紅外測溫儀系統(tǒng)課程設(shè)計

1、<p>　　《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》</p><p><b>　　課程設(shè)計說明書</b></p><p>　　課設(shè)題目 紅 外 測 溫 儀 </p><p><b>　　班 級</b></p><p>　　姓 名

2、 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　時 間 </p><p><b>　　摘 要</b>&l

3、t;/p><p>　　紅外測溫技術(shù)在生產(chǎn)過程，產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測，設(shè)備在線故障診斷和安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。它打破了傳統(tǒng)的測溫模式，并且具備不影響被測物體溫度場、溫度分辨率高、回應(yīng)速度快、測量精度高、測量范圍廣、不受測溫上限的限制、穩(wěn)定性好和可同時測量環(huán)境溫度和目標溫度的特點，測量距離可達30米左右。</p><p>　　紅外測溫近年來在醫(yī)療、家庭自動化、汽車電子、航空和軍

4、事上得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　本設(shè)計的紅外測溫儀系統(tǒng)是一種方便用戶使用的溫度測量工具，功能穩(wěn)定，運行速度快，可以作為一個簡易的非接觸式體溫測量計使用。系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測、顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度信息并具備聲光報警等功能。</p><p>　　本系統(tǒng)主要是采用MLX90614紅外測溫傳感器和AT89C51單片機來實現(xiàn)的，單片機通過SMbus 方式與 LX90615 進行通信，將讀出的溫度

5、數(shù)據(jù)進行處理，之后驅(qū)動LCD 模塊顯示測量溫度 </p><p>　　關(guān)鍵詞：紅外線溫度測量，MLX90614傳感器，LCD1602液晶顯示，AT89C51單片機</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題開發(fā)的背景和現(xiàn)

6、狀</p><p>　　1.2課題開發(fā)的目的和意義</p><p>　　1.3 課題技術(shù)性能指標</p><p>　　2 紅外測溫工作原理</p><p>　　4 系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇</p><p><b>　　4.1 方案選擇</b></p><p><b>　

7、　4.1.1 方案一</b></p><p><b>　　4.1.2 方案二</b></p><p>　　4.1.3 方案對比選擇</p><p>　　4.2 總體方案設(shè)計</p><p>　　3系統(tǒng)主要器件的方案選擇</p><p>　　3.1 傳感器的方案選擇</p>

8、<p>　　3.1.1 紅外探測器的分類</p><p>　　3.1.2 傳感器的選擇</p><p>　　3.2 顯示器的方案選擇</p><p>　　3.3 單片機的方案選擇</p><p>　　5 系統(tǒng)各模塊硬件設(shè)計</p><p><b>　　5.1 系統(tǒng)主電路</b><

9、/p><p>　　5.2 MCU主控模塊</p><p>　　5.3 紅外溫度測量模塊</p><p>　　5.3.1 MLX90614的特性</p><p>　　5.3.2 MLX90614的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　5.3.3 MLX90614的接口電路</p><p><b>　

10、　5.4 電源模塊</b></p><p>　　5.5 聲光報警模塊</p><p>　　5.6 LCD顯示模塊</p><p>　　6 系統(tǒng)軟件設(shè)計 </p><p>　　6.1 MLX90614的SMBus傳輸協(xié)議</p><p><b>　　6.2 軟件流程圖</b></

11、p><p><b>　　6.3 主程序設(shè)計</b></p><p>　　7 系統(tǒng)誤差分析與改進方法</p><p>　　8 課程設(shè)計心得體會</p><p><b>　　9 參考文獻</b></p><p><b>　　附錄</b></p>&

12、lt;p><b>　　1 總電路圖</b></p><p><b>　　2 元器件清單</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1．1 課題開發(fā)的背景和現(xiàn)狀</p><p>　　紅外輻射這一物理現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)在1800年，但直到本世紀5

13、0年代，紅外技術(shù)才開始進入廣泛應(yīng)用的階段。非接觸測溫技術(shù)也叫輻射測溫，最早的非接觸測溫就是以光學(xué)高溫計為代表的高溫法，以后，人們根據(jù)斯蒂芬.玻爾茲曼公式，利用黑體輻射能與熱力學(xué)溫度的關(guān)系進行測溫，這就是全輻射測溫和部分輻射測溫法，還有的人在光學(xué)高溫計上進行改進，出現(xiàn)了光電高溫計、紅外溫度計等。</p><p><b>　　紅外測溫優(yōu)點如下：</b></p><p>　

14、　1.它的測量不干擾被測溫場，不影響溫場分布，從而具有較高的測量準確度。</p><p>　　2.測溫范圍寬，在理論上無測量上限，可以測量相當(dāng)高的溫度</p><p>　　3.探測器的響應(yīng)時間短，反應(yīng)速度快，易于快速與動態(tài)測量</p><p>　　4.不必接觸被測物體，操作方便</p><p>　　5.可以確定微小目標的溫度</p>

15、;<p>　　隨著工農(nóng)業(yè)、國防事業(yè)、醫(yī)學(xué)的發(fā)展，對溫度測量越來越迫切。紅外測溫技術(shù)在生產(chǎn)過程中，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測，設(shè)備在線故障診斷和安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。近20年來，國內(nèi)紅外溫度測量在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴大，市場占有率逐年增長。 比起接觸式測溫方法，紅外測溫有著響應(yīng)時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優(yōu)點。</p><

16、p>　　但是比起國外，我們?nèi)蕴幱谄鸩酵?，高度低的狀況，就溫度儀來說，美國紅外線測溫儀型 號: Fluke 62 Mini(非接觸式溫度測量) 特 點: 較寬的溫度范圍到500℃；高光學(xué)分辨率；激光瞄準；高精度；背景光顯示；同時顯示測量的最大值 溫度范圍: -30-500℃(932℉) 精 度: 10C-30℃（50F-86℉）時為±1℃（±2℉），德國一家公司制造的，響應(yīng)時間因為一秒鐘，日本的溫度測量技術(shù)精確度

17、遠遠領(lǐng)先世界同種技術(shù)。</p><p>　　1.2 課題開發(fā)的目的和意義</p><p>　　為了克服傳統(tǒng)的溫度計測量溫度的主要缺點——需要測量者與被目標近距離接觸和測量不方便。在顧及儀器測量高精度前提下，以追求最低成本為原則，本文設(shè)計紅外測溫的整體系統(tǒng)構(gòu)架。接著根據(jù)紅外測溫原理，主要針對人體體溫測量進行了具體的設(shè)計開發(fā)．開發(fā)包括硬件電路，外圍工藝，單片機程序和主機程序，對人體的溫度測量

18、的誤差低于±o．1℃。</p><p>　　紅外測溫為測量各種溫度提供了快速、紅外測量手段，可廣泛、有效地用于密集人群的體溫測量。紅外測溫針對特定人群，比如兒童或老人，極其方便。此次設(shè)計的體溫測量計可以數(shù)字的方式顯示出測量結(jié)果，使測量過程變得直觀，而且具有較高的靈敏度，可以在幾秒鐘內(nèi)測得結(jié)果，且壽命長，是較為理想的測溫器。</p><p>　　在本設(shè)計中，整合大學(xué)所學(xué)的各種專業(yè)知

19、識，并運用到實際生活中，并在其中應(yīng)用了當(dāng)今的新技術(shù)，此設(shè)計能跟上科技大潮的步伐。紅外測溫現(xiàn)在應(yīng)用日益廣泛，在生活中應(yīng)用很多。在我國甲流、SARS時，紅外測溫是最常用的測量技術(shù)，無接觸，不感染，對人們戰(zhàn)勝疾病，起到很重要的作用。無論是過去還是將來，紅外測溫應(yīng)用必將日益廣泛。本設(shè)計就是基于這種思路，從基礎(chǔ)入手，利用紅外測溫技術(shù)，提高了測溫的距離，和測溫的范圍，在傳統(tǒng)測溫的基礎(chǔ)上更進一步。本設(shè)計在人們的生活中，會得到推廣并應(yīng)用與各個領(lǐng)域。&l

20、t;/p><p>　　1.3 課題的技術(shù)性能指標</p><p><b>　　1 題目說明</b></p><p>　　測溫方式一般可以分為接觸式和非接觸式測溫。接觸式測溫優(yōu)點是簡單、可靠、測量精度高，但只能測量被測物體與測溫傳感器達到熱平衡后的溫度，所以缺點就是響應(yīng)時間長、易受環(huán)境溫度的影響；而紅外測溫是根據(jù)被測物體的紅外輻射能量來確定物體的溫度

21、，不需與被測物體接觸，具有不影響被測物體溫度場、溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、測溫范圍廣、不受測溫上限的限制、穩(wěn)定性好等特點，近年來在醫(yī)療、家庭自動化、汽車電子、航空和軍事上得到廣泛應(yīng)用。因此，設(shè)計一套紅外測溫系統(tǒng)，可以作為一個簡易的非接觸式溫度測量計使用。系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r檢測、顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度信息，并具備報警等功能。</p><p><b>　　2 技術(shù)要求</b></p>&l

22、t;p>　　溫度測量范圍—20℃~+50℃ 精度為±0.1℃；</p><p><b>　　采用紅外測溫方式；</b></p><p>　　從便于攜帶方面考慮，選用體積小、耗能少的液晶顯示器顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度信息。</p><p>　　2 紅外測溫工作原理 </p><p>　　紅外測溫是輻射式測溫的

23、一種，是利用物體的熱輻射現(xiàn)象來測量物體溫度的。紅外輻射的基本依據(jù)是玻耳茲曼、普朗克等人的黑體輻射定律。黑體是一種理想物體，它們在相同的溫度下都發(fā)出同樣的電磁波譜，而與黑體的具體成分和形狀等特性無關(guān)，通過實現(xiàn)和計算得出黑體輻射定律。</p><p>　　一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻

24、射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。</p><p>　　物體發(fā)射率對輻射測溫的影響：自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體。所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實際物體，必須引入一個與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)表示實際

25、物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數(shù)值之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。</p><p>　　影響發(fā)射率的主要因素在：</p><p><b>　　材料種類</b></p><p><b>　　表面粗糙度</b></p><p><b

26、>　　理化結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　材料厚度</b></p><p>　　自然界一切溫度高于絕對零度(一273．15℃)的物體，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合基爾霍夫輻射定律。只要測量出所發(fā)射的E，就可得出溫度，這就是紅外測溫的原理。利用這個原理制成的溫度測量儀表在測量時不需要與被測對象接觸，因此屬于非接觸式測量。紅外測溫范圍

27、很寬，從一5O℃直至高于3 000℃。在不同的溫度范圍，對象發(fā)出的電磁波能量的波長分布不同，在常溫(0—100℃)范圍，能量主要集中在中紅外和遠紅外波長。本設(shè)計選用的MLX90614紅外測溫傳感器，測溫范圍為-70℃—380℃。</p><p>　　當(dāng)用紅外線測溫，測量目標的溫度時首先要測量出目標在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，紅外能量被紅外溫度傳感器接收，并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照

28、系統(tǒng)內(nèi)部的算法校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標的溫度值，然后由測溫系統(tǒng)計算出被測目標的溫度。</p><p>　　4 系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇</p><p><b>　　4.1 方案選擇</b></p><p><b>　　4.1.1 方案一</b></p><p>　　在該方案中，系統(tǒng)可以分為模擬紅外溫度傳感器（

29、內(nèi)含環(huán)境溫度測量）模塊、放大電路模塊、AD轉(zhuǎn)換電路模塊、MCU主控模塊、聲光報警模塊、LED顯示模塊和電源模塊。如下圖4.1所示。所謂的模擬傳感器就是傳感器的輸出是模擬量，而不是可以直接進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字量，所以他需要通過信號放大和AD轉(zhuǎn)換等處理才能傳輸給單片機進行相關(guān)的處理。</p><p>　　圖4.1 方案一的系統(tǒng)框圖</p><p>　　首先模擬紅外溫度傳感器接收人體發(fā)出的紅外線，

30、然后經(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸出對應(yīng)的電壓值，傳感器同時通過片上溫度傳感器測量環(huán)境溫度/傳感器溫度。這兩個紅外溫度傳感器的輸出量通過放大電路和AD轉(zhuǎn)換電路處理后傳輸?shù)組CU模塊進行相關(guān)的處理（軟件濾波、黑體校定等），然后通過LED模塊顯示相應(yīng)的人體溫度。</p><p><b>　　4.1.2 方案二</b></p><p>　　該方案與第一個方案的最大區(qū)別是：在本方案中采用數(shù)字紅

31、外溫度傳感器代替模擬紅外溫度傳感器。由于數(shù)字紅外傳感器內(nèi)部集成了運放電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、濾波電路和數(shù)字信號處理器，所以只需通過傳感器的數(shù)據(jù)接口就可以把傳感器所測量的人體溫度數(shù)據(jù)直接傳輸給MCU主控模塊處理并顯示。系統(tǒng)框圖如下圖3.2所示</p><p>　　圖4.2 方案二的系統(tǒng)框圖</p><p>　　4.1.3方案對比選擇</p><p>　　對于方案一，模擬

32、傳感器的成本相對要低，而且整個系統(tǒng)設(shè)計的自由度相對要高一些，但是也使得系統(tǒng)電路變的更為復(fù)雜。例如集成運放電路要用到雙電源供電，這就使得電源模塊的設(shè)計變得復(fù)雜、功耗變大和效率變得更低，這對于使用電池供電的便攜式系統(tǒng)是不利的。同時在軟件設(shè)計方面，要涉及到濾波處理、溫度線性校準處理和黑體校定等，這使得設(shè)計工量大大增加。而且對于開發(fā)者的開發(fā)環(huán)境要求較高，例如要具備黑體校定的設(shè)備等。</p><p>　　而雖然在方案二里采

33、用的數(shù)字傳感器的成本相對模擬傳感器的較高，但整個系統(tǒng)的設(shè)計相對簡單，數(shù)字紅外溫度傳感器可以與MCU直接相連接（需要接上拉電阻），由于不需要額外的集成運放電路，所以也不需要用到雙電源供電，因而使得電源模塊的設(shè)計簡化，電池的利用效率更高。由于該方案的電路簡單且集成度高，所以功耗更低。而且相比第一個方案，無需黑體校正。所以開發(fā)時間要比方案一少。這也意味著方案的總體成本（硬件成本、開發(fā)時間成本等）其實要比方案一要低。</p>&l

34、t;p>　　綜上所述，本次設(shè)計采用方案二更合理。</p><p>　　4.2 總體方案設(shè)計</p><p>　　經(jīng)過論證對比后，本次設(shè)計選擇了方案二的設(shè)計。在該方案里，整個系統(tǒng)從硬件上可以分成5個子模塊：分別是紅外溫度測量模塊、MCU主控模塊、聲光報警模塊、LCD顯示模塊和電源模塊（如圖4.2所示）。</p><p>　　其中本系統(tǒng)的紅外測溫傳感器采用Mele

35、xis公司設(shè)計生產(chǎn)的低成本紅外溫度測量數(shù)字傳感器——MLX90614。MLX90614中的紅外溫度傳感元件是工業(yè)級硅片，它帶有的一個薄型微機械加工隔膜來過濾掉環(huán)境紅外線的影響，環(huán)境溫度由芯片內(nèi)置的熱電偶測得。定制的內(nèi)置信號調(diào)節(jié)芯片放大微小的熱電偶電壓并將其數(shù)字化，通過使用芯片EEPROM存儲器中儲存的生產(chǎn)廠設(shè)定校準參數(shù)，計算出物體的溫度。數(shù)字輸出溫度是完全線性化并對環(huán)境溫度進行過補償?shù)摹Ｍㄟ^SMBus或連續(xù)的PWM信號，傳感器將結(jié)果輸送

36、到使用者應(yīng)用中。整個溫度計系統(tǒng)封裝在一個金屬罐中。對于OEM制造商來說，這些特性提供如下的優(yōu)點：不需要昂貴的外部組件，能夠輕松將傳感器整合到應(yīng)用電路（PCB）上。這種自容式系統(tǒng)解決了微小電壓信號、環(huán)境影響和電磁兼容性的設(shè)計難題，否則這些因素會導(dǎo)致紅外線溫度測量的很多困難和麻煩。同目前市場上的其它紅外線解決方案相比，高度的集成化使得MLX90614更具價格優(yōu)勢。</p><p>　　本系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能： 實時檢

37、測、顯示當(dāng)前所測溫度信息和聲光報警等。</p><p>　　3 系統(tǒng)主要器件的方案選擇</p><p>　　3.1 傳感器的方案選擇</p><p>　　3.1.1 紅外探測器的分類</p><p>　　紅外探測時紅外測溫儀的重要組成部分，它對測量的精度和范圍有著重要的意義。它可以分為熱探測儀和電子探測儀兩大類。熱探測儀分為熱電堆探測器、光

38、電導(dǎo)探測器、光生伏特器和光電磁探測器等，而光子探測器則分為光電子發(fā)射器、光電導(dǎo)探測器、光生伏特器和光電磁探測器等。</p><p>　　熱電堆探測器采用熱電堆為探測元件，利用塞貝爾效應(yīng)，測量比較準確。熱敏電阻探測儀是根據(jù)物體受熱后電阻會發(fā)生變化的性質(zhì)而制成的紅外探測器，它可以響應(yīng)從X射線到微波波段的整個范圍，可在室溫下正常工作，但由于其時間常數(shù)大，只適用于響應(yīng)速度不高的 場合。氣體探測器是氣室內(nèi)的吸收膜吸收紅外輻

39、射升溫，加熱工作氣體，由氣體膨脹給出電信號。熱釋電效應(yīng)工作的探測器，其響應(yīng)速度雖不如光子型 ，但由于它在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬、靈敏度與波長無關(guān)，因此其應(yīng)用領(lǐng)域廣、容易使用。常用熱釋電探測器有硫酸三甘鈦探測器、鈮酸鍶鋇探測器等。</p><p>　　紅外光子探測器是利用光子效應(yīng)制成的紅外探測器。常用的光子探測器有光電二極管、光敏二極管、Insb光電磁探測器。紅外光子探測器的主要缺點是需要制冷，因為它需

40、要制冷來抑制由于熱運動而產(chǎn)生的自由載流子。新一代近室溫光電探測器利用排斥效應(yīng)、提取效應(yīng)以及磁集中效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)耗盡，實現(xiàn)非制冷條件下的紅外探測。</p><p>　　3.1.2 傳感器的選擇</p><p>　　方案一 采用紅外線溫度傳感器IRTR。IRTR系列紅外傳感器是一種集成的多用途工業(yè)傳感器，因此不能用人體測溫，故不用此方案。</p><p>　　方案二

41、采用熱釋電紅外線傳感器D203S。該型傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。但這種傳感器一般用于開關(guān)電路，紅外防盜報警等方面，若要用于測量體溫，則需要加入步進電機等進行斬光處理，硬件上的復(fù)雜性決定了它的穩(wěn)定性不高，故不選此方案。</p><p>　　方案三 采用熱電堆紅外傳感器MLX90614,MLX90614是Melexis公司生產(chǎn)的并集成了放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換等功能

42、的非接觸式紅外溫度傳感器。它以非接觸的方式檢測物體發(fā)射出來的紅外線能量，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號輸出。由于MLX90614具有較小的熱慣性和較高的靈敏度，因此非常適合醫(yī)學(xué)測溫，故選方案三。</p><p>　　3.2 顯示器的方案選擇</p><p>　　方案一 選用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有耗能低、電壓低、壽命長、對外界環(huán)境要求低等優(yōu)點，但其也有電路復(fù)雜、占用資源較多、顯示信息少、不宜顯

43、示大量信息等缺點，故不選此方案。</p><p>　　方案二 選用液晶顯示器顯示。液晶顯示器與數(shù)碼管相比，有以下明顯的優(yōu)點：微功耗、尺寸小、顯示信息量大、字跡美觀、視覺舒適而且容易控制。而本系統(tǒng)需要顯示直觀的信息，并且顯示的信息量比較大，所以應(yīng)選用顯示功能更好的液晶顯示器，故選擇方案二。</p><p>　　3.3 單片機的方案選擇</p><p>　　方案一 采

44、用MCS-51單片機。傳統(tǒng)的單片機具有價格低廉、易于掌握等特點，但也有功能單一、RAM、ROM空間小等缺點，故不選此方案。</p><p>　　方案二 采用AT89C51單片機。AT89C51與MCS-51單片機的基本結(jié)構(gòu)是一樣的，編程所使用的指令以及單片機的管腳都與MCS-51單片機相同，即完全兼容。由于采用了Flash工藝制作的內(nèi)部存儲器，用戶可以用電的方式進行反復(fù)快速擦除、改寫，這給初學(xué)者在設(shè)計中提供了極大

45、的方便。故選方案二。</p><p>　　在嵌入式領(lǐng)域中有多種微處理器可以選擇，比如FPGA、DSP、單片機、ARM等，在這些處理器中單片機的價格最低，性能適中，適合此類場合。下面對一些常用的單片機類型進行說明：</p><p>　　(1) 51系列單片機。</p><p>　　51單片機是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱，其代表型號有ATM

46、EL公司的AT89系列等，Philips、華邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司也有許多兼容的產(chǎn)品，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)、白色家電等領(lǐng)域之中。目前很多公司都有51系列的兼容機型推出，在今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。</p><p>　　(2) AVR系列單片機。</p><p>　　AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置Flash的RIS

47、C (ReducedInstruction Set CPU)精簡指令集高速8位單片機。AVR單片機廢除了機器周期，拋棄復(fù)雜指令計算機( CISC)追求指令完備的做法；采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中，廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。</p><p>　　(3) MSP430。</p><p>　　

48、MSP430系列是一個16位、具有精簡指令集、超低功耗的混合型單片機，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。片上集成了AD、DA、PWM、LCD驅(qū)動，其比較器AD采樣方式能達到很高的精度，開發(fā)系統(tǒng)也很便宜。缺點是在位操作時有點麻煩，不適合用于邏輯控制以及對功耗不敏感的使用場合。</p><p>　　從成本、開發(fā)的難易程度考慮，選用ATMEL公司的AT89C

49、51單片機。它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K可編程Flash存儲器，與80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，有8K字節(jié)的Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時／計數(shù)器，1個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。</p><p>　　5 系統(tǒng)各模塊硬件設(shè)計</p><p><b>　　5.1 系統(tǒng)

50、主電路</b></p><p>　　基于AT89C51單片機的紅外測溫儀的硬件設(shè)計采用目前使用比較廣泛的模塊化設(shè)計思想，將整個系統(tǒng)分成5大模塊：MCU主控模塊、紅外溫度測溫模塊、電源模塊、聲光報警模塊和LED顯示模塊。通過劃分模塊的方法，可以把一個復(fù)雜的問題分割成幾個相對容易解決的問題，分別予以解決，大大簡化了設(shè)計的難度。系統(tǒng)主電路圖如下圖4.1所示</p><p>　　圖5.

51、1 系統(tǒng)主電路圖</p><p>　　5.1 MCU主控模塊</p><p>　　該紅外測溫儀系統(tǒng)是以AT89C51單片機為核心器件，此MCU主控模塊的工作原理是：加載相應(yīng)程序的AT89C51單片機把紅外測溫模塊傳來的數(shù)據(jù)加以處理，送LED顯示器顯示和在溫度超限時聲光報警。MCU主控電路如下圖5.2所示</p><p>　　圖5.2 MCU主控電路</p>

52、;<p>　　其復(fù)位電路如圖5.2左邊下部分，本MCU主控模塊是通過開關(guān)手動復(fù)位的，只要在RST引腳出現(xiàn)大于10ms的高電平，單片機就進入復(fù)位狀態(tài)，這樣做的目的是便于根據(jù)實際情況而選擇是否復(fù)位溫度測量數(shù)據(jù)。而單片機的振蕩電路選用的是晶振振蕩電路，其具體電路如圖2-1左邊上部分。采用晶體震蕩電路的原因是因為它的頻率穩(wěn)定性好，而這正是本紅外測溫儀系統(tǒng)非常重要的技術(shù)要求。</p><p>　　5.2 紅外

53、溫度測量模塊</p><p>　　此紅外溫度測量模塊采用非接觸手段，解決了傳統(tǒng)測溫中需要接觸的問題，具有回應(yīng)速度快，測量精度高，測量范圍廣等優(yōu)點。 紅外測溫器件MLX90614內(nèi)部集成了放大、A/D轉(zhuǎn)換、濾波和數(shù)字信號處理等功能，其可以測量的溫度范圍為-70℃—380℃，對于測體溫是完全可以滿足要求。</p><p>　　5.3.1 MLX90614的特性</p><p

54、>　　MLX90614系列測溫芯片是Melexis公司生產(chǎn)的一種使用方便的高精度紅外測溫芯片，它具有數(shù)字PWM和SMBus兩種輸出方式。</p><p>　　熱量由芯片熱電偶測得。MLX90614在其信號調(diào)節(jié)芯片中采用了先進的低噪音放大器，一個17位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理單元，放大微小的熱電偶電壓并將其數(shù)字化，通過使用芯片EEPROM存儲器中儲存的生產(chǎn)廠設(shè)定的校準參數(shù)，計算出物體的溫度。</p&g

55、t;<p>　　數(shù)字輸出溫度是完全線性化并對環(huán)境溫度進行過補償?shù)?。使得它能保?.01℃溫度精確度，在0℃-50℃的物體溫度范圍內(nèi)，標準的MLX90614具有±0.5℃的絕對精確度；在該范圍以外，精確度為±1℃。調(diào)試后，可以達到±0.2℃。</p><p>　　MLX90614允許-40℃-125℃的超大工作溫度范圍，以及-70℃-380℃的擴展物體溫度范圍。以上兩個溫

56、度的上下限制為其工作的極限范圍，如果需要較小的測溫范圍，可以通過SMBus總線修改E²PROM里相應(yīng)溫度上下限控制字來改變這個范圍，從而提高精度。</p><p>　　5.3.2 MLX90614的引腳分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　MLX90614采用4腳罐形封裝（TO239），頂端引腳分布視圖如圖5.3所示。具體的引腳功能如表5.1所示。</p><p

57、>　　圖5.3 MLX90614的頂端引腳分布視圖</p><p>　　表5.1 MLX90614的引腳功能表</p><p>　　MLX90614由紅外溫度傳感器、低噪聲放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、DSP單元、脈寬調(diào)制電路及邏輯控制電路構(gòu)成，MLX90614內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖如圖5.4所示。熱電堆輸出的溫度信號經(jīng)過內(nèi)部高性能、低噪聲的運算放大器放大后，送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），ADC輸出的1

58、7位數(shù)字經(jīng)過可編程FIR和IIR低通濾波器（即框圖中的DSP）處理后輸出，該輸出作為測量結(jié)果保存在MLX90614內(nèi)部RAM存儲單元中，可以通過SMBus讀??；同時測量結(jié)果送到后級數(shù)子式脈沖寬度調(diào)制電路，將測量結(jié)果以PWM的方式輸出。</p><p>　　圖5.4 MLX90614內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　5.3.3 MLX90614的接口電路</p><p

59、>　　MLX90614的SCL/Vz管腳和PWM/SDA管腳直接連接單片機的普通I/O即可，由于MLX90614的輸入輸出接口是漏級開路結(jié)構(gòu)，需要加上拉電阻。多個MLX90614可以用于一個系統(tǒng)中，每個MLX90614對應(yīng)一個不同地址，通過地址的不同而訪問不同的MLX90614，最多可以達到127個。MLX90614的接口電路如圖5.5所示。</p><p>　　圖5.5 MLX90614的接口電路圖<

60、;/p><p><b>　　5.3 電源模塊</b></p><p>　　電源設(shè)計需要功能可靠，且每一個板上都有CBB電容和高品質(zhì)的ELNA電容做退耦，如圖5.6所示</p><p><b>　　圖5.6 電源電路</b></p><p>　　通過對電路的觀察，發(fā)現(xiàn)設(shè)計所用的電源都是直流電源+5V，所以

61、采用三端集成穩(wěn)壓器LM7805，可以方便的實現(xiàn)此功能。先將220V/50Hz的交流電源電壓通過變壓器將其電壓轉(zhuǎn)換為12V，然后加入電橋進行整流，接著通過電容和LM7805組成的電路進行濾波，得到所要求的+5V的電壓。</p><p>　　5.4 聲光報警模塊</p><p>　　報警裝置部分采用的是聲光報警，當(dāng)目標溫度超過設(shè)定的上/下限溫度后，蜂鳴器長響，發(fā)光二極管同時亮，提示目標溫度超范

62、圍，如圖5.7所示</p><p>　　圖5.7 聲光報警電路圖</p><p>　　5.5 LCD顯示模塊</p><p>　　LCD1602是金鵬公司生產(chǎn)的液晶顯示器，具有微功耗、尺寸小、顯示信息量大、字跡美觀、視覺舒適而且容易控制等特點。LCD1602是字符型液晶器，這是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD。其顯示電路如圖5.8所示</p>

63、;<p>　　圖5.8 LCD顯示電路</p><p><b>　　6 系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p>　　6.1 MLX90614的SMBus傳輸協(xié)議</p><p>　　MLX90615 與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸通過SMBus 協(xié)議進行傳輸，單片機作為主設(shè)備與作為從設(shè)備的MLX90614進行通信。讀、寫數(shù)據(jù)的格式分別見圖6

64、.1、圖6.2。其中，S 為起始位，Slave Address 為從器件地址，Wr 為寫標志，Command</p><p>　　為命令字節(jié)，Rd 為讀標志，PEC 為出錯數(shù)據(jù)包，P 為停止位。</p><p>　　圖6.1 讀數(shù)據(jù)格式</p><p>　　圖6.2 寫數(shù)據(jù)格式</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸時序如圖6.3 所示，在SCL 變?yōu)?/p>

65、低電平300 ns后，將16 位數(shù)據(jù)分2 次傳輸，每次傳送一個字節(jié)。每個字節(jié)都是按照高位( MSB) 在前，低位( LSB) 在后的格式傳輸，2 個字節(jié)中間的第9 個時鐘為應(yīng)答時鐘。</p><p>　　圖6.3 SMBus數(shù)據(jù)傳輸時序圖</p><p><b>　　6.2 軟件流程圖</b></p><p>　　系統(tǒng)首先對SMBus總線和液晶

66、LCD1602進行初始化設(shè)置，然后系統(tǒng)循環(huán)讀取溫度顯示溫度，并在溫度超限時聲光報警。 </p><p>　　系統(tǒng)主要是講解紅外測溫儀，其中MLX90614的溫度讀取程序流程圖如圖6.4所示.首先寫開始條件、寫從地址、寫命令07H，表示要讀取溫度。然后編寫操作為讀操作，重新發(fā)開始條件，寫讀命令，先讀取溫度低字節(jié)，后讀取溫度高字節(jié)，最后讀取錯誤信息碼。程序帶回2字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)，可以在顯示子程序中轉(zhuǎn)換為具體的溫度數(shù)據(jù)顯

67、示。</p><p><b>　　6.3 主程序設(shè)計</b></p><p>　　1 main():主函數(shù)</p><p>　　在主函數(shù)中，主要是對系統(tǒng)SMBus初始化，對LCD液晶初始化設(shè)置。然后程序循環(huán)讀取溫度模塊MLX90614的溫度數(shù)據(jù)，然后送液晶顯示屏顯示當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)，通過延時延長循環(huán)時間。</p><p>　

68、　//**********主函數(shù)***************************************</p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uint Tem //溫度變量</p><p

69、><b>　　SCK=1;</b></p><p><b>　　SDA=1;</b></p><p><b>　　delay（4);</b></p><p><b>　　SCK=0;</b></p><p>　　delay(1000);</p&

70、gt;<p><b>　　SCK=1;</b></p><p>　　init1602(); //初始化LCD</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p>

71、<p>　　Tem=readtemp(); //讀取溫度</p><p>　　cmd-wrt(0x01); //清屏</p><p>　　Print(" Temperature:") //顯示字符串 Temperature: 且換行</p><

72、;p>　　display(Tem); //顯示溫度</p><p>　　Print(" "); //顯示空格</p><p>　　dat-wrt(0xCF); //顯示攝氏

73、度</p><p>　　delay(1000); //顯示再讀取溫度顯示</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　2 display():溫度輸入轉(zhuǎn)換并顯示子程序</p>&

74、lt;p>　　該程序為把MLX90614中讀出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫度輸并顯示。從MLX90614中讀出的數(shù)據(jù)（DataH:DataL）換算為溫度數(shù)據(jù)（T,單位為℃）為T=（DataH:DataL）×0.02-273.15，也可以表示為T=【（DataH:DataL）×2-27315】/100前可以看成是帶著2位小數(shù)的數(shù)據(jù)。</p><p>　　還要注意的是溫度可能為正也可能為負值，則需要判斷數(shù)

75、據(jù)值乘以2，大于等于27315則為正溫度或0，小于27315為負值。</p><p>　　在顯示過程中數(shù)據(jù)前面不需要顯示“0”值不顯示。</p><p>　　void display(uint Tem) //溫度輸入轉(zhuǎn)換并顯示</p><p><b>　　{</b></p><p>　　

76、uint T,a,b;</p><p>　　T=Tem*2; //溫度數(shù)據(jù)×2</p><p>　　if(T>= 27315) //溫度為正或0</p><p><b>　　{</b></p><p>　　T=

77、T-27315; //溫度數(shù)據(jù)×2-27315 </p><p>　　a=T/100; //a為溫度整數(shù)</p><p>　　b=T ‰100； //b為溫度小數(shù)</p><p>　　if(a>=100)

78、 //溫度超過100℃ </p><p><b>　　{</b></p><p>　　dat-wrt(0x30+a/100); //顯示溫度百位</p><p>　　dat-wrt(0x30=a ‰100/10); //顯示溫度十位</p>&l

79、t;p>　　dat-wrt(0x30+a ‰10); //顯示溫度個位</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(a>=10) //溫度超過10℃</p><p><b>　　{ </b></p&

80、gt;<p>　　dat-wrt(0x30+a ‰100/10）； //顯示溫度十位</p><p>　　dat-wrt(0x30+a‰10）； //顯示溫度個位</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else

81、 //顯示不超過10℃</p><p><b>　　{</b></p><p>　　dat-wrt(0x30+a); //顯示溫度個位</p><p><b>　　}</b></p><p>　　dat-wrt (0x2e); //顯示小數(shù)點

82、，ASCII碼為0x2e if(b>=10) //顯示溫度小數(shù)點后第1位數(shù)不等于0 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　dat-wrt(0x30+b/10); //顯示溫度小數(shù)點后第1位數(shù)</p><p>　　dat-wrt(0x30+b‰10）；

83、//顯示溫度小數(shù)點后第2位數(shù)</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else //溫度小數(shù)點后第1位數(shù)等于0</p><p><b>　　{</b></p><p>　　dat-wrt(0x30); //顯示溫度小

84、數(shù)點后第1位數(shù)0</p><p>　　dat-wrt(0x30+b); //顯示溫度小數(shù)點后第2位數(shù)</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else //顯示為負&l

85、t;/p><p><b>　　{</b></p><p>　　T=27315-T; //27315-溫度數(shù)據(jù)×2，即溫度絕對值</p><p>　　a=T/100; //a為溫度整數(shù)</p><p>　　b=T%100；

86、//b為溫度小數(shù)</p><p>　　dat-wrt(0x20); //顯示負號</p><p>　　if(a>=10) //溫度低于-10℃</p><p><b>　　{</b></p><p>　　dat-wrt(0x30+a/10);

87、 //顯示溫度十位</p><p>　　dat-wrt(0x30+a%10); //顯示溫度個位</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else //溫度高于-10℃</p><

88、;p><b>　　{</b></p><p>　　dat-wrt(0x30+a); //顯示溫度個位</p><p><b>　　}</b></p><p>　　dat-wrt(0x2e); //顯示小數(shù)點</

89、p><p>　　if(b>=10) //溫度小數(shù)點后第1位數(shù)不等于0</p><p><b>　　{</b></p><p>　　dat-wrt(0x30+b/10); //顯示溫度小數(shù)點后第1位數(shù)</p><p>　　dat-wrt(0x30+b%10）；

90、//顯示溫度小數(shù)點后弟2位數(shù)</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else //溫度小數(shù)點后第1位數(shù)等于0</p><p><b>　　{</b></p><p>　　dat-wrt(0x30); //顯示溫度小數(shù)點后第1位

91、數(shù)0</p><p>　　dat-wrt(0x30+b); //顯示溫度小數(shù)點后第2位數(shù)</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　7 系統(tǒng)誤差分析及

92、改進方法</p><p>　　由于普通紅外測溫儀只限與測量物體外部溫度，不方便測量物體內(nèi)部和存在障礙物時的溫度，所以可以在其檢測頭部加一段光導(dǎo)纖維，并在其前端裝一個小視角的透鏡，這樣被測物體的輻射能經(jīng)過透鏡到光導(dǎo)纖維的內(nèi)部。在光導(dǎo)纖維里面經(jīng)過多次反射傳到檢測器。因為光導(dǎo)纖維可以自由彎曲，使輻射能自由轉(zhuǎn)向，這就解決了物體內(nèi)部溫度的測量問題，可以測量有障礙物擋住的角落等地方的溫度。</p><p&

93、gt;　　又因為紅外線測溫儀測溫是非接觸式的，這樣會存在著各種誤差，影響誤差的因素很多。距離系數(shù)（K=S：D）是測溫儀到目標的距離S與測溫目標直徑D的比值，它對紅外測溫的精度有很大影響，K值越大，分辨率越高。因此，如果紅外測溫儀由于環(huán)境的限制必須安裝在遠距離目標之處，而又要測量小的目標，就應(yīng)該選擇高光學(xué)分辨率的測溫儀，以減小測量誤差。在實際使用在，許多人忽略了測溫儀的光學(xué)分辨率。不管被測目標點直徑D大小，打開激光束對準目標就測試。實際上

94、他們忽略了測溫儀的S：D值的要求，這樣測出的溫度會有一定的誤差。比如，用測溫距離與目標直徑S：D=8:1的紅外線測溫儀，測量距離應(yīng)滿足表2的要求。</p><p>　　紅外線測溫儀易受環(huán)境因素影響（環(huán)境因素，空氣中的灰塵等）。對于光亮或者拋光的金屬表面的測溫讀數(shù)影響較大。只限于測溫物體外溫度，不方便測量物體內(nèi)部和存在障礙物時的溫度。但由于受被測對象的發(fā)射率影響，幾乎不可能測到被測對象的真實溫度，測量的是表面溫度。

95、</p><p>　　在SARS和HINI甲流出現(xiàn)時候，由于病癥之一是發(fā)燒，因此要測量沒一個人的溫度，這樣，紅外測溫儀就用于人體溫度測量和大量人群的初步篩檢。但是非接觸是人體紅外測溫儀測量的是表面溫度而非精確溫度，所以有關(guān)人體表面溫度和傳統(tǒng)的用體溫計測得的腋下溫度之間的相關(guān)性還在研究中，且發(fā)表的相關(guān)文章少之又少。到目前為止，還沒有任何結(jié)論性的證據(jù)表明，其中一種溫度可以可靠的一致的表示為另一種溫度。</p&g

96、t;<p>　　8 課程設(shè)計心得體會</p><p>　　通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)傳感器方面的知識，在</p><p>　　設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。</p><p&g

97、t;　　在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。同時，設(shè)計也讓我感觸很深,使我對抽象的理論有了具體的認識。在本次的課程設(shè)計中通過自己找材料，分析和設(shè)計，掌握了一些軟件的操作方法，這為以后的學(xué)習(xí)做了鋪墊。整個設(shè)計實現(xiàn)了從單一的理論學(xué)習(xí)到解決實際問題的轉(zhuǎn)變。通過本次的課程設(shè)計，我最大的收獲就是提高了自身的動手能力，培養(yǎng)了我的尋求解決問題的能力和團隊精神也增強了我其它方面的能力。這次實踐使我受益匪淺，在摸索該如何設(shè)計

98、電路使之實現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計思維，增強了我的實際操作能力。在讓我體會到設(shè)計電路艱辛的同時，更讓我體會到成功的喜悅和快樂。這次設(shè)計所用的的工具是Altium Desiger 6.9.本次課程設(shè)計提高了我的綜合動手能力和工程設(shè)計能力，它使我的理論知識得到了綜合應(yīng)用，培養(yǎng)我綜合運用所學(xué)理論的能力和解決較復(fù)雜的實際問題的能力。</p><p>　　我認為，在這學(xué)期的課程設(shè)計中，不僅培養(yǎng)了獨立思考

99、、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，我們學(xué)會了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實踐，再學(xué)習(xí)、再實踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說

100、得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　程德福傳感器原理及應(yīng)用北京：機械工業(yè)出版社，2012年1月</p><p>　　王守中51單片機開發(fā)入門與典型實例北京：人民郵電出版社，2007年8月</p><p>　　周潤景Altium Desiger原理圖

101、與PCB設(shè)計北京：電子工業(yè)出版社，2009年6月</p><p>　　胡漢才單片機原理及其接口技術(shù)北京：清華大學(xué)出版社，2004年6月</p><p>　　余永權(quán)單片機在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用北京：電子工業(yè)出版社，2003年8月</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　1 總電路圖<