)的鍵盤(pán)電路和語(yǔ)音輸出電路。 我們知道方案選擇的關(guān)鍵是單片機(jī)機(jī)型的選擇。利用鍵盤(pán)可以控制測(cè)溫計(jì)的靈活性，按 K1 鍵，測(cè)量、播報(bào)和顯示目標(biāo)溫度與環(huán)境溫度；按 K2鍵，僅測(cè)量、播報(bào)和顯示目標(biāo)溫度；按 K3 鍵，僅測(cè)量、播報(bào)和顯示環(huán)境溫度。 SPCE061A 單片機(jī) 作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)溫度的測(cè)量、接受測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算溫度值，并根據(jù)取得的鍵值控 制播報(bào)顯示過(guò)程，同時(shí)通過(guò)音頻輸出通道播報(bào)溫度值；紅外測(cè)溫模塊負(fù)責(zé)溫度的測(cè)量、采集，并將采集數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)端口傳送到 SPCE061A 單片機(jī)；鍵盤(pán)顯示模塊控制按鍵操作和溫度的顯示。 棧底 棧頂 0x07FF 0x0000 堆棧生長(zhǎng)方向 PUSH 后 SP 減 1 POP 后 SP 加 1 xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 14 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 基于單片機(jī)智能化儀器的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了 模塊化 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2K 字 SRAM 保留空間 32K 字 Flash ROM 中斷向量 I/O 端口 系統(tǒng)端口 0XFFFF 0XFFF6 0XFFF5 0X8000 0X7FFF 0X7000 0X6FFF 0X0800 0X07FF 0X0000 xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 13 圖 25 SPCE061A堆棧 本章小結(jié) 本章主要介紹了紅外測(cè)溫技術(shù)的基本原理以及本設(shè)計(jì)中所需用到的模塊器件工作原理， 第一部分介紹了紅外技術(shù)的基本理論基礎(chǔ)和 紅外光 測(cè)溫原理。堆棧的最大容量范圍限制在 2K 字 SRAM 內(nèi)，即其地址是在從 0x07FF~0x0000 的存儲(chǔ)器范圍中。 同其他單片機(jī)一樣， SPCE061A 的堆棧是在內(nèi)存 SRAM 區(qū)專(zhuān)門(mén)開(kāi)辟出來(lái)的按照“先進(jìn)后出”原則進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的一種工作方式，如圖 25 所示。這個(gè)區(qū)域就是 SRAM 的一部分，只是它有特殊的存取數(shù)據(jù)的原則，即“先進(jìn)后出，后進(jìn)先出”。 SPCE061A 的讀寫(xiě)存儲(chǔ)器的類(lèi)別是靜態(tài)存儲(chǔ)器（ SRAM）。 優(yōu)點(diǎn)，速度快，不必配合內(nèi)存刷新電路，可提高整體 的工作效率 。SRAM 是英文 Static RAM 的縮寫(xiě)，它是一種具有靜止存取功能的內(nèi)存，不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。 xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 12 圖 24 SPCE061A內(nèi)存映射表 下面分別介紹一下 SPCE061A 的 RAM 和堆棧。 0XFFF6~0xFFFF 地址是中斷向量入口地址。 0x7000~0x7FFF 地址是 I/O 和系統(tǒng)端口，也是專(zhuān)用的控制設(shè)置寄存器和輸入 /輸出口地址，與 51 的特殊功能據(jù)村其的作用類(lèi)似。 0x0700~0x07FF 地址是 2K 字的 SRAM（包括堆棧區(qū)）。 SPCE061A是存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。 部分 性能 簡(jiǎn)介 ： 工作電壓 (CPU) VDD 為 ～ (I/O) VDDH 為 ～ ； CPU時(shí)鐘：～ ；可編程音頻處理； 內(nèi)部震蕩，外接 晶體振蕩器 ； 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下 (時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài) )，耗電僅為 ； 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 (可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值 )； 2 個(gè) 10 位 DAC(數(shù) 模轉(zhuǎn)換 )輸出通道； 32位通用可編程輸入 /輸出端口； 14 個(gè)中斷源可來(lái)自定時(shí)器 A / B，時(shí)基， 2 個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能；使用凌陽(yáng)音頻編碼 SACM_S240方式 ( 位 /秒 )，能容納 210 秒的語(yǔ)音數(shù)據(jù)；鎖相環(huán) PLL 振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)； 32768Hz 實(shí)時(shí)時(shí)鐘； 7 通道 10 位電壓模 數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)和單通道聲音模 數(shù)轉(zhuǎn)換器；聲音模 數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制 (AGC)功能；具備串行設(shè)備接口；具有低電壓復(fù)位 (LVR)功能和低電壓監(jiān)測(cè) (LVD)功能；內(nèi)置在線(xiàn)仿真電路 ICE（ In Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有WatchDog 功能 【 6】 。因此，與 SPCE500A 相比，以 181。較高的處理速度使 181?！痭SP?系列產(chǎn)品 SPCE500A 等之后凌陽(yáng)科技推出的又一款 16 位結(jié)構(gòu)的微控制器。其中單片機(jī)機(jī)型的選擇至關(guān)重要，因?yàn)樗倪x擇關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜和難易程度。這個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng) 能夠通過(guò)按鍵來(lái)啟動(dòng)紅外測(cè)溫，之后需要將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)送單片機(jī)處理，得到溫度值；這一 溫度值又需要顯示并且語(yǔ)音播設(shè)計(jì)任務(wù)下達(dá) 編寫(xiě)任務(wù)說(shuō)明書(shū) 擬定總體設(shè)計(jì)方案 選擇處理器芯片 權(quán)衡硬、軟件比例 電路硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 硬件電路調(diào)試 軟件程序調(diào)試 裝配樣機(jī)、軟硬聯(lián)調(diào) 樣機(jī)性能指標(biāo)測(cè)試 性能是否 合格 編制技術(shù)文件、轉(zhuǎn)產(chǎn) N Y xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 11 報(bào)出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)其智能化和人性化。 軟件設(shè)計(jì)一般按列步驟進(jìn)行：即先分析儀器系統(tǒng)對(duì)軟件的要求；然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件總體設(shè)計(jì)，包括程序總體及污垢設(shè)計(jì) 和對(duì)程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)即將程序劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊；接著畫(huà)出每一個(gè)專(zhuān)用程序模塊的詳細(xì)流程圖，并選擇合適的語(yǔ)言編寫(xiě)程序；最后按照軟件總體設(shè)計(jì)時(shí)給出的結(jié)構(gòu)框圖，將各模塊入口、出口及對(duì)硬件資源占用情況。 硬件電路設(shè)計(jì)的一般過(guò)程是：先根據(jù)儀器硬件框圖按模塊分別對(duì)個(gè)單元電路進(jìn)行電路設(shè)計(jì)；然后再進(jìn)行硬件合成，即將各單元電路按硬件框圖將各部分電路組合在儀器，構(gòu)成一個(gè)完整的整機(jī)硬件電路圖。 3．確定儀器工作總框圖 當(dāng)儀器總體方案和選用的微處理器的種類(lèi)確定之后，就應(yīng)該采用自上而下的方法，把儀器劃分成若 干個(gè)便于實(shí)現(xiàn)的功能模塊，并分別繪制出相應(yīng)的硬件和軟件工作框圖。在確定儀器總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，微處理器的選擇非常關(guān)鍵。 2．?dāng)M制總體設(shè)計(jì)方案 這個(gè)階段，設(shè)計(jì)者首先依據(jù)設(shè) 計(jì)的要求和一些約束條件，提出幾種可能的方案。 1． 確定設(shè)計(jì)任務(wù) 首先根據(jù)儀器最終要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，編寫(xiě)設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明書(shū)，明確儀器應(yīng)具備的功能和應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)研制一臺(tái)智能儀器的一般開(kāi)發(fā)過(guò)程如圖 23 所示。因而其設(shè)計(jì)不能完全沿用傳統(tǒng)電子儀器的設(shè)計(jì)方法和手段。同時(shí)還可以使儀器小型化，便于攜帶。 CMOS 電路具有功耗低、工作溫度范圍寬的特點(diǎn)。 近 20 年來(lái)，由于微電子學(xué)的進(jìn)步 以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，智能化測(cè)量控制儀表已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。傳感器正朝著小型、固態(tài)、多功能和集成化的方向發(fā)展。通信接口的功能是通過(guò)接口總線(xiàn)與其他儀器 甚至計(jì)算機(jī)作遠(yuǎn)距離通信，以達(dá)到資源共享的目的。 xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 8 智能儀器的組成及特點(diǎn) 以單片機(jī)為核心的智能測(cè)量?jī)x器 的基本組成如圖 22 所示。在這之后，隨著微處理器在體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低等方面的進(jìn)一步的發(fā)展， 電子測(cè)量與儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合就愈加緊密，形成了一種全新的微型計(jì)算機(jī)化儀器。 基于單片機(jī)的 智能儀器設(shè)計(jì)方法 微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測(cè)量與儀器帶來(lái)了巨大的沖擊和革命的影響。 5. 測(cè)溫范圍廣 測(cè)溫范圍可從負(fù)幾十?dāng)z氏度到正幾千攝氏度 【 4】 。 3. 靈敏度高 因物體溫度的微小變化會(huì)引起輻射功率的較大變化，容易被探測(cè)器探出，故紅外測(cè)溫的可測(cè)溫差很小，可達(dá)零點(diǎn)幾攝氏度。 并可遠(yuǎn)距離測(cè)量，它特別適合于對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體、旋轉(zhuǎn)體、帶電體和高溫高壓下物體的溫度測(cè)量。T＝ 2898（ Kμm），人體皮膚輻射的峰值波長(zhǎng)約? m 。 經(jīng)科學(xué)檢測(cè)，不管人的膚色如何，干燥皮膚的紅外輻射率 (emissivity)均為,近似為黑體。 D 哈里認(rèn)為，人體輻射能量與皮膚表面溫度及 輻射率有關(guān)。 生物波譜 的這種物理信息的存在、變化是與生物體自身功能狀態(tài)密切相關(guān)的，同樣可以反映生物體的健康狀態(tài)。 生物波譜的波長(zhǎng)覆蓋范圍在電磁波譜中的紫外線(xiàn)到弱微波之間，人體的生物波譜則主要在紅外線(xiàn)到弱微波區(qū)域，尤其集中在紅外線(xiàn)波段范圍。 3. 生物波譜 生物波譜又稱(chēng)生物頻譜， 是生物自身發(fā)出的生物物理信息的光波或頻率 的 綜合稱(chēng)謂， 它構(gòu)成生物體周?chē)纳镄畔?chǎng)。 物體的輻射出射度 M(T)和吸收本領(lǐng) ? 的比值 M/? 與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，等于同一溫度下黑體的輻射出射度 M0(T)。數(shù)學(xué)表示 見(jiàn)式（ 2— 4） ： ),(),( ),( 0 TeTTe ??? ? ? （ 2— 4） 其中 λ 為波長(zhǎng)、 T 為物體絕對(duì)溫度， ),(0 Te ? 表示黑體在特定溫度和波長(zhǎng)下的本領(lǐng)，為常數(shù)。這個(gè)輻射系數(shù)，就是常說(shuō)的 發(fā)射 率，或稱(chēng)之為比輻射率，其定義為實(shí)際物體與同溫度黑體輻射性能之比。 實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際物體的輻射度除了依賴(lài)于溫度和波長(zhǎng)外，還與構(gòu)成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。物體的輻射率、反射率和透過(guò)率總和為 1。我們知道，自然界充滿(mǎn)著電磁輻射，一切物體都處于電磁輻射之中，一切物體都在不斷地輻射、吸收、反射或透過(guò)紅外輻射。 自然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體，它們的發(fā)射系數(shù)都小于 1。應(yīng)盡可能選擇在被測(cè)表面法線(xiàn)方向進(jìn)行，如果在與法線(xiàn)成 ? 角方向檢測(cè)，則接收到的紅外輻射信號(hào)將減弱成法線(xiàn)方向最大值的 ?cos 倍 。 （ 3） 輻射的空間分部規(guī)律 —— 朗伯余弦定律 所謂朗伯余弦 定律，就是黑體在任意方向上的輻射強(qiáng)度與觀測(cè)方向相對(duì)于輻射表面法線(xiàn)夾角的余弦成正比 見(jiàn)式 （ 2— 3） ： ?? cos0II ? （ 2— 3） xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 6 此定律表明，黑體在輻射表面法線(xiàn)方向的輻射最強(qiáng)。而且，只要當(dāng)溫度有較小變化時(shí)，就將會(huì)引起物體發(fā)射的輻射功率很大變化。 1879 年斯蒂芬 從實(shí)驗(yàn)上總結(jié)而得到該公式， 1884 年玻耳茲曼從理論上證明了它。 （ 2）斯蒂芬 — 玻爾茲曼定律： 物體的總輻射率，即單位面積發(fā)射總功率與 黑體 溫度的四次方及材料表面的發(fā)射率成正比。 （ 1） 輻射的光譜分布規(guī)律 普朗克輻射定律 一個(gè)絕對(duì)溫度為 T(K)的黑體，單位表 面積在波長(zhǎng) ? 附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)向整個(gè)半球空間發(fā)射的輻射功率 (簡(jiǎn)稱(chēng)為光譜輻射度 ) ),( TM? 與波長(zhǎng) ? 、溫度 T 滿(mǎn)足下列關(guān)系 見(jiàn)式 （ 2— 1） ： 11),( 12 ????????? ?? TCT eCM ?? （ 2— 1） 式中 1C ， 2C 分別為 第一 、第二 輻射常數(shù) 。但黑體熱輻射的基本規(guī)律是紅外研究及應(yīng)用的基礎(chǔ)，它揭示了黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度及波長(zhǎng)變化的定量關(guān)系。 所謂黑體，簡(jiǎn)單講就是在任何 情 況 下 對(duì)一切波長(zhǎng)的入射輻射吸收率都等于 1 的物體，也就是說(shuō)全吸收。自然界中任何物體，只要其溫度在絕對(duì)零度之上， 都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而 產(chǎn)生紅外輻射，紅外輻射的強(qiáng)度與物體的溫度及表面的輻射能力有關(guān)。紅外光在? 射線(xiàn) X 射線(xiàn) 紫外線(xiàn) 可見(jiàn)光 紅外光 微波 無(wú)線(xiàn)電波 ? m cm m 107 105 103 101 1 101 100 101 102 近紅外 中紅外 遠(yuǎn)紅外 3 20 1000? m 宇宙射線(xiàn) xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 5 光譜區(qū)中位于可見(jiàn)光之外，是一種不可見(jiàn)光。 紅外線(xiàn)是電磁波譜的一個(gè)部分，這一波段位于可見(jiàn)光和微波之間。 圖 21 紅外光在電磁 波譜 的位置 在電磁波譜中，我們把人眼可直接感知的 ～ 微米波段稱(chēng)為可見(jiàn)光波段，而把波長(zhǎng)從 至 1000 微米的電磁波稱(chēng)為紅外波段，紅外波段的短波端與可見(jiàn)光紅光相鄰，長(zhǎng)波端與微波相接。 紅外輻射也稱(chēng)紅外光，其波長(zhǎng)從 ? m 到 1000? m。在把紅外技術(shù)應(yīng)用于各種器件與系統(tǒng)之前，了解紅外輻射理論是極為重要的 【 2】 。人們可以選用高性能的微控制器 (例如單片機(jī) )或微處理器，加上嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，面 向具體應(yīng)用編寫(xiě)應(yīng)用程序，形成完整的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。上位機(jī)一般采用工業(yè)級(jí)的 PC 機(jī)，下位機(jī)一般采用單片機(jī)、 PLC 或 DSP 微控制器。在我的實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中 ,通過(guò)對(duì) DS18B20數(shù)字溫度傳感器和 TN9 這兩種紅外溫度傳感器進(jìn)行仔細(xì)的學(xué)習(xí)了解，并對(duì)相關(guān)要求進(jìn)行了合理的分析與論證，最終，選取最合適的紅外溫度傳感器為設(shè)計(jì)所用。 本設(shè)計(jì)為紅外測(cè)溫系統(tǒng)，要求所測(cè)量的溫度應(yīng)非常準(zhǔn)確 ,同時(shí)要滿(mǎn)足數(shù)字化的要 求。 以單片機(jī)為控制核心， 設(shè)計(jì)完成基于單片機(jī)的紅外溫度測(cè)量系統(tǒng)，采用紅外溫度探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量目標(biāo)的非接觸溫度實(shí)時(shí)測(cè)量。 國(guó)內(nèi)外 紅外測(cè)溫技術(shù) 發(fā)展?fàn)顩r比較 相比之下， 國(guó)內(nèi)紅外測(cè)溫技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)技術(shù)落后，產(chǎn)品種類(lèi)比較單一，測(cè)