红外测温系统的设计——毕业设计

安徽工业大学 毕业论文摘要到目前位置，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A/D模块，A/D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 countrys temperature measuring instrument is still a mercury thermometer mainly. This kind of measuring instrument has many shortcoming,such as low accuracy.measuring time long,unrest congfigruent.The subject of the infrared temperature system can realize the body temperature close distanceor distance measured accurately.The design for the STC89C52 single-chip microcomputer as the core component. Use contact-less temperature preach OTP-538U temperature in sampling.Operational amplifier chip LM324 will sent electrical signals to the A/D module after pre-amplification,A/D and 12 of the high accuracy of TLC2543 chip,digital signals to control STC89C52core,and the microprocessor complete data collection and conversion,realize real-time temperature measurement and real time display 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, the measurement process wont disrupt the measured part of the temperature field,fast response,temperature high resolution,good stability and long service life and a series of asvantages,than traditional contact temperature measurement have more situations adaptability.KEY WORDS : STC89C52；Non 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2第3章 系统硬件设计43.1 硬件设计概述43.2 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53.2.3 STC89C52RC单片机的工作模式63.2.4 STC89C52RC引脚功能说明73.2.5 看门狗应用103.3红外测温模块103.3.1特性103.3.2 应用103.3.3 传感器特性113.3.4实用连接电路图133.4 放大电路模块143.4.1 LM324的引脚排列143.4.2 参数与描述143.4.3特点153.4.4 应用电路163.5 A/D转换模块173.5.1 TLC2543的特点173.5.2 TLC2543的引脚排列及说明173.5.3 接口时序183.5.4 应用电路203.6 电源模块203.6.1整流桥213.6.2 应用电路图223.7 液晶显示模块223.7.1 管脚功能233.7.2 特性243.7.3 应用电路25第4章 系统软件设计264.1 总体设计264.2 A/D转换单元时序274.2.1 TLC2543控制字274.2.2 工作流程284.3 LM324模块314.4 红外传感器模块324.5 LCD1602显示模块334.5.1 1602LCD的指令说明及代码解释334.5.2 液晶显示模块程序流程图36第5章 总结37致谢38参考文献39附录40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，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。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：V=RaT4=KT4 （1.1）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： （1.2）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、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A/D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。红外线测温模块电压信号放大模块A/D转换模块单片机STC89C52电源模块液晶显示模块其方案图如图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、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。3.2.1 MCS-51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Flash 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I/O 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，单片机的一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。3.2.2 STC89C52RC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：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）(3):工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz(4):用户应用程序空间为8K字节(5):片上集成512字节RAM(6):通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4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I/O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（RxD/P3.0,TxD/P3.1）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）/075（商业级）(14):PDIP封装3.2.3 STC89C52RC单片机的工作模式l 掉电模式：典型功耗=1.425us后，使CLK上升，将Din上的数据移入输入寄存器。(4)：CLK下降，转换结果的A10位输出到Dout供读数。(5)：在第4个CLK下降时，由前4个CLK上升沿移入寄存器的四位通道地址被译码，相应模拟通道接通，其模拟电压开始时对内部开关电容充电。(6)：第8个CLK上升时，将Din脚的输入控制字C0位移入输入寄存器后，Din脚即无效。(7)：第11个CLK下降，上次AD结果的最低位A0输出到Dout供读数。至此，I/O数据已全部完成，但为实现12位同步，仍用第12个CLK脉冲，且在其第12个CLK下降时，模入通道断开，EOC下降，本周期设置的AD转换开始，此时使CS上升。(8)：经过时间tconv=10us,转换完毕，EOC上升。(9)：使CS下降，转换结果的MSB位B11输出到Dout供读数。(10)：将新周期的输入控制字的MSB位D7送到Din，在CS下降之处，tSU时间处由CLK上升将Din数据移入输入寄存器。(11)：CLK下降，将AD结果的B10位输出到Dout。 开始CS=1，EOC=1CS=0？CLOCK=1CLOCK=0，一次转换结束循环结束？ 输出数据 返回NYYN工作流程图图4-2 TLC2543工作流程图其代码部分为uint read2543(uchar port)uchar i,al=0,ah=0;unsigned long ad; /采集到的电压CLOCK=0; /下降沿，输出CS=0; /拉低，使能port=4; /通道左移4位，port为0，则左移4位后为00000写成八/位为00000000，for(i=0;i4;i+) D_IN=port&0x80; /port=00000&上0x80后得到00001000，为/则选择的通道为AIN0,输出的数据为12位CLOCK=1; /上升沿，CLOCK=0; /下降沿port=1;D_IN=0;for(i=0;i8;i+)CLOCK=1;CLOCK=0;CS=1;delay(5);CS=0;for(i=0;i4;i+) /获得高四位数据值CLOCK=1;ah=1;if(D_OUT) ah|=0x01;CLOCK=0;for(i=0;i8;i+) /获得低八位数据值CLOCK=1;al=1;if(D_OUT) al|=0x01;CLOCK=0;CS=1;ad=(uint)ah; /将高四位数据值转换类型，并赋给adad=8;ad|=al; /将高四位与低八位数值整合到一块return(ad); /返回采样值4.3 LM324模块红外传感器输出的电压很微小。所以需要LM324将电压进行放大，这样进行A/D转换的时候误差值就会减小。在将红外传感器的输出的微小电压进行放大后，原先的关于红外传感器的温度对应电压的大致线性关系就会改变，所以编程时的关系式也会改变。此时需要计算放大的倍数，再重新计算大致的线性关系。图4-3 应用放大电路图理论上这个放大电路的放大倍数为：Vo1-Vo2=(1+2R3/R0)(V1-V2)V0=(R2/R1)(Vo2-Vo1)Vo=A(V2-V1)A=A2A1=(1+2R3/R0)(R2/R1)带入电路图中的数值后得到A=201。但是实际上测的实际的放大倍数只有大约15倍，由于所供电压的值的范围很大，很难达到理想效果，与理论值差距很大。因为A/D转换模块的精度为5/4095=0.001221,红外传感器的参数经过15倍放大后，所得的数值在其精度范围内，所以也可以正常使用。4.4 红外传感器模块下表是红外传感器输出的电压与温度之间的关系式，表4-4 红外传感器输出电压与温度的关系式表Temp. ()V_out (mV)Temp. ()V_out (mV)-20-1.2950