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1、红外测温系统课程设计红外测温系统作者：前言一般来说，测温方式可分为接触式和非接触式，接触式测温只能测量被测物体与测温传感器达到热平衡后的温度，所以影响时间长，且极易受环境温度的影响；非接触红外测温采用红外技术可快速方便地测量物体的便面温度。不需要机械的接触被测物体而快速测得温度读书。红外测温技术利用红外光波（又红外线）作为载波来传送测量信号或者控制指令，例如红外遥控电视开关、红外报警器、自动玻璃门等。之所以采用红外光波作为控制光源，是由于红外发射器件与红外接收器件的发光与受光峰值波长一般为0.88m0.94m，落在近红外波段内，而且二者的光谱恰好重合能够很好的匹配，可获得较高的传输效率及较高的
2、可靠性。红外测控系统一般包括发射、接受以及处理部分。本文介绍了一种基于单片机的红外测控系统，它采用了单片机控制技术和红外感应技术，集成了光学、电子和单片机等技术于一体，该系统工作可靠，成本低廉，经济效益显著。关键字：红外测温，单片机目录第一章 设计原理与分析11.1 红外温度监控系统的工作原理11.2 非接触红外测温技术的原理1第二章 硬件选择与设计32.1 红外数据采集32.2 89C52单片机介绍42.3 液晶显示器LCD的介绍6第三章 软件设计73.1 Keil C51软件简介73.2 keil C51驱动LCD11第四章 调试结果及分析144.1 硬件调试144.2 软件调试15第五章
3、 总结18参考文献19第一章 设计原理与分析1.1 红外温度监控系统的工作原理由红外温度传感器采用非接触式测温方式检测被测点表面的温度，通过AD转换，送CPU处理；通过数字温度传感器采集电缆接头（或接点）的温度，以数字的形式直接交由CPU集中处理，然后利用RS485总线直接将信号（也可以使用数字采集器）传输给微机（带后台机系统）；或利用RS485总线将信号送协议转换机以标准CDT规约的形式接入综自系统，但综自系统必须留有接口，具体凡方式根据用户要求。最后由计算机进行处理，当被测点温度超出报警温度时，系统开始报警，并及时存储报警点的数据，如图1-1所示。图1-11.2 非接触红外测温技术的原理非
4、接触红外测温技术可快速方便地测量物体的表面温度，不需要机械地接触被测物体而快速测得温度读数，能可靠地测量热的、危险的或难以接触的物体，而不会污染或损坏被测物体。红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点，在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断、安全保护以及节约能源等方面发挥了正在发挥着重要作用。一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射特性一辐射能量的大小及其按波长的分布一与它的表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。红外位于可见光和无线电波之间，红
5、外波长常用微米表示，波长范围为0.7微米1000微米，实际上，0.7微米14微米波带用于红外测温。 红外测温由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照其内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。有几个决定精确测温的重要因素，最重要的因素是发射率、视场、光学分辨率（光斑的距离和光斑的位置）。 视场确保被测目标大于仪器测量时的光斑尺寸，目标越小，就应离它越近。当精度特别重要时，要确保目标至少倍于光斑
6、尺寸，建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入测温仪，干扰测温读数，造成误差。相反，如果目标大于测温仪的视场，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。红外测温仪的光学系统从圆形测量光斑收集能量并聚焦在探测器上，光学分辨率定义为测温仪到目标的距离与被测光斑直径S之比（D：）。比值越大，测温仪的分辨率越高，被测光斑尺寸也就越小。红外光学的最新改进是增加了硅透镜的近焦特性,可对小目标区域提供精确测量，还可防止背景温度的影响。第二章 硬件选择与设计2.1 红外数据采集1、运算放大器（OP07）红外传感器输入电压为05V，经过电阻R10、R11、电位器V0分压
7、变为04V ，再有OP07,送入4051数据选择器，采用OP07构成射极跟随器，电路结构简单，抗干扰性强，电容C3电阻R12，可以稳定输出电压。如下图2-1 OP07运算放大器。图2-1 OP07运算放大器2、数据选择器（4051）由于max191只有一个模拟量输入接口 我们的红外数据采集了六路模拟量 4051是八选一数据选择器， 讲输入的六路数据分别送入到MAX191中。如图2-2所示。图2-2 4051数据选择器2.2 89C52单片机介绍89C52单片机是我们生活中最常用的系列,MCS-51系列单片机有4个并行口(P0,P1,P2,P3口),但对一个稍微复杂的应用系统来说,真正可供用户使
8、用的并行口,只有P1口可用,况且常常因扩展I2C和SPI的器件需占用某些P1口,迫使用户不得不扩展并行口以满足实际的需要。习惯上,常用的并行口接口芯片有8255、8155,这两种芯片功能比较齐全,可以使用在相对比较复杂的系统中,但如是对一般的系统而言,这些功能往往闲置不用。那么就可以选用一些本来闲置不用的口线作为选通信号来进行并行口的扩展,这样就能充分利用单片机有限的I/O资源。一、特点：1与MCS-51产品指令和引脚完全兼容28K字节可重擦写FLASH闪存31000次擦写周期4全静态操作：0Hz-24MHz5三级加密程序存储器6256X8字节内部RAM732个可编程I/O口线83个16位定时
9、/计数器98个中断源10可编程串行UART通道1、74LS138芯片74LS138 为3 线8 线译码器，共有 54/74S138和 54/74LS138 两种线路结构型式，其工作原理如下： 74LS138是TTL集成电路，是由于TTL集成电路的内部结构决定的。TTL的输入端是发射极输入方式，就是说前级输入低电平，是给它提供一个电流流出的通路，相当于输入逻辑“0”；输入端开路时，没有“下拉”电流流出，是“非零”状态，所以等于高电平输入，是逻辑“1”。其管脚图2-3如下:图2-6 74LS138管脚图2、8255芯片8255芯片是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，它具有3个8位I/O
10、口，3种工作方式，可通过编程改变其功能，因而使用灵活方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。各引脚功能如下：1、D7D0：三态双向数据线，与单片机数据总线连接，用来传送数据信息。2、CS：片选信号线，低电平有效，表示本芯片被选中。3、RD：读出信号线，低电平有效，控制8255中的数据的读出。4、WR：写入信号线，低电平有效，控制向8255数据的写入。5、Vcc：+5V电源。6、PA7PA0：A口输入/输出线。7、PB7PB0：B口输入/输出线。8、PC7PC0：C口输入/输出线。9、A1A0：地址线，用来选择8255内部的4个端口。2.3 液晶显示器LCD的介绍随着图形
11、点阵LCD液晶显示模块在各行各业的逐步使用，使得人机界面变得越来越直观，尤其对于国内大多数需要有汉字和图形显示的用户来说，显示界面的友好与否，将直接影响到其产品的形象和市场竞争力，但一般涉及有关图形点阵液晶模块显示界面开发的技术人员由于缺乏经验而往往感到力不从心，尤其当用户的控制电路资源非常缺乏的条件下，图形点阵液晶模块则更是望尘莫及，虽然其成本已经降到普遍能接受的地步，但还是因其控制方法的特殊性和复杂性严重阻碍液晶显示器的推广应用。液晶显示器(LCD)具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其他显示器无法比拟的优点，近年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。LCD可分为段式
12、LCD、字符式LCD和点阵式LCD。其中，段式LCD和字符式LCD只能用于字符和数字的简单显示，不能满足图形曲线和汉字显示的要求；而点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线以及汉字、动画，并且可以实现屏幕滚动、反转、闪烁等功能，用途十分广泛。 第三章 软件设计3.1 Keil C51软件简介Keil公司目前已经推出了V7.0以上版本的CX51编译器，为8051单片机软件开发提供了全新心的C语言环境，同时保留了汇编代码高效，快速的特点。CX51已被完全集成到一个功能强大的全新集成开发环境 Vision2中，其中包括项目（project）管理器、CX51编译器、AX51宏汇编器
13、、BL51/LX51连接定位器、RTX51实时操作系统Simulator 软件模拟器以及Monnitor51硬件目标调试器，所有这些功能均可在 Vision2提供的单一而灵活的开发环境中极为简便的进行操作。1、 输入/输出（I/O）口的使用输入/输出（I/O）接口是单片机和外部设备之间住处交换和控制的桥梁。Sbit CLR=po0;Sbit READY=po1;CLR=1;CLR=0;2、定时/计数器的使51系列的单片机内部一般带有2个或者更多的确良6位定时/计数器。使用定时/计数器可以让单片机方便的实现定时操作、频率发生器、分频计等功能。51单片机的定时/计数器可以分为定时器模式和计数器模式
14、。其实这两种模式没有本质上的区别，均使用二进制的加一计数器，当计数器的值计满回零时能自动产生溢出中断的请求，以此来实现定时或者计数功能。它们的不同之处在于定时器使用CPU的时钟来计数，而计数器使用的是外部信号。#include#includevoid initial(void);int i=1;main() initial(); while(1); void initial(void)IE=0x82;TCON=0x00; TMOD=0x01;TH0=0Xff;Tl0=0x38;TR1=1; /启动定时器0Void TIMER(void) interrupt 1TH0=0xB1;TL0=0xE0
15、;P0=PO0X01;2、 中断系统计算机有了RPM和RAM就可以对数据进行加工处理，但是，数据的输入和输出仍依赖于外部设备。由于外设之间以及外设和单片机的处理速率不尽相同，所以在外设操作的过程中单片机一般都需要等待。所以中断是计算机必须具备的重要功能，准确掌握中断概念和灵活使用中数技术是很有必要的。(1) 中断源51系统单片机中，单片机的型号不同，其中断源的个数和中断标志位的定义也就有差别，AT89C51中有五个中断源。外部中断源、定时器溢出中断源、串行口中断源。(2) 中断标志中断标志位一般集中安排在定时器寄存器TCON和串行口控制寄存器SCON中。（3）定时器控制寄存器TCON表3-1
16、定时器控制寄存器TCON各位定义TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0位地址8F8E8D8C8B8A8988IT0和IT1:TI0是INT0的中断触发标志位,位地址是88H.IT0状态可以由用户通过程序设定:如果IT0=0,则INT0上的中断请示信号的中断触发方式电平触发方式为电平触发;如果IT0=1,则INT0设定为边沿中断触发方式.IT1的功能与IT0相同,只不过控制的INT1,其位地址为8AH。IE0和IE1：IE0为外部中断INT0中断请求标志位，位地址为89H。当CPU检测到INT0中断有效时，IE0由硬件自动置位；当CPU响应INT0上的中断请求后进入相应的中断服
17、务程序执行时，IE0被自动复位。TRO和TR1：TR0为定时器/计数器T0的启动/停止控制位。位地址为8CH。TR0的状态可以由用户通过程序设定：TR0=1时，定时器/计数器T0立即开始计数；TR0=0时，定时器/计数器T0停止计数。TR1作用与TR0相同，位地址是8EH，控制的是定时器/计数器T1。(4) 串行口控制寄存器SCON串行口控制寄存器SCON各位定义如表3-2所示。表中，TI和RI两位分别为串行口发送中断标志位和接收中断标志位，其余各位用于串行口方式设定和串行口发送/接收控制。表3-2 串行口控制寄存器SCON定义SCONSM0SM1SMCRENTB0RB0TIRI位地址9F9E
18、9D9C9B9A9998TI为串行口发送中断标志位,位地址为99H.在串行口发送完一组数据以后,串行口电路向CPU发出串行口中断请求的同时也使TI位置位,但在CPU响应串行口中断后是不能被硬件复位的,故用户应在串行口中断服务程序中通过指令来使它复位。RI位串行口接收中断标志位，位地址为98H。在串行口接收到一组串行数据时，串行口电路再向CPU发出串行口中断请求的同时也使RI位置位，表示串行口已经产生了接收中断。RI也应该由用户在中断服务程序中通过指令复位。按字节操作指令方式编写出来的初始化程序如下所示：Void initial(void)IP=IP|0x04; /中断1为高优先级IE=IE|0
19、x04; /允许中断1 TCON=TCON&0XFB; /中断1为电平触发方式PCON=0;4、单片机串行口我们将串口的初始化工作全部写在一个函数initial()之中，该函数的主要作用是初始化中断优先级、允许串口中断，定义串口工作模式，以及数据传输率设置，同时启动与数据传输率有关的定时器。Initial子函数的程序代码如下所示：Void initial(void) IP=0x10; /定义串口为高优先级中断 IE=0x90; /允许串口、中断0、1、定时器0TCON=0x05;TMOD=0x20; /定时器1为自动装入（auto-load）方式PCON=0; SCON=0Xd0; /串行口工
20、作方式：9位UART数据传输率可变TH1=0xf3;TL1=0xf3; /PCON=0x80|PCON; TR1=1; /启动定时器13.2 keil C51驱动LCD1.模块与MPU的接口方法，图3-3是MPU8031的接口电路。图3-2 MPU8031的接口电路图8031数据口P0口直接与液晶显示模块的数据口连接，8031的RD，WR用为液晶显示模块的读，写控制信号，通过与非门连接到EDM12816B的使能信号端。液晶显示模块RESET，D/I，R/W分别连接到8031的P1.5,P1.4,P1.3上。Vcc挂在+5V上,GND、Vee接地。程序如下：sbit Elcm=P27; /使用信
21、号sbit CSBLCM=p23; /CSA控制信号sbit Dilcm=P20; /CSA控制信号sbit Rwlcm=P21; /D/I信号sbit Datalcm=0x80; /R/W信号2模块的控制命令（1）显示开关控制（DISPLAY ON/OFF）R/WD/IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000011111DD=1; 开显示（DISPLAY ON）D=0； 关显示（DISPLAY OFF）。此时的DD RAM内容不变。只要D=0变成D=1原来的显示就会显示在屏幕上。（2）设置显示起始行R/WD/IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00011A5A4A3
22、A2A1A0前面在Z地址计数器一节已经描述了显示起始行是由Z地址计数器的。A5A0 6位地址自动送入Z地址计数器，起始行的地址可以是063的任意一行。（3）设置页地址（SET PAGE“X ADDRESS” ）R/WD/IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB000101110A1A0#define DISPON 0x3F /显示开#define DISPOFF 0x3e /显示关#define DISPIRST 0xc0; /显示起始行驶定义#define SETX 0x40; /X定位设定指令（页）（4）读操作void LCD_set_xy( unsigned char x, un
23、signed char y )unsigned char address;if (y = LINE1) address = LINE1_HEAD + x;else address = LINE2_HEAD + x;LCD_en_command(address); （5）写操作Void LCD_write_string(unsignedcharX,unsignedcharY,unsignedchar*s) LCD_set_xy( X, Y ); /address while(*s) /writecharacter LCDIO=*s;LCD_en_dat(*s); s+;第四章 调试结果及分析一个
24、完整的系统，首先要完成硬件组装工作，然后进入软件设计、调试和硬件调试阶段。硬件组装就是在设计、制作完毕的印制板上焊好元件与插座，然后就可用仿真开发工具进行软件设计、调试和硬件调试工作。4.1 硬件调试1静态调试静态调试工作分为两步：第一步是在通电之前，先用万用表等工具，根据硬件逻辑设计图，仔细检查线路是否连接正确，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，应特别注意电源系统的检查，以防止电源的短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线、控制总线）是否存在相互之间短路或与其他信号线的短路。第二步是加电后检查各芯片插座上有关引脚的电位，仔细测量各点电平是否正常，尤其应注意89C51插
25、座的各点电位，若有高压，与在线仿真器连机调试时，将会损坏在线仿真器。具体步骤如下：(1) 电源检查当电路板连接或焊接完成后，先不插主要元器件，通上电源。常用+5V直流电源（这是TTL电源），用万用表电压档测试各元器件插座上相应电源引脚电压数值是否正确，极性是否符合。如有错误，要及时检查、排除、以使每个电源引脚的数值都符合要求。(2) 各元器件电源检查断开电源按正确的元器件方向插上元器件。最好是分别插入，分别通电，并逐一检查每一个元器件上的电源是否正确，直至最后插上全部元器件，通上电源后，每个元器件上电源应正确无误。(3) 检查响应芯片的逻辑关系检查相应芯片的逻辑关系通常采用静态电检查法。即在一
26、个芯片信号输入端加入一个相应电平，检查输出电平是否正确。单片机系统大都是数字逻辑电路，使用电平检查法可首先检查出逻辑设计是否正确，选用的元器件是否符合要求，逻辑关系是否匹配，元器件连接关系是否符合要求等。2连机仿真、在线动态调试在静态调试中，对用户样机硬件进行了初步调试，只是排除了一些明显的静态故障。用户样机中的硬件故障（如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误）主要是靠连机在线仿真来排除的。在断电情况下，除AT89C51外，插上所有的元器件，并把在线仿真器的仿真插头插入样机上AT89C51的插座，然后与开发系统的仿真器相连，分别打开样机和仿真器电源后便可开始连机在线仿真调试。先将引脚
27、锁定，再将前四个模块的程序下载到EPM7128SLC84-15中，显示模块的程序烧录到AT89C51中，然后接通电源和地进行调试，结果基本上达到了设计的要求。4.2 软件调试1. 频率计顶层文件元件连接图如图4-1所示。其中FIN为输入被测信号，CLK为输入时钟信号，COUNT11.0为输出显示信号。2译过程：译时，出现如图4-2所示的提示。选择“是（Y）”后，出现如图4-3所示的对话框，分析其原因，由错误提示“Project requires too many 147/128 logic cells” 得知,EPM7128SLC84-15没有足够的宏单元。在“Add Extra Device
28、s as Needed”项前打上对勾后，选“OK”，编译通过，如图4-4所示。图4-1 频率计顶层文件元件连接图图4-2图 4-3图4-43、KeilC51工具包的安装及注意事项在Windows下直接运行软件包中DOSC51DOS.exe然后选择安装目录即可。完毕后欲使系统正常工作须进行以下操作(设C:C51为安装目录)：修改Autoexec.bat，加入path=C:C51Bin SetC51LIB=C:C51LIB SetC51INC=C:C51INC第五章 总结单片机的强大数据处理能力使得控制红外测温模块非常容易，显然，这是一个非常简单的测温系统，在这个基础上，稍微改动，或者扩展其他模块可以设计出一个功能非常强大的测温系统。比如，扩展外部存储器可以存储测量温度，以保存历史记录；加一个定时/计数器，还可以得到测量时间，并把测量时间和温度值一并存储到存储器中；扩展液晶显示模块可以显示存储温度，并可以在液晶显示器上设计一个菜单，以便很方便的查找历史记录等。参考文献1谭浩强，C程序设计（第二版）M.北京；清华大学出版社，2003.2刘守义，单片机应用技术（第二版）.西安；西安电子科技大学出版社，2007.
