紅外溫度測量儀畢業(yè)設計論文

江 西 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計（論文） 題 目：紅外熱輻射溫度測量系統(tǒng)的設計與研究 專題題目：無 學 院：機電工程學院 專 業(yè)：測控技術與儀器 班 級： 102 學 號： 17號 學 生：柳裔樹 指導教師： 羅小燕 職稱：副教授 時間： 2014年 5 月 29 日 摘 要 針對高速公路路面溫度測量的問題，首先分析了傳統(tǒng)的溫度測量方法和目前高速公路對路面溫度測量的措施，了解了對高速路路面溫度測 量對交通安全的重要性，在此基礎上提出了紅外熱輻射溫度測量系統(tǒng)的設計和方案。應用紅外熱輻射非接觸式溫度測量技術來精確檢測公路表面溫度。該系統(tǒng)以 89C51 單片機為控制中心， TN9紅外探測器，經過數據處理后將測得結果顯示在 LCD顯示屏上。主要設計成果有： 1 根據非接觸式紅外熱輻射溫度測量的要求，設計了基于 TN9 溫度傳感器針對高速公路路面溫度測量的方案。 2 根據系統(tǒng)方案的設計要求，設計了基于 89C51單片機為控制中心的遠距離溫度測量系統(tǒng)。 包括電源模塊，紅外熱溫度傳感器 TN9模塊， RS232電路轉換模塊， LCD1602顯 示模塊的設計。 3 完成了軟件流程圖，以 keil uVision4 為平臺，編寫模塊初始化程序及顯示程序等的設計。 4 根據系統(tǒng)設計要求，完成了 protues 軟件設計及 與仿真 。 關鍵字： 紅外熱輻射； 紅外 ； 單片機 ； LCD顯示 。 Abstract Aiming at the problem of highway road surface temperature measurement, the first analysis of the traditional temperature measurement method and current highway measures 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 design and solutions. Application of infrared thermal radiation contactless temperature measurement technology to accurately detect road surface temperature. The system with 89 c51 microcontroller as the control center, TN9 infrared detector, after data processing results show that measured on the LCD screen. The main design results are: 1.According to the requirements of non-contact infrared thermal radiation temperature measurement based on TN9 temperature sensor for highway pavement temperature measurement scheme. 2.According to the requirements of the system design, the design based on 89 c51 microcontroller 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. 3. Completed the software flow chart to keil uVision4 as the platform, write module initialization program, display program design, etc. 4. Based on the system design requirements, completed the design and simulation protues software. Key words: The infrared thermal radiation； Infrared； Single chip microcomputer； The LCD display. 目 錄 第 1 章 緒 論 . 1 1.1 課題來源 . 1 1.2 課題意義 . 2 1.3 國內研究現狀 . 3 1.4 研究目標 . 4 1.5 研究內容 . 4 1.6 研究安排 . 5 第 2 章 紅外測溫原理及系統(tǒng)的總體方案設計 . 6 2.1 紅外熱輻射的概念與基礎理論 . 6 2.2 紅外熱輻射測溫原理及方法 . 8 2.3 紅外熱輻射測溫的特點及影響因素 . 8 2.4 系統(tǒng)方案 . 10 2.5 研究方法 . 10 2.6 本章小節(jié) . 11 第 3 章 硬件電路設計 . 12 3.1 單片機控制中心 . 12 3.2 紅外測溫傳感器 . 14 3.3 電源模塊 . 17 3.4 RS232 電路轉換模塊 . 17 3.5 LCD顯示模塊 . 18 3.6 硬件電路功能 . 20 3.7 本章小結 . 21 第 4 章 軟件設計 . 22 4.1 軟件總體設計 . 22 4.2 時鐘初始化 . 22 4.3 LCD顯示初始化 . 23 4.4 UART 初始化 . 24 4.5 串口設置 . 25 4.6 紅外熱測溫模塊程序設計 . 26 4.7 系統(tǒng)仿真 . 27 4.8 本章小節(jié) . 29 第 5 章 總結與展望 . 30 5.1 工作總結 . 30 5.2 展望 . 30 致 謝 . 32 參考文獻 . 33 附 錄 . 35 附件 1：常見物質輻射率表 . 35 附錄 2： LCD測試程序 . 35 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒 論 1.1 課題來源 本 畢業(yè)設計采用 非接觸式紅外測溫的方法，對公路表面溫度進行 測量 ，其成果主要應用于高速公路表面溫度測溫儀。 可見光 的 輻射主要來自高溫輻射 物體 ，如太陽， 鐵水， 灼熱 的 金屬 ， 高溫燃燒 物體等，而任何低溫， 常 溫 以及 加熱后的物體都 一定會 有紅外 熱 輻射。在電磁波譜中 能夠被人眼 察 覺 的 是 0.4 微米 到 0.75 微米波段 我們 稱 之 為可見光波段，而把波長從 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光 中的 紅光相 連 ，長波端與微波相接。根據普朗克輻射定理， 我們知道 凡是絕對溫度大于零度的物體都 無一例外的 能 向外 輻射 出 電磁 波 ， 該 物體的輻射強度 大小 與 物體 表面的輻射能力 強弱及溫度的高低 有關，輻射的光譜分布也與物體溫度 緊密 相關。 確定物質狀態(tài)的參數有非常多，而 溫度參數 恰恰 是確定物質狀態(tài)的重要參數之一，它的測量與控制 方面 在國防 科技 、軍事、 工業(yè)、農業(yè)生產以及 科學研究中占有十分重要的 地位。 我們 在工 農 業(yè)生產中，通常通過測量設備表面的溫度來監(jiān)測設備的運行狀況，而現代的工業(yè)設備 大都 是在高電壓、 強 電流等危險 環(huán)境 下運行的，傳統(tǒng) 的測量方法是 依靠人工接觸式檢測 ，這樣 既浪費時間、人力，又 通常具有 一定的危險性，同時對測溫 設備 所采用的材 料性質 也有 非常 嚴格的限制。因此有必要 研究出 一種新的方 法 去檢測目標系統(tǒng)的溫度。 目前，人們使用最廣泛的水銀體溫計是根據水銀 性質 隨溫度升降 而 熱脹冷縮的 物理性質， 我們在使用 傳統(tǒng)溫度計 時 要和被測量 物 體 相 接觸， 為了與被測物體達到熱平衡 ，需 要等待較長的時間，當測量結束后還要將水銀重新 甩入水銀泡中，由于 甩的時候 極易破碎，其中的水銀蒸汽 會 對人體有極強的毒害作用，因此 傳統(tǒng) 的溫度計有非常嚴重的安全隱患。 所以 此方法就必然有很多的局限性，在很多環(huán)境要求下不能滿足快速，安全可靠的非接觸式測量的要求。紅外測溫提供了快速，準確及時的檢測方法和結果。而且可以以數字的方式顯示出測量結果， 消 耗時 間非常 短，往往在幾秒鐘之內就能測得結果，更重要的是此方法所測量的結果比較精確，避免了人為讀數的誤差， 而且 系統(tǒng)的 壽命長，是較為理想的測溫儀器。 隨著紅外檢測技術的日趨成熟， 依據 紅外 熱 測溫 技術正 以響應速度快、測量 精 確度高 ，設備耐用 等優(yōu) 勢 ，近年來紅外測溫技術被越來越多的場合所認識和接受。由于社會的進步，交通的發(fā)達，人民生活節(jié)奏變得快捷的同時也帶來了許多安全隱患。 隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應用正在 日益廣泛 ，同時 也 帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月異 的變革 。 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 2 在 工業(yè) 智能檢測、控制系統(tǒng)中， 通常 使用單片機作為一個 控制中心 來使用，然后配合 相應的外圍 硬件 設備 ，以及針對具體應用對象特點的軟件 相 結合， 如此 加以完善。單片機控制系統(tǒng)能夠取代以 往 利用復雜電子 電 路 和 數字電路構成的控制系統(tǒng)， 我們 可以 用 軟件控制來實現，并能夠 輕松地 實現智能化 控制 。 1.2 課 題 意義 對溫度測量的傳統(tǒng)方法需要工作人員到現場進行數據采集，整理，分析才能計算出調研結果。過程比較繁瑣，耗時費力，更不理想的就是當我們需要多個目標地點的溫度數據時，沒有足夠的人力物力去獲得數據，相關工作人員不能及時得到數據，這樣極大的降低了工作效率，體現不了工作人員的價值。 隨著工作人員對現場安全實時監(jiān)控提出越來越高的要求，因此對現場安全進行實時監(jiān)測十分必要。故而需要有更方便安全快捷的工作模式來取代傳統(tǒng)的測量方法，正因如此，紅外熱輻射溫度測量技術運應而生。 在某些應用領域中，要求測量溫度的傳感器不能 直接 與被 測 物體 相接觸， 這就需要滿足這種領域非接觸式測量， 本 設計 正是應上述實際需求 來 設計的紅外測溫 系統(tǒng) 。 紅外 熱 測溫 系統(tǒng) 是以黑體輻射定律作為理論基礎， 紅外控制 理論 以及電子技術 綜合發(fā)展的產物。與傳統(tǒng)的測溫方 法 相比，紅外測溫具有 以 下優(yōu)點： (1)不需要 與 被測物體接觸，不會擾亂被測物的溫度場，溫度場 的分布不會受到影響 ， 因此 具有較高的測量 精 確度； (2)在測量過程中，光電器件不必 與 被測介質達到 新的 熱平衡，因而能檢測溫度的迅速變化， 而且還 能測量運動物體的溫度； (3)測量距離可近可遠，近者可 測 幾厘米， 有的 甚至更小， 而 遠者可 測 近 幾公里 外的目標 ； (4)可以 用來 測量小面積的 物體 ，目前可測量出直徑小至 7.5微米 的目標溫度； (5)以黑體 作為測量對象 最為合適，但也可以測量一般物體。 正是這些優(yōu)點使得紅外測溫技術受到越來越廣泛的 歡迎 ，該技術在溫度測量領域 里具有不可替代的優(yōu)勢。 紅外測溫的設計，其 知識 包 括 了檢測技術， MCU，控制 技術等多方面的內容 。 紅外測溫技術是一門很實用和 很有前景 的技術， 通過此次畢業(yè)設計 ，有利于 我 理論聯系實際，更好的掌握這一方面的知識體系，是對學習內容的 總結 歸納與升華，特別是對單片機控制技術知識的深入理解，對于自身綜合素質 與工程應用能力的培養(yǎng)也有 及其 重要 的 意義。 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 3 1.3 國內研究現狀 軌道交通是一個龐大、復雜 、易出現事故 的交通運輸系統(tǒng)，因而，從機車制造到運營，可靠性、安全性一直是 社會 關注的重點。一方面，無論何種設備， 它的 維 修與護理護是一種設備運轉狀況驅動的預防性維護。它是對運轉狀況、熱量分布和其他指標進行直接監(jiān)視，以便確定實際的平均無故障時間或對其危害在設施內所有關鍵系統(tǒng)裝置運轉效率損失的確定因素。因此定期地測量設備， 實時 跟蹤 監(jiān)測 結果，而溫度恰恰就是一個非常 重要非常有用 的參數。目前 ， 其中監(jiān)視溫度的紅外熱像儀檢測技術就是一種檢 測 方向的應用 ；另一方面，隨著軌道交通行業(yè)的 快速 發(fā)展，消費者 群體 對于機車的性能要求也越來越高，軌道交通與汽車行業(yè)一樣， 就 是 對 可靠性、安全性、舒適性 的嚴格要求 。紅外熱像技術在軌道交通運營過程中能 夠起到 更有效、更快速 地追蹤交通系統(tǒng)的動態(tài)。 由于高速公路的路面工程量大、牽涉面廣 、建設和維修難度系數大 。 然而 路面 又 經常由多層各不相同的材料 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、 要求嚴格，每層都有各自要求的工藝水準。在路橋施工建設， 公路表 面、高 橋 的 維護 及施工 過程， 都 必須 要 對瀝青或混凝土的 成分及 溫度 進行 檢測 ；工藝要求較高的區(qū)域更是需要采用能 夠提供可靠的、 全面反映測量區(qū)域內溫度的分布及變化情況 的儀表。 紅外熱測溫的應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。定性觀察是根據圖像判斷物體的存在和運動，主要應用于軍事、安檢、監(jiān)控等方面。定量分析是利用紅外熱像儀的測溫功能對物體的溫度分布進行檢測分析。 2003 年非典期間，社會公眾對紅外熱像儀的測溫功能提出了很高的要求。針對公路路面溫度和鐵軌溫度測量的傳統(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小時實時監(jiān)控，需要人為現場測試，耗費了不 少人力物力。 隨著社會節(jié)奏的變快，交通逐漸發(fā)達，這些傳統(tǒng)的方法已經不能夠滿足我們對安全的及時監(jiān)測需要。然而隨之產生的交通通信設備日漸繁多，功能完善。紅外測溫也慢慢步入在交通指示的應用領域，目前已經有部分高速路段鋪設有紅外測溫系統(tǒng)，用于測定高速路段地面溫度，及時顯示在 LCD顯示屏幕上。這種儀器結構簡單、容易制作、便于安裝及維修，所測溫度可直接輸出到單片機進行后期數據處理，十分方便易行。 紅外測溫打破了傳統(tǒng)的測溫模式，它響應快，測量精度高，可靠性強，范圍廣，為非接觸測量，因而 更 不 容 易 被 損壞，該溫度計以其 準確快速 的測量 優(yōu)勢 ，和清晰易懂的數字化顯示 方便了 科研領域的使用 以及 方便了人們日常生活工作。 第一 在 本 次畢業(yè)設計 中根據紅外 熱 輻射的基本原理，采用“直接定標”的方法，即在測量不同 環(huán)境 下的公路表面溫度時，實時定標紅外測溫。 第二，傳統(tǒng)的紅外測溫儀在原理上均需討論物體輻射率修正 的 問題。 然 而 如果要 確 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 4 定物體的輻射率則 卻是 紅外測溫中的一大難題。 通常 情況下， 我們 是通過經驗測量 或者查閱資料來 確定固體和液體在特定情況下的輻射率，以此作為紅外測量中的參數。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，根據能量的守恒關系，巧妙的避開了公認的“輻射率修正”這一難題。 第三，根據實際需要，設計了系統(tǒng) 硬件 電路，并對系統(tǒng)進行了仿真。 1.4 研究目標 1. 針對公路表面紅外熱輻射的測量，通過系統(tǒng)處理，直觀的顯示其溫度； 2. 基于單片機 AT89C51開發(fā)的溫度控制系統(tǒng)； 3. 能夠準確的測量出溫度 并將數據 輸入到單片機內； 4、對不在規(guī)定范圍內的溫度進行調節(jié)以使其始終穩(wěn)定在一個恒定范圍內； 5、控制精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定、成本低； 1.5 研究內容 本系統(tǒng)采用紅外溫度傳感器 TN9 對公路地面溫度進行 采集， 89C51 單片機為控制中心，提高了準確性和安全性。系統(tǒng)采用的紅外溫度傳感器體積小、性能好，再加上穩(wěn)定的運放和精度較高的 A/D處理，將溫度參數顯示在 LCD顯示屏上，可實現對目標溫度的準確測量。研究內容如下： 1 紅外 熱輻射 測溫系統(tǒng)的硬件設計 （ 1）單片機處理模塊 （ 2)紅外 熱輻射溫度傳感器 TN9 （ 3)RS232轉換電路模塊 （ 4）電源模塊 （ 5） LCD顯示模塊 2.紅外 熱輻射 測溫系統(tǒng)的軟件設計 由于受檢對象表面 的 紅外輻射能量，是經大氣傳輸到紅外檢測儀器里的，這就會受到 大氣成分 中的 水蒸汽、二氧化碳、 氮氣 等氣體分子的吸收 以及 空氣中懸浮 塵埃 微粒的遮擋與吸收 而衰減，設備輻射能量 輻射 的衰減 程度大小 隨著檢測儀器到被測設備之間的距離 的增大 ， 在很大程度上 降低了被測 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 。 降低受檢設備故障部位與正常部位的輻射 的 對比度，也會 導致 紅外 探測儀器 接收到的目標能量減少， 從而使得結果 儀器顯示出來的溫度 值比 被測故障點的 真實 溫度 低。 尤其 是 檢測溫升較低的設備故障時，這是 非常 不利的。 所以 檢測距離 越 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 5 大 ，大氣 組合成分 的影響 就 會越來越大。 因此如果 要獲得目標溫度 的 準確性，必 須采取以 下 相應的措施 ： （ 1） 盡量選擇在 環(huán)境干燥 地段進行檢測； （ 2） 在不影響安全的條件下盡可能 減小 檢測距離 ， 以便測得實際溫度值； 1.6 研究安排 本文章節(jié)主要安排如下： 第一章 ：本論文的緒論，包括課題來源，課題意義，國內研究現狀，研究目標，研究內容，研究安排； 第二章 ：紅外熱 輻射 的基本概念介紹，紅外熱 輻射 測溫的基礎理論，紅外 熱輻射測溫原理和方法，紅外 熱輻射 測溫的特點，紅外 熱輻射 測溫影響因素； 第三章 ：系統(tǒng)的總體結構設計方案 ,硬件電路設計：單片機處理模塊，電源模塊，紅外測溫模塊 ， RS232 電路轉換模塊， LCD顯示模塊； 第四章 ：軟件設計，程序的總體設計； 第五章 ：總結與展望； 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 6 第 2 章 紅外測溫原理及系統(tǒng)的總體方案設計 2.1 紅外熱輻射的概念與基礎理論 1.紅外熱輻射的概念 紅外 熱 是一種電磁波，具有與無 熱 電波及可見光一樣的 性 質。紅外 熱 的波長在 0.76到 1000 微米 之間，位于無 熱 電波與可見光之間。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。 與可見光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等 共有 特性相同 以外 同時 還 具有粒子性。對人的眼睛 很 不敏感，要 使 用對 紅外敏感的探測器才能探測到。紅外輻射的本質是熱輻射 ， 在 0.76 m 40 m 紅外輻射的 熱效應 卻是 最大 的 。 紅外測溫 運用 的原理是根據普朗克原理。 即 自然界 中只要 溫度高于絕對零度(-273 15 )的一切物體 ， 由于分子的熱運動 效應 都在不停地向 外 輻射 出 包括紅外波段在內的電磁波。其輻射能量密度與物體本身的溫度 二者之間的 關系符合普朗克定律 的關系 。一般 我們 理解 為 紅外測量的是 被測 物體 表面 的溫度 ，但是事實上測得的 是 被測對象與傳感器或者說是 被測 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 物體的溫度 緊密相關。 紅外 熱 輻射 溫度測量 技術的發(fā)展主要 是 從兩方面來看：一 方面 是紅外 熱 輻射測溫 設備 儀器的發(fā)展； 另一方面 是紅外 熱 輻射測溫技術的發(fā)展。 2紅外熱基礎理論 （ 1） 生物波普（ Biological spectrum） 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 構成生物體周圍的生物信息場?？茖W研究表明， 生物信息場包括 生物產生 的 溫度場，電場和磁場等， 所以我們 可以用物理學中的電磁波譜頻率或波長，溫度等物理 量 來表述 ， 它遵循電磁波的 所有物理 特性。 （ 2） 地 表 輻射（ Ground radiation） 地球 表面 從 太陽輻射 吸收能量 的同時，又 會 將其中的大部分 能量 以輻射的 形 式傳送到 大氣 當中 。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，稱地面輻射。 由于地表面平均溫度約為 300k 左右，所以 地表溫度 比太陽低得多，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為 10 微米，屬于 紅外區(qū)間，與太陽短波輻射相 比較而言 ，稱為地面長波輻射。 地 球表 面輻射能力 的強弱 ，主要 取決 于地面本身的 溫度 。 由普朗克定理知道 輻射能力 的強弱 隨輻射體溫度的增高而增強，所以白天地 表 溫度較高，地 表 輻射 也就 較強； 同 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 7 理反之， 夜 晚 地 表 溫度較低，地 表 輻射 也就相對比 較弱。 依據 理論和 科學 實踐證明 ：物體輻射出來的波長與物體本身的溫度值成反比，即溫度越高，波長越短；溫度越低，波長越長。 地面的輻射 屬于 長波輻射 ，除 了 部分透過大氣向宇宙 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 汽對長波輻射的吸收更為顯著。 所以， 大氣，尤其是 對流層 中的大氣， 它的增熱主要是靠吸收地面輻射的能量。 （ 3） 紅外輻射的發(fā)射及其規(guī)律 首 先 需要對 黑體的紅外輻射規(guī)律 簡單介紹一下 。所謂的黑體，簡 單講就是在任何情況下對一切波長的入射輻射吸收率都等于 1 的物體， 簡而言之就是 全吸收。 然而， 自然界中實際存在的任何物體對不同波長的入射輻射都有一定的反射 ， 吸收率不 可能 等于 1， 也就是說不可能完全吸收。 所以，黑體 這一概念 知識 只 是人們 為了便于研究而 抽象出來的一種理想化的模型 ，現實中并不存在。但是由于 黑體熱輻射的基本規(guī)律是紅外 熱輻射研究及應用的基礎，它揭示了黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度 與 波長的定量關系。 （ 4） 黑體輻射規(guī)律 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的 一種 定量關系。黑體 僅僅 是一種 抽 象出來的 理想物體， 如果 它們在相同的溫度下 ，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) 和形狀等特性無關。 物理學家 斯特藩和玻耳茲曼通過 物理科學 實驗和計算得出黑體輻射定律： 40 )( TTM （ 2-1） 式中： )(0TM 溫度為 T 時，單位時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； T 一 物體溫度。 上式是黑體的熱輻射定律。實際物體的輻射定律一般比較復雜，需借助于黑體的輻射定律來研究。設被測物體的溫度為 T 時，總輻出度為 M 等于黑體在溫度為 FT 時的總輻出度Mo，即： 440 , TTMM F （ 2-2） 解 得 ： 4 1FTT （ 2-3） 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 本論文的附錄 1或實驗得到， T 是 被測物體 對象 的輻射溫度，所以 如果我們 已 經 知 道了 被測物體的 和 FT ， 那么我們 就可算出物體的 實際 溫度。 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 8 2.2 紅外熱輻射測溫原理 及 方法 依據測溫原理的不同，紅外測溫的設計有三種方法 ： 1 對 物體的全波長的熱輻射 進行測量，從而 確定物體的輻射溫度的 方法 稱 之 為全輻射測溫法； 2 對物體 在一定波長下的單色輻射亮度 進行紅外測量，從而 來確定它 輻射物 的亮度溫度的稱為亮度測溫法； 3 對 被測物體在 不同的 兩個波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化來 確 定溫的 方法 稱為比色測溫法。 亮度測溫法 不需要 環(huán)境溫度補償，誤差較小， 故而 測溫精度 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 。比色測溫法的光學系統(tǒng)可局部遮擋，這樣 受煙霧灰塵 的 影響 就比較 小，測溫誤 差 也減 小 了 ，但必須選擇 在 適當 的 波段，使波段的發(fā)射率 對比 相差不 是很 大。本文 采 用 的是 全輻射測溫法 。 全輻射測溫法是根據所有波長范圍內的總輻射 來確 定 物體 溫 度的 ，得到的 就 是物體的輻射溫度。選用這種方法是因為中低溫物體的波長較大，輻射信號很弱， 更重要的是系統(tǒng) 結構 比較 簡單，成本較低 AT89C51單片機是本系統(tǒng)的控制中心，它負責控制啟動溫度測量、接收測量數據、計算溫度值 、顯示溫度值 ；紅外 熱 測溫模塊負責溫度數據的采集、測量，并將采集到的數據通過數據端口傳送給 AT89C51單片機； RS232轉換電路模塊可以使單片機同 PC機方便的 進行串口通信，并可以同時接收或傳送外部送來的資料； LCD 顯示模塊把測量的溫度值 可以 直觀地顯示給觀測者。 2.3 紅外熱輻射測溫的特點及影響因素 1.紅外熱輻射測溫的特點 （ 1） 遠距離和非接觸測量 紅外測溫不需要與被測物體 相 接觸，它特別適合于對運動物體，旋轉 物 體，帶 電體 以及 高溫高壓 強電流等危險環(huán)境 下物體的溫度測量。 （ 2） 響應速度快 紅外 熱傳感器測溫并 不像熱電偶 或傳統(tǒng) 溫度計那樣， 必須 與被測 物 體 相 接觸 ，最后還需要使溫度計與被測物 達到熱平衡， 它 只要接 收 到目標的紅外輻射即可 進行溫度 測量， 其響應時間 通常 在毫秒甚至微 秒 數量級 ，所以紅外熱溫度傳感器的響應速度快。 （ 3） 靈敏度高 就算 物體溫度的微小變化 也 會引起輻射功率的較大變化， 很 容易被探測器 探測 出 來 ，所以紅外測溫的可測溫差特別小，幾乎達到零點幾攝氏度。 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 9 （ 4） 準確度高 紅外測溫時 是 非接觸測量 的方式 ， 這樣就 不 會 破壞物體本身的溫度分布，因 此， 所測溫度真實， 可靠， 準確 。 （ 5） 測溫范圍 非常 廣 測量范圍在 -33 到 220攝氏度。 2.紅外熱輻射測溫的影響因素 （ 1） 待測目標輻射率 通過以上原理 的 描述可知輻射率的大小決定了物體的紅外能量幅出 度與被測物體實際溫度緊密相關。輻射率是指一般物體相對于黑體的輻射能力大小的 一個 物理量，與測量的方向 、 物體的材料形狀、表面粗糙度等因素有關。不同物質的輻射率是 各異的 ，常見物質輻射率見附件 1，紅外測溫裝置從被測 目標 上接收到的輻射能量大小 與 它的輻射率 成正比 。 （ 2） 待測目標尺寸 使用紅外測溫裝置測溫時，通常只能測定被測目標表面上某一確定面積的平均值。因為 紅外 熱 溫度傳感器都有一個測量 的 視角，測溫裝置的精度與被測物體尺寸和傳感器視角相關。待測物體的尺寸與傳感器視角有以下幾種關系： 1）當被測物體尺寸小于測試視角 時，被測物體周圍 輻射體 輻射 出來 的能量就會進入傳感器的測量區(qū)域，干擾測溫數據，造成誤差。最終 我們 得到 的 溫度信息是被測物體和周圍事物溫度的加權平均值。因此， 我們 在實際測溫時，通常要求被測物體尺寸 一定要超過傳感器視角大小的 50%。 2）當被測目標大于測試視 角 時，測溫裝置就不會受到測量區(qū)域以外事物 干擾 ，能夠準確的測量被測物體位于傳感器視角內確定面積的實際溫度，此時傳感器的測試效果最好 。 3）當被測目標等于傳感器測試視角 的 時 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，所以此時被測物體 溫度也受到一定程度影響，但一般影響還比較小，測試效果相對可信。 從上述 三 種情況可看出在設計測溫裝置時需要對測量實際情況進行實地考察，確定被測物體 對象 的尺寸，選取 合適 的溫度傳感器 視角 ， 從而 保證測量裝置的測量精度。 （ 3） 測量距離 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遞都會有一定程度的衰減，被測物體輻射出的能量在傳送到傳感器的過程中同樣 都 會受到外界環(huán)境的 干擾 ，造成能量衰減，衰減程度 的大小 與傳感器到被測物體的距離相關，距離越遠衰減 程度就 越大。因此在使用紅外傳感器進行溫度信號 采集時，需要選取 合適 的 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 10 距離 。 （ 4） 環(huán)境影響 紅外 熱 測溫的 精確度 還與環(huán)境溫度有很大 的 關系，被測 對象 處于一定溫度的環(huán)境下 ，自身輻射能量的同時會吸收環(huán)境的輻射能量。大氣吸收，太陽輻射等因素都會影響接收器對目標紅外熱的接收 效果 。 （ 5） 使用注意事項 應該準確確定被測物體的發(fā)射率。 避免周圍環(huán)境高溫物體對目標溫度場的影響。 對于透明材料，環(huán)境溫度應低于被測物體溫度。 測溫距離不應太大。 不能應用于 表面非常光亮的物體 。 例如拋光的金屬表面，因為拋光的表面會造成較大誤差。 由于普通紅外測溫儀僅限于測 量物體外表的溫度， 對于 物體內部和存在 有 障礙物時的 情況下的 溫度 不方便測量。為了解決這種直線測量的難題， 所以 我們 可以在其檢測頭部加 上 一 小 段光導纖維， 同時 在其前端裝一個小視角的透鏡，這樣被測物體的輻射 就 能夠 經過透鏡 傳 到光導纖維 的 內部，在光導纖維里面經過多次反射 后最終 傳至檢測器 ,這樣 就可以測量有障礙物 被 擋住 的 地方的溫度。 2.4 系統(tǒng)方案 以 89C51單片機為控制中心， 它負責控制啟動溫度測量、接收測量數據、計算溫度值、控制顯示過程；紅外測溫模塊負責溫度數據的采集，并將采集到的數據通過數據端口傳送給 AT89C51單片機 。 紅外 熱 測溫系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖 2-1 所示： 圖 2-1： 紅外 熱 測溫系統(tǒng)的硬件結構框圖 2.5 研究方法 紅外 熱 測溫 系統(tǒng) 的設計有三種方法， 如果是 對 物體的全波長的熱輻射 進行測量，從 而 確定物體的輻射溫度的 方法 稱 之 為全輻射測溫法； 對物體 在一定波長下的單色輻射亮 AT89C51 單片機 電源模塊 紅外 熱 測溫模塊 RS232模塊電路 LCD顯示模塊 塊塊 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 11 度 進行測量，從而 來確定 輻射物 的亮度稱為亮度測溫法； 對 被測物體在兩個波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化來定溫的 方法 稱為比色測溫法。 亮度測溫法 不需要 環(huán)境溫度補償，發(fā)射率誤差較小， 所以 測溫精度 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 測量。比色測溫法的光學系統(tǒng)可局部遮擋，受煙霧灰塵 的 影響 比較 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 。通過 TN9 紅外溫度傳感器接收紅外熱輻射數據，傳至單片機內處理后顯示在 LCD顯示屏上。 2.6 本章小節(jié) 本章 內容 主要介紹了紅外 熱 測溫的原理 以及應 遵循的理論依據，根據 系統(tǒng)測溫 原理推導出計算溫度的公式。同時對運用紅外溫度傳感器測量 溫度 時的一些重要影響因素和設計時應需要注意的 事項 ，如何減小 該系統(tǒng)溫度 測量結果的誤差 做了簡 要 說明。最后根據 紅外熱 測溫原理設計出了整個系統(tǒng)的總體方案，簡要介紹了一些重要模塊的相關功能。 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 12 第 3 章 硬件電路設計 3.1 單片機控制中心 本次畢業(yè)設計系統(tǒng)選擇 以 AT89C51單片機為 系統(tǒng)的控制中心 ，此單片機模塊的工作原理是： AT89C51單片機加載相應程序的 后 把紅外測溫模塊傳來的數據加以處理，送 LCD顯示屏顯示。下圖 3-1是單片機處理模塊的電路原理圖 : 圖 3-1： 單片機處理模塊 電路圖 單片機作為紅外測溫 系統(tǒng)的控制中心 ，它關系到整個 系統(tǒng) 的性能指標。因此它的選擇是非常重要的。本測溫儀選擇的 AT89C51RC 單片機，下面是 AT89C51RC單片機相關資料信息： AT89C51 指令代碼 與 8051 單片機 的完全兼容 ， 具有 12 時鐘 /機器周期和 6 時鐘 /機器周期 ，我們 可 以根據具體需要 任意選擇， AT89C51RC 系列單片機具有在系統(tǒng)可編程（ ISP）特性， 如此 可以 不用 去購買通用編程器，單片機在用戶系統(tǒng)上 就能夠實現 用戶程序 的 下載 與 燒錄，無須將 其 從以生產好的產品上拆下。由于 用戶 可以在目標系統(tǒng)上將程序直接 下載進 系統(tǒng)查看 運行結果，故無須仿真器。 1、 AT89C51RC單片機的特點： 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 13 1） 增強型 6時鐘 /機器周期， 12時鐘 /機器周期 8051 CPU； 2） 工作電壓： 3.8V-5.5V； 3） 外部中斷 4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ； 共 3個 16位定時器 /計數器，定時 器 0還可以當成 2個 8位定時器使用； 4） 工作頻率范圍： 0-40MHz； 5） 4k的 Flash程序存儲器； 6） 片上集成 512字節(jié) RAM； 7) ISP/IAP； 8) 通用 I/O口， P1/P2/P3/P4是準雙向口 /弱上拉 ， 作為 I/O口用時需 要 加上拉電阻； 2、 AT89C51各引腳的功能描述如下： （ 1） XTAL1 輸入到振蕩器的反向放大器； XTAL2 反向放大器輸出，輸入到內部時鐘發(fā)生器。 （ 2） RST：單片機的上電復位或掉電保護端； （ 3） ALE: 地址鎖存有效信號輸出端； （ 4） PSEN ：片外程序存儲器讀選通信號輸出端。 3、晶振電路 晶振電路圖如圖 3-2所示： 圖 3-2：晶振電路圖 晶振為整個系統(tǒng)提供時鐘信號，供單片機的 CPU 和 AD 進行數據處理使用，電路中的 電容 C1 和 C2 的選擇在 30PF 左右，但 是如果 電容太小會影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。頻率越高單片機的速度就越快，但對存儲器速度要求就高 ， 采用的晶振頻率為 32.768KHZ。 4、復位電路 復位電路圖如圖 3-3所示： 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 14 圖 3-3：復位電路 單片機長期工作難免會出死機，因此對單片機要進行定時的復位操作。復位電路由電阻、電容、二極 管以及按鍵組成如 錯誤 !未找到引用源。 -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位，當單片機上電時自動復位，而在單片機運行過程中則通過按鍵 S進行手動復位。 3.2 紅外測溫傳感器 此紅外測溫模塊采用非接觸 式方法 ，解決了傳統(tǒng)測溫中需要接觸的問題，具有回應速度快，測量精度高，測量范圍廣等優(yōu)點。 在設計中選擇合適的紅外檢測器已成為一個重要問題。首先考慮的是器件的以下性能 參數 :光譜響應范圍、響應速度、有效檢測面積、元件數量和檢測目標 的溫度。 本紅外測溫儀選用了 TN9的 紅外探測器作為測溫模塊，它是一種 集成的紅外 熱 探測器，內部 設計 有溫度補償電路和 熱 性處理電路，因此簡化了本系統(tǒng)的設計。 它的測量距離大約為 30 米，測量 的 回應時間 大概 為 0.5 秒。而且它 還同時 具備 SPI 接口，可以很方便地與 MCU進行數據的傳送工作 。其相關資料如下： 1、 紅外測溫傳感器的引腳介紹 圖 3-4 紅外測溫傳感器引腳圖 V D C A G TN9紅外 熱傳感器 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 15 紅外測溫傳感器引腳圖如圖 3-4所示 ，其中 V為電源引腳 VCC， VCC 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為數據接收引腳， 如果 沒有數據接收時 D就 為高電平； C 就 為 2KHz Clock輸出引腳； G為接地引腳； A為測溫啟動信號引腳，低電平有效。 當 它通過紅外溫度傳感器掃描被測物體， 同時 把相應的紅外輻射數據通過P1.5、 P1.6和 P1.7 口傳送給單片機模塊處理。 TN9直流參數如表 3-1所示： 表 3-1： TN9直流參數 表 3-2 ： TN9測試條件及范圍參數表 工作 參數 符號 數 值 結果 單位 測試條件 工作 最小值 典型值 工作 最大值 工作電壓 VDD 3.6 _ 5.0 v 工作電流 opI _ 6 9 mA VDD=4.5V CPUF =600KHZ 靜態(tài)電流 STABI _ 3 4.5 uA VDD=4.5V 輸入高電平 IHV 3.0 _ _ uA VDD=4.5V 輸入低電平 ILV _ _ 0.8 uA VDD=4.5V 高電平輸出電流 OHV _ -2.0 _ mA VDD=4.5V OHV =3.5 低電平輸出電流 OLV _ 2.5 _ mA VDD=4.5V OLV =0.8 測試條件 -33220 分辨力 1/16 =0.0625 工作范圍 -1050 響應時間 0.5秒 精 度 +/-0.6 波長 5um14um 刷新頻率 1.4HZ 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 16 2 紅外測溫模塊時序圖 紅外測溫模塊的時序圖如圖 3-5 所示，為 SPI 數據格式， TN9 在 時鐘 的下降沿接收數據， 在完成 一次溫度測量 的過程中 需 要 接收 5 個字節(jié) 大小 的數據 ，接收正確時Sum=Item+MSB+LSB； CR稱 為結束標志，當 CR 為 0x0dH時表示完成一次溫度數據接 收。 一幀數據包括 5個 Byte，每個 Byte具體 代表含義如下： Item：“ L” (4CH): 代表目標溫度 ， “ f” (66H): 代表環(huán)境溫度 MSB： 8 bit Data Msb LSB： 8 bit Data Lsb Sum： Item+MSB+LSB=SUM CR： 0DH,結束碼 3 紅外測溫模塊溫度值的計算 不管我們 測量 的是 環(huán)境溫度還是目標溫度，只要 我們 檢測到 Item為 0x4cH或 0x66H的同時檢測到 CR為 0x0dH， 那么 它們的溫度的計算 原理和 方 法都 是 相同 的 。計算公式為 ： 溫度 = Temp/16 273.15 （ 3-1） 其中 Temp 為十進制， 但是 測量結果 卻 為 十六 進制， 我們 把它直接轉換為十進制即可。 TN9電路模塊如圖 3-6所示： 圖 3-5： 紅外測溫模塊時序 圖 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 17 圖 3-6： TN9紅外測溫模塊電路 3.3 電源模塊 單片機是直流 5V 供電，所以需要對交流電進行降壓整流，采用 LM7805 整流得到 5V直流供給單片機使用，電路圖如下 圖 3-7： 圖 3 7：整流 電源 電路 3.4 RS232 電路轉換模塊 因為 單片機中的 UART 和電腦串口 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 UART則采 用 TTL電平 ,所以 如果不進行 單片機與電腦串口之間的 電平轉換 ,它們 就不能直接進行通信 。 我們 通過 RS232 轉換電路 如此 單片機 就 可以方便的同 PC 機進行串口通信， 可以同時接收或傳送外部送來的 數據 。 MAX232對 單片機與電腦串口 兩者之間通信的數據沒有 其他 任何作用 ,只是負責將兩者之間的電平進行統(tǒng)一 ,只要電平統(tǒng)一了 ,兩者之間就可以 進行 直接通信 ,所以我采 用了 MAX232這一芯片。 但是 進行串行通訊時要滿足一定的條件，因為 RS232 電路 是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)的 ,然 而 TTL 卻 是用高低電平來表示邏輯狀態(tài)的 ,因此 ,為了能夠 和 PC機接口或終端的 TTL器件 相 連接 ,必須在 RS232與 TTL電平之間進行電平轉換。 近年來 集成電路轉換器件 的使用越來越廣泛。 RS-232被 普遍 定義為 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 18 一種在低速串行通信中增加通信距離的單端標準通信。 RS232轉換電路圖如圖 3-8所示： 圖 3-8： RS232轉換電路圖 MAX232 芯片是專門為電腦的 RS-232 標準串口設計的單電源電平轉換 的 芯片 ,使用+5v單電源供電。圖 3-8所示 RXD和 TXD接單片機相應接口。 MAX232 引腳圖如圖 3-9所示： 圖 3-9： MAX232 引腳圖 3.5 LCD 顯示模塊 液晶顯示器簡稱 LCD顯示器，液晶顯示模塊是一種常見的人機界面，在單片機系統(tǒng) 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 19 中的應用極其廣泛。本系統(tǒng)采用的是 1602的 LCD接口。 1602是一種點陣字符型液晶顯示模塊，可以顯示兩行共 32個字符。 因為 LCD型號不同 ，所需要的背光電阻大小 也 會不同，根據具體要求 可自行調節(jié)。其主要引腳的功能如下： RS：數據 /命令選擇端，高電平時選擇數據寄存器，低電平時選擇指令寄存器。 RW：讀 /寫 信號 選擇端，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫 操作 E：使能端，當 E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令 。 LCD顯示電路與單片機連接圖如圖 3-10所示： 圖 3-0： LCD顯示電路與單片機的連接示意圖 系統(tǒng)總體電路設計如圖 3-11所示 ： 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 20 圖 3-11： 系統(tǒng)總體設計電路圖 3.6 硬件電路功能 系統(tǒng)硬件電路主要完成溫度信號采集、信號調理、數據處理、溫度顯示四大功能，因此可以將硬件電路分為以下 四 個模塊： 1、 信號采 集 本 系統(tǒng)采用具有安全、準確、快速等優(yōu)點的 TN9系列數字紅外溫度傳感器進行溫度信號采集。紅外溫度傳感器感知被測物體的溫度和環(huán)境溫度，然后通過內部調理電路處理，分別將被測物體紅外輻射能量和環(huán)境溫度信號轉化為電壓信號和電阻信號，再送入后續(xù)調理電路進行相應處理。 2、 信號處理 紅外溫度傳感器輸出被測目標溫度信號大都為毫伏級甚至微伏級的電壓信號，其輸出信號攜帶大量噪聲，因此在進行后續(xù)處理前首先應該對傳感器信號進行適當的放大濾波處理，濾除噪聲，放大有用信號。此外，由于單片機只對電信號進行處理因此該模塊同時還完成電阻值 信號到電壓信號的轉換。 3、 數據處理 由前兩部分電路輸出的信號都是模擬信號，而單片機只能處理數字信號，因此需要 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 21 先將溫度信號進行模數轉換，模數轉換完成后的數據才能送入單片機進行處理。單片機將所接收的數字信號通過一定的算法轉換成實際溫度值 。 4、 溫度顯示 采用 LCD對被測物體溫度進行實時顯示，實現人機數據交互，方便對信息的查詢。 3.7 本章小結 本章主要介紹了系統(tǒng)的硬件設計方案、元器件 型號 的選擇以及每一模塊的具體 原理圖 設計。選擇元器件時對該系統(tǒng)中主要的器件相關參數以及主要功能進行了詳細的描述，對其他未介紹的模 擬器件將根據電路制作實際情況而定。 根據系統(tǒng)框圖的設計，本章應用 Proutues 畫出相應的模塊的電路原理圖，原理圖布線。 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 22 第 4 章 軟件設計 4.1 軟件總體設計 紅外 熱輻射 測溫系統(tǒng) 的 軟件結構較為簡單，包含 了 TN9紅外測溫傳感器軟件設計 、AD轉換 初始化 、 LCD 顯示 初始化 、數據轉換 初始化 、 時鐘初始化、 UART 初始化 等幾部分。LCD 顯示部分負責將被測溫度和環(huán)境溫度在 LCD 對應位置顯示出來。數據處理采用取 8次轉換結果求平均的方式， 目的是為了 減小因數據 的波 動和 AD 轉換的隨機性誤差對結果造成的 偏差 ；被測物體溫度根 據環(huán)境溫度，同樣采取結合計算與查表的方式來獲取。系統(tǒng)軟件流程如 圖 4-1所示： 圖 4-1：軟件流程圖 4.2 時鐘初始化 AT89C51基礎時鐘模塊提供 3種時鐘信號 : (1)MCLK是 主時鐘， 其 來自 XTZCLK、 LFXTICLK 以及 DCO信號經 過 l、 2、 4或 8分頻后得到， MCLK用于 CPU和系統(tǒng) 使用 。 (2)ACLK 是 輔助時鐘， ACLK 也 是 LFXTICLK 信號經 1、 2、 4 或 8 分頻后得到的，可用軟件選擇分頻 數 ，可通過軟件選作外圍設備 的時鐘信號。 系統(tǒng)初始 化 開始 溫度顯示 時鐘初始化 LCD 初始化 數據處理 延時 信號采集 AD 初始化 UART初始化 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 23 (3)SMCLK子時鐘， SMCLK同 MCLK主時鐘一樣可通過軟件選擇來自 XTZCLK、 LFXTICLK以及 DCO信號經 l、 2、 4或 8分頻后得到， SMCLK由軟件選作外圍模塊的時鐘信號。 本設計中時鐘信號由 32.768MHZ的低速晶體整蕩器產生，時鐘初始化程序如下： void int_clock(void) if (CALBC1_8MHZ =0xFF | CALDCO_8MHZ = 0xFF) while(1)； BCSCTL1 = CALBC1_8MHZ； / 設置 DCO為 8MHz DCOCTL = CALDCO_8MHZ； P5DIR |= 0x78； / 將 P5.6、 5、 4、 3 設置為輸出 P5SEL |= 0x70； / 選擇 P5.6、 5、 4 因為 外加晶振有可能會出現不起振的情況， 所以 在程序中加入了對 DOC振蕩器進行初始化。 當 外部晶振失效 的 時 候系統(tǒng)會 自動啟用 DOC振蕩器， 同時 將其頻率設為 8MHZ，供系統(tǒng)使用。程序將 P5 端口的 4、 5、 6 腳設置為輸出， 來 作為檢測三種時鐘信號的測試口。 4.3 LCD 顯示初始化 LCD 的 作用是將 系統(tǒng)測得 被測物體的實時溫度信息顯示出來，此次 畢業(yè)設計選 用的LCD1602 液晶顯示在使用前首先得對它 的 顯示方式、操作方法等初始化。本設計中需要對 LCD的顯示方式，光標顯示，字符顯示進行初始化，具體程序 見附錄 2,LCD顯示初始化的流程框圖如圖 4-2所示： 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 24 圖 4-2： LCD顯示初 始化流程框圖 4.4 UART 初始化 通用串行同步 /異步 (UART)是一個串行通信接口，它允許 7 或 8 位串行位數據流以預設的速率或外部時鐘確定的速率移入、移出 AT89C51單片機 。在本系統(tǒng)中，使用它的異步模式 UART，數據幀格式 被 定 義 為 8位數據位、 1位停止位、無奇偶校驗。 軟件程序如下： void init_uart(void) UCA0CTL1 = UCSWRST； /初始化 UCA0 UCA0CTL1 |= UCSSEL_1； /串口通信時鐘為 ACLK UCA0BR0 = 0x03； /波特率為 9600 UCA0BR1 = 0x00； 清除 LCD 屏幕 結束 發(fā)送命令 讀取指令程序 延時 查忙 開始 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 25 UCA0MCTL = 0x06； P3SEL = 0x30； /將 P3.4、 5設置為串口通信模式 UCA0CTL1 &= UCSWRST； /初始化 UCA0狀態(tài)機 IE2 |= UCA0RXIE； /使能 UCA0 接收中斷 4.5 串口設置 串口設置主要是對串口參數進行設置，要完成上位機與硬件電路的通信，必須保證兩者間的數據幀格式、比特率 特性 完全相同。串口設置程序如下： void CTePomDlg:SetCom() CString strtemp； int i； UpdateData (TRUE)； /讀取編輯框內容 i=m_CtrlCbo1.GetCurSel()+1； if (m_TePom.GetPortOpen() m_TePom.SetPortOpen(FALSE)； m_TePom.SetCommPort(i)； /選擇 com if ( !m_TePom.GetPortOpen() m_TePom.SetPortOpen(TRUE)； /打開串口 else AfxMessageBox(cannot open serial port)； strtemp=m_Cbo2； if (m_Cbo3=NONE 無 ) strtemp+=,n,+m_Cbo4+,+m_Cbo5； else if (m_Cbo3=ODD 奇 ) strtemp+=,o,+m_Cbo4+,+m_Cbo5； else strtemp+=,e,+m_Cbo4+,+m_Cbo5； m_TePom.SetSettings(strtemp)； /波特率 9600，無校驗， 8個數據位， 1個停止位 m_TePom.SetInputMode(1)； m_TePom.SetRThreshold(1)； 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 26 m_TePom.SetInputLen(0)； m_TePom.GetInput()；/先預讀緩沖區(qū)以清除殘留數據 4.6 紅外熱測溫模塊程序設計 該 系統(tǒng) 紅外測溫模塊的數據輸出信號和脈沖信號分別接單片機 P1.5 和 P1.6 口 ,測溫控制端接 單片機的 P1.7 口。它的程序流程圖如圖 4-3 所示，此模塊首先定義 了 一個字符型數組用 來 存放讀取到的一幀數據，然后啟動 TN9開始 測溫，讀取數據 。 把五個字節(jié)數據都讀完后 ， 判斷第一個字節(jié)是否為 0x4c 或 0x66并且第五個字節(jié)為 0x0d， 如果 是就 計算溫度值 并且 返回，否則繼續(xù)讀取數據。因為紅外測溫模塊的數據是一位一位地送給 單片機的，所以 需要采 用雙重循環(huán)，內循環(huán)接收一個字節(jié)的數據，外循環(huán)接收五個字節(jié)的數據。 圖 4-3： 紅外熱測溫模塊程序流程圖 Y N 定義數組存 放測溫 數 據 開始 結束 開始測溫 讀取數據 計算溫度值 第一個字節(jié)判斷 0X4C或 0X66 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 27 4.7 系統(tǒng)仿真 使用 keil 軟件編寫好設計的程序之后，對程序進行編譯與調試，調試界面如圖 4-4所示： 圖 4-4：畢業(yè)設計 keil軟件程序編譯 通過編譯和調試之后，界面顯示 0錯誤， 0警告，軟件程序編譯成功，界面如圖 4-5所示： 圖 4-5：程序編譯結果 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 28 程序編譯成功之后，接下來應該做的是將程序下載到 51單片機里，進行軟件的仿真。在電路原理圖點擊 51單片機，會顯示 出紅色，雙擊鼠標左鍵彈出對話框如圖 4-6 所示： 圖 4-6：單片機程序加載 單點擊紅色部分也就是 Program File選項，找到 C51紅外 hex文件，點擊 Ok,完成程序的加載。正確完成以上之后，對軟件進行仿真。點擊軟件的 Debug 選項，仿真結果如圖 4-7所示： 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 29 圖 4-7： protues 軟件仿真圖 仿真結果：通過加載編寫好的程序后，進行系統(tǒng)仿真，從中可以看到，在 LCD1602上顯 示出年月日，系統(tǒng)當前設置的溫度值，實現了預期的效果。 4.8 本章小節(jié) 本章依據系統(tǒng)設計的要求 介紹了整個 系統(tǒng) 程序流程圖 以及 程序設計思路。 編寫了單片機引腳初始化，紅外熱傳感器 TN9模塊的初始化， LCD顯示模塊初始化以及 UART模塊初始化 的軟件程序。加載編寫好的程序，通過 protues軟件對系統(tǒng)進行仿真，仿真結果顯示實現了預期的效果。 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 30 第 5 章 總結與展望 5.1 工 作總結 通過這次畢業(yè)設計，讓我更加清晰明了的掌握了 89C51單片機的相關知識，結合課本所學的知識，查閱相關資料，認識了其強大的功能，其結構特點及其相關的一些開發(fā)環(huán)境為本研究系統(tǒng)的設計提供了便利的條件： 32個可編程的 I/O口使得在設計中擴展紅外測溫模組顯示模塊非常的靈活； 同時還具有 具有豐富的中 斷源，使得系統(tǒng)在數據顯示，擴展性方面功能強大。所設計的測溫系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： （ 1） 非接觸式測量； （ 2） 安全、穩(wěn)定，且易于系統(tǒng)維護； （ 3） 響應 速度快； 對的硬件的處理和軟件的設計 ，以 51 單片機作為 本次設計的 系統(tǒng)控制中心 ，使得紅外測溫 系統(tǒng) 具有以下功能 : 非接觸測量溫度；快速測量環(huán)境溫度和目標溫度，而且測量以后可以直觀的顯示。 主要完成了以下工作 : (1)完成了路面溫度數據采集系統(tǒng)的 總體設計； (2)完成了系統(tǒng)的軟硬件設計，基于 RS232 實 現了串口通信； (3)完成了上位機軟件的設計，實現了數據接收、溫度顯示、數據存儲等功能； (4)完成了整個系統(tǒng)的各功能模塊的整合 與仿真，實現了預期的效果； 通過這些都在很大程度上開闊了我的視野，拓展了我的知識面，也認識到了自己 知識上 的 漏洞 ，所以在后續(xù)的學習過程中，一定更加努力 的學習相關的課程，更好的掌握好這方面的知識。 對硬件電路的設計 使 我對 Proutues 軟件的使用更加熟練，而通過運用 Keil 進行軟件的設計使我的編程和調試能力也有很大的提高。這不僅使我對課本上所學的知識有了更進一步的了解，而且也提高了我的動手能力、理論聯系實際能力。為今后的學習和工作打下了很好的基礎。但同時也明顯感覺到還有很多地方需要完善和提高，設計的 系統(tǒng) 與實際應用還有一定的差距。所以在今后的工作中，還要不斷的 自我 充電，掌握更多的技能。爭取能夠在此基礎上設計出更先進、功能更 完全 的智能化儀器。 5.2 展望 本次 畢業(yè) 設計工作僅 僅 是對溫度監(jiān)測系統(tǒng)的一個探索性設計和研究，僅系統(tǒng)硬件、軟件運行情況來看基本符合設計要求。但是個人能力的有限，測溫系統(tǒng)仍存在不完整和不完善的地方。下面對設計中還需改進的地方作以說明： 這次畢業(yè)設計的硬件電路并沒有在實際環(huán)境下測試 ，只是模擬相似環(huán)境下的應用，這些還需要在以后的 實踐 中進一步完善。測溫系統(tǒng)工作條件惡劣，需要安裝于高溫、高 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 31 濕無人護理環(huán)境中，硬件電路容易受干擾，因此對它的封裝和保護設計 是 非常 重 要。此外本測溫系統(tǒng)采用的是串口通信方式 實現與 上位機進行數據交換， 且 實際中不 適合 利用有 線 傳輸，因此應 考慮采用無 線 方式進行數據 的 傳輸。 由于 本人 知識能力有限 對系統(tǒng)采用的傳感器特性還未完全了解，需要后期 的學習 進行大量的實驗 應用 ，對可能影響傳感器測量準確性的因素進行確認，并采取 相 對應 的改進 措施減小 甚至 避免這些因素的影響。再有程序中對 AD 轉化的所有結果都進行同樣的處理，并未對數據進行篩選，數據處理方式不夠好。因此需要設計更好的程序實現數據的篩選和處理。 此系統(tǒng)不單單可以對路面溫度進行非接觸式測量，還可以在很多非接觸式環(huán)境下對溫度的測量，例如：正在高速運行狀態(tài)下的設備，人體溫度快速檢測，動物養(yǎng)殖廠對 運動的 動物體溫檢 測，高溫高壓強磁場環(huán)境下目標的檢測等等。在這些人為不方便的場合時，用此系統(tǒng)進行目標溫度的檢測可以節(jié)省很大的人力物力，不但安全 而且數據 還很精確，快速，是一種比較理想的實用方案。 最后， 通過此次的課程設計我更加懂得了 查閱及收集資料 ， 如何獲取所需知識能力的重要性。 感謝那些給我?guī)椭幕锇閭?，以?羅小燕 老師 耐心 的指導 ，讓我在此次設計當中更加順利。 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 32 致 謝 彈指一揮間， 四年的 大學 學習和生活 已經接近了尾聲。當自己懷著忐忑不安的心情完成 大學學習生活 的時候，自己也從當年一個從農村走出的懵懂孩子變 成了一個 逐漸 成熟 的 青年，回想自己的十幾年的求學生涯，雖然只是一個本科畢業(yè)，但也實屬不容易。首先，從小學到大學的學費 以及 生活費就不是一個小 數字 ，這當然要感謝我的媽媽 和哥哥 ，他們都是普普通通的農民，沒有他們的勤勤懇懇，我是無論如何也完成不了我的大學生活。沒有他們的支持和鼓勵，我也不可能完成我的學業(yè)。因此我要感謝我的媽媽還有哥哥姐姐，是你們讓我的生活 變得更加 精彩和充實。給我支持和幫助，過去他們來不了的大學殿堂，讓我來實現這個美麗的夢想。 經過半年的忙碌和學習，本次畢業(yè)設計已經接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設計，由 于經驗的匱乏， 知識的漏洞， 難免有許多考慮不周全的 細節(jié) ，如果沒有導師的耐心指導，以及同學們的幫助支持，想要完成這個設計對我而言十分困難的一項任務。 在這里首先要感謝我的導師羅小燕老師。羅老師平日里工作繁多，除了要帶我們這些畢業(yè)生還要給學弟學妹上課，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從查閱資料、方案設計修改、中期檢查、后期詳細設計以及論文寫作過程中都給予了我悉心的指導，十分的感謝。 然后還要感謝大學四年來所有的老師，從大一開始 不僅 給我們傳授專業(yè)知識為我們打下測控專業(yè) 的基礎知識，還教育我們如何處理問題如何做人。 同 時還要感謝所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵 ,此次畢業(yè)設計才會順利完成。 最后感謝江西理工大學，感謝機電工程學院四年來對我的大力栽培。在這里我度過了我一生當中寶貴的四年。 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 33 參考文獻 1 永進、陳遠金、吳雄偉數字式紅外 熱 高精度位移測量儀 J物理實驗（ 24卷），2004:2-3 2 丁選光機電一體化設計使用手冊（上） M北京：化學工業(yè)出版社， 2003. 3 李昌禧智能儀表原理與設計 M北京：化學工業(yè)出版社， 2005.2 4 李群芳、肖看 .單片機原理接口及應用 M. 清華大學出版社， 2010.11 5 李云紅 .基于紅外熱像儀的溫度測量技術及其應用研究 D.哈爾濱工業(yè)大學出版社， 2010.3 6 聶典、丁偉 .51 單片機仿真實戰(zhàn)教程 M.電子工業(yè)出版社 , 2010 7 胡大可單片機 C語言程序設計與開發(fā) M北京：北京航空航天出版社， 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D,天津理工大學， 2012.06 江西理工大學 2014 屆本科生畢業(yè)論文 35 附 錄 附件 1：常見物質輻射率表 物質 發(fā)射率 物質 發(fā)射 率 瀝青 0.90 - 0.98 布（黑色） 0.98 混凝土 0.94 人體皮膚 0.98 水泥 0.96 肥皂泡 0.75 - 0.80 沙子 0.90 木炭（粉末） 0.96 泥土 0.92 -