红外快速人体温度检测装置的设计与开发

摘 要红外快速人体温度检测装置系统由 TPS334 红外温度传感器、高精度放大器、双通道 16 位串行 A/D 转换器 AD7705、AT89C51 单片机、译码显示模块与报警电路等部分构成，实现非接触式红外快速测温，它能够在较短的时间内准确测量出人体的温度，而在测得温度超出某一范围时即启用报警电路进行超标报警。文中提出了具体设计方案，讨论了红外非接触式体温计的基本原理，进行了可行性论证。给出了电路图和程序流程图并附有源程序。由于利用了单片机及数字控制系统的优点，系统的各方面性能得到了显著的提高。关键词：红外温度传感器；快速检测；A/D 转换器；译码显示；超标报警ABSTRACTThe system is consisted of tps334 infrared temperature sensor, high accuracy amplifier，the sixteen serial digital A/D switch AD7705 of binary channels, single chip of AT89C51, decoding demonstration module, warning circuit and so on . So the non-contact type infrared clinical temperature detecting is realizedIt can be accurate to measure the temperature of human body in a short time, but if the temperature is beyond some certain scope, police electric circuit would be in use to carry on a super mark to report to the police electric circuit in time. The article discussed basic principle of the infrared non- contact clinical thermometer, has proposed the concrete design proposal, and has carried on the feasible proof test. We have offered the circuit diagram, the program flow diagram and the source program is also attached. Since we have take advantage of the single-chip and the digital control system, the functions of the system have been improved strikingly.Keywords: Infrared Temperature Sensor; Fast Check; A/D Switch; Decoding Display; Exceeded Alarm目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III1 引言 .11.1 发展概况 .11.2 红外测温仪的优点与缺点 .11.2.1 红外测温仪的优点 .11.2.2 红外测温仪的缺点 .21.3 红外快速人体温度检测装置的研究意义 .22 红外快速人体温度检测装置的框架构思 .42.1 设计思路 .42.2 方案比较 .42.3 系统方框图及测量原理 .52.3.1 系统整体方框图 .52.3.2 测量原理 .53 系统设计与工作原理 .73.1 系统组成 .73.2 单元电路设计 .73.2.1 传感器的选用 .73.2.2 测量电路设计 .93.2.3 信号处理电路设计 .113.2.4 译码显示电路设计 .203.2.5 报警电路 .203.2.6 电源电路的设计 .213.3 系统工作原理 .234 软件设计 .244.1 算法设计 .244.1.1 热敏电阻测量温度算法设计 .244.1.2 热电堆信号算法设计 .244.2 程序设计 .245 结论 .27参考文献 .28致谢 .29附录 .301 引言1.1 发展概况目前，国内传统的体温测量是用医用玻璃液体温度计（俗称体温表） 、医用电子接触式温度计（常用热敏电阻作为它的感温元件）等插入人体内部（舌下、肛门）或置于腋下，通过与人体接触使温度计测出人的体温。但这些体温计的缺点是测量的速度慢（约 2 分钟以上） 。读数相对困难，易破碎，且一旦破碎，里面的水银流淌出来会污染环境，在使用时容易因消毒不彻底而引起交叉感染。红外快速检测人体温度装置，有效地避免国内传统的体温测量的缺点，能够在机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、写字楼、学校等人流量较大的公共场所，快速，准确，没有交叉感染地测出人体温度。红外测温仪由光学系统、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，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。在 2003 年全国防“ 非典” 斗争中，中科院上海技术物理研究所在 863 计划高技术成果的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究，在短时间内开发成功了“非接触式红外测温仪” ，打开了国内“非接触式测量”的新篇章，但由于这种装置受一定因素影响，测量结果还有待进一步进行校正。在国外，非接触式红外测温仪已经非常先进了，自 1999 年就有许多国家致力于这方面的开发研究，到现在为止很多国家的产品已经达到国际先进水平，并已广泛应用于各个领域。比如：美国早在 2001 年就颁布了有关红外测温仪的计量标准，美国雷泰公司生产的 ST 系列红外测温仪已达到世界领先水平。由于红外测温仪测量温度范围宽，除了用于人体温度检测外，还可用于电器的红外测温、供暖的红外测温、运输/汽车维修时的红外测温等各个领域。因此，它具有广泛的开发前景！1.2 红外测温仪的优点与缺点1.2.1 红外测温仪的优点(1)非接触测量：它不需要接触到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。(2)测量范围广：因其是非接触测温，所以测温仪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温仪允许的条件下。一般情况下可测量负几十度到三千多度。(3)测温速度快：即响应时问快。只要接收到目标的红外辐射即可在短时间内定温。(4)准确度高：红外测温不会与接触式测温一样破坏物体本身温度分布，因此测量精度高。(5)灵敏度高：只要物体温度有微小变化，辐射能量就有较大改变，易于测出。可进行微小温度场的温度测量。(6)温度分布测量，以及运动物体或转动物体的温度测量。使用安全及使用寿命长。(7)安全。安全是使用红外线测温仪最重要的益处。不同于接触测温仪，红外线测温仪能够安全地读取难以接近的或不可到达的目标温度，在仪器允许的范围内读取目标温度。非接触温度测量还可在不安全的或接触测温较困难的区域进行，像蒸汽阀门或加热炉附近，他们不需在冒接触测温时一不留神就烧伤手指的风险。高于头顶 25 英尺的供/回风口温度的精确测量就在手边测量一样容易。红外测温仪有激光瞄准，便于识别目标区域。1.2.2 红外测温仪的缺点 (1)易受环境因素影响（环境温度，空气中的灰尘等） 。(2)对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大。(3)只限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部和存在障碍物时的温度。1.3 红外快速人体温度检测装置的研究意义随着现代科学技术不断发展成熟与日益完善，红外线测温仪凭借其准确、快速、直观等特点，广泛应用于各行业，实时地在线监测和诊断设备故障。近 20 年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。红外线测温仪技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。这里设计的红外快速检测人体温度装置，由 TPS334 红外温度传感器、高精度放大器、A/D 转换器 AD7705、AT89C51 单片机、 译码显示模块与报警电路等部分构成，从原理上进行设计计算，并进行初步的制作与调试。通过自己手动设计与开发红外快速检测人体温度装置，提升我们的动手设计能力，团队合作与学习的能力，同时也让大家熟悉日常生活中接触的先进仪表的基本原理，培养大家科学的人生观和求实的实践观。 2 红外快速人体温度检测装置的框架构思2.1 设计思路本设计中采用的红外传感器是 PerkinElmer Optoelectronics 的 TPS334。单片机是 TI 公司的带有 LCD 驱动的低功耗单片机，可以直接与 LCD 屏相连而不需要另外的驱动电路，它最多可以显示 96 段。ADC 采用的是 AD 公司带有恒定电流源的高精度的 16 位-AD，它为两路输入，一路与热电堆相连，另一路与热敏电阻相连。恒定电流源可以用于补偿电路中驱动热敏电阻。红外传感器的两路输出(热电堆输出电压信号和热敏电阻两端电压信号)送到 ADC，然后送到单片机，经单片机查表分别得出热电堆的两端温差和环境温度，并两值相加求出物体的真实温度，并把结果送到 LCD 进行显示。2.2 方案比较方案 1：模拟处理方法模拟电路的处理法就是将热敏电阻和热电堆的信号通过放大器进行比较，得出相应模拟电信号转换成相应温度。其电路原理图，如图2.1所示。在有限的温度范围内，热敏电阻的阻值与温度的4次方近似为线性关系。即 ，其中Ro,40TR是常数。由黑体定律知道可以通过调整2个放大器的放大倍数，可使得输出信号只与被测物体温度的4- 次方成线性关系，去除由环境温度而产生的输出分量，由此可确定物体温度，因而模拟处理方法的测量精度不高，不能达到测量体温的要求，但灵活性好，可以通过调节放大倍数以适合不同物体的温度测量。方案2：数字处理法数字处理法原理是将热敏电阻和热电堆的信号转换成电信号经放大，通过A/D转换由单片机采集数据在内部计算处理可以得到相应的温度值。这种数字处理法可以得到更高的精度。它的精度由传感器的性能和A/D 转换的位数决定。数字处理法的框图如图2-2所示。方案比较与论证：方案 1 的精度得不到保证，一般只能用于工业上，不能用于人体温度测量。方案 2 采用数字处理法，通过对信号进行放大，提高 A/D 转换器的分辨率是可以精确到 0.1 度，能够进行人体温度测量。 图2-1 模拟电路处理电路图图 2-2 数字处理方框图2.3 系统方框图及测量原理 2.3.1 系统整体方框图通过以上的方案比较我们选用方案 2，以数字处理法实现红外测温。系统整体方框图如图 2-3 所示。2.3.2 测量原理自然界一切温度高于绝对零度（-273.15 oC）的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克（Plank）定律。人体主要辐射波长在 910 m 的红外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。人体的红外辐射特性与它的表面温度有着十分密切的关系，因此，通过对人体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。红外温度测量技术的最大优点是测试速度快，1 秒钟以内可测试完毕。由于它只接收人体对外发射的红外辐射，没有任何其它物理和化学因素作用于人体，所以对人体无任何害处。 红外传感器 放大器 A/D 单片机译码显示报警电路信号比较TPS334信号放大器信号放大器 图 2-3 系统整体方框图报警电路电 源主光学系统瞄准系统检测元件 信号处理单元 显示单元红外线3 系统设计与工作原理3.1 系统组成本系统由红外温度传感器 TPS334、A/D 转换器 AD7705、AT89C51 单片机、显示模块、报警电路组成单片机系统。整体连接电路图如图 3-1 所示。a bfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefg99U3DPY-8a bfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefg99U2DPY-8a bfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefg99U1DPY-8Q3NPNQ2NPNQ1NPNVCCR410k R210k R310k R6100kVCCB1SPEAKERR71kSCLK1 MCLK IN2MCLK OUT3 CS4REST5 AIN2+6AIN1-8GND 16VDD 15DIN 14DOUT 13DRDY 12AIN2- 11REF IN - 10REF IN + 9AIN1+7U5AD7705VCC1234JP12MCRYSTALC130p C230pC310uR110kVCCVCCEA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P 30TXD 11RXD 10VCC 20GND 40U4AT89C51A1A2A3A4A5A6A7AAAAAAAAAAAAAAA1A2A3A4A5A6A7A8a bfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefg99U8DPY-8A1A2A3A4A5A6A7Q4R510KQ6PNP1234C40.33uFC50.1uFVin1GND2Vout 37805C6100PF C70.1uF+5v220V图 3-1 系统整体电路图3.2 单元电路设计3.2.1 传感器的选用(1) 黑体定律红外体温计的测温原理是基于黑体辐射定律。在任何温度下都能全部吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量的物体称为黑体。黑体的单色辐射出度是描述在某一波长辐射源单位面积上发出的辐射通量。温度为T 的黑体单色辐射出度为：M( ,T)= )1(/52TceC（3.1）其中: ， 均为常数， =3.7418x W , =1.438x m K，e 为自1c21602mc210然对数，e=2.718，为该辐射源的波长。由此可以计算出在温度为T的黑体在全部波长范围内的辐射出度为： 4(,)VMTdK（3.2）其中:K是波尔兹曼常数，K=1.38x10 -23J/K此外,由于人体皮肤不是理想的黑体，只有在大子5 的波长范围才可以近似看成m是黑体，所以在红外传感器上要装有大子5.5 的波长才可以通过的滤波器。(2) 红外传感器的结构红外传感器是红外体温计的关键部件，它是由温差热电堆和热敏电阻两部分构成的。热电堆是用半导体集成电路(IC)工艺和微机械电子(MEMS)工艺制造的，它可以等效为多个热电偶串联组成的。而热电偶是由两种电子密度不同的导体相连接组成的。热电偶有冷热两个端点。在测量物体温度时，热端与被测物体接触，冷端与测量仪表接触。热电偶的同种导体上会因为存在温度梯度而产生汤姆逊电动势，两种金属的连接处会因为电子密度差而产生珀尔贴电动势，所以在热电偶的两端会产生温差电动势。在红外传感器热电堆的热端贴有热量吸收器，它用来吸收被测物体辐射的红外线并转化为热能。通过热电堆把辐射红外线的功率转化为电信号进行测量。红外温度传感器我们选用TPS334，TPS334红外温度传感器的环境温度补偿范围为-40 100，比较适合测量体温。(3) 红外传感器的输出特性温度为T的物体，其单位面积在全部波长的辐射功率可以表示为：4TKP（3.3）其中：k是波尔兹曼常数，K=1.38x10 -23J/K， 是物体的发射系数， 在01之间。当用于红外传感器测量温度时，考虑到红外传感器热电堆另一端的环境温度，由热平衡方程，于是红外传感器其吸收的净热功率为：)(404 TKP（3.4）其中：K 是一常数(由传感器决定)， 和 分别为被测物体和传感器材料的发射系 0数，T,和T ,分别是被测物体温度和传感器的环境温度。0由此可得出红外传感器的输出电压为：)(404 TKsU（3.5）其中：s是传感器的敏感度（V/W）。由传感器器本身决定。 由于实际传感器只测量一定的波长范围并且其敏感度只有在一定的波长范围才可以看成是常数，所以上式可进一步修正为：)(404 TKsU（3.6）由公式（3.6）可以看出，当环境温度一定时，红外传感器其输出电压与被测物体的绝对温度的4- 次方成线性关系。传感器的输出与被测物体的温度是单调的，即传感器的输出量与被测物体的温度是一一对应的，由此可以通过测量传感器的输出来确定被测物体的温度。由于环境温度是可变的，所以还要进行环境温度补偿。(4) 环境温度补偿热电堆输出端的电信号是反映热电偶冷热两端的温度差，也就是被测物体与热电堆冷端的温度差，而不是反映被测物休的真实温度。因此，还需要进行环境温度补偿，也就是要测出热电堆的冷端温度。环境温度补偿是通过红外传感器中负温度系数的热敏电阻完成的，它的阻值随着温度的升高而降低,由此通过测量其阻值就可以得知环境温度。(5) 传感器选用红外温度传感器我们选用TPS334 红外温度传感，TPS334红外温度传感器镜头带有滤波器，敏感系数高，在没有滤波器时为55V/W, 有滤波器时为35V/W 。环境温度测量范围为-40到100 ，适合测量体温。内部有热敏电阻不需要外接补偿装置。其参数表如表3-1所示。TPS334 红外温度传感器光学滤波器主要通过的红外光线为7.5 m到13.5 m。其滤波器特性如表3-2所示。表3-1 tps334参数表参数 符号 范围 单位 备注最小 平均 最大电阻 RTP 20 75 100 K 25OC灵敏度 SV 20 35 50 V/W标准滤波，500K，1Hz，25 OC时间常数 25 70 ms 25 OC燥声电压 VRMS 40 nVRMS/Hz标准滤波特性参数 范围 单位 备注表3- 光学滤波器特性3.2.2 测量电路设计测量电路由 TLC2652 组成的高精度放大器和双通 16 位串行 A/D 转换器AD7705 构成。方框图如图 3-2 所示。测量电路主要包括两个方面,一方面是热电堆信号的处理；另一方面是热敏电阻信号的处理。热电堆的信号直接是电压信号所以不需要其他处理，直接将其信号放大处理得到A/D转换器能够检测分辨的电压信号就可以了。负温度系数的热敏电阻的信号是其电阻值的变化。我们需要将其电阻值的变化转换为电信号。(1)热敏电阻处理电路本设计中我们选用高精度16位高精度A/D转换器，其分辨率相当高，高达76 V，所以在转换电路不需要用电桥。只需要用电阻串联分压就能满足要求了。采用100K电阻与其串联分压。令热敏电阻的阻值为 ，电源用直流5V 电压供电，LR则其电压计算公式为： U = L 510LRK（3.7）热敏电阻处理电路如图3-3所示。最小 平均 最大平均传送 70 % 通过波长为 7.5m 到 13.5m平均传送 1 % 通过波长为可视波长到 5m过滤波长 5.2 5.5 5.8 m 25 OC高精度放大器 A/D 转换器信号单片机图 3-2 测量电路方框图R1100KRLVCCOUT+OUT-图3-3热敏电阻处理电路(2)热电堆处理电路本设计中我们选用的高精度16位高精度A/D转换器 AD7705，是一个片内带有增益可编程放大器的A/D转换器。可通过软件编程来直接测量传感器输出的各种微小信号。AD7705 片内的增益可编程放大器PGA 可选择1、2、4、8、16、32、64、128等八种增益之一，并可利用它将不同幅度范围的各类输入信号放大到接近A/D转换器的满标度电压再进行 A/D转换。该应用电路中不使用放大电路，因此有利于提高转换质量。所以我们选用A/D 转换器的片内放大器作为热电堆信号的放大电路。根据计算如果选用放大128倍工作方式A/D 转换器可以感知到的热电堆信号的最小变化为0.596 。这已经是一个很微弱的信号了。同时V如果选用外部集成放大器，在使用时不方便，一般集成放大器需要双电源供电，对于便携式仪器来说不太现实。所以在选用放大器时没有必要选用外部放大器。3.2.3 信号处理电路设计信号的处理通过单片机读取数据后内部算法计算来实现，把温度经过译码用 4位数码管显示。我们选用单片机端口动态扫描显示，不需要外接译码器驱动 LED。其框图如图 3-4 所示。(一).A/D 转换电路本次设计中选用的AD7705集成模块是AD公司推出的16位-A/D转换器，可单片机 LED三极管图 3-4 处理电路框图A/D 转换电路用于测量低频模拟信号。这种器件带有增益可编程放大器，可通过软件编程来直接测量传感器输出的各种微小信号。AD7705具有分辨率高、动态范围广、自校准等特点，因而非常适合于工业控制、仪表测量等领域。具有两个全差分输入通道。在设计中非常实用，只需要用1片AD芯片节约了硬件成本。（1）AD7705的主要特点如下： 具有16 位无丢失代码； 非线性度为 0.003%； 增益可编程，其可调整范围为1128； 输出数据更新率可编程； 可进行自校准和系统校准； 带有三线串行接口； 采用3V或 5V工作电压； 功耗低。 AD7705的引脚排列如图3-5所示。（2）各引脚的功能说明如下：图3-5 AD7705引脚排列图 SCLK：串行接口时钟输入端。 MCLK IN：芯片工作时钟输入。可以是晶振或外部时钟，其频率范围为500KHz到5MHz。 MCLK OUT：时钟信号输出。当用晶振作为芯片的工作时钟时，晶振必须接在MCLK IN 和MCLK OUT之间。如果采用外部时钟，则MCLK OUT可用于输出反相时钟信号，以作为其他芯片的时钟源。该时钟输出可以通过编程来关闭。 /CS：片选端，低电平有效。 /RESET：芯片复位端口。当该端为低电平时，芯片内的接口逻辑、自校准、数据滤波器等均为上电状态。 AIN2（+）：为第2个差分输入通道的正端；AIN2（-）：为第2个差分输入通道的负端。 AIN1（+）：为第1个差分输入通道的正端；AIN1（-）：为第1个差分输入通道的负端。 REF IN（+）：为参考电压的正端； REF IN（-）：为参考电压的负端。 DRDY：A/D 转换结束标志。 DOUT：转换结果输出端；DIN：串行数据输入端。（3）读写时序：AD7705可以直接与单片机进行接口。用到的数据线有片选/CS、串行时钟输入SCLK、指令或数据输入 DIN 以及转换结果输出DOUT等。只有在状态信号DRDY指示输出数据寄存器的数据准备就绪时，单片机才可以读取转换结果。图3-6和图3-7分别给出了读写数据周期的时序图。（4）片内寄存器：AD7705 内含八个寄存器。对芯片的所有操作都必须先从写通信寄存器开始。当上电或复位后，芯片的等待指令数据即被写入通信寄存器。寄存器地址如表3-3所示。通信寄存器的格式如表3-4所示。MSB LSBSCLKDOUT图3-6 AD7705读数据时序图CSSSCLKDIN MSB LSBt18图3-7 AD7705写数据时序图 表 3-3 寄存器地址表RS2 RS1 RS0 寄存器 寄存器位数0 0 0 通信寄存器 8 位0 0 1 设置寄存器 8 位0 1 0 时钟寄存器 8 位0 1 1 数据寄存器 16 位1 0 0 测试寄存器 8 位1 0 1 无操作1 1 0 偏移寄存器 24 位1 1 1 增益寄存器 24 位表3-4 通信寄存器控制字/DRDY（0）RS2（0）RS1（0）RS0（0）R/W（0）STBY（0）CH1（0）CH0（0）格式中括号内的数字为上电复位的缺省值，左边为最高位，右边是最低位。现说明如下：/DRDY：写操作时，必须把“0”写到此位，以保证对通信寄存器写操作的顺利完成。若将“1”写到此位，则后续的各位将不能被写入该寄存器。RS2RS0 ：寄存器选择位。用于选择下次操作要访问的寄存器。常用的寄存器有通信寄存器（000），设置寄存器（001）和数据寄存器（011）等。R/W：读与写选择，用于指明下次对寄存器的操作是读还是写。STBY：等待模式。写 “1”时器件处于等待或掉电状态，此时电流约为10uA。写“0”时为正常工作模式。CH0、CH1 ：输入通道选择。对应关系如表3-5所示：表3-5 CH0，CH1关系对应表CH1 CH0 AIN(+) AIN(-) 校准寄存器对0 0 AIN1(+) AIN1(-) 寄存器对00 1 AIN2(+) AIN2(+) 寄存器对11 0 AIN1(-) AIN1(-) 寄存器对01 1 AIN1(-) AIN2(-) 寄存器对2（5）设置寄存器： 设置寄存器也是一个8 位寄存器，该寄存器必须先在通信寄存器中选择后才能进行读或写。它主要用于选择工作模式和输入增益。控制字如表3-6所示。表3-6设置寄存器控制字MD1(0) MD0(0) G2(0) G1(0) G0(0) B/U(0) BUF(0) FSYNC(0)MD0和MD1 为工作模式控制位。00 正常工作模式，转换器进行正常A/D转换。01 自校准模式，一次完成零标度和满标度校准。10 零标度系统校准，零基准电压由外部提供。11 满标度系统校准，满标度电压由外部提供。G2G0 为增益控制位。增益对照表如表3-7：B/U 单极性/双极性选择。为0表示双极性工作，为1表示单极性工作。BUF 缓冲器控制。为0表示片内缓冲器短路。为1表示缓冲器串入通道。表3-7 增益对照表（6）时钟寄存器：时钟寄存器是一个可读可写的8位寄存器，主要用于设置输出更新速率。具体控制位如表3-8所示：表3-8 时钟寄存器具体控制位ZER00（0）ZER00（0）ZER00（0）CLKDIS（0）CLKDIS（0）CLK（1）FS1（0）FS0（0）CLKDIS：主时钟禁止位。为1时禁止MCLK OUT 输出。CLKDIV：时钟分频位。为1表示2分频。为0表示不分频。CLK：时钟选择位。当主频为1MHz时。CLK 置0。（7）数据寄存器：数据寄存器是一个16位的只读寄存器，用于存放AD7705 的最新转换结果。(二).单片机处理（1）单片机单片机是在一块硅片上集成了中央处理器（CPU） ，内存（RAM，ROM，EPROM）和各种输入输出接口（定时器，计数器，并行 I/O 口，串行口，A/D 转换器以及脉冲调制器 PWM 等） ，这样一块芯片具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机。（2）COMS-51 单片机的基本组成COMS-51 单片机是 Intel 公司生产的一个单片机系列的名称。属于这系列的芯片有很多种，如 8051，8031，8751 等，他们的基本组成，基本性能和指令系统都是相同的。由以下几部分构成： 一个 8 位的微处理器。 片内数据存储器 RAM，用以存储可以读/写的数据。 片内程序存储器，以存放程序、表格等（8031 不带片内 ROM） 。 4 个 8 位并行 I/O 接口 P0P3，每个 I/O 口既可以作输入口也可以做输出口。 两个定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成定时方式/计数方式。 5 个中断源的中断控制系统。 1 个全双工的 UART 的串行 I/O 口，用于实现单片机之间的或单片机与 PC 机之间的通信。G2 G1 G0 000 001 010 011 100 101 110 111增益设置 1 2 4 8 16 32 64 128 片内振荡器和时钟产生电路，外接晶体振荡器和微调电容。（3）COMS-51 单片机内部结构：51 单片机主要由一个中央处理单元，存储器，I/O 接口组成。其中，中央处理器由运算器和控制器组成。运算器包括一个可以进行 8 位算术运算和逻辑运算的单元 ALU，两个 8 位暂存器 ，一个 8 位的累加器 ACC，寄存器 B 和程序状态寄存器PSW 等组成。存储器由数据存储器 RAM 和程序存储器 ROM 组成，均可扩展到64KB。 8051 有 4 个 8 位并行接口。可以作为输入 /输出。P0P3 口四个锁存器同RAM 统一编址，可以把它当作特殊功能寄存器来寻址，同时也可以位寻址。（4）单片机选择论证在众多的 51 系列单片机中，要算 ATMEL 公司的 AT89C51 更实用，因他不但和 8051 指令、管脚完全兼容，而且其片内的 4K 程序内存是 FLASH 工艺的，这种工艺的内存用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，很好地保护了你的劳动成果。AT89C51 目前的售价比8031 还低，市场供应也很充足。因此本系统采用 AT89C51。系统方框图如图 3-8 所示。（5）AT89C51 介绍AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 COMS 8 位单片机，片内含 4K 可以反复擦写的 flash 只读程序储存器和 128 Bytes 随机存取数据存储器。兼容性好。其主要性能参数与管脚排列如表 3-9 和图 3-9 所示。序号 主要性能参数描述1 与 MSC51 产品指令系统完全兼容2 4K 字节可重擦写 flash 闪速存储器3 1000 次擦写周期4 全静态操作； 0Hz24KHz5 三级加密程序存储器6 128x8 字节内部 RAM7 32 个可编程 I/O 口线8 2 个 16 位定时/计数器9 6 个中断源10 可编程串行 DART 通道表 3-9 管脚性能参数图 3-9 AT89C51 引脚排列（6）寄存器 AT89C51 系统中的寄存器大体可分为通用寄存器和专用寄存器两大类：通用寄存器AT89C51 的通用寄存器共有 32 个，为 8 位寄存器，分为 4 个区(称为 0 区、1区、2 区，3 区) ，每区共有 8 个寄存器，称为R0、R1、R2、R3、B4、 R5、R6、R7。4 个寄存器区的选择是由程序状态字中的RS1、 RS0 两位来控制的。11 低功耗空闲和掉电模式RAM地址锁存器RAM ROM/EPROMB寄存器程序地址寄存器缓冲器PC递增器程序计数器PC驱动器DPTR指针VCCGNDP1.0P 1.7堆栈指针SPACCTMP2PSW通道3锁存器通道1锁存器通道1驱动器 通道3驱动器TMP1SCON TMODPCON TCONTL0 TH1TH0 TL1IESBUF(TX/RX) IP中断、串行口和定时器逻辑振荡器P3.0P 3.7RSTXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定时控制逻辑指令译码器图 3-8 AT89C51 系统方框图专用寄存器A程序计数器 PC程序计数器 PC 用于存放下一条要执行的指令地址。它是一个 16 位的专用寄存器，有自动加 1 的功能。当一条指令按照 PC 所示的地址从存储器取出后， PC 就会自动加 1，从而指向下一条要执行的指令。PC 是维持一个计算机有秩序执行程序的关键性寄存器。 B累加器 ACC累加器 A 是一个 8 位寄存器，是 CPU 中使用最频繁的寄存器，因为在算术逻辑运算中大部分单操作数指令的操作数取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数取自累加器。加、减、乘、除运算的结果都存于累加器 A 或 AB 寄存器对中。CB 寄存器B 寄存器是一个 8 位寄存器，用于存放乘除指令中的操作数。在其它指令中，B寄存器可作为 RAM 中的一个单元来使用。D程序状态字 PSW程序状态字是一个 8 位寄存器，用来存储程序状态信息。它的各位的定义如表3-10 所示 :表 3-10 程序状态字的各位定义CY AC F0 RS1 RS0 OV PCY：进位标志。 AC：辅助进位标志。 FO：由用户定义。的状态标志。 AS1、RS0 ：寄存器区选择控制位 1 和 0。这两位对寄存器区的选择如表 3-11：表 3-11 RS1，RS0 对寄存器的选择RS1 RS0 寄存器区0 0 0 区0 1 1 区1 0 2 区1 1 3 区E堆栈指针 SP SP 是一个 8 位专用寄存器。堆栈是在 CPU 外的一个按先进后出原则组织的存储区域，堆栈指针寄存器中的内容始终等于堆栈顶部地址值。AT89C51 的堆栈是向上升的堆栈，即每向堆栈中推入一个数据，堆栈指针的内容加 1，指向刚推人数据的地址，即栈顶地址。数据弹出时，从栈顶弹出一个数据，堆栈指针相应减 1，指向新的栈顶。(7)其它专用寄存器 主要还有数据指针寄存器 DPTR、端口寄存器 P0、P1、P2、P3 等。(三).AT89C51的接口单对AT89C51来说，在实际电路中可以直接互换80518751 ，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地（GND ） ，单片机在启动后就到外面程序内存读取指令；而8051/8751/89c51因内部有程序内存， 31脚接高电平（VCC） ，单片机启动后直接在内部读取指令。也就是51芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31脚接电源，程序从内部读取，31脚接地，程序从外部读取。其它无须改动。另外，AT89C51替换8031后因不用外内存，不必安装原电路的外内存和373芯片