測(cè)控技術(shù)與儀器畢業(yè)設(shè)計(jì)--紅外熱輻射溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）</p><p>　　題 目：紅外熱輻射溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究</p><p><b>　　專題題目：無(wú)</b></p><p>　　學(xué) 院：機(jī)電工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器</p><p>　　班

2、 級(jí)：102</p><p>　　時(shí)間：2014年5月29日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　針對(duì)高速公路路面溫度測(cè)量的問(wèn)題，首先分析了傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法和目前高速公路對(duì)路面溫度測(cè)量的措施，了解了對(duì)高速路路面溫度測(cè)量對(duì)交通安全的重要性，在此基礎(chǔ)上提出了紅外熱輻射溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和方案。應(yīng)用紅外熱輻射非接觸式

3、溫度測(cè)量技術(shù)來(lái)精確檢測(cè)公路表面溫度。該系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為控制中心，TN9紅外探測(cè)器，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后將測(cè)得結(jié)果顯示在LCD顯示屏上。主要設(shè)計(jì)成果有：</p><p>　　根據(jù)非接觸式紅外熱輻射溫度測(cè)量的要求，設(shè)計(jì)了基于TN9溫度傳感器針對(duì)高速公路路面溫度測(cè)量的方案。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了基于89C51單片機(jī)為控制中心的遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量系統(tǒng)。包括電源模塊，紅外

4、熱溫度傳感器TN9模塊，RS232電路轉(zhuǎn)換模塊，LCD1602顯示模塊的設(shè)計(jì)。</p><p>　　完成了軟件流程圖，以keil uVision4為平臺(tái)，編寫模塊初始化程序及顯示程序等的設(shè)計(jì)。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，完成了protues軟件設(shè)計(jì)及與仿真。</p><p>　　關(guān)鍵字：紅外熱輻射；紅外；單片機(jī)；LCD顯示。</p><

5、;p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Aiming at the problem of highway road surface temperature measurement, the first analysis of the traditional temperature measurement method and current highway me

6、asures of road surface temperature measurement, learned to highway road surface temperature measurement of the importance of traffic safety, based on this, advances the infrared radiation temperature measurement system d

7、esign and solutions. Application of infrared thermal radiation contactless temperature measurement technology to accur</p><p>　　1.According to the requirements of non-contact infrared thermal radiation tempe

8、rature measurement based on TN9 temperature sensor for highway pavement temperature measurement scheme.</p><p>　　2.According to the requirements of the system design, the design based on 89 c51 microcontroll

9、er as the control center of remote temperature measurement system. Including power supply module, TN9 infrared temperature sensor module, RS232 circuit conversion module, LCD1602 display module design.</p><p&g

10、t;　　3. Completed the software flow chart to keil uVision4 as the platform, write module initialization program, display program design, etc.</p><p>　　4. Based on the system design requirements, completed the

11、 design and simulation protues software.</p><p>　　Key words: The infrared thermal radiation; Infrared; Single chip microcomputer; The LCD</p><p><b>　　display.</b></p><p>

12、;<b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 緒 論1</p><p><b>　　1.1課題來(lái)源1</b></p><p>　　1.2 課題意義2</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4 研究目標(biāo)4</p&g

13、t;<p>　　1.5 研究?jī)?nèi)容4</p><p>　　1.6 研究安排5</p><p>　　第2章 紅外測(cè)溫原理及系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1 紅外熱輻射的概念與基礎(chǔ)理論6</p><p>　　2.2 紅外熱輻射測(cè)溫原理及方法8</p><p>　　2.3 紅外熱輻射測(cè)

14、溫的特點(diǎn)及影響因素8</p><p>　　2.4系統(tǒng)方案10</p><p>　　2.5 研究方法10</p><p>　　2.6 本章小節(jié)11</p><p>　　第3章 硬件電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1 單片機(jī)控制中心12</p><p>　　3.2 紅外測(cè)溫傳感器

15、14</p><p>　　3.3電源模塊17</p><p>　　3.4 RS232電路轉(zhuǎn)換模塊18</p><p>　　3.5 LCD顯示模塊19</p><p>　　3.6 硬件電路功能21</p><p>　　3.7 本章小結(jié)21</p><p>　　第4章 軟件設(shè)計(jì)22&

16、lt;/p><p>　　4.1 軟件總體設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.2時(shí)鐘初始化22</p><p>　　4.3 LCD顯示初始化23</p><p>　　4.4 UART初始化24</p><p>　　4.5 串口設(shè)置25</p><p>　　4.6 紅外熱測(cè)溫模塊程序設(shè)計(jì)26&

17、lt;/p><p>　　4.7 系統(tǒng)仿真27</p><p>　　4.8本章小節(jié)29</p><p>　　第5章 總結(jié)與展望30</p><p>　　5.1 工作總結(jié)30</p><p><b>　　5.2 展望30</b></p><p><b>　　致

18、 謝32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　附 錄35</b></p><p>　　附件1：常見(jiàn)物質(zhì)輻射率表35</p><p>　　附錄2：LCD測(cè)試程序35</p><p><b>　

19、　第1章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1課題來(lái)源 </b></p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)采用非接觸式紅外測(cè)溫的方法，對(duì)公路表面溫度進(jìn)行測(cè)量，其成果主要應(yīng)用于高速公路表面溫度測(cè)溫儀。</p><p>　　可見(jiàn)光的輻射主要來(lái)自高溫輻射物體，如太陽(yáng)，鐵水，灼熱的金屬，高溫燃燒物體等，而任何低溫，常溫以及加熱后的物

20、體都一定會(huì)有紅外熱輻射。在電磁波譜中能夠被人眼察覺(jué)的是0.4微米到0.75微米波段我們稱之為可見(jiàn)光波段，而把波長(zhǎng)從0.75微米到1000微米的之間電磁波稱為紅外波段，紅外波段的短波段與可見(jiàn)光中的紅光相連，長(zhǎng)波端與微波相接。根據(jù)普朗克輻射定理，我們知道凡是絕對(duì)溫度大于零度的物體都無(wú)一例外的能向外輻射出電磁波，該物體的輻射強(qiáng)度大小與物體表面的輻射能力強(qiáng)弱及溫度的高低有關(guān)，輻射的光譜分布也與物體溫度緊密相關(guān)。</p><p

21、>　　確定物質(zhì)狀態(tài)的參數(shù)有非常多，而溫度參數(shù)恰恰是確定物質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)之一，它的測(cè)量與控制方面在國(guó)防科技、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)研究中占有十分重要的地位。我們?cè)诠まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通常通過(guò)測(cè)量設(shè)備表面的溫度來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，而現(xiàn)代的工業(yè)設(shè)備大都是在高電壓、強(qiáng)電流等危險(xiǎn)環(huán)境下運(yùn)行的，傳統(tǒng)的測(cè)量方法是依靠人工接觸式檢測(cè)，這樣既浪費(fèi)時(shí)間、人力，又通常具有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)對(duì)測(cè)溫設(shè)備所采用的材料性質(zhì)也有非常嚴(yán)格的限制。因此有必要研究

22、出一種新的方法去檢測(cè)目標(biāo)系統(tǒng)的溫度。</p><p>　　目前，人們使用最廣泛的水銀體溫計(jì)是根據(jù)水銀性質(zhì)隨溫度升降而熱脹冷縮的物理性質(zhì)，我們?cè)谑褂脗鹘y(tǒng)溫度計(jì)時(shí)要和被測(cè)量物體相接觸，為了與被測(cè)物體達(dá)到熱平衡，需要等待較長(zhǎng)的時(shí)間，當(dāng)測(cè)量結(jié)束后還要將水銀重新甩入水銀泡中，由于甩的時(shí)候極易破碎，其中的水銀蒸汽會(huì)對(duì)人體有極強(qiáng)的毒害作用，因此傳統(tǒng)的溫度計(jì)有非常嚴(yán)重的安全隱患。所以此方法就必然有很多的局限性，在很多環(huán)境要求下不

23、能滿足快速，安全可靠的非接觸式測(cè)量的要求。紅外測(cè)溫提供了快速，準(zhǔn)確及時(shí)的檢測(cè)方法和結(jié)果。而且可以以數(shù)字的方式顯示出測(cè)量結(jié)果，消耗時(shí)間非常短，往往在幾秒鐘之內(nèi)就能測(cè)得結(jié)果，更重要的是此方法所測(cè)量的結(jié)果比較精確，避免了人為讀數(shù)的誤差，而且系統(tǒng)的壽命長(zhǎng)，是較為理想的測(cè)溫儀器。</p><p>　　隨著紅外檢測(cè)技術(shù)的日趨成熟，依據(jù)紅外熱測(cè)溫技術(shù)正以響應(yīng)速度快、測(cè)量精確度高，設(shè)備耐用等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)紅外測(cè)溫技術(shù)被越來(lái)越多的場(chǎng)

24、合所認(rèn)識(shí)和接受。由于社會(huì)的進(jìn)步，交通的發(fā)達(dá)，人民生活節(jié)奏變得快捷的同時(shí)也帶來(lái)了許多安全隱患。隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在日益廣泛，同時(shí)也帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月異的變革。在工業(yè)智能檢測(cè)、控制系統(tǒng)中，通常使用單片機(jī)作為一個(gè)控制中心來(lái)使用，然后配合相應(yīng)的外圍硬件設(shè)備，以及針對(duì)具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件相結(jié)合，如此加以完善。單片機(jī)控制系統(tǒng)能夠取代以往利用復(fù)雜電子電路和數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，我們可以用軟件控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，并能夠輕松地實(shí)現(xiàn)智能化控

25、制。</p><p><b>　　1.2 課題意義</b></p><p>　　對(duì)溫度測(cè)量的傳統(tǒng)方法需要工作人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，整理，分析才能計(jì)算出調(diào)研結(jié)果。過(guò)程比較繁瑣，耗時(shí)費(fèi)力，更不理想的就是當(dāng)我們需要多個(gè)目標(biāo)地點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)時(shí)，沒(méi)有足夠的人力物力去獲得數(shù)據(jù)，相關(guān)工作人員不能及時(shí)得到數(shù)據(jù)，這樣極大的降低了工作效率，體現(xiàn)不了工作人員的價(jià)值。</p>

26、<p>　　隨著工作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控提出越來(lái)越高的要求，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)十分必要。故而需要有更方便安全快捷的工作模式來(lái)取代傳統(tǒng)的測(cè)量方法，正因如此，紅外熱輻射溫度測(cè)量技術(shù)運(yùn)應(yīng)而生。</p><p>　　在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，要求測(cè)量溫度的傳感器不能直接與被測(cè)物體相接觸，這就需要滿足這種領(lǐng)域非接觸式測(cè)量，本設(shè)計(jì)正是應(yīng)上述實(shí)際需求來(lái)設(shè)計(jì)的紅外測(cè)溫系統(tǒng)。</p><p>　

27、　紅外熱測(cè)溫系統(tǒng)是以黑體輻射定律作為理論基礎(chǔ)，紅外控制理論以及電子技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)的測(cè)溫方法相比，紅外測(cè)溫具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(1)不需要與被測(cè)物體接觸，不會(huì)擾亂被測(cè)物的溫度場(chǎng)，溫度場(chǎng)的分布不會(huì)受到影響，因此具有較高的測(cè)量精確度；</p><p>　　(2)在測(cè)量過(guò)程中，光電器件不必與被測(cè)介質(zhì)達(dá)到新的熱平衡，因而能檢測(cè)溫度的迅速變化，而且還能測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度；&

28、lt;/p><p>　　(3)測(cè)量距離可近可遠(yuǎn)，近者可測(cè)幾厘米，有的甚至更小，而遠(yuǎn)者可測(cè)近幾公里外的目標(biāo)；</p><p>　　(4)可以用來(lái)測(cè)量小面積的物體，目前可測(cè)量出直徑小至7.5微米的目標(biāo)溫度；</p><p>　　(5)以黑體作為測(cè)量對(duì)象最為合適，但也可以測(cè)量一般物體。</p><p>　　正是這些優(yōu)點(diǎn)使得紅外測(cè)溫技術(shù)受到越來(lái)越廣泛的歡

29、迎，該技術(shù)在溫度測(cè)量領(lǐng)域里具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　紅外測(cè)溫的設(shè)計(jì)，其知識(shí)包括了檢測(cè)技術(shù)，MCU，控制技術(shù)等多方面的內(nèi)容。紅外測(cè)溫技術(shù)是一門很實(shí)用和很有前景的技術(shù)，通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，有利于我理論聯(lián)系實(shí)際，更好的掌握這一方面的知識(shí)體系，是對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的總結(jié)歸納與升華，特別是對(duì)單片機(jī)控制技術(shù)知識(shí)的深入理解，對(duì)于自身綜合素質(zhì)與工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)也有及其重要的意義。</p><p>

30、　　1.3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　軌道交通是一個(gè)龐大、復(fù)雜、易出現(xiàn)事故的交通運(yùn)輸系統(tǒng)，因而，從機(jī)車制造到運(yùn)營(yíng)，可靠性、安全性一直是社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)。一方面，無(wú)論何種設(shè)備，它的維修與護(hù)理護(hù)是一種設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況驅(qū)動(dòng)的預(yù)防性維護(hù)。它是對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、熱量分布和其他指標(biāo)進(jìn)行直接監(jiān)視，以便確定實(shí)際的平均無(wú)故障時(shí)間或?qū)ζ湮：υ谠O(shè)施內(nèi)所有關(guān)鍵系統(tǒng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)效率損失的確定因素。因此定期地測(cè)量設(shè)備，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果，而溫度恰恰就

31、是一個(gè)非常重要非常有用的參數(shù)。目前，其中監(jiān)視溫度的紅外熱像儀檢測(cè)技術(shù)就是一種檢測(cè)方向的應(yīng)用;另一方面，隨著軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，消費(fèi)者群體對(duì)于機(jī)車的性能要求也越來(lái)越高，軌道交通與汽車行業(yè)一樣，就是對(duì)可靠性、安全性、舒適性的嚴(yán)格要求。紅外熱像技術(shù)在軌道交通運(yùn)營(yíng)過(guò)程中能夠起到更有效、更快速地追蹤交通系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。</p><p>　　由于高速公路的路面工程量大、牽涉面廣、建設(shè)和維修難度系數(shù)大。然而路面又經(jīng)常由多層各不

32、相同的材料及所含成分所組成配比不同，特別是瀝青面層所用材料品種多、配比多、要求嚴(yán)格，每層都有各自要求的工藝水準(zhǔn)。在路橋施工建設(shè)，公路表面、高橋的維護(hù)及施工過(guò)程，都必須要對(duì)瀝青或混凝土的成分及溫度進(jìn)行檢測(cè)；工藝要求較高的區(qū)域更是需要采用能夠提供可靠的、全面反映測(cè)量區(qū)域內(nèi)溫度的分布及變化情況的儀表。</p><p>　　紅外熱測(cè)溫的應(yīng)用按其用途可以大體分為兩大類，一為定性觀察，二為定量分析。定性觀察是根據(jù)圖像判斷物體

33、的存在和運(yùn)動(dòng)，主要應(yīng)用于軍事、安檢、監(jiān)控等方面。定量分析是利用紅外熱像儀的測(cè)溫功能對(duì)物體的溫度分布進(jìn)行檢測(cè)分析。</p><p>　　2003 年非典期間，社會(huì)公眾對(duì)紅外熱像儀的測(cè)溫功能提出了很高的要求。針對(duì)公路路面溫度和鐵軌溫度測(cè)量的傳統(tǒng)方法比較麻煩，更重要的是這種傳統(tǒng)的方法不能全天24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要人為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，耗費(fèi)了不少人力物力。 隨著社會(huì)節(jié)奏的變快，交通逐漸發(fā)達(dá)，這些傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能夠滿足我們對(duì)安全

34、的及時(shí)監(jiān)測(cè)需要。然而隨之產(chǎn)生的交通通信設(shè)備日漸繁多，功能完善。紅外測(cè)溫也慢慢步入在交通指示的應(yīng)用領(lǐng)域，目前已經(jīng)有部分高速路段鋪設(shè)有紅外測(cè)溫系統(tǒng)，用于測(cè)定高速路段地面溫度，及時(shí)顯示在LCD顯示屏幕上。這種儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制作、便于安裝及維修，所測(cè)溫度可直接輸出到單片機(jī)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理，十分方便易行。</p><p>　　紅外測(cè)溫打破了傳統(tǒng)的測(cè)溫模式，它響應(yīng)快，測(cè)量精度高，可靠性強(qiáng)，范圍廣，為非接觸測(cè)量，因而更不容

35、易被損壞，該溫度計(jì)以其準(zhǔn)確快速的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，和清晰易懂的數(shù)字化顯示方便了科研領(lǐng)域的使用以及方便了人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ鳌?lt;/p><p>　　第一在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中根據(jù)紅外熱輻射的基本原理，采用“直接定標(biāo)”的方法，即在測(cè)量不同環(huán)境下的公路表面溫度時(shí)，實(shí)時(shí)定標(biāo)紅外測(cè)溫。</p><p>　　第二，傳統(tǒng)的紅外測(cè)溫儀在原理上均需討論物體輻射率修正的問(wèn)題。然而如果要確定物體的輻射率則卻是紅外測(cè)溫中的一大難題

36、。通常情況下，我們是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)測(cè)量或者查閱資料來(lái)確定固體和液體在特定情況下的輻射率，以此作為紅外測(cè)量中的參數(shù)。然而，由于不同路段及地理位置公路表面的溫度隨季節(jié)和地域情況的不確定性，很難確定不同地域路面的輻射率。所以，根據(jù)能量的守恒關(guān)系，巧妙的避開(kāi)了公認(rèn)的“輻射率修正”這一難題。</p><p>　　第三，根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件電路，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。</p><p><b>

37、;　　1.4 研究目標(biāo)</b></p><p>　　1. 針對(duì)公路表面紅外熱輻射的測(cè)量，通過(guò)系統(tǒng)處理，直觀的顯示其溫度；</p><p>　　2. 基于單片機(jī)AT89C51開(kāi)發(fā)的溫度控制系統(tǒng)；</p><p>　　3. 能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出溫度并將數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)內(nèi)；</p><p>　　4、對(duì)不在規(guī)定范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)以使其始終穩(wěn)

38、定在一個(gè)恒定范圍內(nèi)；</p><p>　　5、控制精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定、成本低；</p><p><b>　　1.5 研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用紅外溫度傳感器TN9對(duì)公路地面溫度進(jìn)行采集，89C51單片機(jī)為控制中心，提高了準(zhǔn)確性和安全性。系統(tǒng)采用的紅外溫度傳感器體積小、性能好，再加上穩(wěn)定的運(yùn)放和精度較高的A/D處理，將溫度參數(shù)

39、顯示在LCD顯示屏上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。研究?jī)?nèi)容如下：</p><p>　　紅外熱輻射測(cè)溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　（1）單片機(jī)處理模塊</p><p>　?。?)紅外熱輻射溫度傳感器TN9</p><p>　?。?)RS232轉(zhuǎn)換電路模塊</p><p><b>　?。?）電源模塊<

40、;/b></p><p>　　（5）LCD顯示模塊</p><p>　　紅外熱輻射測(cè)溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　由于受檢對(duì)象表面的紅外輻射能量，是經(jīng)大氣傳輸?shù)郊t外檢測(cè)儀器里的，這就會(huì)受到大氣成分中的水蒸汽、二氧化碳、氮?dú)獾葰怏w分子的吸收以及空氣中懸浮塵埃微粒的遮擋與吸收而衰減，設(shè)備輻射能量輻射的衰減程度大小隨著檢測(cè)儀器到被測(cè)設(shè)備之間的距離的增大，在很

41、大程度上降低了被測(cè)物體輻射的穿透率，所以其衰減程度大小是隨兩者距離的增大而增加。降低受檢設(shè)備故障部位與正常部位的輻射的對(duì)比度，也會(huì)導(dǎo)致紅外探測(cè)儀器接收到的目標(biāo)能量減少，從而使得結(jié)果儀器顯示出來(lái)的溫度值比被測(cè)故障點(diǎn)的真實(shí)溫度低。尤其是檢測(cè)溫升較低的設(shè)備故障時(shí)，這是非常不利的。所以檢測(cè)距離越大，大氣組合成分的影響就會(huì)越來(lái)越大。因此如果要獲得目標(biāo)溫度的準(zhǔn)確性，必須采取以下相應(yīng)的措施： </p><p>　　（

42、1）盡量選擇在環(huán)境干燥地段進(jìn)行檢測(cè)；</p><p>　?。?）在不影響安全的條件下盡可能減小檢測(cè)距離，以便測(cè)得實(shí)際溫度值；</p><p><b>　　1.6 研究安排</b></p><p>　　本文章節(jié)主要安排如下：</p><p>　?。罕菊撐牡木w論，包括課題來(lái)源，課題意義，國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，研究目標(biāo)，研究?jī)?nèi)容，研究

43、安排；</p><p>　　第二章 ：紅外熱輻射的基本概念介紹，紅外熱輻射測(cè)溫的基礎(chǔ)理論，紅外熱輻射測(cè)溫原理和方法，紅外熱輻射測(cè)溫的特點(diǎn)，紅外熱輻射測(cè)溫影響因素；</p><p>　　第三章 ：系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,硬件電路設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹瑱C(jī)處理模塊，電源模塊，紅外測(cè)溫模塊，RS232電路轉(zhuǎn)換模塊，LCD顯示模塊；</p><p>　?。很浖O(shè)計(jì)，程序的總體設(shè)計(jì)；<

44、;/p><p><b>　?。嚎偨Y(jié)與展望；</b></p><p>　　第2章 紅外測(cè)溫原理及系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 紅外熱輻射的概念與基礎(chǔ)理論</p><p>　　1.紅外熱輻射的概念 </p><p>　　紅外熱是一種電磁波，具有與無(wú)熱電波及可見(jiàn)光一樣的性質(zhì)。紅外熱的波長(zhǎng)

45、在0.76到1000微米之間，位于無(wú)熱電波與可見(jiàn)光之間。任何物體，如果它的溫度只要比零下273.15攝氏度高，就都能夠自發(fā)地向外發(fā)射出紅外熱。與可見(jiàn)光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等共有特性相同以外同時(shí)還具有粒子性。對(duì)人的眼睛很不敏感，要使用對(duì)紅外敏感的探測(cè)器才能探測(cè)到。紅外輻射的本質(zhì)是熱輻射，在0.76μm～40μm紅外輻射的熱效應(yīng)卻是最大的。 </p><p>　　紅外測(cè)溫運(yùn)用的原理是根據(jù)普朗克原理

46、。即自然界中只要溫度高于絕對(duì)零度(-273．15℃)的一切物體，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)效應(yīng)都在不停地向外輻射出包括紅外波段在內(nèi)的電磁波。其輻射能量密度與物體本身的溫度二者之間的關(guān)系符合普朗克定律的關(guān)系。一般我們理解為紅外測(cè)量的是被測(cè)物體表面的溫度，但是事實(shí)上測(cè)得的是被測(cè)對(duì)象與傳感器或者說(shuō)是被測(cè)物體溫度與環(huán)境溫度之間的差值。物體輻射能量的大小也直接與該被測(cè)物體的溫度緊密相關(guān)。</p><p>　　紅外熱輻射溫度測(cè)量技術(shù)的

47、發(fā)展主要是從兩方面來(lái)看：一方面是紅外熱輻射測(cè)溫設(shè)備儀器的發(fā)展；另一方面是紅外熱輻射測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展。</p><p><b>　　2紅外熱基礎(chǔ)理論</b></p><p>　?。?）生物波普（Biological spectrum）</p><p>　　生物自身發(fā)出的生物物理信息的光波或頻率的綜合特性叫做生物波譜，它是構(gòu)成生物體周圍的生物信息場(chǎng)。

48、科學(xué)研究表明，生物信息場(chǎng)包括生物產(chǎn)生的溫度場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)等，所以我們可以用物理學(xué)中的電磁波譜頻率或波長(zhǎng)，溫度等物理量來(lái)表述，它遵循電磁波的所有物理特性。</p><p>　　（2）地表輻射（Ground radiation）</p><p>　　地球表面從太陽(yáng)輻射吸收能量的同時(shí)，又會(huì)將其中的大部分能量以輻射的形式傳送到大氣當(dāng)中。地球表面這種以其本身的熱量日夜不間斷地向外輻射的方式，稱地面輻

49、射。</p><p>　　由于地表面平均溫度約為300k左右，所以地表溫度比太陽(yáng)低得多，因而地面輻射的主要能量集中在1～30微米波段之間，地球表面最大輻射的平均波長(zhǎng)為10微米，屬于紅外區(qū)間，與太陽(yáng)短波輻射相比較而言，稱為地面長(zhǎng)波輻射。</p><p>　　地球表面輻射能力的強(qiáng)弱，主要取決于地面本身的溫度。由普朗克定理知道輻射能力的強(qiáng)弱隨輻射體溫度的增高而增強(qiáng)，所以白天地表溫度較高，地表輻射

50、也就較強(qiáng)；同理反之，夜晚地表溫度較低，地表輻射也就相對(duì)比較弱。依據(jù)理論和科學(xué)實(shí)踐證明：物體輻射出來(lái)的波長(zhǎng)與物體本身的溫度值成反比，即溫度越高，波長(zhǎng)越短；溫度越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)。</p><p>　　地面的輻射屬于長(zhǎng)波輻射，除了部分透過(guò)大氣向宇宙輻射外，大部分輻射被大氣中水蒸汽和二氧化碳、臭氧層、空氣懸浮微粒等大氣組合成分所吸收，其中水蒸汽對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收更為顯著。所以，大氣，尤其是對(duì)流層中的大氣，它的增熱主要是靠吸收

51、地面輻射的能量。</p><p>　?。?）紅外輻射的發(fā)射及其規(guī)律</p><p>　　首先需要對(duì)黑體的紅外輻射規(guī)律簡(jiǎn)單介紹一下。所謂的黑體，簡(jiǎn)單講就是在任何情況下對(duì)一切波長(zhǎng)的入射輻射吸收率都等于1的物體，簡(jiǎn)而言之就是全吸收。然而，自然界中實(shí)際存在的任何物體對(duì)不同波長(zhǎng)的入射輻射都有一定的反射，吸收率不可能等于1，</p><p>　　也就是說(shuō)不可能完全吸收。所以，黑

52、體這一概念知識(shí)只是人們?yōu)榱吮阌谘芯慷橄蟪鰜?lái)的一種理想化的模型，現(xiàn)實(shí)中并不存在。但是由于黑體熱輻射的基本規(guī)律是紅外熱輻射研究及應(yīng)用的基礎(chǔ)，它揭示了黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度與波長(zhǎng)的定量關(guān)系。</p><p><b>　?。?）黑體輻射規(guī)律</b></p><p>　　黑體紅外輻射的基本規(guī)律揭示的是紅外熱輻射溫度及波長(zhǎng)的一種定量關(guān)系。黑體僅僅是一種抽象出來(lái)的理想物體，如

53、果它們?cè)谙嗤臏囟认?，那么它們都能夠發(fā)出同樣的電磁波譜，而與黑體的具體成分、狀態(tài)和形狀等特性無(wú)關(guān)。物理學(xué)家斯特藩和玻耳茲曼通過(guò)物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算得出黑體輻射定律：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　式中：—— 溫度為時(shí)，單位時(shí)間從黑體單位面積上輻射出的總輻射能，稱為總輻出度；一—斯特藩玻耳茲曼常量；一—物體溫度。</p>

54、<p>　　上式是黑體的熱輻射定律。實(shí)際物體的輻射定律一般比較復(fù)雜，需借助于黑體的輻射定律來(lái)研究。設(shè)被測(cè)物體的溫度為時(shí)，總輻出度為M 等于黑體在溫度為時(shí)的總輻出度Mo，即：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　解得：</b></p><p><b>　?。?-3

55、）</b></p><p>　　其中為發(fā)射率，不同物體的發(fā)射率并不相同，具體材料的值可通過(guò)本論文的附錄1或?qū)嶒?yàn)得到，T是被測(cè)物體對(duì)象的輻射溫度，所以如果我們已經(jīng)知道了被測(cè)物體的和，那么我們就可算出物體的實(shí)際溫度。 </p><p>　　2.2 紅外熱輻射測(cè)溫原理及方法</p><p>　　依據(jù)測(cè)溫原理的不同，紅外測(cè)溫的設(shè)計(jì)有三種方法：</p&g

56、t;<p>　　對(duì)物體的全波長(zhǎng)的熱輻射進(jìn)行測(cè)量，從而確定物體的輻射溫度的方法稱之為全輻射測(cè)溫法；</p><p>　　對(duì)物體在一定波長(zhǎng)下的單色輻射亮度進(jìn)行紅外測(cè)量，從而來(lái)確定它輻射物的亮度溫度的稱為亮度測(cè)溫法；</p><p>　　對(duì)被測(cè)物體在不同的兩個(gè)波長(zhǎng)下的單色輻射亮度之比隨溫度變化來(lái)確定溫的方法稱為比色測(cè)溫法。</p><p>　　亮度測(cè)溫法不需

57、要環(huán)境溫度補(bǔ)償，誤差較小，故而測(cè)溫精度較高，但由于工作于短波段間，因此此方法只適于高溫物體的溫度檢測(cè)。比色測(cè)溫法的光學(xué)系統(tǒng)可局部遮擋，這樣受煙霧灰塵的影響就比較小，測(cè)溫誤差也減小了，但必須選擇在適當(dāng)?shù)牟ǘ?，使波段的發(fā)射率對(duì)比相差不是很大。本文采用的是全輻射測(cè)溫法。全輻射測(cè)溫法是根據(jù)所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)的總輻射來(lái)確定物體溫度的，得到的就是物體的輻射溫度。選用這種方法是因?yàn)橹械蜏匚矬w的波長(zhǎng)較大，輻射信號(hào)很弱，更重要的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本較低&

58、lt;/p><p>　　AT89C51單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制中心，它負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)溫度測(cè)量、接收測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算溫度值、顯示溫度值；紅外熱測(cè)溫模塊負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)端口傳送給AT89C51單片機(jī)； RS232轉(zhuǎn)換電路模塊可以使單片機(jī)同PC機(jī)方便的進(jìn)行串口通信，并可以同時(shí)接收或傳送外部送來(lái)的資料；LCD顯示模塊把測(cè)量的溫度值可以直觀地顯示給觀測(cè)者。</p><p>　　

59、2.3 紅外熱輻射測(cè)溫的特點(diǎn)及影響因素</p><p>　　1.紅外熱輻射測(cè)溫的特點(diǎn)</p><p>　?。?）遠(yuǎn)距離和非接觸測(cè)量</p><p>　　紅外測(cè)溫不需要與被測(cè)物體相接觸，它特別適合于對(duì)運(yùn)動(dòng)物體，旋轉(zhuǎn)物體，帶</p><p>　　電體以及高溫高壓強(qiáng)電流等危險(xiǎn)環(huán)境下物體的溫度測(cè)量。</p><p><b

60、>　?。?）響應(yīng)速度快</b></p><p>　　紅外熱傳感器測(cè)溫并不像熱電偶或傳統(tǒng)溫度計(jì)那樣，必須與被測(cè)物體相接觸，最后還需要使溫度計(jì)與被測(cè)物達(dá)到熱平衡，它只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可進(jìn)行溫度測(cè)量，其響應(yīng)時(shí)間通常在毫秒甚至微秒數(shù)量級(jí)，所以紅外熱溫度傳感器的響應(yīng)速度快。</p><p><b>　　（3）靈敏度高</b></p>&l

61、t;p>　　就算物體溫度的微小變化也會(huì)引起輻射功率的較大變化，很容易被探測(cè)器探測(cè)</p><p>　　出來(lái)，所以紅外測(cè)溫的可測(cè)溫差特別小，幾乎達(dá)到零點(diǎn)幾攝氏度。</p><p><b>　?。?）準(zhǔn)確度高</b></p><p>　　紅外測(cè)溫時(shí)是非接觸測(cè)量的方式，這樣就不會(huì)破壞物體本身的溫度分布，因此，</p><p&

62、gt;　　所測(cè)溫度真實(shí)，可靠，準(zhǔn)確。</p><p><b>　　測(cè)溫范圍非常廣</b></p><p>　　測(cè)量范圍在-33到220攝氏度。</p><p>　　2.紅外熱輻射測(cè)溫的影響因素</p><p>　?。?）待測(cè)目標(biāo)輻射率</p><p>　　通過(guò)以上原理的描述可知輻射率的大小決定了物

63、體的紅外能量幅出度與被測(cè)物體實(shí)際溫度緊密相關(guān)。輻射率是指一般物體相對(duì)于黑體的輻射能力大小的一個(gè)物理量，與測(cè)量的方向、物體的材料形狀、表面粗糙度等因素有關(guān)。不同物質(zhì)的輻射率是各異的，常見(jiàn)物質(zhì)輻射率見(jiàn)附件1，紅外測(cè)溫裝置從被測(cè)目標(biāo)上接收到的輻射能量大小與它的輻射率成正比。</p><p><b>　?。?）待測(cè)目標(biāo)尺寸</b></p><p>　　使用紅外測(cè)溫裝置測(cè)溫時(shí)，

64、通常只能測(cè)定被測(cè)目標(biāo)表面上某一確定面積的平均值。因?yàn)榧t外熱溫度傳感器都有一個(gè)測(cè)量的視角，測(cè)溫裝置的精度與被測(cè)物體尺寸和傳感器視角相關(guān)。待測(cè)物體的尺寸與傳感器視角有以下幾種關(guān)系：</p><p>　　1）當(dāng)被測(cè)物體尺寸小于測(cè)試視角時(shí)，被測(cè)物體周圍輻射體輻射出來(lái)的能量就會(huì)進(jìn)入傳感器的測(cè)量區(qū)域，干擾測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，造成誤差。最終我們得到的溫度信息是被測(cè)物體和周圍事物溫度的加權(quán)平均值。因此，我們?cè)趯?shí)際測(cè)溫時(shí)，通常要求被測(cè)物體尺

65、寸一定要超過(guò)傳感器視角大小的50%。</p><p>　　2）當(dāng)被測(cè)目標(biāo)大于測(cè)試視角時(shí)，測(cè)溫裝置就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域以外事物干擾，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量被測(cè)物體位于傳感器視角內(nèi)確定面積的實(shí)際溫度，此時(shí)傳感器的測(cè)試效果最好。</p><p>　　3）當(dāng)被測(cè)目標(biāo)等于傳感器測(cè)試視角的時(shí)候，由于環(huán)境中臨近物體間的能量在不斷的傳遞，尤其是物體與物體直接相互接觸部位，所以此時(shí)被測(cè)物體溫度也受到一定程度影響，但一

66、般影響還比較小，測(cè)試效果相對(duì)可信。</p><p>　　從上述三種情況可看出在設(shè)計(jì)測(cè)溫裝置時(shí)需要對(duì)測(cè)量實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)地考察，確定被測(cè)物體對(duì)象的尺寸，選取合適的溫度傳感器視角，從而保證測(cè)量裝置的測(cè)量精度。</p><p><b>　?。?）測(cè)量距離</b></p><p>　　由于空氣中懸浮微粒，水蒸氣和其他氣體成分的存在，自然界中的所有能量的傳

67、遞都會(huì)有一定程度的衰減，被測(cè)物體輻射出的能量在傳送到傳感器的過(guò)程中同樣都會(huì)受到外界環(huán)境的干擾，造成能量衰減，衰減程度的大小與傳感器到被測(cè)物體的距離相關(guān)，距離越遠(yuǎn)衰減程度就越大。因此在使用紅外傳感器進(jìn)行溫度信號(hào)采集時(shí)，需要選取合適的距離。</p><p><b>　　（4）環(huán)境影響</b></p><p>　　紅外熱測(cè)溫的精確度還與環(huán)境溫度有很大的關(guān)系，被測(cè)對(duì)象處于一定

68、溫度的環(huán)境下，自身輻射能量的同時(shí)會(huì)吸收環(huán)境的輻射能量。大氣吸收，太陽(yáng)輻射等因素都會(huì)影響接收器對(duì)目標(biāo)紅外熱的接收效果。</p><p><b>　?。?）使用注意事項(xiàng)</b></p><p>　　①應(yīng)該準(zhǔn)確確定被測(cè)物體的發(fā)射率。</p><p>　?、诒苊庵車h(huán)境高溫物體對(duì)目標(biāo)溫度場(chǎng)的影響。</p><p>　?、蹖?duì)于透明

69、材料，環(huán)境溫度應(yīng)低于被測(cè)物體溫度。</p><p>　　④測(cè)溫距離不應(yīng)太大。</p><p>　　⑤不能應(yīng)用于表面非常光亮的物體。例如拋光的金屬表面，因?yàn)閽伖獾谋砻鏁?huì)造成較大誤差。</p><p>　　由于普通紅外測(cè)溫儀僅限于測(cè)量物體外表的溫度，對(duì)于物體內(nèi)部和存在有障礙物時(shí)的情況下的溫度不方便測(cè)量。為了解決這種直線測(cè)量的難題，所以我們可以在其檢測(cè)頭部加上一小段光導(dǎo)纖

70、維，同時(shí)在其前端裝一個(gè)小視角的透鏡，這樣被測(cè)物體的輻射就能夠經(jīng)過(guò)透鏡傳到光導(dǎo)纖維的內(nèi)部，在光導(dǎo)纖維里面經(jīng)過(guò)多次反射后最終傳至檢測(cè)器,這樣就可以測(cè)量有障礙物被擋住的地方的溫度。</p><p><b>　　2.4系統(tǒng)方案</b></p><p>　　以89C51單片機(jī)為控制中心，它負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)溫度測(cè)量、接收測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算溫度值、控制顯示過(guò)程；紅外測(cè)溫模塊負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采

71、集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)端口傳送給AT89C51單片機(jī)。紅外熱測(cè)溫系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1：紅外熱測(cè)溫系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　2.5 研究方法</b></p><p>　　紅外熱測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有三種方法，如果是對(duì)物體的全波長(zhǎng)的熱輻射進(jìn)行測(cè)量，從</p><p

72、>　　而確定物體的輻射溫度的方法稱之為全輻射測(cè)溫法；對(duì)物體在一定波長(zhǎng)下的單色輻射亮度進(jìn)行測(cè)量，從而來(lái)確定輻射物的亮度稱為亮度測(cè)溫法；對(duì)被測(cè)物體在兩個(gè)波長(zhǎng)下的單色輻射亮度之比隨溫度變化來(lái)定溫的方法稱為比色測(cè)溫法。</p><p>　　亮度測(cè)溫法不需要環(huán)境溫度補(bǔ)償，發(fā)射率誤差較小，所以測(cè)溫精度較高，但由于工作于短波段間，因此此方法只適于高溫物體的溫度測(cè)量。比色測(cè)溫法的光學(xué)系統(tǒng)可局部遮擋，受煙霧灰塵的影響比較小，

73、測(cè)溫誤差小，但必須選擇適當(dāng)波段，使波段的發(fā)射率相差不大。本文選用全輻射測(cè)溫法。通過(guò)TN9紅外溫度傳感器接收紅外熱輻射數(shù)據(jù)，傳至單片機(jī)內(nèi)處理后顯示在LCD顯示屏上。 </p><p><b>　　2.6 本章小節(jié) </b></p><p>　　本章內(nèi)容主要介紹了紅外熱測(cè)溫的原理以及應(yīng)遵循的理論依據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)溫原理推導(dǎo)出計(jì)算溫度的公式。同時(shí)對(duì)運(yùn)用紅外溫度傳感器測(cè)量溫度

74、時(shí)的一些重要影響因素和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)需要注意的事項(xiàng)，如何減小該系統(tǒng)溫度測(cè)量結(jié)果的誤差做了簡(jiǎn)要說(shuō)明。最后根據(jù)紅外熱測(cè)溫原理設(shè)計(jì)出了整個(gè)系統(tǒng)的總體方案，簡(jiǎn)要介紹了一些重要模塊的相關(guān)功能。</p><p>　　第3章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 單片機(jī)控制中心</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇以AT89C51單片機(jī)為系統(tǒng)的控制中心，此單片機(jī)模塊的工作原理

75、是：AT89C51單片機(jī)加載相應(yīng)程序的后把紅外測(cè)溫模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)加以處理，送LCD顯示屏顯示。下圖3-1是單片機(jī)處理模塊的電路原理圖:</p><p>　　圖3-1：?jiǎn)纹瑱C(jī)處理模塊電路圖</p><p>　　單片機(jī)作為紅外測(cè)溫系統(tǒng)的控制中心，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。因此它的選擇是非常重要的。本測(cè)溫儀選擇的AT89C51RC單片機(jī)，下面是AT89C51RC單片機(jī)相關(guān)資料信息：</p

76、><p>　　AT89C51指令代碼與8051單片機(jī)的完全兼容，具有12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期，我們可以根據(jù)具體需要任意選擇，AT89C51RC系列單片機(jī)具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，如此可以不用去購(gòu)買通用編程器，單片機(jī)在用戶系統(tǒng)上就能夠?qū)崿F(xiàn)用戶程序的下載與燒錄，無(wú)須將其從以生產(chǎn)好的產(chǎn)品上拆下。由于用戶可以在目標(biāo)系統(tǒng)上將程序直接下載進(jìn)系統(tǒng)查看運(yùn)行結(jié)果，故無(wú)須仿真器。 &l

77、t;/p><p>　　1、AT89C51RC單片機(jī)的特點(diǎn)：</p><p>　　1）增強(qiáng)型6時(shí)鐘/機(jī)器周期，12時(shí)鐘/機(jī)器周期8051 CPU；</p><p>　　2）工作電壓：3.8V-5.5V；</p><p>　　3）外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷；共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，定時(shí) </p><p>　

78、　器0還可以當(dāng)成2個(gè)8位定時(shí)器使用；</p><p>　　4）工作頻率范圍：0-40MHz；</p><p>　　5）4k的Flash程序存儲(chǔ)器；</p><p>　　6）片上集成512字節(jié)RAM；</p><p>　　7) ISP/IAP；</p><p>　　8) 通用I/O口，P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱

79、上拉，作為I/O口用時(shí)需要加上拉電阻； </p><p>　　2、AT89C51各引腳的功能描述如下：</p><p>　　（1）XTAL1——輸入到振蕩器的反向放大器；</p><p>　　XTAL2——反向放大器輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。</p><p>　?。?）RST：?jiǎn)纹瑱C(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端；</p><p

80、>　?。?）ALE: 地址鎖存有效信號(hào)輸出端；</p><p>　?。?）：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端。</p><p><b>　　3、晶振電路</b></p><p>　　晶振電路圖如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2：晶振電路圖</p><p>　　晶振為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘

81、信號(hào)，供單片機(jī)的CPU和AD進(jìn)行數(shù)據(jù)處理使用，電路中的電容C1和C2的選擇在30PF左右，但是如果電容太小會(huì)影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。頻率越高單片機(jī)的速度就越快，但對(duì)存儲(chǔ)器速度要求就高，采用的晶振頻率為32.768KHZ。</p><p><b>　　4、復(fù)位電路</b></p><p>　　復(fù)位電路圖如圖3-3所示： </p><

82、;p><b>　　圖3-3：復(fù)位電路</b></p><p>　　單片機(jī)長(zhǎng)期工作難免會(huì)出死機(jī)，因此對(duì)單片機(jī)要進(jìn)行定時(shí)的復(fù)位操作。復(fù)位電路由電阻、電容、二極管以及按鍵組成如圖 3-3，3.3V接到二極管然后再接按鍵接地。電容和電阻組成上電復(fù)位，當(dāng)單片機(jī)上電時(shí)自動(dòng)復(fù)位，而在單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中則通過(guò)按鍵S進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。</p><p>　　3.2 紅外測(cè)溫傳感器<

83、/p><p>　　此紅外測(cè)溫模塊采用非接觸式方法，解決了傳統(tǒng)測(cè)溫中需要接觸的問(wèn)題，具有回應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中選擇合適的紅外檢測(cè)器已成為一個(gè)重要問(wèn)題。首先考慮的是器件的以下性能參數(shù):光譜響應(yīng)范圍、響應(yīng)速度、有效檢測(cè)面積、元件數(shù)量和檢測(cè)目標(biāo)的溫度。</p><p>　　本紅外測(cè)溫儀選用了TN9的紅外探測(cè)器作為測(cè)溫模塊，它是一種集成的紅外熱探測(cè)器，內(nèi)部設(shè)計(jì)有溫度補(bǔ)償電路和

84、熱性處理電路，因此簡(jiǎn)化了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 它的測(cè)量距離大約為30米，測(cè)量的回應(yīng)時(shí)間大概為0.5秒。而且它還同時(shí)具備SPI接口，可以很方便地與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送工作。其相關(guān)資料如下：</p><p>　　1、紅外測(cè)溫傳感器的引腳介紹</p><p>　　圖3-4 紅外測(cè)溫傳感器引腳圖</p><p>　　紅外測(cè)溫傳感器引腳圖如圖3-4所示，其中V為電源引腳VCC，VC

85、C一般為3V到5V之間大小的電壓，但是該系統(tǒng)采用的是5V電壓；D為數(shù)據(jù)接收引腳，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)接收時(shí)D就為高電平；C就為2KHz Clock輸出引腳；G為接地引腳；A為測(cè)溫啟動(dòng)信號(hào)引腳，低電平有效。當(dāng)它通過(guò)紅外溫度傳感器掃描被測(cè)物體，同時(shí)把相應(yīng)的紅外輻射數(shù)據(jù)通過(guò)P1.5、P1.6和P1.7口傳送給單片機(jī)模塊處理。TN9直流參數(shù)如表3-1所示：</p><p>　　表3-1：TN9直流參數(shù)</p>&l

86、t;p>　　表3-2 ：TN9測(cè)試條件及范圍參數(shù)表 </p><p>　　2 紅外測(cè)溫模塊時(shí)序圖</p><p>　　紅外測(cè)溫模塊的時(shí)序圖如圖3-5所示，為SPI數(shù)據(jù)格式，TN9在時(shí)鐘的下降沿接收數(shù)據(jù)，在完成一次溫度測(cè)量的過(guò)程中需要接收5個(gè)字節(jié)大小的數(shù)據(jù)，接收正確時(shí)Sum=Item+MSB+LSB；CR稱為結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)CR為0x0dH時(shí)表示完成一次溫度

87、數(shù)據(jù)接收。 </p><p>　　一幀數(shù)據(jù)包括5個(gè)Byte，每個(gè)Byte具體代表含義如下： </p><p>　　Item：“L”(4CH): 代表目標(biāo)溫度，“f”(66H): 代表環(huán)境溫度 </p><p>　　MSB：8 bit Data Msb </p><p>　　LSB：8 bit

88、 Data Lsb </p><p>　　Sum：Item+MSB+LSB=SUM </p><p>　　CR： 0DH,結(jié)束碼 </p><p>　　3 紅外測(cè)溫模塊溫度值的計(jì)算</p><p>　　不管我們測(cè)量的是環(huán)境溫度還是目標(biāo)溫度，只要我們檢測(cè)到Item為0x4cH或0x66H的同時(shí)檢測(cè)到CR為0x0dH，那么它們的溫度的計(jì)算原理和方

89、法都是相同的。計(jì)算公式為 ：</p><p>　　溫度 = Temp/16 – 273.15 （3-1）</p><p>　　其中Temp為十進(jìn)制，但是測(cè)量結(jié)果卻為十六進(jìn)制，我們把它直接轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制即可。TN9電路模塊如圖3-6所示：</p><p>　　圖3-6：TN9紅外測(cè)溫模塊電路</p><p>&

90、lt;b>　　3.3電源模塊</b></p><p>　　單片機(jī)是直流5V供電，所以需要對(duì)交流電進(jìn)行降壓整流，采用LM7805整流得到5V直流供給單片機(jī)使用，電路圖如下圖3-7：</p><p>　　圖3－7：整流電源電路</p><p>　　3.4 RS232電路轉(zhuǎn)換模塊</p><p>　　因?yàn)閱纹瑱C(jī)中的UART和電腦串

91、口RS232的區(qū)別僅在于電平類型的不同,電腦串口采用的是RS232電平,而單片機(jī)UART則采用TTL電平,所以如果不進(jìn)行單片機(jī)與電腦串口之間的電平轉(zhuǎn)換,它們就不能直接進(jìn)行通信。</p><p>　　我們通過(guò)RS232轉(zhuǎn)換電路如此單片機(jī)就可以方便的同PC機(jī)進(jìn)行串口通信，可以同時(shí)接收或傳送外部送來(lái)的數(shù)據(jù)。MAX232對(duì)單片機(jī)與電腦串口兩者之間通信的數(shù)據(jù)沒(méi)有其他任何作用,只是負(fù)責(zé)將兩者之間的電平進(jìn)行統(tǒng)一,只要電平統(tǒng)一了

92、,兩者之間就可以進(jìn)行直接通信,所以我采用了MAX232這一芯片。但是進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿足一定的條件，因?yàn)镽S232電路是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)的,然而TTL卻是用高低電平來(lái)表示邏輯狀態(tài)的,因此,為了能夠和PC機(jī)接口或終端的TTL器件相連接,必須在RS232與TTL電平之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。近年來(lái)集成電路轉(zhuǎn)換器件的使用越來(lái)越廣泛。RS-232被普遍定義為一種在低速串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)通信。RS232轉(zhuǎn)換電路圖如圖3-8所示：&l

93、t;/p><p>　　圖3-8：RS232轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　MAX232芯片是專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換的芯片,使用+5v單電源供電。圖3-8所示RXD和TXD接單片機(jī)相應(yīng)接口。MAX232引腳圖如圖3-9所示：</p><p>　　圖3-9：MAX232引腳圖</p><p>　　3.5 LCD顯示模塊&

94、lt;/p><p>　　液晶顯示器簡(jiǎn)稱LCD顯示器，液晶顯示模塊是一種常見(jiàn)的人機(jī)界面，在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用極其廣泛。本系統(tǒng)采用的是1602的LCD接口。1602是一種點(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊，可以顯示兩行共32個(gè)字符。因?yàn)長(zhǎng)CD型號(hào)不同，所需要的背光電阻大小也會(huì)不同，根據(jù)具體要求可自行調(diào)節(jié)。其主要引腳的功能如下：</p><p>　　RS：數(shù)據(jù)/命令選擇端，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇指

95、令寄存器。</p><p>　　RW：讀/寫信號(hào)選擇端，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作</p><p>　　E：使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。</p><p>　　LCD顯示電路與單片機(jī)連接圖如圖3-10所示： </p><p>　　圖3-0： LCD顯示電路與單片機(jī)的連接示意圖 &

96、lt;/p><p>　　系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)如圖3-11所示 ： </p><p>　　圖3-11： 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電路圖</p><p>　　3.6 硬件電路功能</p><p>　　系統(tǒng)硬件電路主要完成溫度信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)處理、溫度顯示四大功能，因此可以將硬件電路分為以下四個(gè)模塊：</p><p><b>

97、　　1、信號(hào)采集</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用具有安全、準(zhǔn)確、快速等優(yōu)點(diǎn)的TN9系列數(shù)字紅外溫度傳感器進(jìn)行溫度信號(hào)采集。紅外溫度傳感器感知被測(cè)物體的溫度和環(huán)境溫度，然后通過(guò)內(nèi)部調(diào)理電路處理，分別將被測(cè)物體紅外輻射能量和環(huán)境溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)和電阻信號(hào)，再送入后續(xù)調(diào)理電路進(jìn)行相應(yīng)處理。</p><p><b>　　2、信號(hào)處理</b></

98、p><p>　　紅外溫度傳感器輸出被測(cè)目標(biāo)溫度信號(hào)大都為毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)的電壓信號(hào)，其輸出信號(hào)攜帶大量噪聲，因此在進(jìn)行后續(xù)處理前首先應(yīng)該對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯鬄V波處理，濾除噪聲，放大有用信號(hào)。此外，由于單片機(jī)只對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理因此該模塊同時(shí)還完成電阻值信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　3、數(shù)據(jù)處理</b></p><p>　　

99、由前兩部分電路輸出的信號(hào)都是模擬信號(hào)，而單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，因此需要先將溫度信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)才能送入單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)將所接收的數(shù)字信號(hào)通過(guò)一定的算法轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值。</p><p><b>　　4、溫度顯示</b></p><p>　　采用LCD對(duì)被測(cè)物體溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)數(shù)據(jù)交互，方便對(duì)信息的查詢。</p>&

100、lt;p><b>　　3.7 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案、元器件型號(hào)的選擇以及每一模塊的具體原理圖設(shè)計(jì)。選擇元器件時(shí)對(duì)該系統(tǒng)中主要的器件相關(guān)參數(shù)以及主要功能進(jìn)行了詳細(xì)的描述，對(duì)其他未介紹的模擬器件將根據(jù)電路制作實(shí)際情況而定。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)，本章應(yīng)用Proutues畫出相應(yīng)的模塊的電路原理圖，原

101、理圖布線。</p><p><b>　　第4章 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 軟件總體設(shè)計(jì)</p><p>　　紅外熱輻射測(cè)溫系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，包含了TN9紅外測(cè)溫傳感器軟件設(shè)計(jì)、AD轉(zhuǎn)換初始化、LCD顯示初始化、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換初始化、時(shí)鐘初始化、UART初始化等幾部分。LCD顯示部分負(fù)責(zé)將被測(cè)溫度和環(huán)境溫度在LCD對(duì)應(yīng)位置顯

102、示出來(lái)。數(shù)據(jù)處理采用取8次轉(zhuǎn)換結(jié)果求平均的方式，目的是為了減小因數(shù)據(jù)的波動(dòng)和AD轉(zhuǎn)換的隨機(jī)性誤差對(duì)結(jié)果造成的偏差；被測(cè)物體溫度根據(jù)環(huán)境溫度，同樣采取結(jié)合計(jì)算與查表的方式來(lái)獲取。系統(tǒng)軟件流程如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1：軟件流程圖</p><p><b>　　4.2時(shí)鐘初始化</b></p><p>　　AT89C51基礎(chǔ)時(shí)鐘

103、模塊提供3種時(shí)鐘信號(hào):</p><p>　　(1)MCLK是主時(shí)鐘，其來(lái)自XTZCLK、LFXTICLK以及DCO信號(hào)經(jīng)過(guò)l、2、4或8分頻后得到，MCLK用于CPU和系統(tǒng)使用。</p><p>　　(2)ACLK是輔助時(shí)鐘，ACLK也是LFXTICLK信號(hào)經(jīng)1、2、4或8分頻后得到的，可用軟件選擇分頻數(shù)，可通過(guò)軟件選作外圍設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)。</p><p>　　(3

104、)SMCLK子時(shí)鐘，SMCLK同MCLK主時(shí)鐘一樣可通過(guò)軟件選擇來(lái)自XTZCLK、LFXTICLK以及DCO信號(hào)經(jīng)l、2、4或8分頻后得到， SMCLK由軟件選作外圍模塊的時(shí)鐘信號(hào)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘信號(hào)由32.768MHZ的低速晶體整蕩器產(chǎn)生，時(shí)鐘初始化程序如下：</p><p>　　void int_clock(void)</p><p><

105、;b>　　{</b></p><p>　　if (CALBC1_8MHZ ==0xFF || CALDCO_8MHZ == 0xFF) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　while(1); </p>&l

106、t;p><b>　　}</b></p><p>　　BCSCTL1 = CALBC1_8MHZ; // 設(shè)置DCO為8MHz</p><p>　　DCOCTL = CALDCO_8MHZ;</p><p>　　P5DIR |= 0x78; // 將P5.6、5、4、3 設(shè)置為輸出</p><p>　　P5SEL |

107、= 0x70; // 選擇P5.6、5、4 </p><p><b>　　}</b></p><p>　　因?yàn)橥饧泳д裼锌赡軙?huì)出現(xiàn)不起振的情況，所以在程序中加入了對(duì)DOC振蕩器進(jìn)行初始化。當(dāng)外部晶振失效的時(shí)候系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟用DOC振蕩器，同時(shí)將其頻率設(shè)為8MHZ，供系統(tǒng)使用。程序?qū)5端口的4、5、6腳設(shè)置為輸出，來(lái)作為檢測(cè)三種時(shí)鐘信號(hào)的測(cè)試口。</p>

108、<p>　　4.3 LCD顯示初始化</p><p>　　LCD的作用是將系統(tǒng)測(cè)得被測(cè)物體的實(shí)時(shí)溫度信息顯示出來(lái)，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的LCD1602液晶顯示在使用前首先得對(duì)它的顯示方式、操作方法等初始化。本設(shè)計(jì)中需要對(duì)LCD的顯示方式，光標(biāo)顯示，字符顯示進(jìn)行初始化，具體程序見(jiàn)附錄2,LCD顯示初始化的流程框圖如圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2：LCD顯示初始化流程框圖

109、</p><p>　　4.4 UART初始化</p><p>　　通用串行同步/異步(UART)是一個(gè)串行通信接口，它允許7或8位串行位數(shù)據(jù)流以預(yù)設(shè)的速率或外部時(shí)鐘確定的速率移入、移出AT89C51單片機(jī)。在本系統(tǒng)中，使用它的異步模式UART，數(shù)據(jù)幀格式被定義為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)。軟件程序如下：</p><p>　　void init_uart(vo

110、id)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　UCA0CTL1 = UCSWRST; //初始化UCA0</p><p>　　UCA0CTL1 |= UCSSEL_1; //串口通信時(shí)鐘為ACLK</p><p>　　UCA0BR0 = 0x03; //波特率為9600</p><

111、;p>　　UCA0BR1 = 0x00;</p><p>　　UCA0MCTL = 0x06;</p><p>　　P3SEL = 0x30; //將P3.4、5設(shè)置為串口通信模式</p><p>　　UCA0CTL1 &= ~UCSWRST; //初始化UCA0狀態(tài)機(jī)</p><p>　　IE2 |= UCA0RXIE; //

112、使能UCA0接收中斷</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　4.5 串口設(shè)置</b></p><p>　　串口設(shè)置主要是對(duì)串口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，要完成上位機(jī)與硬件電路的通信，必須保證兩者間的數(shù)據(jù)幀格式、比特率特性完全相同。串口設(shè)置程序如下：</p><p>　　void C

113、TePomDlg::SetCom()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　CString strtemp;</p><p><b>　　int i;</b></p><p>　　UpdateData (TRUE); //讀取編輯框內(nèi)容</p><p>