紅外測溫系統(tǒng)的設計——畢業(yè)設計

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1、安徽工業(yè)大學 畢業(yè)論文 摘要 到目前位置，我國的溫度測量儀器仍然是以水銀溫度計為主，這種測量儀器存在很多缺點，如精度低，測量時間長，不安全等。本課題所研究的紅外測溫系統(tǒng)能實現(xiàn)人體溫度的近距離或遠距離準確測量。該設計以STC89C52單片機為核心部件。利用非接觸式溫度傳感器OTP-538U對溫度進行采樣。得到的電信號經(jīng)過四運算放大器芯片LM324前置放大后送至A/D模塊，A/D采用12位高精度的TLC2543芯片，數(shù)字信號傳送到主控芯片STC89C52，并由微處理器完成數(shù)據(jù)采

2、集和轉換，實現(xiàn)溫度的實時測量 并實時顯示在LCD1602模塊上。 本文所研究的非接觸傳感器單片機測溫系統(tǒng)由于對被測物體的紅外輻射進行的是非接觸無損測量，測量過程中不會擾亂被測部分的溫度場，響應快，溫度分辨率高，穩(wěn)定性好和使用壽命長等一系列的優(yōu)點，比傳統(tǒng)的接觸式測溫有更多的場合適應性。 關鍵詞：STC89C52；非接觸傳感器；LM324；紅外輻射 ABSTRACT So far ,our country’s temperature measuring instrumen

3、t 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 th

4、e 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

5、 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 in

6、frared radiation is the contact nondestructive measurement, the measurement process won’t 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

7、 more situations adaptability. KEY WORDS : STC89C52；Non contact sensor；LM324；Infrared radiation 目 錄 第1章 緒論 1 研究課題背景 1 第2章 紅外測溫儀概述 2 2.1 紅外測溫儀簡介 2 2.2 紅外線測溫儀的優(yōu)點 2 2.3 紅外測溫儀工作原理及測溫方法 2 第3章 系統(tǒng)硬件設計 4 3.1 硬件設計概述 4 3.2 單片機STC89C52模塊 5 3.2.1 MCS-51單片機內部結構 5 3.2.2 ST

8、C89C52RC單片機介紹 5 3.2.3 STC89C52RC單片機的工作模式 6 3.2.4 STC89C52RC引腳功能說明 7 3.2.5 看門狗應用 10 3.3紅外測溫模塊 10 3.3.1特性 10 3.3.2 應用 10 3.3.3 傳感器特性 11 3.3.4實用連接電路圖 13 3.4 放大電路模塊 14 3.4.1 LM324的引腳排列 14 3.4.2 參數(shù)與描述 14 3.4.3特點 15 3.4.4 應用電路 16 3.5 A/D轉換模塊 17 3.5.1 TLC2543的特點 17 3.5.2 TLC2543的引腳排列及說明 17

9、 3.5.3 接口時序 18 3.5.4 應用電路 20 3.6 電源模塊 20 3.6.1整流橋 21 3.6.2 應用電路圖 22 3.7 液晶顯示模塊 22 3.7.1 管腳功能 23 3.7.2 特性 24 3.7.3 應用電路 25 第4章 系統(tǒng)軟件設計 26 4.1 總體設計 26 4.2 A/D轉換單元時序 27 4.2.1 TLC2543控制字 27 4.2.2 工作流程 28 4.3 LM324模塊 31 4.4 紅外傳感器模塊 32 4.5 LCD1602顯示模塊 33 4.5.1 1602LCD的指令說明及代碼解釋 33 4.5.2 液

10、晶顯示模塊程序流程圖 36 第5章 總結 37 致謝 38 參考文獻 39 附錄 40 第1章 緒論 研究課題背景 溫度是確定物質狀態(tài)的重要參數(shù)之一，它的測量與控制在國防、軍事、科學研究以及工農業(yè)生產中占有十分重要的地位。在工業(yè)生產中，我們需要經(jīng)常對設備的運行狀況進行監(jiān)測來確保設備的安全運行，而對設備的監(jiān)測通常通過測量其表面的溫度來進行?，F(xiàn)代的工業(yè)設備往往是在高電壓、大電流以及其它危險情況下運行的，傳統(tǒng)依靠人工接觸式檢測的方法既浪費時間、物力、人力，又帶有一定的危險性，同時對測溫儀所采用的材質也有嚴格的限制，在這樣的場合下，儀器的使用壽命也成為設計接觸式測溫儀時的一個

11、重點考慮問題。因此有必要去應用一種新的方式去檢測目標系統(tǒng)的溫度，確保設備的平穩(wěn)運行。溫度的測量方法有兩類，一種是利用電氣參數(shù)隨溫度變化特性的熱電阻、熱電偶測溫法以及以膨脹式溫度計為代表的接觸式測溫方法，另一種是以熱輻射為代表的非接觸式測溫方法。前者的優(yōu)點在于測得的溫度是物體的真實溫度，測溫簡單、可靠，其缺點在于動態(tài)性能差，需要接觸被測物體，測溫元件與被測介質需要一定時間的熱交換才能達到熱平衡，同時對被測物體的溫度場分布有一定的影響，同時由于工業(yè)現(xiàn)場的高溫、高壓、腐蝕性等惡劣條件，影響了測溫儀的精度和使用壽命，大大限制了接觸式測溫儀的使用；非接觸式測溫也叫輻射測溫，一般使用熱電型或光電探測器作為

12、檢測元件，其與接觸式測溫相比，具有響應時間短、非接觸、不干擾被測溫場、使用壽命長、操作方便等一系列優(yōu)點，但受到物體的發(fā)射率、測溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。目前應用最廣泛的非接觸式測量儀是紅外測溫儀，它測溫的理論基礎是黑體輻射定律。自然界的任何物體都在不停的向外輻射能量，物體輻射能量的大小及波長的分布與其表面的溫度有著十分密切的關系，通過測量物體自身紅外輻射的能量便能確定它的表面溫度。 第2章 紅外測溫儀概述 2.1 紅外測溫儀簡介 紅外測溫儀是一種將紅外技術與微電子技術結合起來的一種新型測溫儀器，它通過將被測物

13、表面發(fā)射的紅外波段輻射能量通過光學系統(tǒng)匯聚到紅外探測原件上，使其產生一個電壓信號，經(jīng)過放大、模/數(shù)轉換等環(huán)節(jié)處理，最后以數(shù)字形式直接在顯示屏上顯示溫度值。紅外測溫儀由光學部分和信號處理部分組成，其體積小，便于攜帶，操作簡單，在各行各業(yè)中得到廣泛應用。 2.2 紅外線測溫儀的優(yōu)點 與傳統(tǒng)接觸式溫度計相比而言，紅外線測溫儀有著響應時間快、使用安全、非接觸及使用壽命長等優(yōu)點。 （1） 精確。紅外線測溫儀精確，通常精度都是1度以內，這種性能在做預防性維護時特別重要。用紅外測溫儀，你甚至可快速探測操作溫度的微小變化，在其萌芽之時就可將問題解決，減少因設備故障造成的開支和維修的范圍。 （2）

14、便捷。紅外線測溫儀的另一個先進之處是可快速提供溫度測量，在用熱偶讀取一個滲漏連接點的時間內，用紅外測溫儀幾乎可以讀取所有連接點的溫度。另外由于紅外測溫儀堅實、輕巧(都輕于10盎司)，且不用時易于放在皮套中。所以當你在工廠巡視和日常檢驗工作時都可攜帶。 （3） 安全。安全是使用紅外線測溫儀最重要的好處。不同于接觸測溫儀，紅外線測溫儀能夠安全地讀取難以接近的或不可到達的目標溫度 ，在儀器允許的范圍內讀取目標溫度。非接觸溫度測量還可在不安全的或接觸測溫較困難的區(qū)域進行，像蒸汽閥門或加熱爐附近，他們不需在冒接觸測溫時一不留神就燒傷手指的風險。高于頭頂25英尺的供/回風口溫度的精確測量就象在手邊測量一

15、樣容易。紅外測溫儀具有激光瞄準，便于識別目標區(qū)域。 2.3 紅外測溫儀工作原理及測溫方法 紅外測溫儀由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?。該信號?jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內療的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。 通過測量輻射物體的全波長的熱輻射來確定物體的輻射溫度的稱為全輻射測溫法；通過測量物體在一定波長下的單色輻射亮度來確定它的亮度溫度的稱為亮度測溫法；通過被測物體在兩個波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化

16、來定溫的稱為比色測溫法。 亮度測溫法無需環(huán)境溫度補償，發(fā)射率誤差較小，測溫精度高，但工作于短波區(qū)，只適于高溫測量。比色測溫法的光學系統(tǒng)可局部遮擋，受煙霧灰塵影響小，測溫誤差小，但必須選擇適當波段，使波段的發(fā)射率相差不大。本文選用全輻射測溫法來計算被測量物體的溫度，全輻射測溫法是根據(jù)所有波長范圍內的總輻射而定溫，得到的是物體的輻射溫度。選用這種方法是因為中低溫物體的波長較大，輻射信號很弱，而且結構簡單，成本較低。 由普朗克公式可推導出輻射體溫度與檢測電壓之間的關系式： V=RaεσT4=KT4 （1.1） 式中K=

17、Raεσ，由實驗確定，定標時ε取1 T—被測物體的絕對溫度 R——探測器的靈敏度 a——與大氣衰減距離有關的常數(shù) ε——輻射率 σ——斯蒂芬—玻耳茲曼常數(shù) 因此，可以通過檢測電壓而確定被測物體的溫度，上式表明探測器輸出信號與目標溫度呈非線性關系，V與T的四次方成正比，所以要進行線性化處理。線性化處理后得到物體的表觀溫度，需進行輻射率修正為真實溫度，其校正式為： （1.2） 式中Tr——輻射溫度(表觀溫度) ε(T)——輻射率，取0.1～0.9 由于調制片輻射信號的影響，輻射率修正后的真實溫度為高于環(huán)境的溫度，還必須作環(huán)溫補償，即真實溫度加上環(huán)溫

18、才能最終得到被測物體的實際溫度。 第3章 系統(tǒng)硬件設計 確定系統(tǒng)的硬件由單片機模塊、OTP-538U溫度傳感器模塊、LM324電壓信號放大模塊、AD轉換模塊、液晶顯示模塊、電源模塊、硬件的流程是OTP-538U紅外溫度傳感器將紅外信號轉換為電壓信號。由于輸出的電壓信號很微弱，所以需要運算放大器LM324組成的運算放大電路進行前置放大，然后將放大的電壓信號發(fā)送至由TLC2543組成的A/D轉換電路，再將轉換后得到的數(shù)字信號送至單片機進行處理，最后將處理的結果送至LCD1602液晶顯示屏進行實時檢測溫度的顯示。 紅外線測溫模塊 電壓信號放

19、大模塊 A/D轉換模塊 單片機STC89C52 電 源 模 塊 液晶顯示模塊 其方案圖如圖3-1所示： 圖3-1 系統(tǒng)硬件方案圖 3.1 硬件設計概述 基于STC89C52單片機的紅外測溫系統(tǒng)的硬件設計采用模塊化設計思想，將整個系統(tǒng)分成六大模塊：單片機STC89C52模塊、紅外測溫模塊、電壓信號放大模塊、AD轉換模塊、LCD液晶顯示模塊、電源模塊。通過劃分模塊的方法，可以把一個復雜的問題分割成幾個相對容易解決的問題，然后分別予以解決，大大簡化了設計的難度。 3.2 單片機STC89C52模塊 STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能C

20、MOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。 3.2.1 MCS-51單片機內部結構 圖3-2 單片機內部結構 經(jīng)過選擇，決定使用STC89C52單片機，STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32

21、 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機的一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 3.2.2 STC89C52RC單片機介紹 STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以

22、任意選擇。 主要特性 (1):增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051. (2):工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機）/3.8V～2.0V（3V單片機） (3):工作頻率范圍：0～40MHz，相當于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz (4):用戶應用程序空間為8K字節(jié) (5):片上集成512字節(jié)RAM (6):通用I/O口（32個），復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。 (7):ISP（在

23、系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 (8):具有EEPROM功能 (9):具有看門狗功能 (10):共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2 (11):外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 (12):通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART (13):工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級） (14):PDIP封裝 3.2.3 STC89C52R

24、C單片機的工作模式 l 掉電模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序 l 空閑模式：典型功耗2mA l 正常工作模式：典型功耗4mA～7mA l 掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設備 圖3-3 STC89C52RC引腳圖 3.2.4 STC89C52RC引腳功能說明 VCC（40引腳）：電源電壓 VSS（20引腳）：接地 P0端口（P0.0～P0.7，39～32引腳）：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅動8個TTL負載，對端口P0寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程

25、序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復用總線。此時，P0口內部上拉電阻有效。在Flash ROM編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。 P1端口（P1.0～P1.7，1～8引腳）：P1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅動（吸收或者輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流（I）。 此外，P1.0和P1.1還可以作為定時器/計數(shù)器2的外部技術輸入（P1.0/T2）

26、和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體參見下表3-1： 在對Flash ROM編程和程序校驗時，P1接收低8位地址。 表3-1 P1.0和P1.1引腳復用功能 引腳號 功能特性 P1.0 T2（定時器/計數(shù)器2外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器2捕獲/重裝觸發(fā)和方向控制） P2端口（P2.0～P2.7，21～28引腳）：P2口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。P2作為輸入口使用時，因為有內部

27、的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（I）。 在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX @DPTR”指令）時，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX @R1”指令）時，P2口引腳上的內容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中的P2寄存器的內容），在整個訪問期間不會改變。 在對Flash ROM編程和程序校驗期間，P2也接收高位地址和一些控制信號。 P3端口（P3.0～P3.7，10～17引腳）：P3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上

28、拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3做輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流（I）。 在對Flash ROM編程或程序校驗時，P3還接收一些控制信號。 P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復用功能，如下表3-2 所示： 表3-2 P3口引腳復用功能 引腳號 復用功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 （外部中斷0） P3.3 （外部中斷1） P3.4 T0（定時器0的外部輸入） P3.5 T1（定時器1的外部輸入） P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7

29、（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） RST（9引腳）：復位輸入。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復位初始化操作?？撮T狗計時完成后，RST引腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。 ALE/（30引腳）：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時，此引腳（）也用作編程輸入脈沖。 在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會

30、跳過。 如果需要，通過將地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOV指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標志位（地址位8EH的SFR的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 （29引腳）：外部程序存儲器選通信號（）是外部程序存儲器選通信號。當AT89C51RC從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，在每個機器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將不被激活。 /VPP（31引腳）：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，必須接GND。注意加密方式1時，將內部鎖定位RE

31、SET。為了執(zhí)行內部程序指令，應該接VCC。在Flash編程期間，也接收12伏VPP電壓。 XTAL1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。 特殊功能寄存器 在STC89C52RC片內存儲器中，80H～FFH共128個單元位特殊功能寄存器（SFR）。 并非所有的地址都被定義，從80H～FFH共128個字節(jié)只有一部分被定義。還有相當一部分沒有定義。對沒有定義的單元讀寫將是無效的，讀出的數(shù)值將不確定，而寫入的數(shù)據(jù)也將丟失。 不應將“1”寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復位

32、后這些單元數(shù)值總是“0”。 STC89C52RC除了有定時器/計數(shù)器0和定時器/計數(shù)器1之外，還增加了一個一個定時器/計數(shù)器2.定時器/計數(shù)器2的控制和狀態(tài)位位于T2CON和T2MOD。 定時器2是一個16位定時/計數(shù)器。通過設置特殊功能寄存器T2CON中的C/T2位，可將其作為定時器或計數(shù)器。定時器2有3種操作模式：捕獲、自動重新裝載（遞增或遞減計數(shù)）和波特率發(fā)生器，這3種模式由T2CON中的位進行選擇。 3.2.5 看門狗應用 STC89C52RC單片機看門狗定時器特殊功能寄存器 表3-3看門狗定時器特殊功能寄存器 符號 功能

33、 EN_WDT 看門狗允許位，當設置為“1”，看門狗啟動 CLR_WDT 看門狗清“0”位，當設為“1”時，看門狗將重新計數(shù)。硬件將自動清“0” 此位 IDLE_WDT 看門狗“IDLE”模式位，當設置為“1”時，看門狗定時器在“空閑模式”計數(shù)；當清“0”該位時，看門狗在“空閑模式”時不計數(shù) PS2，PS1，PS0 看門狗定時器預分頻值，不同值對應預分頻數(shù) STC單片機有兩種時鐘模式，一種是單倍速，也就是12時鐘模式，在該模式下，STC單片機與其他公司51系列單片機具有相同的機器周期，即12個振蕩周期為一個機器周期；另一種是雙倍速，又稱6時鐘模式，在該模式下，STC單片機比其他

34、公司的51單片機運行速度快一倍。 3.3紅外測溫模塊 OTP-538U是一個熱電堆傳感器，具有116種熱電偶元素，傳感器芯片經(jīng)由微細加工，可快速反應環(huán)境里的溫度改變，導致輸出端電壓響應，傳感器芯片的一個獨特的前表面體積加工技術，產生更小尺寸和更快響應環(huán)境溫度的變化。 紅外窗口是一個帶通濾波器擁有其50%削減在波長在5μm—14μm。傳感器響應事件的比例和不斷的紅外輻射信號響應其截止頻率,它是有限的,由傳感器熱時間常數(shù)的數(shù)十毫秒范圍。 3.3.1特性 (1)：非接觸式溫度檢測 (2)：電壓輸出,容易得到信號 (3)：零功耗 (4)：寬檢測溫度范圍 3.3.2 應用 (1)：

35、醫(yī)療用途:耳溫計 (2)：家里設施:微波爐、電吹風、安全系統(tǒng)、家庭安全&空調行業(yè)應用:過程監(jiān)控和控制器、紅外非接觸式溫度計、汽車應用:熱傳感系統(tǒng)。 3.3.3 傳感器特性 表3-4 絕對最大額定值 參數(shù) Min Typ Max Uint 工作溫度 -20 100 C 貯藏溫度 -40 100 C 圖3-4 紅外溫度傳感器實物圖片 表3-5 紅外傳感器參數(shù) Parameter Min Typ Max Unit Conditions Output Voltage

36、 0.77 1.44 mV Tamb.=25℃ Tobj. =50℃ Sensitivity 70 85 100 V/W * TC of sensitivity 0.10 0.11 0.12 %/K Typical Sensitivity area in --- 545 --- μm diameter Resistance of thermopile 50 65 80 KΩ 25℃

37、 TC of resistance --- 0.09 --- %/K Typical Time constant --- 16 --- ms * Noise voltage 28 32 36 nV/Hz1/2 NEP 0.28 0.36 0.48 nW/Hz1/2 Normalized detectivity (D*) 1.0*108 1.3*108 1.7*108 cm*Hz1/2/W

38、 * 表3-6 熱電堆典型的數(shù)值數(shù)據(jù)輸出電壓(傳感器工作在 25 C) Temp. (℃) V_out (mV) Temp. (℃) V_out (mV) -20 -1.29 50 1.02 -10 -1.06 60 1.49 0 -0.80 70 1.99 10 -0.51 80 2.52 20 -0.18 90 3.09 25 0.00 100 3.69 30 0.19 110 4.33 40 0.59 120 5.00

39、 圖3-5 otp-538u機械圖紙和引腳分配 第 44 頁 共 44頁 3.3.4實用連接電路圖 信號獲取電路：該電路使用到的元件有otp-538u，電阻1k,10k，電容47uf 圖3-6 otp-538u端口連接電路圖 圖3-7 實際otp-538u連接電路圖 3.4 放大電路模塊 LM324系列器件帶有差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多

40、應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用下圖所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。 3.4.1 LM324的引腳排列 圖3-8 LM324管腳圖 LM324系列由四個獨立的，高增益，內部頻率補償運算放大器，其中專為從單電源供電的電壓范圍經(jīng)營。從分裂電源的操作也有可能和低電源電流消耗是獨立的電源電壓的幅度。 應用領域包括傳感器放

41、大器，直流增益模塊和所有傳統(tǒng)的運算放大器現(xiàn)在可以更容易地在單電源系統(tǒng)中實現(xiàn)的電路。例如，可直接操作的LM324系列，這是用來在數(shù)字系統(tǒng)中，輕松地將提供所需的接口電路，而無需額外的15V電源標準的5V電源電壓。 3.4.2 參數(shù)與描述 運放類型:低功率 放大器數(shù)目:4 帶寬:1.2MHz 針腳數(shù):14 工作溫度范圍:0C to +70C 封裝類型:SOIC 3dB帶寬增益乘積:1.2MHz 變化斜率:0.5V/μs 器件標號:324 器件標記:LM324AD 增益帶寬:1.2MHz 工作溫度最低:0C 工作溫度最高:70C 放大器類型:低功耗 溫度范圍:商用 電

42、源電壓 最大:32V 電源電壓 最小:3V 芯片標號:324 表面安裝器件:表面安裝 輸入偏移電壓 最大:7mV 運放特點:高增益頻率補償運算 邏輯功能號:324 額定電源電壓, +:15V 3.4.3特點 (1)：短路保護輸出 (2)：真差動輸入級 (3)：可單電源工作：3V-32V (4)：低偏置電流：最大100mA (5)：每封裝含四個運算放大器 (6)：具有內部補償?shù)墓δ? (7)：共模范圍擴展到負電源 (8)：行業(yè)標準的引腳排列 (9)：輸入端具有靜電保護功能 這個是最常用的運算放大器1，2，3腳是一組5，6，7腳是一組，8，9，10腳是一組，12，

43、13，14腳是一組，剩下的兩個腳是電源，1，7，8，14是各組放大器的輸出腳，其它的就是輸入腳。至于使用地方，那就是你需要比較器和運算放大器的所有地方你都可以用，只是當你所需要用到運算放大器的地方對運算放大器的性能要求很高的時候那你就得看看LM324是不是滿足性能要求了！ 單位增益內部頻率補償 大直流電壓增益100 dB的 高帶寬（單位增益）1兆赫（溫度補償） 電源范圍寬：單電源3V至32V電源或雙電源1.5V至16V 極低的電源漏電流（700μA）基本上是獨立的電源電壓 低輸入偏置電流45 NA（溫度補償） 低的輸入失調電壓為2 mV和失調電流：5 NA 輸入共模電壓范圍包括

44、地面 差分輸入電壓范圍的電源電壓等于 大輸出電壓擺幅0V至V + - 1.5V 3.4.4 應用電路 圖3-9 放大器LM324應用電路 圖3-10 實際LM324芯片連接電路 3.5 A/D轉換模塊 TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉換器，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程。由于是串行輸入結構，能夠節(jié)省51系列單片機I/O資源；且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應用。 3.5.1 TLC2543的特點 (1)：12位分辯率A/D轉換器； (2)：在工作溫度范圍內10μs轉換時間； (3)：11個模擬輸入通道； (4)：3路

45、內置自測試方式； (5)：采樣率為66kbps； (6)：線性誤差1LSBmax； (7)：有轉換結束輸出EOC； (8)：具有單、雙極性輸出； (9)：可編程的MSB或LSB前導； (10)：可編程輸出數(shù)據(jù)長度。 3.5.2 TLC2543的引腳排列及說明 TLC2543有兩種封裝形式：DB、DW或N封裝以及FN封裝，這兩種封裝的引腳排列如下圖，引腳說明見下表3-8。 圖3-11 TLC2543的封裝 表3-7 TLC2543引腳說明 引腳號 名稱 I/O 說明 1~9,11,12 AIN0~AIN10 I 模擬量輸入端。11路輸入信號

46、由內部多路器選通。對于4.1MHz的I/OCLOCK，驅動源阻抗必須小于或等于50Ω，而且用60pF電容來限制模擬輸入電壓的斜率 15 CS I 片選端。在CS端由高變低時，內部計數(shù)器復位。由低變高時，在設定時間內禁止DATA INPUT和I/OCLOCK 17 DATA INPUT I 串行數(shù)據(jù)輸入端。由4位的串行地址輸入來選擇模擬量輸入通道 16 DATA OUT O A/D轉換結果的三態(tài)串行輸出端，CS為高時處于高阻抗狀態(tài)，CS為低時處于激活狀態(tài) 19 EOC O 轉換結束端。在最后的I/OCLOCK下降沿之后，EOC從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D換完成和數(shù)

47、據(jù)準備傳輸為止 10 GND 地。GND是內部電路的地回路端。除另外說明外，所有電壓測量都相對GND而言 18 I/O CLOCK I 輸入/輸出時鐘端。I/O CLOCK接收串行輸入信號并完成以下四個功能：（1）在I/O CLOCK的前8個上升沿，8位輸入數(shù)據(jù)存入輸入數(shù)據(jù)寄存器。（2）在I/O CLOCK的第4個下降沿，被選通的模擬輸入電壓開始向電容器充電，直到I/O CLOCK的最后一個下降沿為止。（3）將前一個轉換數(shù)據(jù)的其余11位輸出到DATA OUT端，在I/O CLOCK的下降沿時數(shù)據(jù)開始變化。（4）I/O CLOCK的最后一個下降沿，將轉換的控制信號傳送到內部狀態(tài)

48、控制位 14 REF+ I 正基準電壓端?；鶞孰妷旱恼耍ㄍǔＪ荲CC）被加到REF+，最大的輸入電壓范圍由加于本端與REF-端的電壓差決定 13 REF- I 負基準電壓端。基準電壓的低端（通常為地）被加到REF- 20 VCC 電源 3.5.3 接口時序 可以用四種傳輸方法使TLC2543得到全12位分辯率，每次轉換和數(shù)據(jù)傳遞可以使用12或16個時鐘周期。 一個片選脈沖要插到每次轉換的開始處，或是在轉換時序的開始處變化一次后保持為低，直到時序結束。 圖2顯示每次轉換和數(shù)據(jù)傳遞使用16個時鐘周期和在每次傳遞周期之間插入的時序，圖3顯示

49、每次轉換和數(shù)據(jù)傳遞使用16個時鐘周期，僅在每次轉換序列開始處插入一次時序。 圖3-12 16時鐘傳送時序圖（使用，MSB在前） 圖3-13 16時鐘傳送時序圖（不使用，MSB在前） 3.5.4 應用電路 圖3-14 實際TLC2543連接電路 由前面的紅外傳感器的輸出電壓與被測物體的關系可知，每一度的溫度變化，引起的紅外傳感器的電壓變化都是很微小的。TLC2543是12位的模數(shù)轉換。假如輸入的基準電壓是5V，則最小轉換精度為5/4095.為1.220703Mv，只要將紅外傳感器的輸出的電壓稍微放大百倍左右就可以在A/D轉換芯片的精度范圍內，而且誤差也小。用

50、8位的A/D轉換芯片需要放大的倍數(shù)很大，那樣轉換時輸出的值的誤差就很大。所以選擇12位模數(shù)轉換芯片。 3.6 電源模塊 LM7805是三端穩(wěn)壓集成電路。用LM78/LM79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍電路極少。電路內部還有過流，過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠，方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的LM78或者LM79，后面的數(shù)字代表三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如LM7806表示輸出的電壓為正6V，LM7909表示輸出的電壓是負9V。 其實物圖為 圖3-15 7805實物圖及引腳涵義 3.6.1整流橋 為了克服單相

51、半波整流電路的缺點，在實用電路中多采用單相全波整流電路，最常采用的是單相橋式整流電路。 單相橋式整流電路由四只二極管組成，其構成原則就是保證在變壓器的副邊電壓U2的整個周期內，負載上的電壓和電流方向始終不變，為了達到這一目的就需要在U2的正負半周內正確引導流向負載的電流。設變壓器副邊兩端分別是A和B，則A為“＋”，B為“—”時應有電流流出A點，A為“—”，B為“＋” 時應有電流流入A點；相反A為“＋”，B為“—”時應有電流流入B點，A為“—”，B為“＋”時應有電流流出B點；因而A和B點均應分別接兩只二極管的陰極和陽極，以引導電流 。圖（a）為習慣畫法，圖（b）為簡化畫法。 圖3-1

52、6整流橋電路 圖3-17整流橋電路簡單畫法 3.6.2 應用電路圖 圖3-18 實際電源電路連接圖 3.7 液晶顯示模塊 工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行） 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。 1602LCD是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每

53、行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 3.7.1 管腳功能 表3-8 1602引腳接口說明 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀/寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù)

54、 16 BLK 背光源負極 第1腳：VSS為地電源。 第2腳：VDD接5V正電源。 第3腳：VL為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比 度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同 為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當 RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成

55、低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 第15腳：背光源正極 第16腳：背光源負極。 圖3-19 1602引腳圖 實物圖 圖3-20 1602實物圖 3.7.2 特性 (1)：3.3V或5V工作電壓，對比度可調。 (2)：內含復位電路。 (3)：提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能。 (4)：有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM。 (5)：內建有192個5X7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM。 (6)：8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM。

56、 3.7.3 應用電路 圖3-21 實際1602電路連接圖 第4章 系統(tǒng)軟件設計 4.1 總體設計 主程序 A/D轉換單元 LCD顯示單元 圖4-1 總體方案圖 當單片機上電時，系統(tǒng)開始工作，紅外傳感器將紅外信號轉化為對應的電壓輸出，輸出的電壓信號很微小，需要經(jīng)過運算放大器進行放大，然后將放大的信號送到A/.D轉換芯片進行模數(shù)轉換，將轉換的數(shù)字量送至單片機進行處理。將處理后得到的溫度送至LCD上顯示出來。此系統(tǒng)涉及的軟件代碼，主要是A/D芯片的控制，以及LCD顯示單元的初始化，顯

57、示等。 主程序部分代碼 void main() //主函數(shù) { uchar m=0; float num,volt; int x,y,z,T,r; volt=(read2543(0x00)*5.0/4095.0); num=(volt*123.617+25.3)*100; T=(int)num; x=T/1000; y=(T%1000)/100; z=(T%1000)%100/10; r=(T%1000)%100%10; 主程序部分主要為A/D轉換電壓的獲取，然后通過opt-538U傳感器電壓與溫度的數(shù)值關系，計算出大致

58、的線性關系，然后在代碼中通過函數(shù)轉換的到溫度值，供后續(xù)的顯示單元顯示。 4.2 A/D轉換單元時序 4.2.1 TLC2543控制字 每次進行A/D轉換的時候都必須向TLC2543寫入命令以便確定其工作狀態(tài)。命令字的格式如表4-1所示 表4-1 命令字格式表 D7~D4 D3~D2 D1 D0 輸入通道地址選擇 輸出數(shù)據(jù)長度選擇 輸出數(shù)據(jù)順序選擇 輸出數(shù)據(jù)格式選擇 表4-2輸入通道地址選擇位表 輸入通道地址選擇位：用于選擇TLC2543的輸入通道和自測試電壓值 D7 D6 D5 D4 說明 0 0 0 0 通道0 0 0 0 1

59、通道1 0 0 1 0 通道2 0 0 1 1 通道3 0 1 0 0 通道4 0 1 0 1 通道5 0 1 1 0 通道6 0 1 1 1 通道7 1 0 0 0 通道8 1 0 0 1 通道9 1 0 1 0 通道10 1 0 1 1 自測試電壓（（VREF+）－（VREF-））/2 1 1 0 0 自測試電壓VREF－ 1 1 0 1 自測試電壓VREF＋ 1 1 1 0 掉電 輸出數(shù)據(jù)長度選擇位：用與選擇A/D轉換結果的位數(shù) 輸出數(shù)據(jù)長度選擇位設置

60、 表4-3 輸出數(shù)據(jù)長度選擇位表 D3 D2 說明 0 0 12位數(shù)據(jù)輸出 0 1 8位數(shù)據(jù)輸出 1 0 12位數(shù)據(jù)輸出 1 1 16位數(shù)據(jù)輸出 輸出數(shù)據(jù)順序選擇位：用于選擇數(shù)據(jù)輸出的順序，如果D1=0，則高位在前，如果D1=1，則低位在前。 輸出數(shù)據(jù)格式選擇位：用于選擇輸出數(shù)據(jù)的屬性。如果D0=0，采樣數(shù)據(jù)是無符號數(shù)；如果D0=1，采樣數(shù)據(jù)是有符號數(shù)。 4.2.2 工作流程 (1)：上電時，EOC=“1”，CS=“1” (2)：使CS下降，前次轉換結果的MSB即A11位數(shù)據(jù)輸出到Dout供讀數(shù)。 (3)：將輸入控制字的MSB位即C7送到Din，在C

61、S之后tsu>=1.425us后，使CLK上升，將Din上的數(shù)據(jù)移入輸入寄存器。 (4)：CLK下降，轉換結果的A10位輸出到Dout供讀數(shù)。 (5)：在第4個CLK下降時，由前4個CLK上升沿移入寄存器的四位通道地址被譯碼，相應模擬通道接通，其模擬電壓開始時對內部開關電容充電。 (6)：第8個CLK上升時，將Din腳的輸入控制字C0位移入輸入寄存器后，Din腳即無效。 (7)：第11個CLK下降，上次AD結果的最低位A0輸出到Dout供讀數(shù)。至此，I/O數(shù)據(jù)已全部完成，但為實現(xiàn)12位同步，仍用第12個CLK脈沖，且在其第12個CLK下降時，模入通道斷開，EOC下降，本周期設置的AD轉

62、換開始，此時使CS上升。 (8)：經(jīng)過時間tconv<=10us,轉換完畢，EOC上升。 (9)：使CS下降，轉換結果的MSB位B11輸出到Dout供讀數(shù)。 (10)：將新周期的輸入控制字的MSB位D7送到Din，在CS下降之處，tSU時間處由CLK上升將Din數(shù)據(jù)移入輸入寄存器。 (11)：CLK下降，將AD結果的B10位輸出到Dout。 開始 CS=1，EOC=1 CS=0？ CLOCK=1 CLOCK=0，一次轉換結束 循環(huán)結束？ 輸出數(shù)據(jù) 返回 N Y Y N 工作流程圖

63、 圖4-2 TLC2543工作流程圖 其代碼部分為 uint read2543(uchar port) { uchar i,al=0,ah=0; unsigned long ad; //采集到的電壓 CLOCK=0; //下降沿，輸出 CS=0; //拉低，使能 port<<=4; //通道左移4位，port為0，則左移4位后為00000寫成八 //位為00000000， for(i=0;i<4;i++) { D_IN=por

64、t&0x80; //port=00000&上0x80后得到00001000，為 //則選擇的通道為AIN0,輸出的數(shù)據(jù)為12位 CLOCK=1; //上升沿， CLOCK=0; //下降沿 port<<=1; } D_IN=0; for(i=0;i<8;i++) { CLOCK=1; CLOCK=0; } CS=1; delay(5); CS=0; for(i=0;i<4;i++) //獲得高四位數(shù)據(jù)值 { CLOCK=1; ah<<=1; if(D_OUT) ah|=0x01; CL

65、OCK=0; } for(i=0;i<8;i++) //獲得低八位數(shù)據(jù)值 { CLOCK=1; al<<=1; if(D_OUT) al|=0x01; CLOCK=0; } CS=1; ad=(uint)ah; //將高四位數(shù)據(jù)值轉換類型，并賦給ad ad<<=8; ad|=al; //將高四位與低八位數(shù)值整合到一塊 return(ad); //返回采樣值 } 4.3 LM324模塊 紅外傳感器輸出的電壓很微小。所以需要LM324將電壓進行放大，這樣進行A/D轉換的時候誤差值就會減小。在將紅外傳感器的輸

66、出的微小電壓進行放大后，原先的關于紅外傳感器的溫度對應電壓的大致線性關系就會改變，所以編程時的關系式也會改變。此時需要計算放大的倍數(shù)，再重新計算大致的線性關系。 圖4-3 應用放大電路圖 理論上這個放大電路的放大倍數(shù)為： Vo1-Vo2=(1+2R3/R0)(V1-V2) V0=(R2/R1)(Vo2-Vo1) Vo=A(V2-V1) A=A2A1=(1+2R3/R0)(R2/R1) 帶入電路圖中的數(shù)值后得到A=201。 但是實際上測的實際的放大倍數(shù)只有大約15倍，由于所供電壓的值的范圍很大，很難達到理想效果，與理論值差距很大。因為A/D轉換模塊的精度為5/4095=0.001221,紅外傳感器的參數(shù)經(jīng)過15倍放大后，所得的數(shù)值在其精度范圍內，所以也可以正常使用。 4.4 紅外傳感器模塊 下表是紅外傳感器輸出的電壓與溫度之間的關系式， 表4-4 紅外傳感器輸出電壓與溫度的關系式表 Temp. (℃) V_out (mV) Temp. (℃) V_out (mV) -20 -1.29 50