【正文】 40 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)論文 第 1 頁 共 44 頁 第 1 章 緒論 研究課題背景 溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)之一，它的測量與控制在國防、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。得到的電信號經(jīng)過四運(yùn)算放大器芯片 LM324 前置放大后送至 A/D 模塊， A/D 采用 12 位高精度的 TLC2543 芯片，數(shù)字信號傳送到主控芯片 STC89C52，并由微處理器完成數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時測量 并實(shí)時顯示在 LCD1602 模塊上。該設(shè)計以 STC89C52 單片機(jī)為核心部件。安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)論文 摘要 到目前位置，我國的溫度測量儀器仍然是以水銀溫度計為主，這種測量儀器存在很多缺點(diǎn)，如精度低，測量時間長，不安全等。本課題所研究的紅外測溫系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)人體溫度的近距離或遠(yuǎn)距離準(zhǔn)確測量。利用非接觸式溫度傳感器 OTP538U 對溫度進(jìn)行采樣。 本文所研究的非接觸傳感器單片機(jī)測溫系統(tǒng)由于對被測物體的紅外輻射進(jìn)行的是非接觸無損測量，測量過程中不會擾亂被測部分的溫度場，響應(yīng)快，溫度分辨率高，穩(wěn)定性好和使用壽命長等一系列的優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)的接觸式測溫有更多的場合適應(yīng)性。在工業(yè)生產(chǎn)中，我們需要經(jīng)常對設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測來確保設(shè)備的安全運(yùn)行，而對設(shè)備的監(jiān)測通常通過測量其表面的溫度來進(jìn)行。因此有必要去應(yīng)用一種新的方式去檢測目標(biāo)系統(tǒng)的溫度，確保設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。前者的優(yōu)點(diǎn)在于測得的溫度是物體的真實(shí)溫度，測溫簡單、可靠，其缺點(diǎn)在于動態(tài)性能差，需要接觸被測物體，測溫元件與被測介質(zhì)需要一定時間的熱交換才能達(dá)到熱平衡 ，同時對被測物體的溫度場分布有一定的影響，同時由于工業(yè)現(xiàn)場的高溫、高壓、腐蝕性等惡劣條件，影響了測溫儀的精度和使用壽命，大大限制了接觸式測溫儀的使用；非接觸式測溫也叫輻射測溫，一般使用熱電型或光電探測器作為檢測元件，其與接觸式測溫相比，具有響應(yīng)時間短、非接觸、不干擾被測溫場、使用壽命長、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，但受到物體的發(fā)射率、測溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。自然界的任何物體都在不停的向外輻射能量，物體輻射能 量的大小及波長的分布與其表面的溫度有著十分密切的關(guān)系，通過測量物體自身紅外輻射的能量便能確定它的表面溫度。紅外測溫儀由光學(xué)部分和信號處理部分組成，其體積小，便于攜帶，操作簡單，在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。 （ 1） 精確。用紅外測溫儀，你甚至可快速探測操作溫度的微小變化，在其萌芽之時就可將問題解決，減少因設(shè)備故障造成的開支和維修的范圍。 紅外線測溫儀 的另一個先進(jìn)之處是可快速提供溫度測量，在用熱偶讀取一個滲漏連接點(diǎn)的時間內(nèi)，用紅外測溫儀幾乎可以 讀取所有連接點(diǎn)的溫度。所以當(dāng)你在工廠巡視和日常檢驗(yàn)工作時都可攜帶。安全是使用紅外線測溫儀最重要的好處。非接觸溫度測量還可在不安全的或接觸測溫較困難的區(qū)域進(jìn)行，像蒸汽閥門或加熱爐附近，他們不需在冒接觸測溫時一不留神就燒傷手指的風(fēng)險。紅外測溫儀具有激光瞄準(zhǔn)，便于識別目標(biāo)區(qū)域。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照 儀器 內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。 亮度測溫法無需環(huán)境溫度補(bǔ)償，發(fā)射率誤差較小，測溫精度高，但工作于短波區(qū)，只適于高溫測量。本文選用全輻射 測溫法來計算被測量物體的溫度，全輻射測溫法是根據(jù)所有波長范圍內(nèi)的總輻射而定溫，得到的是物體的輻射溫度。 由普朗克公式可推導(dǎo)出輻射體溫度與檢測電壓之間的關(guān)系式 ： V=RaεσT4=KT4 （ ） 式中 K=Raεσ，由實(shí)驗(yàn)確定，定標(biāo)時 ε取 1 T—被測物體的絕對溫度 R——探測器的靈敏度 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，可以通過檢測電壓而確定被測物體的溫度，上式表明探測器輸出信號與目標(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。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)論文 第 4 頁 共 44 頁 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 確定系統(tǒng)的硬件由單片機(jī)模塊、 OTP538U溫度傳感器模塊 、 LM324 電壓信號放大模塊、 AD 轉(zhuǎn)換模塊 、 液晶顯示模塊、電源模塊、硬件的流程是 OTP538U紅外溫度傳感器將紅外信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。 其方案圖如圖 31 所示： 圖 31 系統(tǒng)硬件方案圖 硬件設(shè)計概述 基于 STC89C52 單片機(jī)的紅外測溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，將整個系統(tǒng)分成六大模塊：單片機(jī) STC89C52 模塊、紅外測溫模塊、電壓信號放大模塊、AD 轉(zhuǎn)換模塊 、 LCD 液晶顯示模塊、電源模塊。 紅外線測溫模塊 電壓信號放大模塊 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 單片機(jī) STC89C52 電 源 模 塊 液晶顯示模塊 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)論文 第 5 頁 共 44 頁 單片機(jī) STC89C52 模塊 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 32 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 經(jīng)過選擇，決定使用 STC89C52 單片機(jī)， STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路?？臻e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。 STC89C52RC 單片機(jī)介紹 STC89C52RC 單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)， 12 時鐘 /機(jī)器周期和 6 時鐘 /機(jī)器周期可以任意選擇。 (7):ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（ RxD/,TxD/）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 (8):具有 EEPROM 功能 (9):具有看門狗功能 (10):共 3個 16 位定時器 /計數(shù)器。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動 8 個 TTL 負(fù)載，對端口 P0 寫入“ 1”時，可以作為高阻抗輸入。此時， P0 口內(nèi)部上拉電阻有效 。驗(yàn)證時，要求外接上拉電阻。P1 的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或者輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。 P1 口作輸入口使用時，因?yàn)橛袃?nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流（ 錯誤 !未找到引用源。 此外， 和 還可以作為定時器 /計數(shù)器 2 的外部技術(shù)輸入（ ）和定時器 /計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ），具體參見下表 31： 在對 Flash ROM 編程和程序校驗(yàn)時， P1 接收低 8 位地址。 P2 的輸出緩沖器可以驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。 P2 作為輸入口使用時，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（ 錯誤 !未找到引用源。 在訪問外部程序存儲器和 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“ MOVX DPTR”指令）時， P2 送出高 8 位地址。 在對 Flash ROM 編程和程序校驗(yàn)期間， P2 也接收高位地址和一些 控制信號。 P3 的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。 P3 做輸入口使用時，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流（ 錯誤 !未找到引用源。 在對 Flash ROM 編程或程序校驗(yàn)時， P3 還接收一些控制信號。當(dāng)輸入連續(xù)兩個機(jī)器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機(jī)單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO位可以使此功能無效。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)論文 第 9 頁 共 44 頁 ALE/ PROG （ 30 引腳）：地址鎖存控制信號（ ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低 8 位地址的輸出脈沖。 ）也用作編程輸入 脈沖。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， ALE 脈沖將會跳過。這一位置“ 1”， ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOV 指令時有效。這個ALE 使能標(biāo)志位（地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。當(dāng) AT89C51RC 從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時， PSEN 在每個機(jī)器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， PSEN 將不被激活。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲器讀取指令， EA必須接 GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA應(yīng)該接 VCC。 XTAL1（ 19 引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 特殊功能寄存器 在 STC89C52RC片內(nèi)存儲器中， 80H～ FFH共 128個單元位特殊功能寄存器（ SFR）。還有相當(dāng)一部分沒有定義。 不應(yīng)將“ 1”寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產(chǎn)品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復(fù)位后這些單元數(shù)值總是“ 0”。 定時器 2 是一個 16 位定時 /計數(shù)器。定時 器 2 有 3 種操作模式：捕獲、自動重新裝載（遞增或遞減計數(shù)）和波特率發(fā)生器，這 3 種模式由 T2CON 中的位進(jìn)行選擇。硬件將自動清“ 0” 此位 IDLE_WDT 看門狗“ IDLE”模式位，當(dāng)設(shè)置為“ 1”時，看門狗定時器在“空閑模式”計數(shù)； 當(dāng)清“ 0”該位時，看門狗在“空閑模式”時不計數(shù) PS2， PS1，PS0 看門狗定時器預(yù)分頻值，不同值對應(yīng)預(yù)分頻數(shù) STC 單片機(jī)有兩種時鐘模式，一種是單倍速，也就是 12 時鐘模式，在該模式下， STC單片機(jī)與其他公司 51 系列單片機(jī)具有相同的機(jī)器周期，即 12 個振蕩周期為一個機(jī)器周期；另一種是雙倍速，又稱 6 時鐘模式，在該模式下， STC 單片機(jī)比其他公司的 51單片機(jī)運(yùn)行速度快一倍。 紅外窗口是一個帶通濾波器擁有其 50%削減在波長在 5μ m— 14μ m。 特性 (1)：非接觸式溫度檢測 (2)：電壓輸出 ,容易得到信號 (3)：零功耗 (4)：寬檢測溫度范圍 應(yīng)用 (1)：醫(yī)療用途 :耳溫計 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)論文 第 11 頁 共 44 頁 (2)：家里設(shè)施 :微波爐、電吹風(fēng)、安全系統(tǒng)、家庭安全 amp。 傳感器特性 表 34 絕對最大額定值 參數(shù) Min Typ Max Uint 工作溫度 20 100 176。 C 圖 34 紅外溫度傳感器實(shí)物圖片 表 35 紅外傳感器參數(shù) Parameter Min Typ Max Unit Conditions Output Voltage mV Tamb.=25℃ Tobj. =50℃ Sensitivity 70 85 100 V/W * TC of sensitivity %/K Typical Sensitivity area in 545 μm diameter Resistance of thermopile 50 65 80 KΩ 25℃ TC of resistance %/K Typical Time constant 16 ms * Noise voltage 28 32 36 nV/Hz1/2 NEP nW/Hz1/2 Normalized detectivity (D*) *108 *108 *108 cm*Hz1/2/W * 安徽工業(yè)大學(xué)