红外测温系统设计-毕业设计

精选优质文档-倾情为你奉上摘 要：在当今的生活中，传统的水银温度计有着很多大大小小的缺点，虽然它价格低、性能稳定，但是它精度低、测量时间长、不安全等缺点，给我们带来了众多麻烦和不便。红外线测温仪集快速、准确、安全、方便可靠等众多优点于一身，很快便被越来越多的人们所认知和接受。本文根据红外线测温的原理，以STC89C52单片机作为核心控制部件，控制系统运行，结合TN901红外测温模块，搭配液晶显示器实现测温。本文大致介绍了这套系统的构成和实现方式，给出硬件、软件方面的设计流程。此系统主要由光电探测部分、系统运行部分和显示输出部分等组成：由TN901进行红外辐射采集，传入单片机，经由单片机处理转换为电信号，并在液晶模块中显示出来。关键词：红外线测温 STC89C52 TN901AbstractIn todays life, the traditional mercury thermometer has many large and small faults, although its price is low, performance is stable, but its low precision, measurement time, uneasy congruent faults, brings us many troubles and inconvenience. Infrared thermometer set rapid, accurate, safe, convenient and reliable, and many other advantages in one, soon cognitive and accepted by more and more people.This paper according to the principle of infrared temperature measurement, STC89C52 single-chip computer as core control unit, control system, combined with TN901 infrared temperature measurement module, match LCD to realize temperature measuring. This paper Outlines the composition and implementation of the system, gives the hardware and software aspects of the design process. This system is mainly composed of photoelectric detection system is running, and display output sections such as: infrared radiation by TN901 collection, introduced into single chip microcomputer, processed by single-chip microcomputer is converted to electrical signals, and displayed in the LCD module.Keywords Infrared temperature measurement STC89C52 TN901专心-专注-专业目 录1 绪论1.1 设计背景在科技快速发展的今天，温度随时可见，“温度”这个定义的出现，给各行各业带来了新的认知。在工业中，有很多不能触及的地方和无法用传统测温方式去测量的发面，这种情况和下使用传统的测温方式，不仅限制了接触式测温仪的使用，严重的话，可能导致伤亡事件的发生。此时，我们更加应该去寻找一种方便、快捷的测温方式。在医学中尤为常见，人的体温，是检测一个人状态的重要标志，温度成为了确定物质状态的重要参数之一，通过体温来检查一个人的机能是否正常已经成为我们现在很普遍的技术，如2003年的非典时期，由于测量人数庞大，医院的护士们需要一个一个使用传统的测温技术（水银测温），去测量每一位待测人员的体温，等待水银温度计的反应，这样一来，不仅在测量时间上有重大堵塞，并且在测量空间上给大家带来困惑和不便，把红外线测温技术运用到医学领域，不仅能大大节省时间（本设计温度仪反应时间小于2秒），而且在空间上给人们带来方便，也将工作效率提高到了一个新的高度。1.2 设计应用红外测温也叫辐射测温，通常情况下都是使用光或者热等探测器来进行测量，因为此测量方法较为简单，所以可以进行大面积的操作，亦或是物体的某一部分，使用方便、便捷，它的制作工艺很简单，而且成本也比较低，测量的时候不需要接触到物体，并且响应时间短、使用寿命长。另外，红外传感器的种类比较多、发展速度比较快，在将来将会普遍使用。红外线测温的特点：1) 测量范围广、精确2) 反应时间短、反应速度快3) 方便、安全，无需接触物体4) 可以测微小的物体。根据红外线测温的以上特点，我们可以应用在如：电力：燃煤发电、水电站、核电站等。冶金：铝厂、铜厂、钢厂等。石化：采油、石化厂、炼油厂等。一般工业：空调厂、冷冻机、冰箱厂、啤酒厂、制药厂、汽车厂。温度原件和制造厂：温度开关，温度控制器制作。等诸多应用。1.3 设计内容利用STC89C52单片机，结合上TN901温度传感器，完成测温的功能，具体设计指导如下：1) 测量范围：055摄氏度，测量精度：0.5摄氏度2) 测量距离：0.5米3) 反应时间：2秒4) 通过TN901模块进行温度的采集、测量，并将采集到的数据通过端口传送到STC89C52单片机中，单片机进行数据的处理，转入液晶显示器中，液晶显示器直观化呈现数据。另外，键盘模块可以进行部分操作，电源模块用于供电。2 系统总体设计2.1 方案论证2.1.1 红外测温模块的方案论证方案一：按键模块放大电路电源模块单片机A/D转换报警装置显示模块模拟红外传感器在此方案中，系统分为模拟红外温度传感器模块、放大电路模块、AD转换电路模块、单片机模块、按键模块、报警（蜂鸣器）模块、LCD显示模块和电源模块（如图2-1所示）。所谓的模拟传感器就是传感器的输出量是模拟量，而不是可以直接进行数据处理的数字量，所以它需要通过信号放大和AD转换等处理后才能传输给单片机进行相关的处理。图2-1 方案一系统框图此方案，首先模拟红外温度传感器接收人体发出的红外线，然后经过转换后输出对应的电压值，传感器同时通过传感器温度。这两个红外温度传感器的输出量通过放大电路和AD转换电路的处理后传输到单片机模块进行相关的处理，然后通过LCD显示模块显示相应的人体温度。方案二：此方案与第一个方案的最大区别就是：在本方案中采用TN901红外温度传感器来代替模拟红外温度传感器。由于TN901红外温度传感器内部已经集成了运放电路、AD转换电路、滤波电路和数字信号处理器，所以只需通过传感器的数据接口就可以把TN901传感器测量的人的体温数据直接传送给单片机模块处理并由LCD显示模块显示。按键模块电源模块单片机报警装置显示模块TN901传感器模块图2-2 方案二系统框架方案对比和选择：与方案二比较，方案一比较低廉，但是对设计要求和系统电路变的更加复杂，这样就使得电源的功耗增大，并且效率会有所降低，在增加工作量的同时也带来了更多的要求。与方案一相比，虽然方案二采用的TN901模块成本会高一些，但是整个系统相对而言就比较的简单，传感器可以和单片机直接连接，不仅简化了电路，而且不会给电源模块带来更多的消耗，所以电源的效率会提升一个新的档次。考虑到各方面的成本，我觉得方案二更适合本次设计。2.1.2电源模块选取的方案论证方案一：采用USB接口进行供电。随着科技的不断发达，电脑等产品的不断升级，电子产品智能化，很多电子产品的供电已经开始慢慢的转向USB供电，USB供电不仅即插即用，而且更环保、更方便、更普遍，更能跟上时代的步伐。方案二：采用电池供电。电池供电已经有很长一段历史，并且一直持续到现在，很多遥控器、手电筒等等常用家电至今也一直在使用电池供电，使用电池供电方便快捷，易于更换电源。方案的对比和选择：电池供电与USB供电比起来更加便携，如今，在市场上电池的种类繁多，比如干电池、锂电池和纽扣电池等。而干电池则几乎在每个大大小小的商店都有出售，这就在很大程度上方便了更换电池，虽然USB供电更方便快捷、即插即用、更环保，并且能符合电子产品的走势，但是为了本设计的便携性，还是采取电池供电。综上所述：本设计采用3节1.5V的5号干电池作为电源模块部分的设计。2.2 系统总体设计经过以上的论证比较，我选取了以上的各方案，在这些方案中，系统由：TN901传感器模块、按键模块、报警（蜂鸣器）模块，STC89C52单片机模块、电源模块和LCD显示模块等六部分组成。此系统主要实现以下功能：体温快速测量；、当超出量程系统报警等等。2.3 系统总体框图本设计采用了以下6个模块组成，通过电源部分供电，按键模块进行操作，传感器模块采集数据，传送到单片机中处理，然后在LCD显示模块中显示出来，如若传感器采集到的数据超过了它的量程，则将信息发到单片机中，单片机进行处理，通过报警装置进行报警。（图2-3）STC89C52单片机模块传感器模块按键模块LCD显示模块电源模块报警（蜂鸣器）模块图2-3 红外测温系统总体框图2.4 STC89C52单片机概述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。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。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 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，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。图2-4 STC89C52各引脚标注其各个参数如下：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80512) 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RAM6) 通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 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) 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T210) 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11) 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART12) 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）STC89C52各个引脚的描述如下：a) 电源和晶振：VCC运行和程序校验时加的电压；VSS接地；XTAL1输入到振荡器的反向放大器；XTAL2反向放大器输出，输入到内部时钟发生器。b) RST：单片机的上电复位或掉电保护端；c) ALE:地址锁存有效信号输出端；d) PSEN：片外程序存储器读选通信号输出端。2.5 红外测温的原理及方法2.5.1 红外测温的原理红外测温的原理是黑体辐射定律，大家都知道。在自然界中一切高于绝对零度的物体都一直在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着联系，物体的温度越高，它所发出的红外辐射能力就越强。黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定，如下：（2-1） 图2-5不同温度下的黑体光谱辐射度根据图2-5可以看出：1) 随着温度的升高，物体发射出的红外辐射也越高2) 随着温度的升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减小。这表明随着温度的升高，黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加；3) 随着温度升高，辐射峰值向左移动，峰值处的波长与绝对温度T成反比。2.5.2 红外测温的方法红外测温有好几种，因为测温原理不同，还有设计方法不同，在此我选择了全辐射测温法来进行测量，选用这种方法，不仅利用了中低温物体波长大、辐射信号弱，而且结构也比较简单，成本低。以下是全辐射测温的方法：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 （2-2）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：（2-3）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。2.6 红外测温模块此模块采用了非接触式的红外模块，具有反应速度快、测量精度高、测量范围广等众多特点。（实物图见图2-6） 图2-6 TN901模块实物图 图2-7 TN901电路图如图2-7，此红外模块通过物体的辐射，采集信息，由3号引脚和4号引脚将采集到的信息传送到单片机。其中VCC为电源引脚，引脚4为数据接受引脚，没有数据接收时4为高电平,引脚3为输出引脚，2号接地引脚，1号表示测温启动引脚，低电平时有效。以下为TN901的简介和部分数据：TN901简介：l TNm红外温度计模块采用高灵敏度、高精度、的功耗的设计，保证了采用的优良特性。l MEMS热电堆可以准确的测量出环境温度，采用温度补偿技术在TNm红外温度计模块上。l ZyTemp开发出独有的集成了所有硬件的集成电路的组成了红外片上系统。应用该创造性的红外片上系统（SoC）技术，TNm红外温度模块具有很高的集成度和性价比。l ZyTemps的产品可以承受10的热冲击。我们的产品擅长在宽范围温度变化环境中保持精度。l TNm产品只需要3伏电源供电，而多数其他红外温度计需要9伏电压供电l ZyTemp保证温度标准溯源倒NIST或者国际测量实验室.所有的TNm产品经过溯源的红外温度标准源校准，校准的数据和产品的序列号保存在模块上EEPROM内。规格和测试规范：表2-6测试条件-33220C/-27428F工作范围-1050C/14122F精度Tobj=1535C,Tamb=25C+/-0.6C全范围精度#AC+/-2%,2C分辨力（-9.9199.9C）1/16C=0.0625(fallrange)响应时间(90%)1秒D：S1:1发射率0.011step.01刷新频率1.4HZ尺寸12*13.7*35mm波长5um-14um重量9克电源3V或5V（可选）3 硬件电路设计3.1 硬件电路图以下为本次设计的总体电路图（图3-1）图3-1 总体电路图3.2 按键部分的制作按键部分采用简单的按键进行控制系统的测试和复位如图3-2所示图3-2 按键部分电路图3.3 电源模块的制作电源部分由3节1.5V的5号电池和一个电源开关组成。3.4 单片机模块的设计图3-4为此次设计的单片机模块部分电路图的最小系统图3-4 单片机模块最小系统3.5 LCD显示模块设计LCD部分采用LCD1602显示（如图3-5）1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。图3-5 LCD液晶显示模块电路图 1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：GND为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。4 软件的设计4.1 软件总体流程图Y图4-1 软件总体流程图当红外测温仪接通电源时，STC89C52单片机就会自动复位，开始运行该程序。首先对STC89C52初始化。然后给出开机显示，接着判断是否有按键输入，若没有按键输入，则继续返回继续判断；若有键输入，则判断是否是红外测温。如果否就保持开机显示，是则进行红外测温，接收数据，并将所测的温度计算显示出来，并等待结束测温命令。再判定是否结束温度测量，若没则继续测温，若收到结束命令则返回开机显示，重新开始以上操作。开始系统初始化进行红外测温显示温度是否按键？是否测温？是否结束测温？YYYNNN图4-14.2 红外测温模块开始该红外测温模块的数据输出信号和脉冲信号分别接单片机P1.5，P1.6口,测温控制端接P1.7口。它的程序流程图如图4-2所示，此模块首先定义一个字符型数组用于存放读取到的一帧数据，然后启动测温，读取数据，数据是在脉冲的下降沿一位一位传送的。把五个字节数据都读完后判断第一个字节是否为0x4c或0x66且第五个字节为0x0d，若是则计算温度值返回，否则继续读取数据。存放测温数据开始测温读取数据第一字节为0x4c或0x66且第五字节为0x0d计算温度值结束YN图4-2 红外测温模块流程图温度计算流程：接收一位数据将放在数组，变量加1开始判断p1.6是否为0变量等于7？变量清0，接收下一字节的数据YYNN图4-3 温度计算流程程4.3 显示模块部分显示被测物体温度等于周围温度开始传感器是否在进行测温显示被测物体的温度是否结束测温结束NYYN图4-4 显示模块部分流程图5 系统测试经过多次测试，本设计实现了非接触测温，：1) 测量范围实现了055摄氏度（图5-1）图5-1 量程测量图2) 测量距离大于0.3米，并且测量精度0.5摄氏度（如图5-2，图5-3为图5-2中液晶显示器数据）反应时间小于2秒经过多次测量，反应时间在1.7秒左右。3) 并且本设计设置的报警装置测试成功，当温度超过设定温度，则启动自动报警功能。以下是本次设计我的实物图：结 论本次设计，基本实现了设计要求中的要求，这次的毕业设计主要包括两个部分的设计：硬件设计和软件设计。通过此次设计，让我对单片机的认识又到了一个新的层次，并且在动手和思考方面更加的熟练，并且，让我的知识运用能力也有所提高，为以后的工作学习打下了基础。同时，也让我发现了自己很多不足的地方。这更加激励我要在以后的生活中多学习，多动手，多思考，争取在以后的学习和工作中做到更好。参考文献：1 孙鹏，红外测温物理模型的简历及论证D.吉林大学.20062 晏敏，彭楚武，颜永红，曾云，曾健平.红外测温原理及误差分析J.湖南3 曹润强.红外测温仪的设计J.攀枝花学院学报，2006,23(6):87-894 张友德，赵志英，涂时亮.单片机微型原理、应用与实践.第五版.上海：复旦大学出版社.20065 柳刚，黄竹邻，周昊，王双保，易新建.非接触式红外研制M.光电子科技与信息，2005.6 何希才.传感器及其应用电路M.北京：电子工业出版社，2001.7 马殿阁.多路红外温度监测仪J.电子测量技术，1993(3).8 陈杰，黄鸿.传感器与检测技术M.北京：高等教育出版社，20049 宋文、杨帆传感器与检测技术.北京：高等教育出版社，200410 阎石.数字电子技术基础.第四版.高等教育出版社，2004.4附 录A 元器件清单LCD1602屏幕 1个TN901温度模块 1个轻触开关 1个自锁开关 1个10K 1个10uf 1个30P 2个10K电位器 1个12MHZ晶振 1个DIP40 1个STC89S52 1个9*15万用板 1个排针、排座 2个蜂鸣器 1个8550三极管 1个DC005插座 1个电池盒 1个附 录B 电路原理图附 录C 源程序/宏定义#define uchar unsigned char #define uint unsigned int /头函数#include /全局变量定义float Temp;float HJTemp,MBTemp;/TN9温度传感器头函数#include /LCD头函数#include /按键sbit K =P12;sbit LR=P10;sbit LG=P11;/主函数void main()/屏幕初始化Init_LCD();/开启指示灯LR=1;LG=0;/开始按键while(K=1);/温度显示初始化Init_T();/循环读码while(1)LR=LR;/读取目标温度TN_IRACK_UN();TN_IRACK_EN();TN_GetData(0x4c);MBTemp=Temp;LR=LR;/读取环境温度TN_IRACK_UN();TN_IRACK_EN();TN_GetData(0x66);HJTemp=Temp;/显示Display(MBTemp,HJTemp);/管脚定义sbit TN_ACK=P13; /TN9触发sbit TN_Clk=P14;/TN9时钟线sbit TN_Data=P15;/TN9数据线uchar ReadData5;/=/ C格式：void TN_IRACK_EN(void);/实现功能：红外模块启动函数/入口参数：无/出口参数：无/=void TN_IRACK_EN(void)TN_ACK=0;/=/C格式：void TN_IRACK_UN(void);/实现功能：红外模块关闭函数/入口参数：无/出口参数：无/=void TN_IRACK_UN(void)TN_ACK=1;/=/C格式：int TN_ReadData(void);/实现功能：读测得数据/=void TN_ReadData(uchar Flag)uchar i,j,k;bit BitState=0;for(k=0;k7;k+)for(j=0;j5;j+)for(i=0;i8;i+)while(TN_Clk);BitState=TN_Data;ReadDataj= ReadDataj1;ReadDataj= ReadDataj|BitState;while(!TN_Clk);if(ReadData0=Flag)k=8;TN_IRACK_UN();/=/Program:TN红外传感器目标数据测量子程序/InPut:NULL/OutPut:unsigned int returnData测量结果的出错标识/=/void TN_GetData(uchar X)TN_ReadData(X);Temp=(ReadData10;x-)for(y=110;y0;y-);/LCD写命令void write_com(uchar com)rs=0;lcden=0;P0=com;delay_LCD(1);lcden=1;delay_LCD(1);lcden=0;/LCD写数据void write_date(uchar date)rs=1;lcden=0;P0=date;delay_LCD(1);lcden=1;delay_LCD(1);lcden=0;/初始化void Init_LCD()uchar num;lcden=0;/屏幕初始化write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);write_com(0x80);/时间write_com(0x01);write_com(0x80);for(num=0;num16;num+)write_date(table0num);write_com(0x80+0x40);for(num=0;num16;num+)write_date(table1num);/初始化void Init_T()uchar num;lcden=0;/屏幕初始化write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);write_com(0x80);/时间write_com(0x01);write_com(0x80);for(num=0;num16;num+)write_date(table2num);write_com(0x80+0x40);for(num=0;num220.0|MT=0)if(MT10)temp=MT*10;write_com(0x80+9);write_date( );write_date( );write_date(0+temp/10);write_date(.);write_date(0+temp%10);write_date(0xdf);write_date(C);else if(MT100)temp=MT*10;write_com(0x80+9);write_date( );write_date(0+temp/100);write_date(0+temp/10%10);write_date(.);write_date(0+temp%10);write_date(0xdf);write_date(C);else if(MT=200)temp=MT*10;write_com(0x80+9);write_date(0+temp/1000);write_date(0+temp/100%10);write_date(0+temp/10%10);write_date(.);write_date(0+temp%10);write_date(0xdf);write_date(C);/负温度else if(MT-10)temp=-10*MT;write_com(0x80+9);write_date( );write_date(-);write_date(0+temp/10);write_date(.);write_date(0+temp%10);write_date(0xdf);write_date(C);else if(MT-100)temp=-10*MT;write_com(0x80+9);write_date(-);write_date(0+temp/100);write_date(0+temp/10%10);write_date(.);write_date(0+temp%10);write_date(0xdf);write_date(C);/温度错误Errorif(HT50.0|HT=0)if(HT10)temp=10*HT;write_com(0x80+0x40+9);write_date( );write_date( );write_date(0+temp/10);write_date(.);write_date(0+temp%10);write_date(0xdf);write_date(C);else if(HT100)temp=10*HT;write_com(0x80+0x40+9);write_date( );write_date(0+temp/100);write_date(0+temp/10%10);write_date(.);write_date(0+temp%10);write_date(0xdf);write_date(C);/负温度else if(HT-10)temp=-10*HT;write_com(0x80+0x40+9);write_date( );write_date(-);write_date(0+temp/10);write_date(.);write_date(0+temp%10);write_date(0xdf);write_date(C);else if(HT-100)temp=-10*HT;write_com(0x80+0x40+9);write_date(-);write_date(0+temp/100);write_date(0+temp/10%10);write_date(.);write_date(0+temp%10);write_date(0xdf);write_date(C);