红外测温系统的设计——毕业论文设计

1、( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！)摘要到目前位置，我国的温度测量仪器仍然是以水银温度计为主，这种测量仪器存在很多缺点，如精度低，测量时间长，不安全等。本课题所研究的红外测温系统能实现人体温度的近距离或远距离准确测量。该设计以STC89C52 单片机为核心部件。利用非接触式温度传感器OTP-538U 对温度进行采样。得到的电信号经过四运算放大器芯片 LM324 前置放大后送至 AD 模块， AD 采用 12 位高精度的 TLC2543 芯片，数字信号传送到主控芯片 STC89C52，并由微处理器完成数据采集和转换，实现温度的实时测量 并实时显示在 LCD1602 模块上。本

2、文所研究的非接触传感器单片机测温系统由于对被测物体的红外辐射进行的是非接触无损测量，测量过程中不会扰乱被测部分的温度场，响应快，温度分辨率高，稳定性好和使用寿命长等一系列的优点，比传统的接触式测温有更多的场合适应性。关键词： STC89C52；非接触传感器； LM324 ；红外辐射ABSTRACTSo far ,our country stemperature measuring instrument is still a mercury thermometer mainly. This kind of measuring instrument realize the body tempera

3、ture close distanceor distance measured accurately.The design for the STC89C52 single-chip microcomputer as the core component. Use contact-lesstemperature preach OTP-538U temperature in sampling.Operational amplifier chip LM324 will sent electrical signals to the AD module after pre-amplification,A

4、D and 12 of the and conversion,realizereal-time temperature measurement and real timedisplay to LCD1602 module.This paper studies the contact signal-chip microcomputer temperature measurement system because of the object to be tested for infrared radiation is the contact nondestructive measurement,

5、the measurement processwont disrupt the measured part of the temperature field,fast response,temperature ,good stability and long service life and a series of asvantages,than traditional contact temperature measurement contact sensor；LM324 ；Infrared radiation目 录第 1章 绪论 .1研究课题背景 .1第 2章 红外测温仪概述 .22.1红

6、外测温仪简介 .22.2红外线测温仪的优点 .22.3红外测温仪工作原理及测温方法 .3第 3章 系统硬件设计 .43.1硬件设计概述 .53.2单片机 STC89C52模块 .53.2.1 MCS-51 单片机内部结构 .53.2.2 STC89C52RC 单片机介绍 .63.2.3 STC89C52RC 单片机的工作模式 .73.2.4 STC89C52RC 引脚功能说明 .73.2.5看门狗应用 .103.3红外测温模块 .113.3.1特性 .113.3.2应用 .113.3.3传感器特性 .123.3.4实用连接电路图 .153.4放大电路模块 .163.4.1LM324 的引脚排列

7、 .163.4.2参数与描述 .173.4.3特点 .173.4.4应用电路 .193.5 AD 转换模块 .193.5.1TLC2543 的特点 .203.5.2TLC2543 的引脚排列及说明 .203.5.3接口时序 .223.5.4应用电路 .233.6电源模块 .243.6.1整流桥 .253.6.2应用电路图 .263.7液晶显示模块 .263.7.1管脚功能 .263.7.2特性 .283.7.3应用电路 .29第 4 章 系统软件设计 .304.1总体设计 .304.2 AD 转换单元时序 .314.2.1TLC2543 控制字 .314.2.2工作流程 .334.3 LM32

8、4 模块 .374.4红外传感器模块 .384.5 LCD1602 显示模块 .391602LCD的指令说明及代码解释40液晶显示模块程序流程图44第 5 章 总结45致谢46参考文献47附录48第1章绪论研究课题背景温度是确定物质状态的重要参数之一，它的测量与控制在国防、军事、科学研究以及工农业生产中占有十分重要的地位。在工业生产中，我们需要经常对设备的运行状况进行监测来确保设备的安全运行，而对设备的监测通常通过测量其表面的温度来进行。现代的工业设备往往是在高电压、大电流以及其它危险情况下运行的，传统依靠人工接触式检测的方法既浪费时间、物力、人力，又带有一定的危险性，同时对测温仪所采用的材质

9、也有严格的限制，在这样的场合下，仪器的使用寿命也成为设计接触式测温仪时的一个重点考虑问题。因此有必要去应用一种新的方式去检测目标系统的温度，确保设备的平稳运行。温度的测量方法有两类，一种是利用电气参数随温度变化特性的热电阻、热电偶测温法以及以膨胀式温度计为代表的接触式测温方法，另一种是以热辐射为代表的非接触式测温方法。前者的优点在于测得的温度是物体的真实温度，测温简单、可靠，其缺点在于动态性能差，需要接触被测物体，测温元件与被测介质需要一定时间的热交换才能达到热平衡，同时对被测物体的温度场分布有一定的影响，同时由于工业现场的高温、高压、腐蚀性等恶劣条件，影响了测温仪的精度和使用寿命，大大限制了

10、接触式测温仪的使用；非接触式测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件，其与接触式测温相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点，但受到物体的发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。目前应用最广泛的非接触式测量仪是红外测温仪，它测温的理论基础是黑体辐射定律。自然界的任何物体都在不停的向外辐射能量，物体辐射能量的大小及波长的分布与其表面的温度有着十分密切的关系，通过测量物体自身红外辐射的能量便能确定它的表面温度。第 2 章 红外测温仪概述2.1红外测温仪简介红外测温仪是一种将红外技术与微电子技术结合起来的一种新型测温仪器，

11、它通过将被测物表面发射的红外波段辐射能量通过光学系统汇聚到红外探测原件上，使其产生一个电压信号，经过放大、模数转换等环节处理，最后以数字形式直接在显示屏上显示温度值。红外测温仪由光学部分和信号处理部分组成，其体积小，便于携带，操作简单，在各行各业中得到广泛应用。2.2红外线测温仪的优点与传统接触式温度计相比而言，红外线测温仪有着响应时间快、使用安全、非接触及使用寿命长等优点。（1）精确。红外线测温仪精确，通常精度都是 1 度以内，这种性能在做预防性维护时特别重要。用红外测温仪，你甚至可快速探测操作温度的微小变化，在其萌芽之时就可将问题解决，减少因设备故障造成的开支和维修的范围。（2）便捷。红外

12、线测温仪的另一个先进之处是可快速提供温度测量，在用热偶读取一个渗漏连接点的时间内，用红外测温仪几乎可以读取所有连接点的温度。另外由于红外测温仪坚实、轻巧 (都轻于 10 盎司 )，且不用时易于放在皮套中。所以当你在工厂巡视和日常检验工作时都可携带。（3）安全。安全是使用红外线测温仪最重要的好处。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象在手边测量一样容易。

13、红外测温仪具有激光瞄准，便于识别目标区域。2.3红外测温仪工作原理及测温方法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。通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射温度的称为全辐射测温法；通过测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度测温法；通过被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化来定温的称为比色测温法。亮

14、度测温法无需环境温度补偿，发射率误差较小，测温精度高，但工作于短波区，只适于高温测量。比色测温法的光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘影响小，测温误差小，但必须选择适当波段，使波段的发射率相差不大。本文选用全辐射测温法来计算被测量物体的温度，全辐射测温法是根据所有波长范围内的总辐射而定温，得到的是物体的辐射温度。选用这种方法是因为中低温物体的波长较大，辐射信号很弱，而且结构简单，成本较低。由普朗克公式可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系式：44（1.1）V=RaT=KT式中 K=Ra，由实验确定，定标时取 1T被测物体的绝对温度R 探测器的灵敏度a 与大气衰减距离有关的常数 辐射率 斯蒂芬 玻耳兹

15、曼常数因此，可以通过检测电压而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号与目标温度呈非线性关系， V 与 T 的四次方成正比，所以要进行线性化处理。线性化处理后得到物体的表观温度，需进行辐射率修正为真实温度，其校正式为：TTr（1.2）4(T )式中 Tr 辐射温度 (表观温度 ) (T) 辐射率，取 0.10.9由于调制片辐射信号的影响，辐射率修正后的真实温度为高于环境的温度，还必须作环温补偿，即真实温度加上环温才能最终得到被测物体的实际温度。第 3 章 系统硬件设计确定系统的硬件由单片机模块、OTP-538U 温度传感器模块、 LM324 电压信号放大模块、 AD 转换模块、液晶显示模块、

16、电源模块、硬件的流程是OTP-538U 红外温度传感器将红外信号转换为电压信号。由于输出的电压信号很微弱，所以需要运算放大器 LM324 组成的运算放大电路进行前置放大，然后将放大的电压信号发送至由TLC2543 组成的 AD 转换电路，再将转换后得到的数字信号送至单片机进行处理，最后将处理的结果送至LCD1602 液晶显示屏进行实时检测温度的显示。其方案图如图 3-1 所示：图 3-1 系统硬件方案图3.1硬件设计概述基于 STC89C52 单片机的红外测温系统的硬件设计采用模块化设计思想，将整个系统分成六大模块：单片机STC89C52 模块、红外测温模块、电压信号放大模块、AD 转换模块、

17、 LCD 液晶显示模块、电源模块。通过划分模块的方法，可以把一个复杂的问题分割成几个相对容易解决的问题，然后分别予以解决，大大简化了设计的难度。3.2单片机 STC89C52模块STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、 高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。单片机内部结构图 3-2 单片机内部结构经过选择，决定使用 STC89C52 单片机，STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flas

18、h 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52 具有以下标准功能：8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 IO 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个16 位定时器计数器，一个 6向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM 、定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机

19、的一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。单片机介绍STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速低功耗超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051 单片机， 12 时钟机器周期和6 时钟机器周期可以任意选择。主要特性(1): 增强型 8051 单片机， 6 时钟机器周期和12 时钟机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.(2): 工作电压： 5.5V 3.3V （5V 单片机） 3.8V 2.0V （3V 单片机）(3): 工作频率范围： 0 40MHz，相当于普通 8051 的 0 80MHz，实际工作频率可达48MHz(4): 用户应用程序空间为8K 字节(5)

20、: 片上集成 512 字节 RAM(6): 通用 IO 口（ 32 个），复位后为： P1P2P3P4是准双向口弱上拉， P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为IO 口用时，需加上拉电阻。(7):ISP （在系统可编程） IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（ RxDP3.0,TxDP3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片(8): 具有 EEPROM功能(9): 具有看门狗功能(10): 共 3 个 16 位定时器计数器。即定时器T0、T1、 T2(11): 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中

21、断低电平触发中断方式唤醒(12): 通用异步串行口（ UART），还可用定时器软件实现多个UART(13): 工作温度范围： -40 +85（工业级） 0 75（商业级）(14):PDIP封装单片机的工作模式掉电模式：典型功耗 <0.1 A, 可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序空闲模式：典型功耗 2mA正常工作模式：典型功耗4mA7mA掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备图 3-3 STC89C52RC引脚图引脚功能说明VCC （ 40 引脚）：电源电压VSS（20 引脚）：接地P0 端口（ P0.0P0.7， 3932 引脚）： P0 口是一个漏

22、极开路的8 位双向 IO 口。作为输出端口，每个引脚能驱动8 个 TTL 负载，对端口 P0 写入“ 1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0 口也可以提供低8 位地址和 8 位数据的复用总线。此时， P0 口内部上拉电阻有效。在Flash ROM 编程时， P0 端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口（ P1.0 P1.7， 1 8引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8 位双向IO口。 P1 的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4 个 TTL时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。时，因为有内部上拉电

23、阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流（输入。对端口写入P1 口作输入口使用错误！未找到引1用源。）。此外， P1.0 和 P1.1 还可以作为定时器计数器 2 的外部技术输入（ P1.0T2）和定时器计数器 2 的触发输入（ P1.1T2EX ），具体参见下表 3-1：在对 Flash ROM 编程和程序校验时， P1 接收低 8 位地址。表 3-1 P1.0 和 P1.1 引脚复用功能引脚号功能特性P1.0T2（定时器计数器2 外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX （定时器计数器2 捕获重装触发和方向控制）P2 端口（ P2.0 P2.7，21 28 引脚）：P2 口是一个带内部上拉电

24、阻的8 位双向IO端口。 P2 的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写入1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2 作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（错误！未找到引用源。）。在访问外部程序存储器和 16 位地址的外部数据存储器 （如执行“ MOVX DPTR ” 指令）时， P2 送出高 8 位地址。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行“ MOVX R1”指令）时， P2 口引脚上的内容（就是专用寄存器（ SFR）区中的 P2 寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对 Flash

25、ROM 编程和程序校验期间， P2 也接收高位地址和一些控制信号。P3 端口（ P3.0 P3.7， 1017 引脚）： P3 是一个带内部上拉电阻的8 位双向 IO端口。 P3 的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。 P3 做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流（错误！未找到引用源。）。在对 Flash ROM 编程或程序校验时， P3 还接收一些控制信号。P3 口除作为一般 IO 口外，还有其他一些复用功能，如下表3-2 所示：表 3-2 P3 口引脚复用功能

26、引脚号复用功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2INT 0 （外部中断 0）P3.3INT 1（外部中断 1）P3.4T0 （定时器 0 的外部输入）P3.5T1 （定时器 1 的外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD （外部数据存储器读选通）RST （9 引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后， RST 引脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR （地址 8EH ）上的 DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。ALE

27、 PROG （ 30 引脚）：地址锁存控制信号（ ALE ）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。 在 Flash 编程时，此引脚（ PROG 错误！未找到引用源。）也用作编程输入脉冲。在一般情况下， ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。 然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位置“ 1”，ALE 操作将无效。这一位置“ 1”， ALE 仅在执行 MOVX 或 MOV 指令时有效。否则， ALE 将被微弱拉高。这个 ALE 使能标志位（地址位 8EH 的 SF

28、R 的第 0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN（ 29 引脚）：外部程序存储器选通信号（ PSEN ）是外部程序存储器选通信号。当 AT89C51RC 从外部程序存储器执行外部代码时， PSEN 在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时， PSEN 将不被激活。EA VPP（ 31 引脚）：访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存储器读取指令，EA 必须接 GND 。注意加密方式1 时， EA 将内部锁定位 RESET 。为了执行内部程序指令， EA 应该接 VCC 。在 Flash 编程期间， EA 也接收 12 伏 VPP

29、电压。XTAL1 （19 引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2 （18 引脚）：振荡器反相放大器的输入端。特殊功能寄存器在 STC89C52RC 片内存储器中， 80H FFH 共 128 个单元位特殊功能寄存器（SFR）。并非所有的地址都被定义，从 80HFFH 共 128 个字节只有一部分被定义。还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。不应将“1”写入未定义的单元， 由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“ 0”。STC89C52RC 除了有定时器计数器0 和定时器

30、计数器1 之外，还增加了一个一个定时器计数器 2.定时器计数器 2 的控制和状态位位于T2CON 和 T2MOD 。定时器 2 是一个 16 位定时计数器。通过设置特殊功能寄存器 T2CON 中的 CT2 位，可将其作为定时器或计数器。 定时器 2 有 3 种操作模式： 捕获、自动重新装载 （递增或递减计数）和波特率发生器，这 3 种模式由 T2CON 中的位进行选择。看门狗应用STC89C52RC单片机看门狗定时器特殊功能寄存器表 3-3 看门狗定时器特殊功能寄存器符号功能EN_WDT看门狗允许位，当设置为“1”，看门狗启动CLR_WDT 看门狗清“ 0”位，当设为“ 1”时，看门狗将重新计

31、数。硬件将自动清“ 0” 此位IDLE_WD看门狗“ IDLE”模式位，当设置为“1”时，看门狗定时器在“空闲T模式”计数；当清“ 0”该位时，看门狗在“空闲模式”时不计数PS2，看门狗定时器预分频值，不同值对应预分频数PS1，PS0STC单片机有两种时钟模式，一种是单倍速，也就是12单片机与其他公司51 系列单片机具有相同的机器周期，即时钟模式，在该模式下，STC12 个振荡周期为一个机器周期；另一种是双倍速，又称 6 时钟模式，在该模式下， STC单片机比其他公司的 51 单片机运行速度快一倍。3.3 红外测温模块OTP-538U 是一个热电堆传感器，具有116 种热电偶元素， 传感器芯片

32、经由微细加工，可快速反应环境里的温度改变，导致输出端电压响应，传感器芯片的一个独特的前表面体积加工技术，产生更小尺寸和更快响应环境温度的变化。红外窗口是一个带通滤波器拥有其50% 削减在波长在 5m14m。传感器响应事件的比例和不断的红外辐射信号响应其截止频率,它是有限的 ,由传感器热时间常数的数十毫秒范围。特性(1)：非接触式温度检测(2)：电压输出 ,容易得到信号(3)：零功耗(4)：宽检测温度范围应用(1)：医疗用途 :耳温计(2)：家里设施 :微波炉、电吹风、安全系统、家庭安全& 空调行业应用 :过程监控和控制器、红外非接触式温度计、汽车应用:热传感系统。传感器特性表 3-4

33、绝对最大额定值参数MinTypMaxUint工作温度-20100°C贮藏温度-40100°C图 3-4 红外温度传感器实物图片表 3-5红外传感器参数ParameterMinTypMaxUnitConditionsTamb.=25 Output Voltage0.771.44mVTobj. =50 Sensitivity7085100VW*TC of sensitivity0.100.110.12%KTypicalSensitivity area in-545-mdiameterResistance ofthermopile506580K25TC of resistance

34、-0.09-%KTypicalTime constant-16-ms*Noise voltage283236nVHz12NEP0.280.360.48nWHz12Normalizeddetectivity (D*)1.0*10 81.3*1081.7*10 8cm*Hz12W*表3-6热电堆典型的数值数据输出电压(传感器工作在 25°C)Temp. ( )V_out (mV)Temp. ( )V_out (mV)-20-1.29501.02-10-1.06601.490-0.80701.9910-0.51802.5220-0.18903.09250.001003.69300.1911

35、04.33400.591205.00图 3-5 otp-538u 机械图纸和引脚分配实用连接电路图信号获取电路：该电路使用到的元件有otp-538u，电阻 1k,10k，电容 47uf图 3-6 otp-538u 端口连接电路图图 3-7 实际 otp-538u 连接电路图3.4放大电路模块LM324 系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比， 它们有一些显著优点。 该四放大器可以工作在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的电源下， 静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一。 共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用下图所示的符号来表示，它有5 个引出脚，其中 “+”、“-”为两个信号输入端， “V+”、“V-”为正、负电源端， “Vo”为输出端。两个信号输入端中， Vi- （ -）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的位相反；Vi+（ +）为同相输入端， 表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。的引脚排列图 3-8 LM324 管脚图LM324 系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可