SRP基于单片机的红外测温仪设计说明.doc
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1、编号:SRP2012095石河子大学大学生研究训练计划项目项目名称:基于单片机的红外测温仪设计学生:学 院:信息科学与技术学院专业年级:电子信息工程2010级指导教师:完成日期:毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名: 日 期:指导教师签名: 日期:使用授
2、权说明本人完全了解工学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名: 日 期:基于单片机的红外测温仪设计摘要 体温计是人们日常生活中的必备品,但是传统的水银体温计测温时间长,读数不方便,而且水银有毒。本项目是基于传统体温计的这些缺点,设计的一种新型的电子红外测温仪,它在测量精度与传统的水银温度计相媲美的情况下,大大缩短了测温时间,携带方便,对环境几乎
3、无污染。本设计以单片机为核心,应用红外传感器TN901采集温度,并通过SPI接口和单片机通信,由STC89C52RC单片机来实现温度值的计算、转换和送入数码管显示,同时还加入了超温报警功能,实现了智能化体温测量,使设计具有实用价值。关键词单片机,红外测温,TN901,SPI目录第一章引言11.1项目的研究背景与意义11.2国外发展状况11.3项目研究的主要容2第二章红外测温的工作原理2第三章系统元器件特征分析43.1单片机43.1.1单片机的结构特点43.1.2单片机的引脚配置53.2红外传感器TN90163.2.1红外测温传感器引脚73.2.2红外测温模块的工作时序73.2.3红外测温模块温
4、度值计算83.2.4红外测温传感器的视场8第四章系统主要设计与思路分析94.1红外传感器与单片机通信94.2单片机送数据到数码管104.3数码管显示方式114.4复位电路124.5晶振电路134.6蜂鸣器电路134.7电源设计14第五章系统测试与误差分析145.1系统测试145.2误差分析155.2.1环境因素155.2.2目标尺寸15第六章总结17参考文献18致19附录A 硬件201.系统整体硬件原理图202.系统整体硬件实物图21附录B 软件221.说明222.流程图233.代码2329 / 33第一章 引言1.1 项目的研究背景与意义随着中国工农业、国防事业、医学的发展,对温度测量越来越
5、迫切。在某些场合,温度测量逐步上升为主要矛盾,引起了各方面的关注。例如在医学领域,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测量;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;在不能造成产品污染或损坏的情况下对生产过程或仓库里的产品进行温度测量。而红外测温响应快、测量精度高、可靠性高、围广,为非接触测量,因而不易损坏,打破了传统的测温模式。它以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。本设计单片机模块采用的是最常见的STC89C52RC单片机,红外探测器采用的是凌阳公司的TN901。实现了便携式红外测温仪,具有反应时间短、非接触、不干扰被测场、读
6、数方便、使用寿命长、操作方便等优点,可广泛应用于医院、机场、海关、车站等人口密集地区的体温测量。1.2 国外发展状况1989年,TShinozaki等应用热电堆探测器制成的耳道式红外测温仪,已成功的应用于体温测量;1991年以后该产品已遍与欧美。我国在这方面的起步较晚,2003年,由于中科院物理研究所王树铎教授研制的“非接触、口腔式红外电子体温计”才获得专利授权。但不适合在公共场合对大流量人群的快速检测,且其远距离测温容易受外界环境温度影响。近几年来中国的红外产品市场发展较快而又平稳,少数国外公司的市场占有率提高得很快,已经在中国市场上占据相当的优势,这种市场发展趋势,必将对中国的红外技术和产
7、业的发展起到积极的推动作用,必将激励和加快具有完全中国自主知识产权的红外技术产品问世,也必将带来更广阔的红外产品应用市场。因此,红外测温仪的应用也必然越来越广泛,具有广阔的市场前景和经济效益。1.3 项目研究的主要容项目研究的主要容有:1. SPI数据传输,实现红外传感器TN901与单片机的通信。2. MCU程序编写,实现数码管实时显示系统测量得到的温度值。3. 硬件电路制作和焊接,系统整体性能测试以与误差分析。第二章 红外测温的工作原理一切温度高于绝对零度(-27315)的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体向外辐射的红外能量大小与其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因
8、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。黑体辐射定律:黑体是一种理想化的辐射体,它吸收所有波长的辐射能量,没有能量的反射和透过,其表面的发射率为1。应该指出,自然界中并不存在真正的黑体,但是为了弄清和获得红外辐射分布规律,在理论研究中必须选择合适的模型,这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型,从而导出了普朗克黑体辐射的定律,即以波长表示的黑体光谱辐射度,这是一切红外辐射理论的出发点,故称黑体辐射定律。由于黑体的光谱辐射功率Pb()与绝对温度 之间满足普朗克定理: (1)其中,Pb()黑体的辐射出射度;波长;T绝对温度;c1、c
9、2辐射常数。式(1)说明在绝对温度下,波长处单位面积上黑体的辐射功率为Pb()。根据这个关系可以得到下图的关系曲线:黑体辐射的光谱分析从图中可以看出:(1) 随着温度的升高,物体的辐射能量越强。这是红外辐射理论的出发点,也是单波段红外测温仪的设计依据。(2) 随着温度升高,辐射峰值向短波方向移动(向左),并满足维恩位移定理T *m = 2897.8 m*K,峰值处的波长m与绝对温度 成反比,虚线为m 处峰值连线。这个公式告诉我们为什么高温测温仪多工作在短波处,低温测温仪多工作在长波处。(3) 辐射能量随温度的变化率,短波处比长波处大,即短波处工作的测温仪相对信噪比高(灵敏度高),抗干扰性强,测
10、温仪应尽量选择工作在峰值波长处,特别是低温小目标的情况下,这一点显得尤为重要。根据斯特藩玻耳兹曼定理黑体的辐出度 Pb()与温度 的四次方成正比,即: (2)式中,Pb(T)温度为T 时,单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能,称为总辐射度;斯特藩玻耳兹曼常量;T物体温度。式(2)中黑体的热辐射定律正是红外测温技术的理论基础。如果在条件一样情况下,物体在同一波长围辐射的功率总是小于黑体的功率,即物体的单色辐出度 Pb()小于黑体的单色黑度(),即实际物体接近黑体的程度。()= P(T)/ Pb(T)(3)考虑到物体的单色黑度()是不随波长变化的常数,即 ()=,称此物体为灰体。它是随不同物质
11、而值不同,即使是同一种物质因其结构不同值也不同,只有黑体=1,而一般灰体01,由式(2)可得:所测物体的温度为: (4)式(4)正是物体的热辐射测温的数学描述。红外温度仪表测温围很宽,从一5O直至高于3000。在不同的温度围,对象发出的电磁波能量的波长分布不同,在常温(0-100)围,能量主要集中在中红外和远红外波长。本设计选用的红外传感器是TN901,测温围为一33 +220。第三章 系统元器件特征分析3.1 单片机3.1.1 单片机的结构特点STC89C52RC是一款低功耗、高性能CMOS8位微处理器,具有8K在系统可编程FLASH存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51
12、产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH,使得STC89C52RC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。STC89C52RC可以通过STC_ISP软件下载进行烧录。3.1.2 单片机的引脚配置STC89C52RC引脚配置图STC89C52RC单片机采用40引脚双列直插封装(DIP)形式。对于CHMOS单片机除采用DIP形式外,还采用方形封装工艺。由于受到引脚数目的限制,所以有部分引脚具有第二功能。在单片机的40条引脚中,有2条用于主电源的引脚,2条外接晶体的引脚,控制或其他电源复
13、用引脚RST/ Vpd、ALE、和VPP,32条输入/输出引脚。下面就本系统用到的引脚分别说明这些引脚的名称和功能。(1)主电源引脚V CC和GNDVCC:接+5V电源GND:接电源地(2)钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1:接外部晶体的一端。在单片机部,它是反相放大器的输入端,该放大器构成了片振荡器。在采用外部时钟电路时,对于HMOS单片机,此引脚必须接地;对CHMOS单片机,此引脚作为驱动端。 XTAL2:接外部晶体的另一端。在单片机部,接至上述振荡器的反相放大器的输出端,振荡器的频率是晶体振荡频率。若采用外部时钟电路时,对于HMOS单片机,该引脚输入外部时钟脉冲;对于CHMOS单
14、片机,此引脚应悬空。(3)信号引脚RST/VpdRST/Vpd:复位/备用电源输入端。单片机上电后,只要在该引脚上输入24个振荡周期(2个机器周期)宽度以上的高电平就会使单片机复位;若在RST与VCC之间接一个10F的电容,而在RST与GND之间接一个8.2K的下拉电阻,则可实现单片机上电自动复位。RST/Vpd具有复用功能,在主电源VCC掉电期间,该引脚可接上+5V备用电源。当VCC下掉到低于规定的电平,而Vpd在其规定的电压围时,Vpd就向片RAM提供备用电源,以保持片RAM中的信息不丢失,复电后能继续正常运行。(4)输入/输出(I/O)引脚P0、P1、P2和P3MCS-51单片机有4个双
15、向并行的8位I/O口P0P3,P0口为三态双向口,可驱动8个TTL电路,P1、P2、P3口为准双向口(作为输入时,口线被拉成高电平,故称为准双向口),其负载能力为4个TTL电路。3.2 红外传感器TN901红外测温传感器选用凌阳科技公司生产的TN9红外测温传感器,可测量目标温度和环境温度。它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、测量围广以与可同时测量目标温度和环境温度的特点。 红外测温模块根据大气状况最远测温距离约 30m,测量回应时间大约为 0.5s,而且,它具备 SPI接口,可以很方便地与单片机传输数据。 TN9红外测温传感器特性量程-33-220
16、/-27-428工作温度-10-50/14-122精度0.8反应时间1s电压围3V- 5V3.2.1 红外测温传感器引脚红外测温模块的引脚如图2所示。其中V为电源电压引脚VCC,VCC一般为 3V到 5V之间的电压;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(只有为TN9供上电源,C脚就有2KHz的方波信号输出);G为接地引脚;A为测温启动信号引脚,低电平有效。TN9红外测温传感器引脚3.2.2 红外测温模块的工作时序从时序图可以看出: TN9红外传感器向单片机发送一帧数据共有5个BYTE组成,每个BYTE位的含义如下:Item :如果为4CH代表此帧测量为
17、目标温度,为66H代表此帧测量为环境温度。MSB :数据高八位LSB :数据低八位SUM :校验位 SUM=Item+MSB+LSBCR :0DH为结束码单片机在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。3.2.3 红外测温模块温度值计算无论测量环境温度还是目标温度,只要检测到 Item 为 0x4c或者
18、0x66同时检测到 CR 为 0x0dH,它们的温度的计算方法都一样。计算公式为 目标温度/环境温度=Temp/16-273.15 其中 Temp 为十进制,当把它转换成十六进制时高八位为 MSB,低八位为 LSB;比如 MSB 为 0x14,LSB 为 0x2a,则 Temp 十六进制时为 0x142a,十进制时为 5162,则测得温度值为 5162/16-273.15=49.475。3.2.4 红外测温传感器的视场D : S = 1:1距离 :目标直径 = 1:1 Field of ViewTN901视场第四章 系统主要设计与思路分析4.1 红外传感器与单片机通信TN901与单片机的硬件连
19、接图虽然TN901与单片机引脚连接简单,但TN9如何把数据传输刚给单片机,单片机怎么接受到数据并计算是本设计的关键,也是难点。经过查阅大量书籍,分析SPI接口的传输方式,以与多次试验和总结,得出程序设计的关键在于 CLOCK 信号的下降沿检测,单片机读取 TN9 传感器送入的每一帧数据位。单片机一次读 5 个 BYTE。 只有当第一个 BYTE 和最后一个 BYTE 分别为 4CH (或 66H) 和 0DH 时,才可以认为这是一个有效的数据,否则单片机不停的进行读取。单片机一直在做一个While循环,当有按键K1或K2触发时,单片机通过给P1.2引脚一个低电平来启动红外传感器TN901。只要
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