毕业论文--基于单片机的红外温度测量系统(含外文翻译）.doc

xx大学学士学位论文基于单片机的红外温度测量系统摘要红外测温技术在生产过程中的产品质量控制和监测、设备在线故障的诊断、设备安全保护以及节约能源等方面发挥着重要作用。温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号。红外检测器将吸收的辐射转化为热能，因此提高检测器的温度，并把温度变化数据转化成电子信号，放大显示出来。红外测温打破了传统的测温模式，并且具备远距离非接触式测量、回应速度快、测量精度高、测量范围广和可同时测量环境温度和目标温度的特点，测量距离可达30米左右。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机，单片机在检测和控制系统中得到广泛的应用,温度则是系统常需要测量、控制和保持的一个量。本文主要介绍了利用单片机实现温度控制系统的设计过程，并基于单片机控制技术实现红外温度的测量，系统采用具有SPI（串行外围接口）接口的TN系列红外温度传感器来测量温度信号，可同时测量目标温度和环境温度，并将测量的数据送给SPCE061A单片机处理，之后送数码管显示，同时利用SPCE061A单片机的语音功能播报温度值。该温度计以其准确快捷的测量功能、清晰易懂的数字化显示方便人们日常生活使用，语音播报功能使其更加智能化、人性化。关键词红外测温；TN9；单片机A System of Infrared Temperature Measurement Based on Single-chip MicrocontrollerAbstractInfrared temperature-measuring in the process of product quality control and monitoring, equipment, equipment on-line fault diagnosis safety protection and energy saving etc plays a very important role. Temperature of objects above absolute zero, the molecules are due to their own movement, the infra-red radiation. Through the infrared detector we can change the power signals which objects radiate into electrical signals. Infrared detector will absorb the radiation into heat, thereby increasing the temperature detector, and temperature data into electronic signals, amplified displayed. Infrared temperature-measuring broke traditional temperature measurement model, and long-distance non-contact measurement, the response speed and high precision measurement, the measurement range and simultaneous measurement of environmental temperature and temperature characteristic, measurement target distance can reach 30 meters.SCM has small, strong function, low cost, application, advantages and intelligent control and automatic control of single-chip microcomputer in the core is, inspection and control system has been widely used in the system, the temperature is often need to measure and control and maintain a quantity.This paper introduced the use of single chip microcomputer temperature control system design process, and based on single-chip microcomputer control technology, the infrared temperature measurement system using a serial interface (SPI) interface of periphery of infrared temperature sensor TN series, signal measuring temperature measuring temperature and environmental temperature, the goal and the measurement data to SPCE061A processing, after that, at the same time sent by using the function of speech broadcast SPCE061A temperature. The thermometer to its accurate measurement of quick, transparent function of digital display convenient Peoples Daily life, speech function makes it more intelligent and user-friendly.KeywordsInfrared temperature-measuring;TN9; Single-chip Microcontroller不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 红外测温技术国内发展状况介绍21.3 红外测温技术国外发展状况介绍21.4 国内外红外测温技术发展状况比较21.5 论文主要研究内容3第2章 红外测温原理及相关器件介绍42.1 红外测温原理42.1.1 红外辐射基础理论42.1.2 非接触红外测温优点72.2 基于单片机的智能仪器设计方法72.2.1 智能仪器的组成及特点82.2.2 智能仪器的设计方法92.3 控制芯片模块介绍102.3.1 SPCE061A 16位单片机介绍112.3.2 SPCE061A片内存储器结构112.4本章小结13第3章 系统硬件设计143.1系统总体设计143.2 主控板设计143.2.1主控芯片的选择143.2.2 主控板设计163.3 显示与键盘173.3.1键盘与显示控制电路设计173.3.2显示驱动电路设计173.4 控制接口设计183.4.1红外测温模块接口设计183.4.2键盘及显示接口设计213.4.3辅助部分接口设计213.5电源模块213.6抗干扰设计223.7本章小结23第4章 系统软件设计244.1系统软件结构244.2系统主程序设计244.3键盘扫描子程序264.4测温子程序274.5播报显示子程序284.6中断服务程序304.7 本章小结30结论31致谢32参考文献33附录A34附录B39附录C43附录D44千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景随着人类社会的发展和科学技术的不断进步，科学技术正在改变着人类的生活习惯，在当今社会，生活的节奏在不断的加快，各种与生活相关的东西也在不断更新。譬如说体温计，温度是人体生命活动的基本特征，也是观察人体机能是否正常的一种生理信号。而传统的体温计多采用生物原理，根据水银随温度升降的热胀冷缩性质，通过读取刻度值来判断温度高低，有时由于光线较暗或其它因素的影响，使得观察者难以准确的判断。同时，这些温度计一般对单人单次测量在2-5分钟左右，其工作效率很低，也难以用于大量的人群排查。今年我国局部地区人群感染甲型H1N1流感，它的前期症状表现为发热，一旦有患者通过机场或车站人群密集的地方，疫情扩散范围会更为加大，在这种情况下，使用传统的水银体温计来排查是否有疑似患者途经则颇显捉襟见肘。红外测温为测量人体温度提供了快速、非接触测量手段，可广泛、有效地用于密集人群的体温测量。非接触红外测温计针对特定人群，比如儿童或老人，极其方便。且利用单片机技术开发的语音功能便可克服传统体温计的许多缺陷。它不但可以以数字的方式显示出测量结果，使测量过程变得直观，而且可以根据需要以语音播报出当前的温度值，除此之外，语音体温计还具有较高的灵敏度，可以在几秒钟内测得结果，且寿命长，是较为理想的测温仪器。红外辐射这一物理现象起源于1800年，赫胥尔首先发现了红外辐射，经过几代科学家100多年的探索、实验与研究，总结出了正确的辐射定律，为成功地研制红外测温仪奠定了理论机车。直到本世纪50年代，红外技术才开始进入广泛应用的阶段【1】。近代红外技术始于二战，推动技术发展的原因主要是由于军事上的迫切需要和航天工程的蓬勃开展。半个世纪以来随着光学技术、半导体技术、电子技术的发展，红外技术也日趋完善，其中红外测温技术也形成了完整的理论并成功的应用于医学、工农业、矿业等领域。红外测温作为一门新技术和新方法 ,它的出现是红外技术的发展结果。红外技术是研究红外辐射的产生、传输、 转换、 探测并付诸应用的一门科学技术。近 20年来 ,红外测温技术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 ,逐渐被广泛应用于电力、 食品加工、 冶金、 石化、 医疗、 科研等多种行业中。随着工农业、 国防事业、 医学的发展, 对温度测量越来越迫切。 在某些场合, 温度测量逐步上升为主要矛盾, 引起了各方面的普遍重视。例如在不停机的情况下对机械设备、 电力设备、 生产设备等进行温度测量; 在不能造成产品的污染或损坏的情况下对生产过程中或仓库里的产品温度进行测量; 在医学领域内, 为了了解病人的身体状况, 需对病人身体各个部分的温度进行安全的测量。在这种背景下, 使用方便、 可快速对物体温度进行非接触、 无损测量的红外测温技术就得到了极大的发展。若测温不仅限于某一点, 而是一个区域, 则可以呈现温场分布的图像。红外测温技术也是一门很实用和前沿的技术，以此作为毕业设计，利于理论联系实际，形成个人在这一方面的知识体系，是对本科阶段学习内容的升华，特别是对单片机控制、传感器技术知识深入，它对学生自身综合素质与工程能力的培养也有重要意义。1.2 红外测温技术国内发展状况介绍我国的红外技术研究起步于60年代，70年代后期开始了红外玻璃测温计的研究，但至今未形成系列产品，工业应用仅在近几年才开始。60年代我国研制成功第一台红外测温仪，1990年以后又陆续生产小目标、远距离、适合电业生产特点的测温仪器，如西光IRT1200D型、HCW型、HCW型；YHCW9400型；WHD4015型（双瞄准，目标D 40mm，可达15 m）、WFHX330型（光学瞄准，目标D 50 mm，可达30 m）。近年来随着我国工业迅速发展和产品更新换代的速度，对测温系统的需求量越来越大，尽管热电偶一类接触性测温传感器件仍具有很大的优势，但非接触性的红外测温技术正日益收到各行各业的注视和研究开发。国外的红外测温技术发展较早，技术比较成熟，红外测温产品种类繁多，测温精度及分辨率较高。国内生产红外测温仪的厂家和研究所有：上海自动化三厂、云南仪表厂、中国科学院自动化所、杭州无线电厂西光仪器厂等。1.3 红外测温技术国外发展状况介绍在国外，非接触红外测温技术的发展极为迅速：日本的千野、横河、松下、川崎、精工、北辰、米诺他等公司生产的简易辐射温度计具有较高的水平。美国生产的PM20、30、40、50、HAS201测温仪；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有较广泛的应用。DL500 E可以应用于110500 kV变电设备上，图像清晰，温度准确。红外热像仪，主要有日本TVS2000、TVS100，美国PM250，瑞典AGA THV510、550、570。美国许多公司研制出各种便携式辐射温度计，如RAYTEK公司的Ranynger系列、WAHL公司的DHS系列、UNITY PUWER SYSTEM公司的TM系列等。英国LAND公司和德国的IKE公司生产的红外测温仪都具有较高的准确度。1.4 国内外红外测温技术发展状况比较相比之下，国内红外测温技术相对来说技术落后，产品种类比较单一，测温精度及测温分辨率也不如国外产品在技术性能上国内产品与国外产品相比还有一定差距，但随着红外产品在国内应用得更加普及，会有更多厂家和科研机构进行这方面的研究，会推动我国红外测温产品性能的提高，以满足工农业生产的需要。1.5 论文主要研究内容本论文主要研究基于单片机控制技术实现红外温度测量，主要研究的内容包括：红外测温原理及方法，单片机控制技术、系统的硬件设计和测温软件设计等工作。以单片机为控制核心，设计完成基于单片机的红外温度测量系统，采用红外温度探测技术实现对测量目标的非接触温度实时测量。完成测量系统的硬件设计和主要的测量软件设计。本设计为红外测温系统，要求所测量的温度应非常准确,同时要满足数字化的要求。需要其具有良好的灵敏度。在我的实际的设计过程中,通过对DS18B20数字温度传感器和TN9这两种红外温度传感器进行仔细的学习了解，并对相关要求进行了合理的分析与论证，最终，选取最合适的红外温度传感器为设计所用。在以往的实时控制领域中，常规方式是采用上、下位机的模式。上位机一般采用工业级的PC机，下位机一般采用单片机、PLC或DSP微控制器。近年来随着微电子技术、计算机技术以及软件技术的发展，这种模式正逐渐被嵌入式系统所取代。人们可以选用高性能的微控制器(例如单片机)或微处理器，加上嵌入式实时操作系统，面向具体应用编写应用程序，形成完整的实时控制系统。第2章 红外测温原理及相关器件介绍2.1 红外测温原理2.1.1 红外辐射基础理论红外技术时代的到来已经打开了多种多样应用的大门，它们包括了光电子器件、电光器件、通信系统、高分辨率成像传感器以及一大批其他商用和军用传感器。在把红外技术应用于各种器件与系统之前，了解红外辐射理论是极为重要的【2】。红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。红外辐射也称红外光，其波长从0.75m到1000m。红外光在电磁波普中的位置如图2-1所示。射线X射线紫外线可见光红外光微波无线电波mcm m10-710-510-310-1110-1100101102近红外中红外远红外0.753201000m宇宙射线 图2-1 红外光在电磁波谱的位置在电磁波谱中，我们把人眼可直接感知的0.40.75微米波段称为可见光波段，而把波长从0.75至1000微米的电磁波称为红外波段，红外波段的短波端与可见光红光相邻，长波端与微波相接。可见光辐射主要来自高温辐射源，如太阳、高温燃烧气体、灼热金属等，而任何低温、室温或加热后的物体都有红外辐射【3】。红外线是电磁波谱的一个部分，这一波段位于可见光和微波之间。红外光的最大特点就是具有很强的光热效应，是光谱中最大的光热效应区。红外光在光谱区中位于可见光之外，是一种不可见光。和所有的电磁波一样，它也具有反射、折射、干涉、吸收等性质。自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都会因自身的分子运动而产生红外辐射，红外辐射的强度与物体的温度及表面的辐射能力有关。1. 红外辐射的发射及其规律先简单介绍一下黑体的红外辐射规律。所谓黑体，简单讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体，也就是说全吸收。显然，因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射（吸收率不等于1），所以，黑体只是人们抽象出来的一种理想化的物体模型。但黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系。下面，我着重介绍其中的三个基本定律。 （1）辐射的光谱分布规律-普朗克辐射定律一个绝对温度为T(K)的黑体，单位表面积在波长附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度)与波长、温度T满足下列关系见式（21）： （21）式中，分别为第一、第二辐射常数。普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。（2）斯蒂芬玻尔兹曼定律：物体的总辐射率，即单位面积发射总功率与黑体温度的四次方及材料表面的发射率成正比。数学表示见式（22）： （22）其中：，为 Stefan-Boltzmann常数，为材料表面发射率。1879年斯蒂芬从实验上总结而得到该公式，1884年玻耳兹曼从理论上证明了它。斯蒂芬-玻耳兹曼定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射，而且，黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且，只要当温度有较小变化时，就将会引起物体发射的辐射功率很大变化。那么，我们可以想象一下，如果能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率，不是就能确定黑体的温度了吗？因此，斯蒂芬-玻耳兹曼定律是所有红外测温的基础。（3）辐射的空间分部规律朗伯余弦定律所谓朗伯余弦定律，就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比见式（23）： （23）此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检测时。应尽可能选择在被测表面法线方向进行，如果在与法线成角方向检测，则接收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的倍。2. 红外辐射规律在实际应用中的问题前面所说的辐射定律是对理想辐射源-黑体而言的，黑体的发射系数为1。自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体，它们的发射系数都小于1。这些物体与黑体的差别就体现在发射率、反射率及透射率上。我们知道，自然界充满着电磁辐射，一切物体都处于电磁辐射之中，一切物体都在不断地辐射、吸收、反射或透过红外辐射。根据基尔霍夫定律，在热平衡状态下，物体辐射的功率等于它吸收的功率。物体的辐射率、反射率和透过率总和为1。用公式表示，即E+R+T=1,E为发射率，R为反射率，T为透射率。 实验表明，实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。这里，我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，则就可把黑体的基本定律应用于实际物体。这个辐射系数，就是常说的发射率，或称之为比辐射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。德国物理学家基尔霍夫通过实验发现：在相同的温度下，各种物体在同一波长的发射率与吸收率的比值都相等，并等于该温度下黑体在同一波长的发射率。数学表示见式（24）： （24）其中为波长、 T为物体绝对温度，表示黑体在特定温度和波长下的本领，为常数。该定律指出物体发射本领和吸收率之间的普遍关系，通俗地说就是辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强。物体的辐射出射度M(T)和吸收本领的比值M/与物体的性质无关，等于同一温度下黑体的辐射出射度M0(T)。其表明，吸收本领大的物体，其发射本领大，如果该物体不能发射某一波长的辐射能，也决不能吸收此波长的辐射能。3. 生物波谱生物波谱又称生物频谱，是生物自身发出的生物物理信息的光波或频率的综合称谓，它构成生物体周围的生物信息场。科学研究表明，生物体（包括人体）可产生温度场、电场和磁场等，统称为生物信息场，可以用物理学中的电磁波谱频率或波长、温度等物理因子来表述。生物波谱的波长覆盖范围在电磁波谱中的紫外线到弱微波之间，人体的生物波谱则主要在红外线到弱微波区域，尤其集中在红外线波段范围。因此它遵循电磁波的一切特性。生物波谱的这种物理信息的存在、变化是与生物体自身功能状态密切相关的，同样可以反映生物体的健康状态。在人体生物信息场已知物理参数的实验测量中，对辐射能量比较集中的波谱分布，取得比较一致的数值结果，JD哈里认为，人体辐射能量与皮肤表面温度及辐射率有关。活体皮肤光谱范围约为3-50m，其中8-14m波段的辐射量占总能量的46%，峰值波长约为9.5m，虽然人体生物波谱分布范围较宽，从可见光到微波波段，但在非能量集中区域，信号强度较低，尤其在远端的数值极其微弱。经科学检测，不管人的肤色如何，干燥皮肤的红外辐射率(emissivity)均为0.98,近似为黑体。根据普朗克定律，其波长主要分布在2.5-25m红外波段范围内，根据 Wien 定律mT2898（Km），人体皮肤辐射的峰值波长约9.5m 。2.1.2 非接触红外测温优点非接触红外测温优点如下：1. 远距离和非接触测量红外测温不需要与被测温度场的内部或表面，因此，不会干扰被测温度场的状态，测温仪本身也不受温度场的损伤。并可远距离测量，它特别适合于对高速运动物体、旋转体、带电体和高温高压下物体的温度测量。2. 响应速度快红外测温不象热电偶、温度计那样，需要与被测量体接触以达到热平衡，只要接到目标的红外辐射即可测量，其响应时间在毫秒甚至微秒数量级。3. 灵敏度高因物体温度的微小变化会引起辐射功率的较大变化，容易被探测器探出，故红外测温的可测温差很小，可达零点几摄氏度。4. 准确度高红外测温是非接触测量，不破坏物体本身的温度分布，因而所测温度真是、准确、误差可达0.1oC以下。5. 测温范围广测温范围可从负几十摄氏度到正几千摄氏度【4】。因其是非接触测温，所以测温系统并不处在较高或较低的温度场中，而是工作在正常的温度或测量系统允许的条件下。2.2 基于单片机的智能仪器设计方法微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命的影响。微处理器在20世纪70年代初期问世不久，就被引进电子测量和仪器领域，所占比重在各项计算机应用领域中名列前茅。在这之后，随着微处理器在体积小、功能强、价格低等方面的进一步的发展，电子测量与仪器和计算机技术的结合就愈加紧密，形成了一种全新的微型计算机化仪器。目前，人们习惯将这种内含微型计算机并带有相关通信接口的电子仪器称为智能仪器，以区别于传统的电子仪器【5】。2.2.1 智能仪器的组成及特点以单片机为核心的智能测量仪器的基本组成如图2-2所示。单片机是仪器的主体，对于小型仪器来说，单片机内部的存储器已经足够；大型仪器要进行复杂的数据处理，或者要完成复杂的控制功能，其监控程序较大，测量、处理的数据很多，这是需要在单片机外部扩展片外存储器，被测量的模拟信号经过A/D转换之后，通过输入通道进入单片机内部；单片机根据由键盘置入的各种命令，或者送往打印机打印，或者经过D/A转换后成为能够完成某种控制的模拟电压。通信接口的功能是通过接口总线与其他仪器甚至计算机作远距离通信，以达到资源共享的目的。微处理器MPU程序存储器 ROM数据存储器 RAMI/O接口键盘显示接口标准仪用通信接口A/D转换器D/A转换器键 盘显 示外部仪用标准总线输入电路模拟执行器被测量图2-2 智能仪器通用结构框图现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。有许多国家正致力于将微处理器与传感器集成于一体，以构成超小型、廉价的测量仪器的主体。近20年来，由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化测量控制仪表已经取得了巨大的进展。从技术背景上来说，硬件集成电路的不断发展和创新是一个重要因素，各种集成电路芯片都在朝大规模、全CMOS化的方向发展。CMOS电路具有功耗低、工作温度范围宽的特点。一个全CMOS电路系统的功耗只是普通TTL系统功耗的1/10，采用这种CMOS芯片组成的智能化测量控制仪表可以采用干电池供电，从根本上解决了市电干扰的问题。同时还可以使仪器小型化，便于携带。2.2.2 智能仪器的设计方法智能仪器是以微型计算机为核心的电子仪器，它不仅要求设计者熟悉电子仪器的工作原理，而且还要求掌握微型计算机硬件和软件的原理。因而其设计不能完全沿用传统电子仪器的设计方法和手段。为了保证仪器的质量，提高研制效率，设计人员应该在正确的设计思想指导下，按照一个合理的步骤进行开发。设计研制一台智能仪器的一般开发过程如图2-3所示。各主要阶段的设计原则和工作内容简要概述如下。1确定设计任务首先根据仪器最终要实现的设计目标，编写设计任务说明书，明确仪器应具备的功能和应达到的技术指标。设计任务说明书是设计人员设计的基础，应力求准确简洁。2拟制总体设计方案这个阶段，设计者首先依据设计的要求和一些约束条件，提出几种可能的方案。每个方案应包括仪器的工作原理，采用的技术，重要元器件的性能等；接着要对各方案进行可行性论证，包括对某些重要部分的理论分析与计算以及一些必要的模拟实验，来验证方案是否能达到设计的要求；最后再兼顾各方面因素选择其中之一作为仪器的设计方案。在确定仪器总体设计方案时，微处理器的选择非常关键。微处理器是整个仪器的核心部件，应从功能和性能价格比等多方面进行认真考虑。3确定仪器工作总框图当仪器总体方案和选用的微处理器的种类确定之后，就应该采用自上而下的方法，把仪器划分成若干个便于实现的功能模块，并分别绘制出相应的硬件和软件工作框图。4 硬件电路和软件的设计与调试一旦仪器工作总框图确定之后，硬件电路和软件的设计工作就可以齐头并进。硬件电路设计的一般过程是：先根据仪器硬件框图按模块分别对个单元电路进行电路设计；然后再进行硬件合成，即将各单元电路按硬件框图将各部分电路组合在仪器，构成一个完整的整机硬件电路图。在完成电路设计之后，即可绘制硬件原理图，然后进行装配与调试。软件设计一般按列步骤进行：即先分析仪器系统对软件的要求；然后在此基础上进行软件总体设计，包括程序总体及污垢设计和对程序进行模块化设计，模块化设计即将程序划分为若干个相对独立的模块；接着画出每一个专用程序模块的详细流程图，并选择合适的语言编写程序；最后按照软件总体设计时给出的结构框图，将各模块入口、出口及对硬件资源占用情况。设计任务下达编写任务说明书拟定总体设计方案选择处理器芯片权衡硬、软件比例电路硬件设计 系统软件设计 硬件电路调试 软件程序调试装配样机、软硬联调 样机性能指标测试性能是否 合格编制技术文件、转产NY图2-3 设计研制智能仪器的一般过程2.3 控制芯片模块介绍从设计任务及要求来看，整个设计要求我们完成一个基于单片机的红外温度测量系统的设计。这个温度测量系统能够通过按键来启动红外测温，之后需要将测温数据送单片机处理，得到温度值；这一温度值又需要显示并且语音播报出来，从而实现其智能化和人性化。从这一分析来看，整个系统需要这样几个功能模块：单片机主控模块、红外测温模块、键盘显示模块以及语音输出模块。其中单片机机型的选择至关重要，因为它的选择关系到整个系统的复杂和难易程度。2.3.1 SPCE061A 16位单片机介绍SPCE061A 是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以nSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。部分性能简介：工作电压(CPU) VDD为2.43.6V (I/O) VDDH为2.45.5V；CPU时钟：0.32MHz49.152MHz；可编程音频处理；内部震荡，外接晶体振荡器；系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2A3.6V；2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数-模转换)输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有WatchDog功能【6】。2.3.2 SPCE061A片内存储器结构基于单片机系统内部ROM、RAM存储器的编址有两种方式：一种是ROM、RAM、I/O统一编址；另一种是独立编址，称为哈佛结构。SPCE061A是存储器统一编址的存储结构。其片内存储器地址映射如图2-4所示。 0x07000x07FF地址是2K字的SRAM（包括堆栈区）。0x08000x6FFF地址保留，未使用。0x70000x7FFF地址是I/O和系统端口，也是专用的控制设置寄存器和输入/输出口地址，与51的特殊功能据村其的作用类似。0x80000xFFF5地址是32K字闪存（Flash ROM），作为程序和有关数据的存储。0XFFF60xFFFF地址是中断向量入口地址。该单片机复位后PC的数值被置为0x8000，程序由此开始执行。2K字SRAM保留空间32K字Flash ROM中断向量I/O端口系统端口0XFFFF0XFFF60XFFF50X80000X7FFF0X70000X6FFF0X08000X07FF0X0000图2-4 SPCE061A内存映射表下面分别介绍一下SPCE061A的RAM和堆栈。RAM一般分为动态存储器（DRAM）和静态存储器（SRAM）两大类。SRAM是英文Static RAM的缩写，它是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。不像DRAM内存那样需要刷新电路，每隔一段时间，固定要对DRAM刷新充电一次，否则内部的数据即会消失，因此SRAM具有较高的性能，但是SRAM也有它的缺点，即它的集成度较低，相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积，但是SRAM却需要很大的体积，所以在主板上SRAM存储器要占用一部分面积。优点，速度快，不必配合内存刷新电路，可提高整体的工作效率。缺点，集成度低，功耗较大，相同的容量体积较大，而且价格较高，少量用于关键性系统以提高效率。SPCE061A的读写存储器的类别是静态存储器（SRAM）。堆栈是一个区域，用来存放因中断或子函数调用等而需要保存的一些数据。这个区域就是SRAM的一部分，只是它有特殊的存取数据的原则，即“先进后出，后进先出”。对应的有特殊的数据传输指令：PUSH和POP,而且还有一个特殊的专为其服务的堆栈指针SP,每执行一次PUSH指令，SP就自动减1，每执行一次POP指令，SP就自动加1。同其他单片机一样，SPCE061A的堆栈是在内存SRAM区专门开辟出来的按照“先进后出”原则进行数据存取的一种工作方式，如图2-5所示。它主要用于子程序调用及返回和中断处理断电的保护及返回。堆栈的最大容量范围限制在2K字SRAM内，即其地址是在从0x07FF0x0000的存储器范围中。值得注意的是，堆栈的生长方向是自顶向下的，SPCE061A系统复位后，SP初始化为0x07FF,每执行一次PUSH指令，SP指令就会减1。栈底栈顶0x07FF0x0000堆栈生长方向PUSH后SP减1POP后SP加1图2-5 SPCE061A堆栈2.4本章小结 本章主要介绍了红外测温技术的基本原理以及本设计中所需用到的模块器件工作原理，第一部分介绍了红外技术的基本理论基础和红外光测温原理。第二部分介绍了核心控制模块的工作原理，为下一章系统硬件设计提供依据。第3章 系统硬件设计3.1系统总体设计主控板SPCE061ALED模块TN9红外测温探头键盘图3-1 系统总体设计框图电源本系统采用基于单片机智能化仪器的设计方法，实现了模块化的系统结构设计。系统的基本构成如图3-1，系统由红外测温模块、控制模块、键盘及显示模块、电源组成。SPCE061A单片机作为整个系统的控制中心，负责控制启动温度的测量、接受测量数据、计算温度值，并根据取得的键值控制播报显示过程，同时通过音频输出通道播报温度值；红外测温模块负责温度的测量、采集，并将采集数据通过数据端口传送到SPCE061A单片机；键盘显示模块控制按键操作和温度的显示。通过按键启动红外测温模块，测量结束返回测量结果，待MCU运算处理得出目标温度和环境温度后将温度对结果进行语音播报。利用键盘可以控制测温计的灵活性，按K1键，测量、播报和显示目标温度与环境温度；按K2键，仅测量、播报和显示目标温度；按K3键，仅测量、播报和显示环境温度。3.2 主控板设计3.2.1主控芯片的选择近10余年来，随着超大规模集成电路技术日新月异的发展，这类8位/16位单片机的性能又有了很大的增强，仍然保持着智能仪器主机电路主流机型的地位。我们知道方案选择的关键是单片机机型的选择。目前市场上主流单片机是8位和16位的单片机，而且现在主要都是采用带有闪存或其他功能的新型单片机，如8位的有美国Atmel公司的AT89C51、AT89S51等，PHLIPS公司的89C51RD2等等，16位的有台湾凌阳科技研发的SPCE061A等，因而这里主要介绍两种方案。采用MCS-51系列单片机外接数字式红外探头进行温度的数字化采集，并将结果主控板MCS-51LED模块TN红外测温探头语音输出图3-2 基于MCS-51单片机的红外测温方案键盘通过LED模块显示，并需要给其设计相应的键盘电路和语音输出电路。同样也可以采用其它的8位单片机实现，方案结构如图3-2所示。采用SPCE061A单片机外接数字式红外探头进行温度的数字化采集，并通过内部语音算法将结果播报出来。方案结构如图3-3所示。主控板SPCE061ALED模块TN红外测温探头键盘图3-3 基于SPCE061A单片机的红外测温方案语音输出比较方案一和方案二：方案一采用8位单片机，资源比较适中，但是如果需要实现语音功能则比较困难，扩展电路比较复杂，而且还需要专用的仿真器；方案二采用SPCE061A单片机，该16位单片机运算能力强，操作简单，而且带有语音功能，可以非常快捷地实现语音输出功能，提高了集成度，并且能实现在线仿真、调试，带来了诸多便利，所以最终选择方案二。系统的显示方案有数码管显示和液晶显示，本设计中我们采用数码管来显示。台湾凌阳公司同时开发了很多功能模块，可供我们选择，为我们完成红外测温计的设计提供了很多便利。本设计中主要采用了其生产的61板、红外测温模块和键盘显示模块。3.2.2 主控板设计主控板设计是基于SPCE061A精简开发板开发设计完成的。是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发仿真实验板，是“凌阳科技大学计划”专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作及电子竞赛所设计的，也可作为单片机项目初期研发使用。61板除了具备单片机最小系统电路外，还包括有电源电路、音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部分）、复位电路等，采用电池供电，方便随身携带。61板上有调试器接口（Probe接口）以及下载线（EZ_Probe）接口，分别可接凌阳科技的在线调试器、简易下载线，配合unSP IDE，可方便地在板上实现程序的下载、在线仿真调试。另外，61板体积小、价格相对较低、采用电池供电，携带十分方便。SPCE061A的最小系统如图3-4所示，本系统以SPCE061A单片机为主控芯片。图3-4 SPCE061A最小系统而核心控制模块实际上就是SPCE061A单片机的最小系统。在主芯片的OSC0、OSC1端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后，即可构成SPCE061A最小系统，最小系统主要包括SPCE061A芯片及其外围的基本电路：晶振输入电路（OSC）、锁相环电路（PLL）、复位电路（RESET）、指示灯（LED）等，这些电路都做在61板中。3.3 显示与键盘3.3.1键盘与显示控制电路设计本设计中采用6位数码管显示，3个按键控制。整个电路我们采用凌阳公司的LED键盘显示模块。设计中用到的硬件电路如图3-5所示。LED显示及键盘模块基本特性和主要功能如下：1. LED键盘模块采用DC5V供电，也可以采用DC3.3V供电；2. 扩展了6位8段数码管，显示范围为-99999999999；3. 8个发光二极管，可作为显示状态信息使用； 4. 8个按键，可以组成18键盘也可组成24键盘；5. 一个电位器，可以提供05V的模拟电压信号或者03.3V的模拟电压,与模组输入的VDD有关。3.3.2显示驱动电路设计在本设计中只用到了三个按键和六位数码管显示，下面简单介绍一下用到的相关器件：图3-5 键盘及显示电路1. ULN2003A 其内部为三极管阵列，其IN脚相当于三极管的B极，OUT较相当于三极管的C极。若IN脚输入高电平，对应的OUT脚接地；IN脚输入低电平，对应的OUT脚截止输出。 图中：IN1IN7为输入信号，OUT1OUT7为输出信号，输入信号高电平有效。 2. LG5621CH 共阴极2位数码管。其中adp为数码管的段信号，G1、G2为2位数码管的位信号。段信号高有效，位信号低有效。3. LG5643EH共阴极4位数码管。其中adp为数码管的段信号，d1、d2为时钟冒号的段信号；G1G4为4位数码管的位信号，G5为时钟冒号的位信号。段信号高有效，位信号低有效。3.4 控制接口设计红外测温模块VDCGAVDDIOA15IOA14GNDIOA13IOA0IOA7IOB0IOB7IOB8IOB15VDDag，dpDIG1DIG8COL8COL1ROW1SPCE061A键盘显示模块扬声器电源J3J10图3-6 系统硬件接口设计图888该红外测温系统主要由SPCE061A精简开发板、具有SPI接口的TN系列红外测温模块、键盘显示模块以及电源和扬声器组成，系统结构与连接图如图3-6所示。3.4.1红外测温模块接口设计本设计的红外测温传感器采用TN系列红外测温模块，红外测温模块参数如表3-7所示。红外测温模块采用非接触测温手段，解决了传统测温中需要接触的问题，具有回应速度快、测量精度高、测量范围广以及可同时测量目标温度和环境温度的特点。表3-7 TN系列红外测温模块参数测量范围-33220工作温度-1050 精度(25)0.6分辨率0.05响应时间0.5秒距离系数 D:S1:1发射率0.011波长514电源3V5V尺寸351412mm测量回应时间大约为0.5s，而且，它具备SPI接口，可以很方便地与MCU传输数据。红外测温模块结构框图如图3-8所示。 AGCDVTN红外测温模块图3-8 红外测温结构框图 图3-9 红外测温模块时序图五个引脚功能介绍：V为电源电压引脚VCC，VCC一般为3V到5V之间的电压，一般取VCC为3.3V；D为数据接收引脚，没有数据接收时D为高电平；C为2KHz Clock输出引脚；G为接地引脚；A为测温启动信号引脚，低电平有效。红外测温模块的时序图如图3-9所示，为SPI数据格式，在CLOCK的下降沿接收数据，一次温度测量需接收5个字节的数据，这五个字节中：Item为0x4c表示测量目标温度，为0x66表示测量环境温度；MSB为接收温度的高八位数据；LSB为接收温度的低八位数据；Sum为验证码，接收正确时Sum=Item+MSB+LSB；CR为结束标志，当CR为0x0dH时表示完成一次温度数据接收。一帧数据包括5个Byte，每个Byte代表含