【正文】 system with the STC89C51 MCU as the CPU. The paper introduces the posing and the method of that system in detail, and gives the hardware principle diagram and the design flow chart of the software. The system formed by the optical system, photoelectron detector,display and output partially. The optical system collects the infrared radiation energy of the object in its field of view, the infrared energy focusing on the instrument and transforms to the corresponding electrical signal. The STC89C51 MCU is used to start the temperature survey, data receive, count the value of the object temperature based on the arithmetic with in MCU and the result is displayed on LED.KEYWORDS: The STC89C51 MCU, infrared radiation thermometry, the LED display目 錄前 言 1第一章 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景及方案介紹 2167。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)的紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測(cè)儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)方式，給出了硬件原理圖和軟件的設(shè)計(jì)流程圖。與傳統(tǒng)的測(cè)溫方式相比，具有響應(yīng)時(shí)間短、非接觸、不干擾被測(cè)溫場(chǎng)、使用壽命長(zhǎng)、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。本論文正是應(yīng)上述實(shí)際需求而設(shè)計(jì)的紅外測(cè)溫儀。非接觸式紅外測(cè)溫儀設(shè)計(jì)摘 要 溫度測(cè)量技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，而且在現(xiàn)代設(shè)備故障檢測(cè)領(lǐng)域中也是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。但在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，要求測(cè)量溫度用的傳感器不能與被測(cè)物體相接觸，這就需要一種非接觸的測(cè)溫方式來(lái)滿足上述測(cè)溫需求。紅外測(cè)溫儀是以黑體輻射定律作為理論基礎(chǔ)，是光學(xué)理論和微電子學(xué)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。本文介紹了紅外測(cè)溫儀測(cè)溫的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，提出了以STC89C51單片機(jī)為其核心控制部件的紅外測(cè)溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、顯示輸出等部分組成。STC89C51單片機(jī)負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)溫度測(cè)量、接收測(cè)量數(shù)據(jù)、并按照單片機(jī)中的溫度值計(jì)算算法計(jì)算出目標(biāo)的溫度值再通過(guò)LED把結(jié)果顯示出來(lái)。 2167。 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的方案介紹 5第二章 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 8167。 10167。 電源模塊 14167。 LED顯示模塊 15第三章 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 17167。 紅外測(cè)溫程序模塊 18167。 顯示程序模塊 22總結(jié) 23參考資料 24致 謝 25附 錄 26英文翻譯 27前 言 溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)之一，它的測(cè)量與控制在國(guó)防、軍事、科學(xué)研究以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。因此有必要去應(yīng)用一種新的方式去檢測(cè)目標(biāo)系統(tǒng)的溫度，確保設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。本測(cè)溫儀是基于STC89C51單片機(jī)的紅外測(cè)溫儀，首先它是根據(jù)實(shí)際需要制定的紅外測(cè)溫的性能指標(biāo)和功能要求，然后由此具體設(shè)計(jì)出了硬件電路原理圖及其相關(guān)軟件。由于時(shí)間緊迫，知識(shí)面窄等因素，該系統(tǒng)并非非常完善，還有一些方面需要進(jìn)一步的修改與調(diào)試。第一章 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景及方案介紹隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫方式以不能滿足現(xiàn)代一些領(lǐng)域的測(cè)溫需求，對(duì)非接觸、遠(yuǎn)距離測(cè)溫技術(shù)的需求越來(lái)越大。在本章中簡(jiǎn)要介紹了溫度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步概述了紅外測(cè)溫的原理與方法，并給出了本儀器的設(shè)計(jì)方案。普通溫度測(cè)量技術(shù)經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展已近于成熟。因此，當(dāng)前研究的重點(diǎn)也在于此。此溫度測(cè)量系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)大面積的測(cè)溫，也可以是被測(cè)物體上某一點(diǎn)的溫度測(cè)量；可以是便攜式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工藝簡(jiǎn)單，成木較低，測(cè)溫時(shí)不接觸被測(cè)物體，具有響應(yīng)時(shí)間短、不干擾被測(cè)溫場(chǎng)、使用壽命長(zhǎng)、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，但利用紅外輻射測(cè)量溫度，也必然受到物體發(fā)射率、測(cè)溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，其測(cè)量誤差較大。本設(shè)計(jì)正是采用紅外溫度傳感器這種溫度測(cè)量技術(shù)，它具有溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、不擾動(dòng)被測(cè)目標(biāo)溫度分布場(chǎng)、測(cè)量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；另外紅外溫度傳感器的種類較多，發(fā)展非?？欤夹g(shù)比較成熟，這也是本設(shè)計(jì)采用紅外溫度傳感器設(shè)計(jì)非接觸溫度測(cè)量?jī)x的主要原因之一。本紅外測(cè)溫儀選用熱電紅外溫度傳感器。本設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)代非接觸故障檢測(cè)技術(shù)的需求選用了型號(hào)為凌陽(yáng)的TN9溫度傳感器。而且它具備SPI接口，可以很方便地與單片機(jī)（MCU）傳輸數(shù)據(jù)。一、紅外測(cè)溫原理紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫原理是黑體輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對(duì)零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長(zhǎng)輻射所占比例增加；③ 隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長(zhǎng)處，與較高溫度相應(yīng)的光譜輻射度也較大，反之亦然。亮度測(cè)溫法無(wú)需環(huán)境溫度補(bǔ)償，發(fā)射率誤差較小，測(cè)溫精度高，但工作于短波區(qū)，只適于高溫測(cè)量。本文選用全輻射測(cè)溫法來(lái)計(jì)算被測(cè)量物體的溫度，全輻射測(cè)溫法是根據(jù)所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)的總輻射而定溫，得到的是物體的輻射溫度。下面是全輻射測(cè)溫法的相關(guān)方法介紹： 由普朗克公式可推導(dǎo)出輻射體溫度與檢測(cè)電壓之間的關(guān)系式： V=RaεσT4=KT4式中K=Raεσ，由實(shí)驗(yàn)確定，定標(biāo)時(shí)ε取1　　T—被測(cè)物體的絕對(duì)溫度　　R——探測(cè)器的靈敏度　　a——與大氣衰減距離有關(guān)的常數(shù)　　ε——輻射率　　σ——斯蒂芬—玻耳茲曼常數(shù)因此，可以通過(guò)檢測(cè)電壓而確定被測(cè)物體的溫度，上式表明探測(cè)器輸出信號(hào)與目標(biāo)溫度呈非線性關(guān)系，V與T的四次方成正比，所以要進(jìn)行線性化處理。167。可以對(duì)正在運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行非接觸檢測(cè)，拍攝其溫度場(chǎng)的分布、測(cè)量任何部位的溫度值，據(jù)此對(duì)各種外部及內(nèi)部故障進(jìn)行診斷，具有實(shí)時(shí)、遙測(cè)、直觀和定量測(cè)溫等優(yōu)點(diǎn)，用來(lái)檢測(cè)發(fā)電廠、變電所和輸電線路的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備和帶電設(shè)備非常方便、有效。此紅外測(cè)溫儀的特點(diǎn)：有溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、不擾動(dòng)被測(cè)目標(biāo)溫度分布場(chǎng)、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。一、紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及主要功能1：溫度測(cè)量精度177。10%；4：工作環(huán)境溫度≤60℃ 工作環(huán)境濕度≤90%；二、紅外測(cè)溫儀的硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本紅外測(cè)溫儀采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，它的硬件結(jié)構(gòu)由STC89C51單片機(jī)模塊，紅外測(cè)溫模塊， RS232轉(zhuǎn)換電路模塊，電源模塊，鍵盤模塊和LED顯示模塊組成。此紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示： 圖12 紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計(jì)框圖三、紅外測(cè)溫儀的應(yīng)用軟件系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)此紅外測(cè)溫儀的軟件設(shè)計(jì)同樣采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，它把整個(gè)系統(tǒng)分成若干模塊分別予以解決，它包括主程序模塊，紅外測(cè)溫模塊，鍵盤掃描模塊和顯示模塊。其中系統(tǒng)初始化包括: 時(shí)間中斷的初始化、外部中斷源的初始化、串口通信中斷的初始化、LED顯示的初始化。鍵盤掃描模塊 ：獲取按鍵信息，處理按鍵請(qǐng)求等。具體的軟件方案設(shè)計(jì)如下圖13：圖13 紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計(jì)框圖第二章 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)基于STC89C51單片機(jī)的紅外測(cè)溫儀的硬件設(shè)計(jì)采用目前使用比較廣泛的模塊化設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)系統(tǒng)分成六大模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)處理模塊；紅外測(cè)溫模塊； RS232轉(zhuǎn)換電路模塊；電源模塊；鍵盤模塊和LED顯示模塊。167。下圖31是單片機(jī)處理模塊的電路原理圖圖21 單片機(jī)處理模塊電路圖其復(fù)位電路如圖21左邊上部分，本單片機(jī)處理模塊是通過(guò)開關(guān)手動(dòng)復(fù)位的，只要在RST引腳出現(xiàn)大于10ms的高電平，單片機(jī)就進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，這樣做的目的是便于根據(jù)實(shí)際情況而選擇是否復(fù)位溫度測(cè)量數(shù)據(jù)。采用晶體震蕩電路的原因是因?yàn)樗念l率穩(wěn)定性好，而這正是本紅外測(cè)溫儀非常重要的技術(shù)要求。因此它的選擇是非常重要的。STC89C51RC系列單片機(jī)具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，這樣可以省去購(gòu)買通用編程器，單片機(jī)在用戶系統(tǒng)上即可下載/燒錄用戶程序，無(wú)須將單片機(jī)從以生產(chǎn)好的產(chǎn)品上拆下。由于可以在用戶的目標(biāo)系統(tǒng)上將程序直接下載進(jìn)單片機(jī)看運(yùn)行結(jié)果，故無(wú)須仿真器。二、STC89C51各引腳的功能描述如下：（1）電源和晶振：VCC——運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)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(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。167。它通過(guò)紅外溫度傳感器掃描被測(cè)物體。在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇紅外線檢測(cè)器件時(shí)，首先考慮的是器件的以下性能因素:光譜響應(yīng)范圍、響應(yīng)速度、有效檢測(cè)面積、元件數(shù)量、制冷方式和檢測(cè)目標(biāo)的溫度。 它的測(cè)量距離大約為30米。其相關(guān)資料如下：一、紅外測(cè)溫傳感器的引腳介紹 圖24 紅外測(cè)溫傳感器引腳圖紅外測(cè)溫傳感器引腳圖如圖24，其中V為電源引腳VCC，VCC一般為3V到5V之間的電壓，；D為數(shù)據(jù)接收引腳，沒有數(shù)據(jù)接收時(shí)D為高電平；C為2KHz Clock輸出引腳；G為接地引腳；A為測(cè)溫啟動(dòng)信號(hào)引腳，低電平有效。(例：如果一次溫度測(cè)量需接收5個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這5個(gè)字節(jié)中：Item為0x4c表示測(cè)量目標(biāo)溫度，為0x6c表示測(cè)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(yàn)證碼，接收正確時(shí)Sum=Item+MSB+LSB；CR為結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)CR為0xodH時(shí)表示完成一次溫度數(shù)據(jù)接收。計(jì)算公式：目標(biāo)溫度/環(huán)境溫度=Temp/其中Temp為十進(jìn)制，當(dāng)把它轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制的高八位為MSB，低八位為L(zhǎng)SB；比如MSB為0x14H，LSB為0x2Ah，則Temp十六進(jìn)制時(shí)為0x142aH，十進(jìn)制時(shí)為5162，則測(cè)得的溫度值為5162/=℃.167。但是進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿足一定的條件，因?yàn)镽S232是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)的,而TTL是用高低電平來(lái)表示邏輯狀態(tài)的,因此,為了能夠同PC機(jī)接口或終端的TTL器件連接,必須在RS232與TTL電平之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，本設(shè)計(jì)采用MAX232芯片它可完成TTL到EIA雙向電平的轉(zhuǎn)換。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(biāo)準(zhǔn)，它采取非均衡傳輸方式，即所謂的單端通信。無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為TTL。接收器典型的工作電平為+3～+12V與12～3V。加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大約為15米，最高速度為20Kb/s。MAX232C芯片內(nèi)部有一個(gè)電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成為RS232所輸出電平所需的電壓。167。圖29電源電路167。本系統(tǒng)的鍵盤采用18行列式鍵盤。經(jīng)過(guò)程序處理找出按下的鍵值，并調(diào)用相應(yīng)鍵操作程序完成對(duì)應(yīng)的鍵操作。167。動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。74HC164 為8 位移位寄存器，當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（QA－QH）均為低電平。當(dāng)A、B 任意一個(gè)為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下QA為低電平。引出端符號(hào)CLOCK 時(shí)鐘輸入端CLEAR 同步清除輸入端（低電平有效） A，B 串行數(shù)據(jù)輸入端QA－QH 輸出端邏輯及封裝圖（雙列直插封裝）兩片74HC164分別控制數(shù)碼管的位選和段選，其中控制位選信號(hào)的74HC164的輸出端QA~QD通過(guò)電阻、三極管與數(shù)碼管的共陰極連接，；另一個(gè)則通過(guò)電阻直接與數(shù)碼管連接輸送顯示的數(shù)字。LED顯示電路原理圖如圖211：圖211 LED顯示電路原理圖由于鍵盤掃描電路和LED顯示器顯示電路采用動(dòng)態(tài)掃描的方式，并共用同一個(gè)74HC164，所以在時(shí)間中斷程序中必須先運(yùn)行鍵盤掃描子程序，再運(yùn)行LED顯示子程序。鍵盤掃描去抖動(dòng)通過(guò)應(yīng)用軟件的方法實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楸菊撐耐瓿傻墓δ苁菧y(cè)溫，所以對(duì)溫度數(shù)據(jù)接收及顯示部分的程序設(shè)計(jì)做了詳細(xì)敘述，而對(duì)其它各模塊做了相應(yīng)簡(jiǎn)要的介紹。 主程序模塊的設(shè)計(jì)當(dāng)紅外測(cè)溫儀接通電源時(shí)，STC89C51單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，開始運(yùn)行該程序。然后給出開機(jī)顯示，接著判斷是否有鍵輸入，若沒有鍵輸入，則繼續(xù)判斷；若有鍵輸入，則判斷是否是紅外測(cè)溫。并等待結(jié)束測(cè)溫命令。具體工作的流程圖如下圖31：圖31 主程序流程圖167。它的程序流程圖如圖32所示，此模塊首先定義一個(gè)字符