基于红外温度传感器的温度监测系统设计

1、基于红外温度传感器的温度监测系统设计摘要：开关柜在保障电力系统安全中起着关键作用。长期的运行，必然会出现超负荷运转、开关老化等现象，而这些现象极易导致设备局部温度升高，出现安全隐患。如果没有及时排除这种隐患，很可能引起设备故障甚至引发火灾，损毁设备进而对工业生产、企业运作造成巨大损失。因此，对开关柜内易出现高温的部分进行实时温度监测具有重要意义。针对上述问题，本文设计实现了一套开关柜温度在线监测系统。系统采用红外温度传感器TS118-3进行温度信息采集，传感器输出模拟信号经放大滤波处理后送入微控制器单元MSP430F247进行模数转换并完成相应的数据处理。数据处理采用多次测量取平均值的方式，从

2、而减小测量误差。最后被测目标的实时温度一方面通过液晶屏FM1602显示出来，以便工作人员现场查看，另一方面则通过RS232上传至计算机，由上位机软件对其进行分析处理实现远程监测。本文设计的实时温度监测系统经过实验验证，能实现对被测物体温度的实时监测。关键词：红外温度传感器； MSP430F247； 开关柜；实时监测Design of temperature monitoring System based on infrared temperature sensorAbstract: The switch cabinet plays an important role in keeping th

3、e safety of the electricity system. In the long term operation, it will appear equipment overload running or switch aging phenomenon, and these phenomena can easily increase the temperature of the device, and thus incurring hidden danger. If the danger is not promptly eliminated, it is likely to lea

4、d to many problems, such as equipment failure, fire disaster, which will damage to industrial production and cause heavy loss. Therefore, the real-time monitoring of temperature of switch cabinet has a great significance.In view of the above questions, this paper designs and produces a set of on-lin

5、e monitoring system. The system uses infrared temperature sensor TS118-3 to collect temperature information, and the signal is amplified and filtered processing, then sent to MSP430F247 micro controller unit to complete digital converter and corresponding data processing. Data processing employs the

6、 method of measuring many times and taking average to reduce measurement errors. The temperature is displayed by FM1602. The temperature data through RS232 uploaded to the computer, which is analyzed by PC software to realize the remote monitoring.The real-time temperature monitoring system through

7、experiments, verified that the system achieve real-time monitoring the object.Key words: Infrared temperature sensor, MSP430F247, Switchgear, Real-time monitoring目 录摘要 IAbstract II第1章 绪 论 11.1 选题目的及意义 11.2 研究技术现状 2 2 31.3 主要内容和安排 3第2章 红外测温原理和方案设计 52.1 红外测温原理 5 5 5 5 62.2 红外测温影响因素 6 6 7 7 72.3 系统总设计方

8、案 82.4 硬件电路功能 8 8 8 9 9 92.5 上位机软件功能 9 10 10 102.6 本章小结 10第3章 硬件电路设计 113.1 设计方案 113.2 器件选型 11 11 12 13 13 143.3 电路设计 16 16 17 17 20 22 233.4 本章小结 23第4章 单片机软件设计 244.1 开发环境介绍 244.2 程序总体设计 244.3 各部分程序设计 25 25 284.4 本章小结 29第5章 上位机软件设计 305.1 方案设计 305.2 程序设计 30 31 32 32 33 345.3 本章小结 35第6章 总结与展望 366.1 工作总

9、结 366.2 展望 36致 谢 38参考文献 39附录1 41附录2 47附录3 48附录4 49附录5 50第1章 绪 论1.1 选题目的及意义近年来红外测温技术被越来越多的企业和厂家所认识和接受，在冶金、石化、电力、交通、水泥、橡胶等行业得到了广泛的应用。红外测温具有如下优点1：(1、不需要接触被测物体，不会扰乱被测物体的温度场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度；(2、在测量过程中，光电器件不必和被测介质达到热平衡，所以测量速度快，因而能检测温度的迅速变化过程，并能测量运动物体的温度；(3、 测温范围广，采用红外接受器件，可以测量相当高的温度，下限可测量-170；(4、测量距离可

10、近可远，近者可达几厘米，甚至更小，远者可达近百公里；(5、可以测量小面积的目标，目前可测量出直径小至7.5m的目标温度；(6、测量对象以黑体最为合适，但也可以测量一般物体。正是这些优点使得红外测温技术得到越来越受到广泛的应用，该技术在温度测量领域具有不可替代的优势。随着电力系统的大容量化、高电压化、结构复杂化、用电客户对电网稳定性提出越来越高的要求，供电控制设备的安全运行对社会生产具有非常重要的作用。因此对供电控制设备进行实时的状态监测十分必要。电力系统中，开关柜的应用相当广泛，担负着开合电气设备、保护设备安全的双重重任，其内部导电连接处的接触特性直接影响到控制器件工作的可靠性。开关柜由许多继

11、电器和强电控制器组成，在设备长期运行过程中，会出现接触点老化、接触不良、接线柱松动等情况。这些情况容易导致设备局部发热或者产生电弧，烧蚀周围部件，造成设备损坏、停电事故甚至引发火灾，给工厂、企业单位、国家等造成巨大经济损失。为了确保电力系统的安全运行，最大程度地降低事故发生率，需要对开关柜关键部位的温度进行在线监测，达到对设备运行情况的实时了解，以减少设备故障次数，防止重大安全事故的发生。本文针对该问题旨在设计实现一套基于红外测温传感器的温度监测系统。1.2 研究技术现状开关柜大多处于高温、高压、强电场、强电磁环境中，要实现对它的温度测量，必须保证测量装置在上述恶劣环境条件下具有较强的适应能力

12、。目前开关柜测温方式大多采用接触式测温和非接触式测温两种形式23。接触式测温是通过设在测量点的温度传感器直接测量温度，有热电偶间接测温法、集成温度传感器测温法等。非接触式测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，有红外传感器测温法、光纤温度传感器测温法等。接触式测量的优点在于测量点位置不受限制，传感器安装布局灵活、简单、可靠，且测量精度高。其缺点在于必须要求传感器在高温、强电场、强磁场环境条件下具有较强的可靠性，还必须解决传感器与采集部分的高压隔离以及传感器自身的工作电源问题。而且由于测温元件需与被测介质接触后进行热交换，才能达到热平衡，从而具有一定的安全隐患。另外，接触式

13、传感器受到耐高温材料的限制，接触式测温不能应用于很高温度的测量。非接触式测温的优点在于接收器(传感器可远离被测对象，解决了高压隔离以及传感器环境温度高的问题，测温速度较快，不会破坏被测物体的温度场。其缺点是只能测量在传感器视角范围内的测量点的温度，且受到物体的发射率，被测对象到测量装置之间的距离，烟尘和水汽等其它介质的影响，一般测温误差较大。 上述两种测温形式常用的方法有贴色片测温法、热敏电阻式测温、光纤测温、红外辐射测温法。贴色片测温根据色片颜色随温度的不同而发生变化的原理来实现温度的测量，测温准确度低，可靠性差。热敏电阻式测温系统在开关柜内部恶劣的环境下具有很大的误差，布线复杂且易损坏、维

14、护量大。光纤测温是将光纤作为温度传感器，通过温度变化调制透过光纤的光强来确定温度，对光源、发射和接收电路的技术和稳定性要求高，测量速度慢、空间分辨率低、系统实现困难。光纤测温的另一种形式是以半导体温度传感器作为探头，光纤作为传光介质，该方法缺点在于测量装置大，减小了开关柜内的绝缘空间，给开关柜的安全运行带来隐患，另外还需要外加工作电源，更换电源时需停电，影响系统的运行。红外辐射测温法，是通过感知被测目标的温度变化对应红外辐射变化来确定其温度，也是一种非接触测量方式，其测量结果受环境影响大，准确度较低，可通过大量实验数据对测量结果进行校正。1目前国内外对高压开关柜温度的测量同样通过上述两种方式来

15、实现。国外的ABB配电公司开发了一种名为“SafeGuard”的温度监测系统，用于对高压开关柜的关键部位进行连续不断的温度测量。其原理是采用一个SAW元件直接安装在测量点上作为温度传感器，利用传感器的信号通过振荡电路产生一个频率与温度相关的脉冲信号，使用微处理器进行数据分析，实现与PC机监测的连接。整个系统采用全数字化设计以抑制强电磁场干扰，并用微机联网对高电位上三相多点的温度实行二十四小时连续集中遥测和实现过热报警。我国北京安伏电子技术有限公司开发的SCAN-3000分布式光纤测温系统，该系统采用一种由光纤传输温度信号的高技术传感器，为一种非接触式测量。由于光纤的高绝缘性能，使其在高压电器设

16、备方面有着广泛的应用领域，如中高压电缆接头的运行温度在线监测、母线连接点的运行监测、主变压器内部有载分接开关连接处的运行温度监测、避雷针等其它设备的温度监测。SCAN-3000分布式光纤温度监测系统能实现高压运行部件的在线监测，与传统的蜡片和色温法相比，具有良好的实时性和稳定性，但是存在光纤沿表面放电的问题，需要很长的沿面放电时间，所以存在一定的缺陷。鉴于以上分析，有必要研究一种应用于高压开关柜设备温度在线监测装置，不仅要实现高压隔离，温度实时监测，而且还要解决传感器环境温度高、电磁干扰等问题。1.3 主要内容和安排本系统采用红外温度传感器对开关柜温度进行采集，提高了准确性和安全性。系统采用的

17、红外温度传感器体积小、性能好，再加上稳定的运放和精度较高的A/D处理，运用多次采集取平均值的数据处理方式，通过一定实验对测量结果进行修正，可实现对目标温度的准确测量。本文所研究的开关柜温度在线实时监测系统，主要由三部分构成:温度数据采集、单片机数据处理和上位机监控软件部分。传感器对柜内开关触点的温度进行采集，目标温度信号通过放大滤波处理送至单片机MSP430F247，该信号由单片机集成的12位A/D转化为数字信号后，根据转换公式转换为温度值，然后存储等待上位机查询，并送LCD显示，若上位机发出数据查询命令则将单片机储存的数据通过串口送到上位机。然后对触点的温度数据进行存储、分析，通过相应的计算

18、得出目标温度值并绘制出目标温度曲线。开关柜温度监测系统的系统软件由在线监测和实时分析两部分组成。软件具有在线采集、监测、绘制温度曲线、数据保存等功能。论文的主要工作是:根据上述系统要求，设计合理的方案、选择适当的器件、设计可靠的硬件电路，并完成电路焊接调试，编写电路控制单元软件以及上位机软件。本文章节安排如下:第1 章:主要介绍本论文的相关背景、研究现状、研究目的、主要内容。第2章:详细介绍红外测温原理、误差分析。给出了系统总体框架图，对各部分的功能进行简要介绍。第3章:主要介绍了系统硬件部分的设计实现，包括原理图的设计、电路焊接、调试。第4章: 简要介绍了单片机的开发环境，重点介绍了单片机软

19、件的设计过程及具体实现。 第5章:主要介绍了系统上位机软件的设计。第6章:对本课题系统的设计过程进行了总结，就目前仍存在的问题，提出了改进的方向和一些实施办法。第2章 红外测温原理和方案设计2.1 红外测温原理2自然界中凡是温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射，辐射通量密度是物体温度的函数，且与物体本身发射能力有关。物体所发出的红外辐射能量的强度与其温度成比例。物体的温度越高，所发出的红外辐射能量越强。红外传感器经汇聚的红外光照射后产生信号，该信号传到处理电路，处理电路对其进行处理并计算出物体的温度。12温度为T的物体，其辐射出射度M(,T(辐射源在单位面积上向半球空间发射的总辐射功率，单位

20、为W/CM2由温度决定。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，由下式求出：(黑体 (2-1式中为斯蒂芬波尔兹曼常数；T为物体热力学温度。2在任意温度下，黑体光谱辐射通量最大值所对应的峰值波长 与温度T乘积为一常数，这就是维恩位移定律，即(2-2其中m为光谱辐射出射度的峰值波长；为一常数。因此，光谱辐射出射度的峰值波长与绝对温度成反比。12任何物体都不断发出和吸收辐射能量。当物体从周围吸收的能量功率恰好等于自身辐射减小的能量功率时达到热平衡。于是，辐射体可以用一个确定的温度来描述。物体辐射度M(,T和吸收比(,T的比值与物体的性质无关，只是波长和温度的普适函数：(2-3不同的物体对外来辐射的吸收，以及它本身

21、向外的辐射都不相同。根据吸收比定义可知吸收比是被物体吸收的辐射通量与入射的辐射通量之比，它是物体温度及波长等因素的函数。当(,T=1时，这种物体被定义为绝对黑体。换言之，绝对黑体是能够在任何温度下，全部吸收任何波长的入射辐射的物体。在自然界中，理想的黑体是没有的，吸收比总是小于1。123单位面积的黑体在半球面方向上单位时间里光谱辐射能量是黑体温度T和波长的函数，这就是普朗克定律。它给出了绝对黑体辐射的光谱分布(2-4其中M(,T为绝对黑体的辐射出射度；T为绝对温度；为波长；C1为第一辐射常数；C2为第二辐射常数。此外红外辐射，又称红外线，是物质分子在其振动状态发生改变时辐射出的电磁波，其波长在

22、0.76m到1000m之间。红外辐射是不可见光，但是具有较强的热效应。由以上相关理论可得到实际测量物体温度与其红外辐射度的关系为：(对于非黑体 (2-5式中为物体表面的发射率 ；为斯蒂芬波尔兹曼常数；T为物体热力学温度。因此由式(2-5可得，被测目标的温度为：(2-62.2 红外测温影响因素通过以上原理描述可知辐射率的大小决定了物体的红外能量幅出度与被测物体实际温度紧密相关。辐射率是指一般物体相对于黑体的辐射能力大小的物理量，与物体的材料形状、凹凸度、表面粗糙度等因素有关，另外也与测量的方向有关。不同物质的辐射率是不同的，常见物质辐射率见附件3，红外测温装置从被测物体上接收到的辐射能量大小正比

23、于它的辐射率。红外温度传感器都有一个测量视角，测温装置的精度与被测物体尺寸和传感器视角相关。使用红外测温装置测温时，通常只能测定被测目标表面上某一确定面积的平均值。待测物体的尺寸与传感器视角有以下几种关系：1、当待测物体尺寸小于测试视角时，被测物体周围事物辐射的能量就会进入传感器的测量区域，干扰测温数据，造成误差。最终得到温度信息是被测物体和周围事物温度的加权平均值。因此，在实际测温时，通常要求被测物体尺寸要超过传感器视角大小的50%。2、当被测目标大于测试视场时，测温装置就不会受到测量区域以外事物影响，能够准确的测量被测物体位于传感器视角内确定面积的实际温度，此时传感器的测试效果最佳。3、当

24、被测目标等于传感器测试视角时，由于环境中物体间的能量在不断的传递，尤其是事物与事物直接相互接触部位，所以此时被测物体温度已受到一定程度影响，但一般影响还比较小，测试效果相对可信。从上述几种情况可看出在设计测温装置时需要对测量实际情况进行实地考察，确定被测物体的尺寸，选取适合的温度传感器，保证测量装置的测量精度。所有能量的传递都会有一定程度的衰减，被测物体辐射出的能量在传送到传感器的过程中同样会受到外界环境的影响，造成能量衰减，衰减程度与传感器到被测物体的距离相关，距离越远衰减越大。因此在使用红外传感器进行温度信号采集时，需要通过实验分析选取适合的距离对被测物体进行温度测量。红外测温的准确性还与

25、环境温度有很大关系，被测物体处于一定温度的环境中，自身辐射能量的同时会吸收环境的辐射能量。假设被测物体的温度为T0，环境温度为T1，此时该被测物体单位面积发射的辐射能量为A.T04，被它所吸收的环境辐射能量为T14，因此该物体单位面积发出的净辐射能量为 (2-8式中A为单位面积，为物体吸收率，为物体发射率，为斯蒂芬波尔兹曼常数。综合以上分析，在设计温度测量装置时需要充分考虑这些影响因素，采取适当的方法减小由这些因素所引起的测量误差。2.3 系统总设计方案根据系统设计的要求，主要实现高压开关柜温度非接触在线监测，只需通过计算机，就可以了解开关柜的实时温度情况，判断是否存在异常和安全隐患。因此系统

26、的整体结构如图 31所示。数据处理模块包括前置放大滤波、AD转换、数据处理、LCD显示等功能，硬件电路与上位机之间的数据传输采用中断方式，当硬件电路收到上位机的查询要求时产生中断执行相应程序，将数据通过RS232传至上位机。上位机软件具有数据实时处理、数据分析温度实时显示等功能。图 21 系统结构2.4 硬件电路功能系统硬件电路主要完成温度信号采集、信号调理、数据处理、温度显示、数据传输等功能，因此可以将硬件电路分为以下几个模块。系统采用具有安全、准确、快速等优点的红外温度传感器进行温度信号采集。红外温度传感器感知被测物体的温度和环境温度，然后通过内部调理电路处理，分别将被测物体红外辐射能量和

27、环境温度信号转化为电压信号和电阻信号，再送入后续调理电路进行相应处理。红外温度传感器输出被测目标温度信号大都为毫伏级甚至微伏级的电压信号，且传感器和整个测量装置处于高温、高压、高磁场的环境中，其输出信号携带大量噪声，因此在进行后续处理前首先应该对传感器信号进行适当的放大滤波处理，滤除噪声，放大有用信号。传感器输出为一直流信号和K级电阻值，所以该部分电路实现微弱直流信号低通滤波和放大。此外，由于单片机只对电信号进行处理因此该模块同时还完成电阻值信号到电压信号的转换。由前两部分电路输出的信号都是模拟信号，而单片机只能处理数字信号，因此需要先将温度信号进行模数转换，模数转换完成后的数据才能送入单片机

28、进行处理。单片机将所接收的数字信号通过一定的算法转换成实际温度值，然后送LCD显示，同时将数据储存起来，等待上位机查询时，一旦有查询指令到来就将存储的数据以规定的格式送出。本设计中采用的MSP430F247系列单片机集成了12位的AD，对于本次设计已经满足测量精度要求，因此在该部分电路中无需外加AD，直接使用单片机集成AD即可。采用LCD对被测物体温度进行实时显示，实现人机数据交互，方便工作人员在进行设备巡查时了解其温度信息。经单片机处理后的数据分为两路信号，一路直接从单片机送到LCD显示，另一路则用于与PC进行信息交互实现单片机与上位机的通信，该系统中采用RS-232方式。本次设计中只设计制

29、作单个测温点不存在多点通信的问题，因此只要单片机接收到串口中断，就会将存储区中存储的温度数据传送到上位机，由上位机完成相应处理。2.5 上位机软件功能上位机软件主要实现数据接收处理以及温度显示的功能，由串口设置、温度显示、曲线绘制等几部分组成。上位机与硬件电路的通信必须保证两者的数据格式、发送接收速率等完全一致，串口设置即完成对端口号、波特率、校验位、数据位、停止位的设置。为了能让设备检测人员实时了解开关柜的温度情况，实时温度数据显示是一种最直接有效的方法。该部分通过相应算法，将从硬件电路接收到的数据转化为对应的温度值，并把这些温度值实时的显示出来，供工作人员查看。实时温度显示实现对当前目标温

30、度的显示，而不能展现一段时间内开关柜温度情况，温度曲线是为了描绘某一时间段内开关柜的温度情况。2.6 本章小结本章主要介绍了红外测温的原理，遵循的理论依据，根据原理推导出计算温度的公式。同时对运用红外温度传感器测量温度时的一些重要影响因素和设计时应需要注意的问题，如何减小测量结果的误差做了简单说明。最后根据测温原理设计出了整个系统的总体方案，简要介绍了一些重要模块的相关功能，每一部分功能的具体实现会将在后续的章节加以详细阐述。第2章 硬件电路设计3.1 设计方案基于红外传感器的温度监测系统采用模块化结构设计，主要由传感器模块、信号调理模块、MSP430F247单片机控制单元、显示器模块、PC机

31、通信模块以及必需的电源模块组成，整体结构4如图 31所示。图 31 硬件电路结构3.2 器件选型5传感器采用江门市安泰电子有限公司的TS118-3型非接触式红外温度传感器，TS118-3是一种热电堆传感器，多应用于非接触式温度测量。它的功能是要将物体红外辐射量转化成一个电压信号。相关参数说明如下：精确度：80v/w滤波范围：814um输出：4.4±1.1 mV上升时间：20±5ms视角大小：120° 工作温度：20100传感器内部电气连接如图 32所示，引脚1、3分别为被测物体测量信号的正负输出端，被测物体辐射能量被热电堆接收转化为电压信号。2引脚为环境温度信号输

32、出端，环境温度的大小根据RTD(Resistance Temperature Detector 电阻温度探测器的阻值确定。图 32 传感器内部电气连接底视图系统采用的传感器输出信号为毫伏级直流信号，不宜检测且直流号在传输过程中很容易受到干扰，因此设计放大电路时须考虑放大器本身特性对信号的影响，尽量选择温飘较小，比较稳定的运放，本设计采用的是Intersil公司的ICl7650和Ti公司的OP07两种运放。ICl7650具有低失调，超低温漂，高增益、高输入阻抗特性，其具体性能参数6如下所示：超低失调电压5V max；超低温漂0.02V/；超低输入漂流20pA max；高增益135dB min；高

33、共模抑制比120dB min。OP07芯片7是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。具体性能参数如下：超低偏移 150V Max； 低输入偏置电流 1.8nA；低失调电压漂移 0.5V/ ； 超稳定时间 2V/month；最大高电源电压范围 ±3V

34、至±22V。1、概述MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V TTL/CMOS电平。这些接收器具有1.3V的典型门限值及0.5V的典型迟滞，而且可以接收±30V的输入。2、特点(1、单5V电源工作(2、LinBiCMOS工艺技术(3、两个驱动器及连个接收器(4、±30V输入电平3、管脚排列图 33 MAX232管脚图8结合实际运用环境，整个系统需要的单片机需要集成AD而且要求其性能稳定，体积较小，具有一定的处理速度，此外还需具

35、备通信功能。因此选择德州仪器（Texas Instruments）公司的MSP430F247。MSP430F247自带8位的CPU，128字节的片内数据存储器，4KB的片内程序存储器、外部的数据存储器以及程序存储器寻址范围为64KB、21个专用存储器、6个8位并行I/O接口、一个14通道的12位的AD转换器、一个看门狗、两路USART通信口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟，最高支持8M的时钟、一个全双工的串行口2个16位的定时器 /计数器、3个中断源、2个中断优先级、111条指令、具有位寻址功能、片内采用单总线结构，其详细结构如图 34所示。可以在线对单片机进行调试和下载，且J

36、TAG口直接和FET相连，不需另外的仿真工具，方便实用，适合工业级的运行环境。完全可以满足温度监测的实时性处理要求。图 34 MSP430F247结构图91、 主要技术参数表 31 FM1602相关参数显示容量芯片工作电压工作电流模块最佳工作电压字符尺寸16*2个字符4.5V5.5V2.0mA(5.0V5.0V2.95*4.35(WXHmm本设计只制作单个测温节点，需显示内容包括环境温度和被测物体温度，16*2个字符的显示容量足够显示这两个温度信号。2、 接口信号说明表 32 FM1602接口说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Dat

37、a I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据命令选择端(H/L12D5Data I/O5R/W读写选择端(H/L13D6Data I/O6E是能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极3、 RAM地址映射控制器内部带有80*8位（80字节）的RAM缓冲区，对应关系如图 35所示。图 35 RMA地址映射4、 控制器接口时序说明表 33 基本操作时序时序输入输出读状态RS=L，RW=H，E=HD0D7=写指令RS=L，RW=L，D0D7=指令码,E=高脉冲无读数据RS=H，RW=H，E=HD0D7=数据

38、写数据RS=H，RW=L, D0D7=数据，E=高脉冲无(1 读操作时序图 36 读操作时序(2 写操作时序图 37 写操作时序3.3 电路设计1011根据上述选择的器件，系统需要提供5V、3.3V、2.5V电源。其中5V由USB供电。而3.3v则由5V经LM317稳压芯片转换得到，2.5V为单片机AD转换基准电压，该电源无需外部提供。如图 38所示，正5伏电压经过LM317通过调节电阻器R1让其稳定输出3.3伏电压。图 38 电源模块传感器即为温度信息采集部分，根据前面器件选型中对TS118-3温度传感器电器连接关系的介绍可知信号采集原理图如图 39所示。图 39 传感器采集传感器输TP-、

39、TP+输出端为被测物体辐射能量的微弱直流电压信号，Ni-RTD为环境温度电阻信号输出端，其阻值为K级。1112由于红外传感器输出环境温度信号为一电阻值，而单片机只能处理电信号，因此将环境温度信号送MCU处理前，必需进行信号转换，在本设计中将阻值信号转换为电压信号，其原理如图 310所示，将该热敏电阻与一固定电阻串联分压，取热敏电阻上的电压再经过一射随器后输入MCU，其中射随器实现模拟信号和数字信号隔离的作用，防止数字信号受模拟信号的干扰。图 310 电阻到电压转换如上所述红外传感器输出信号不仅小而且易受干扰，要获取较高测量精度须设计相应的放大滤波电路。被测物体温度信号前端处理模块在整个系统中起

40、着关键作用，该模块的性能决定了整个系统测量的可靠性和准确度。因此在设计该部分电路时采用了常用于微弱信号放大的仪用放大器的原理，其原理如图 311所示。图 311 仪用放大原理从图中可以看出该放大电路由两级放大组成，分别是由A1、A2组成的第一级差分放大和A3独自构成的第二级差分放大。差分式放大电路具有以下特点：(1、高输入阻抗，可以减小信号源内阻的影响。(2、高共模抑制比（CMRR），信号工频干扰以及所测量参数以外的干扰，一般为共模干扰，前置级须采用CMRR高的差动放大形式，达到减少共模干扰向差模干扰转化量的目的。(3、低噪声、低漂移，主要特征是对信号源的影响小，具有较强的信号获取能力和稳定输

41、出的特性。根据同相放大电路中两输入端的虚短虚断现象可知R1两端电压为V1-V2，则通过其两端电流为(V1-V2/R1=(V3-V4/(2R2+R1，因此可得出(4-1(4-2于是该差分放大电路的电压增益为 (4-3整个放大电路的噪声来源主要是共模输入信号，由以上描述可知该差分式放大电路对共模信号没有放大作用，其共模电压增益几乎为零，从而有效的抑制了噪声，提高了测量的准确性。虽然上述仪用放大器能够抑制一部分噪声信号，但考虑到电路的相互干扰和实际环境，需在放大之后再加一低通滤波器，滤除其他噪声。目前常用的有源滤波器类型有巴特沃兹、切比雪夫、贝塞尔。三种滤波器各有特点，巴特沃兹滤波器的幅频响应在通带

42、中具有最平幅度特性，但是从通带到租代衰减比较慢；切比雪夫滤波器能迅速衰减，但允许通带中有一定文波；而贝塞尔滤波器着重于相频响应，其相移与频率基本成正比，可得到失真较小的波形。针对本设计中温度信号为一直流电压小信号这一特点以及滤波电路实现的难易程度，此处采用巴特沃兹低通滤波器，其原理如图 312所示。图 312 巴特沃兹低通滤波器滤波电路最重要的一个性能指标为通带截止频率fc=1/2RC，根据直流信号的特点，选取R8=20K，C=510nF，可计算得fc15HZ。电路仿真幅频响应如图 313所示，从图中可看出可知大约在200HZ点衰减45dB，基本满足本设计的需求。图 313 滤波电路幅率响应综

43、上所述被测物体温度电压信号前端处理电路设计如图 314所示。图 314 前端信号调理1314控制模块在整个系统中起着最关键的作用，不仅要实现电路的控制、而且还要进行相应的数据的处理传输。根据单片机工作的必备条件和需要实现的功能，该电路设计主要包括外接晶振、JTAG口、上电复位电路以及IO接口电路。晶振为整个系统提供时钟信号，供单片机的CPU和AD进行数据处理使用，由于信号采集速度要求不高，因此本设计中采用32.768KHz低速晶振。图 315 晶振电路MSP430F247JTAG是单片机程序烧制的必须接口，其标准为IDC- 14封装形式，其第2脚3.3V，第9脚GND接地，其余l脚TDO、3脚

44、TDI、5脚TMS、7脚TCK、11脚 RESET分别接到MSP430F247对应接口。图 316 JTAG电路单片机长期工作难免会出死机，因此对单片机要进行定时的复位操作。复位电路由电阻、电容、二极管以及按键组成如图 317，3.3V接到二极管然后再接按键接地，从电阻和电容、二极管和按键之间引出信号接到MSP43OF247的 RST/NMl脚。电容和电阻组成上电复位，当单片机上电时自动复位，而在单片机运行过程中则通过按键S0进行手动复位。图 317 复位电路因此单片机电路连接如图 318图 318 单片机电路连接根据前面对FM1602液晶显示器的介绍，其电路连接9如图 319。LCD显示器的

45、第714脚为数据IO口，分别与MSP430F247单片机的第5组IO相连，读写控制端口和使能端口与单片机第5组IO口的前三个IO相连，通过控制三个IO口的输出控制LCD的状态。第3脚接一电位器，调节电位器控制显示对比度。15脚接+5伏电源，控制LCD背景灯。图 319 LCD显示RS-232通信模块15的电路如图 320所示，电源使用3.3V，通过1F电容接地，滤去高频。第11、12脚分别与单片机的UCA0RXD和UCA0TXD相连，用于单片机数据的传输和命令的接收。第13、14脚连接串口，PC机通过串口接收单片机传出的数据并向单片机发送指令。图 320 串口通信3.4 本章小结本章主要介绍了

46、系统的硬件设计方案、元器件的选择以及每一模块的具体设计原理。选择元器件时对该系统中主要的器件相关参数以及主要功能进行了详细的描述，对其他未介绍的模拟器件将根据电路制作实际情况而定。第2章 单片机软件设计4.1 开发环境介绍MSP430F247单片机代码存储空间为 4k，适合用C语言进行程序设计，并且C语言程序具有较强的可读性和移植性。本次设计采用的单片机开发环境为IAR Embedded Workbench，该软件支持汇编、C以及其他多种编程语言，具备单步调试、变量查看等调试功能。4.2 程序总体设计红外测温系统软件结构较为简单，包含AD转换、LCD显示、数据转换、数据发送等几部分。AD转换部

47、分包含两路AD转换(环境温度和被测温度的启动、AD转换结果的读取和保存等部分；LCD显示部分负责将被测温度和环境温度在LCD对应位置显示出来。数据处理采用取8次转换结果求平均的方式，减小因数据扰动和AD转换的随机性误差对测量结果造成的影响；环境温度转换采用查表和运算相结合的方法来实现。被测物体温度根据环境温度，同样采取结合计算与查表的方式来获取。系统软件流程如图 41所示。图 41 单片机软件流程4.3 各部分程序设计1、时钟初始化 MSP430F247基础时钟模块提供3种时钟信号1316:(1MCLK主时钟，MCLK可用软件选择来自XTZCLK、LFXTICLK以及DCO信号经l、2、4或8

48、分频后得到，MCLK用于CPU和系统。(2ACLK辅助时钟，ACLK是LFXTICLK信号经1、2、4或8分频后得到的，可用软件选择分频因子，可通过软件选作外围设备的时钟信号。(3SMCLK子时钟，SMCLK同MCLK主时钟一样可通过软件选择来自XTZCLK、LFXTICLK以及DCO信号经l、2、4或8分频后得到， SMCLK由软件选作外围模块的时钟信号。本设计中时钟信号由32768HZ的低速晶体整荡器产生，时钟初始化程序如下：void int_clock(voidif (CALBC1_8MHZ =0xFF | CALDCO_8MHZ = 0xFF while(1; BCSCTL1 = CA

49、LBC1_8MHZ; / 设置DCO为8MHzDCOCTL = CALDCO_8MHZ;P5DIR |= 0x78; / 将P5.6、5、4、3 设置为输出P5SEL |= 0x70; / 选择P5.6、5、4 由于外加晶振有可能会出现不起振的情况，故在程序中加入了对DOC振荡器进行初始化。外部晶振失效时自动启用DOC振荡器，且将其频率设为8HZ，供系统使用。程序将P5端口的4、5、6脚设置为输出，作为检测三种时钟信号的测试口。2、AD初始化 MSP430F247包含一个200ksps的ADC12，该ADC12内核是一个12位的模数转换器，使用两个可编程的参考电压（VR+和VR-）定义转换的最

50、大值和最小值，当输入模拟电压等于或者高于VR+时，ADC12为满量程输出0FFFH，当输入电压等于或小于VR-时，AD输出为0。输入模拟电压转换公式为13：(5-1参考电压VR+有三种选择，分别是模拟电压正端（AVCC）、A/D转换器内部参考电源的输出正端（VREF+）以及外部参考源的正输入端（VeREF+）；VR-可以是模拟电压负端（AVSS）和A/D转换器参考电压负端(VREF-/VeREF-。ADC12有单通道单次转换、序列通道单次转换、单通道多次转换和序列通道多次转换四种转换模式。红外传感器输出环境温度和被测物体温度信号，被测物体实际温度须由这两个信号进行相关计算，因此采用序列通道多次

51、转换模式1617。void init_adc12(voidP6SEL |= 0x03; / 将A0，A1设置为输入ADC12CTL0 = ADC12ON; / 开启AD12ADC12CTL1 = CONSEQ_3+SHS_1; / 序列通道多次转换ADC12MCTL0 = INCH_0 + SREF_0; ADC12MCTL1 = INCH_1 + SREF_0 + EOS; / 参考电压为VCC和VSSADC12IE = 0x0002; / 使能ADC12IFG.1标志3、LCD初始化 LCD作用是将被测物体的实时温度信息显示出来，此次采用的LM1602液晶显示在使用前首先得对它显示方式、操

52、作方法等初始化。本设计中需要对LCD的显示方式，光标显示，字符显示进行初始化，具体程序如下：void init_LCD1602( int i,j;write_com(0x01; /显示清屏write_com(0x38; /8位数据端口,2行显示,5*7点阵write_com(0x0c; /开显示,无光标显示write_com(0x06; /写一个字符后，地址加1，光标指针加1 程序中调用了write_com这一写命令子函数，其功能是向LM1602写一个字节大小的命令以控制LCD。void write_com(uchar comcheck_busy(;CLR_RS;CLR_RW; /指令寄存器写

53、入RS=0,RW=0DataPort=com;SET_EN;_NOP(;CLR_EN;以上程序操作顺序都必须严格按照LM1602的操作时序进行，详细时序已在第四章器件选型中详细介绍。4、 UART初始化17 通用串行同步/异步(UART是一个串行通信接口，它允许7或8位串行位数据流以预设的速率或外部时钟确定的速率移入、移出MSP430F247。在本系统中，使用它的异步模式UART，数据帧格式定为8位数据位、1位停止位、无奇偶校验。void init_uart(voidUCA0CTL1 = UCSWRST; /初始化UCA0UCA0CTL1 |= UCSSEL_1; /串口通信时钟为ACLKUC

54、A0BR0 = 0x03; /波特率为9600UCA0BR1 = 0x00;UCA0MCTL = 0x06;P3SEL = 0x30; /将P3.4、5设置为串口通信模式UCA0CTL1 &= UCSWRST; /初始化UCA0状态机IE2 |= UCA0RXIE; /使能UCA0接收中断1、 环境温度根据前面元器件介绍可知，本设计中使用的红外温度传感器输出环境温度信号为一电阻值，单片机只检测电信号，首先采用串联一个2000欧姆电阻分压的方法将该电阻值进行转换为其分担的电压值，外加电源为5伏直流电压。由NI1000的性质1819可知该电阻的大小为：(5-1式中R表示当前的电阻值；R0表

55、示当环境温度为0时的电阻值，为1000欧姆； 为当前的温度值；A、B、C、D为一常数，其值分别为5.485×10-3、6.650×10-8、2.805×10-11、-2.000×10-17。由此可得当前环境温度值为：(5-2其中 表示当前的电阻值； 为当前的环境温度值； 同样为一常数值，分别为-412.6、140.41、0.00764、-6.25×10-17、-1.25×10-24。上述可知式5-2中的最后两项值比较小，实际计算是忽略不计，因此环境温度信息处理程序如下：void int_dataconvert(int array8fl

56、oat vi,r;long int temp,a,b,c,d,i,aver,sum=0;for(i=0;i<8;i+sum=sum+arrayi;aver=sum/8; vi=aver*3300.0/4095.0;r= vi*2000.0/(5.0-vi/1000.0;temp=(int(-412.6+140.41*(sqrt(1.0+0.00764*r；2、 目标温度由于被测物体温度受环境温度影响，因此需要对红外温度传感器输出信号进行一定补偿20，补偿算法如下：(5-1其中UO表示被测物体辐射能量转换输出的电压信号；T为当前环境温度值，T0为被测物体温度；为一常数，其值为1.0514×10-5；为被测物体发射率。被测物体目标温度程序如下：void int_dataconvert0( int array8,int tfloat vi,;int t0,a,b,c,d,i,temp,aver,sum=0;t0=t;p=1.0;for(i=0;i<8;i