非接觸式的紅外測溫系統(tǒng).doc

摘 要紅外模組是匯集其視場內目標的紅外輻射能量，將紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉變?yōu)橄鄳臄?shù)字信號的傳感器，它具有非接觸測溫方式、溫度分辨率高、響應速度快、不擾動被測目標溫度分布場、測量精度高、穩(wěn)定性好和使用壽命長等一系列優(yōu)點，比傳統(tǒng)的接觸式測溫有更多的場合適應性。本文介紹了一種基于單片機實用溫度實時檢測和記錄系統(tǒng)。它的設計思路主要是利用紅外模組傳感器，采集人體發(fā)射出的紅外線，得到數(shù)字信號送入單片機，由MCS-51單片機通過溫度補償來實現(xiàn)溫度值的轉換并送入LCD1602顯示和超溫聲光報警功能，同時通過無線模塊進行中短距離傳輸?shù)絇C機和組態(tài)王Kingview進行數(shù)據(jù)的保存和后臺處理等功能。本設計實現(xiàn)了非接觸式的溫度測量，并且感應時間在3秒以內，分辨力達到0.01C,精度在0.5C以內，實現(xiàn)了無線傳輸?shù)浇M態(tài)王的控制，并且在組態(tài)王上實現(xiàn)了溫度的存儲、查詢、報表顯示等多種功能。關鍵詞：紅外測溫系統(tǒng)；非接觸式；組態(tài)王；無線傳輸AbstractThe Infrared module is to bring together its field of view infrared radiation energy goals will focus infrared energy on a photoelectric detector and digital signal into a corresponding sensor, which has non-contact temperature measurement method, temperature, high resolution, fast response, without disturbing the measured target temperature distrbution field, high accu- racy, good stability and long life and a series of advantages over traditional contact-type temperature adaptability more occasions.This paper introduces a practical temperature based on single chip real-time detection and recording system. Its design concept is the use of the main infrared sensor module to collect the body emits infra-red, get the digital signal into the microcontroller, the MCS-51 microcontroller to achieve temperature compensation by the conversion temperature and over-temperature into the LCD1602 display and sound and light alarm , Through short-range wireless module for transmission to the PC, and Kingview preservation and back-office data processing functions. The Design and Implementation of a non-contact temperature measurement, and induction time of 3 seconds or less, resolution to 0.01 C, accuracy 0.5 C or less, to achieve the wireless transmission to the configuration control of the king and the king on the configuration Achieved temperature storage, query, report shows and other features.Key Words：Infrared temperature measurement system;non- contact;Kingview;wireless-transmission目 錄引言 11 紅外測溫系統(tǒng)的設計背景 21.1 單片機發(fā)展歷程 21.2 體溫計的發(fā)展歷程 32 紅外測溫技術簡介 42.1 溫度測量技術的概述 42.2 紅外測溫原理 42.3 紅外測溫的方法 53 紅外測溫系統(tǒng)的總體方案選擇 63.1 重要模塊的方案對比與選擇 63.1.1溫度傳感器的選擇 63.1.2無線傳輸模塊選擇 63.1.3顯示模塊的選擇 63.2 芯片和組態(tài)王介紹 63.2.1主從控制器STC89C51 73.2.2紅外模組TN_9 83.2.3無線收發(fā)CC1100E 93.2.4電平轉換芯片MAX232 113.2.5液晶1602 123.2.6穩(wěn)壓芯片LM2576 143.2.7組態(tài)王Kingview 143.3 系統(tǒng)硬件總體設計方案 163.4 系統(tǒng)軟件設計方案 174 紅外測溫系統(tǒng)的硬件設計 184.1 主從單片機處理模塊 184.2 TN-9紅外測溫模塊接口設計 184.3 無線收發(fā)CC1100E模塊接口設計 194.4 RS232A電平轉換模塊 204.5 液晶顯示和聲光報警模塊 214.6 鍵盤模塊 214.7 電源設計模塊 225 紅外測溫系統(tǒng)的軟件設計 245.1 主程序的設計 245.1.1主控制器的主程序模塊 245.1.2從控制器的主程序模塊 255.2 TN_9紅外測溫程序模塊 265.3 無線收發(fā)CC1100E程序模塊 295.3.1無線發(fā)送程序 295.3.2無線接收程序 305.4 鍵盤掃描程序模塊 315.5 組態(tài)王與單片機通信程序模塊 335.6 組態(tài)王應用設計 346 系統(tǒng)調試和性能分析 386.1 所用儀器 386.2 焊接與調試過程 386.3 測溫系統(tǒng)的誤差分析 386.4 系統(tǒng)性能分析 396.5 如何減小誤差 397 結論 40謝辭 41參考文獻 42附錄 43 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 50 頁 共 49 頁 引言現(xiàn)在社會，隨著生活節(jié)奏的變快，父母在忙碌中抽出時間幫助孩子測體溫是一件非常麻煩的事，而且由于兒童不穩(wěn)定，好動，既耗費時間又費精力；老年人活動不便，使用傳統(tǒng)的體溫計很不方便，而且由于人老眼花，也不能看清體溫計汞柱的位置；現(xiàn)在各種流行病比較多，傳染性比較強，傳統(tǒng)的接觸式測溫系統(tǒng)有很大的局限性，特別是在高發(fā)病的場所諸如學校或者事業(yè)單位里本文所設計的紅外體溫檢測系統(tǒng)就是針對這些問題而設計開發(fā)的，該系統(tǒng)是將微機技術、光學聚焦技術、傳感器技術、無線傳輸技術和上位機軟件技術等相結合，可以非接觸式的測出人體溫度，通過LCD1602來顯示溫度結果，當人體溫度高于某一數(shù)值時作出聲光報警，提醒被測者讓其早作準備，同時通過無線傳輸傳到上位機，在上位機上進行數(shù)據(jù)處理和保存，比如數(shù)據(jù)顯示和報警、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、生成曲線報表等多項功能。最能體現(xiàn)本設計的一個例子是，曾經(jīng)甲型H1N1流感盛行一時，甚至能夠通過呼吸傳染，在醫(yī)院的隔離室里，患者采用本設計快速測溫并通過無線發(fā)送到上位機，組態(tài)王界面規(guī)劃了整個醫(yī)院的病房號并實時顯示溫度和是否達到報警信號，醫(yī)生通過界面能夠一目了然的及時的了解到各個病好患者的基本情況，既節(jié)省時間又節(jié)省人力，在某些時候還能夠避免一些悲劇的發(fā)生。本論文的第一章簡要地介紹了非接觸式紅外測溫系統(tǒng)的設計背景；第二章是對現(xiàn)代紅外測溫的一些技術介紹；第三章介紹了對紅外測溫系統(tǒng)的總體軟硬件方案的選擇和在設計過程中所用到的芯片和軟件；第四章則詳細的介紹了本紅外測溫系統(tǒng)的各個硬件設計模塊；第五章詳細的介紹了系統(tǒng)軟件設計，以流程圖和重要要代碼說明的方式介紹了各個功能的具體實現(xiàn)；第六章介紹了本設計系統(tǒng)的調試和性能分析。1 紅外測溫系統(tǒng)的設計背景隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的接觸式測溫方式以不能滿足現(xiàn)代一些領域的測溫需求，對非接觸、遠距離測溫技術的需求越來越大。本紅外測溫系統(tǒng)設計的出發(fā)點也正是基于此。1.1 單片機發(fā)展歷程單片機也被稱為微控制器（Microcontroller），是因為它最早被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都配有1-2部單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備40多部單片機，復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過PC機和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。單片機是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區(qū)別。單片機芯片單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序實現(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復雜的功能要是用美國50年代開發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板！但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機，結果就會有天壤之別！只因為單片機的通過你編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！1.2 體溫計的發(fā)展歷程體溫計又稱“醫(yī)用溫度計” 。體溫計的工作物質是水銀。它的液泡容積比上面細管的容積大的多。泡里的水銀由于受到體溫的影響，產(chǎn)生微小的變化，水銀體積的膨脹，使管內水銀柱的長度發(fā)生明顯的變化。人體溫度的變化一般在35到42之間，所以體溫計的刻度通常是35到42，而且每度的范圍又分成為10份，因此體溫計可精確到1/10度。體溫計是一種最高溫度計，它可以記錄這溫度計所曾測定的最高溫度。用后的體溫計應“回表”，即拿著體溫計的上部用力往下猛甩，可使已升入管內的水銀，重新回到液泡里。其它溫度計絕對不能甩動，這是體溫計與其他液體溫度計的一個主要區(qū)別。第一個體溫計是伽利略在16世紀時發(fā)明的。但直到300年后才設計出使用方便、性能可靠的體溫計。水銀儲存在末端的水銀球內。當水銀被加熱時，它會發(fā)生膨脹，沿著非常狹窄的玻璃管上升。所以，體溫的小小變化就會導致玻璃管內水銀的大幅度上升。量完體溫后，得用力甩動體溫計，使水銀回到水銀球內。 體溫計是在溫度計的基礎上研制成功的。1714年，德國物理學家華倫海特研制了在水的冰點和人的體溫范圍內設定刻度的水銀體溫計。1742年又發(fā)明了0100的攝氏溫標，從此實現(xiàn)了體溫計的刻度標準化。1714年，加布里埃爾華倫海特1868年，文德利希這位德國教授出版了疾病與體溫一書，書中記載了2.5萬例病人的體溫變化，而他所使用的體溫計的大小是奧爾伯特體溫計的兩倍，每次要花20分鐘的時間來記錄體溫！1980年前后，發(fā)明了會說話的體溫計。膜狀液晶體溫計在體溫正常時呈現(xiàn)綠色，低燒呈現(xiàn)黃色，高燒呈現(xiàn)紅色。1865年，英國的阿爾伯特發(fā)明了一種很有特色的體溫計，特點是儲存水銀的細管里有一狹道，當體溫計接觸人體后，水銀很快升到人體實際體溫處，取出后水銀柱不下降，而是在狹道處斷開，使狹道以上部分始終保持體溫度數(shù)。這種溫度計受到了臨床的歡迎和普及應用。1988年，出現(xiàn)了電子呼吸脈搏體溫計，可以進行遙測。到了現(xiàn)代，開始流行使用電子體溫計。電子體溫計分為實測式電子溫度計和預測式電子體溫計兩種，可通過數(shù)字觀看，比較方便。紅外線體溫計在“非典”流行期間曾廣泛使用，分為耳式紅外線體溫計和紅外線前額測溫儀，測定時間為1-3秒，快速、安全。液晶體溫計是21世紀新產(chǎn)品，利用液晶制成的溫度計，測腋窩僅用4-5秒，準確、安全，但價位高。2 紅外測溫技術簡介紅外測溫技術在生產(chǎn)過程中，在產(chǎn)品質量控制和監(jiān)測，設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。2.1 溫度測量技術的概述普通溫度測量技術經(jīng)過相當長時間的發(fā)展已近于成熟。目前，隨著經(jīng)濟的發(fā)展日益需要的是在特殊條件(如高溫、強腐蝕、強電磁場條件下或較遠距離)下的溫度測量技術。因此，當前研究的重點也在于此。非接觸式紅外測溫也叫輻射測溫，一般使用熱電型或光電探測器作為檢測元件。此溫度測量系統(tǒng)比較簡單，可以實現(xiàn)大面積的測溫，也可以是被測物體上某一點的溫度測量；可以是便攜式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工藝簡單，成木較低，測溫時不接觸被測物體，具有響應時間短、不干擾被測溫場、使用壽命長、操作方便等一系列優(yōu)點，但利用紅外輻射測量溫度，也必然受到物體發(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。在這種溫度測量技術中紅外溫度傳感器的選擇是非常重要的，而且不僅在點溫度測量中要使用紅外溫度傳感器，大面積溫度測量也可使用紅外溫度傳感器。本設計正是采用紅外溫度傳感器這種溫度測量技術，它具有溫度分辨率高、響應速度快、不擾動被測目標溫度分布場、測量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點；另外紅外溫度傳感器的種類較多，發(fā)展非?？?，技術比較成熟，這也是本設計采用紅外溫度傳感器設計非接觸溫度測量系統(tǒng)的主要原因之一。2.2 紅外測溫原理紅外測溫儀的測溫原理是黑體輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向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聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定，即：（2-1）在不同溫度下的黑體光譜輻射度如圖2.1。圖2.1 不同溫度下的黑體光譜輻射度從圖2.1可以看出黑體輻射具有幾個特征:（1）在任何溫度下，黑體的光譜輻射度都隨著波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個極大值；（2）隨著溫度的升高，與光譜輻射度極大值對應的波長減小。這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長輻射所占比例增加；（3）隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長處，與較高溫度相應的光譜輻射度也較大，反之亦然。2.3 紅外測溫的方法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=RaT4=KT4（2-2）式中K=Ra，由實驗確定，定標時取1T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)輻射率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：（2-3）式中Tr輻射溫度(表觀溫度)(T)輻射率，取0.10.9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)溫才能最終得到被測物體的實際溫度。3 紅外測溫系統(tǒng)的總體方案選擇本設計是軟硬件的綜合體，每一個模塊的選擇都會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響，選擇的硬件模塊好壞決定了本設計所能達到的高度，所以對比較重要的模塊必須要通過對比選擇，揚長避短。3.1 重要模塊的方案對比與選擇3.1.1溫度傳感器的選擇方案一：采用紅外線溫度傳感器IRTP。IRTP系列紅外測溫系統(tǒng)是一種集成專用信號處理電路以及環(huán)境溫度補償電路的多用途紅外溫度測量系統(tǒng)，它屬于工業(yè)測溫傳感器。不能用作人體測溫，故不選用此方案。方案二：采用熱釋電紅外線傳感器D203S。熱釋電紅外線傳感器是80年代發(fā)展器起來的一種新型高靈敏度探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉換成電壓信號輸出。但這個電壓信號需要加以放大和加驅動控制電路。硬件上的復雜性決定了它的穩(wěn)定性不高，且容易出故障，故也不選此方案。方案三：采用凌陽公司生產(chǎn)的型號為TN9紅外溫度傳感器，它是一種集成的紅外探測器，內部有溫度補償電路和線性處理電路，輸出數(shù)字信號，它的響應速度快、精度高、穩(wěn)定性好，故選擇此方案。3.1.2無線傳輸模塊選擇方案一：采用PT2262/2272加無編碼的發(fā)射與接收頭，該電路采用超再聲發(fā)射電路，采用315MHZ的發(fā)射頻率，雖然發(fā)射距離遠，但要求供電電壓高更多的是適合在遙控方面，而在傳輸數(shù)據(jù)時卻容易出錯。故不選擇此方案。方案二：低功耗CC1100E是一款Sub-GHz高性能射頻收發(fā)器，提供對數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、空閑信道評估、鏈路質量指示以及無線喚醒的廣泛硬件支持。具有高靈敏度、低電流消耗、支持頻率下高達+10dBm的可編程輸出功率、1.2到500kBaud的可編程數(shù)據(jù)速率等特點，非常合適中短距離的數(shù)據(jù)傳輸，所以選擇此方案。3.1.3顯示模塊的選擇方案一：使用數(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，易于維護等優(yōu)點，其電路復雜，占用資源較多，顯示信息少，不宜顯示大量信息。方案二：我們設計的系統(tǒng)需要顯示的信息直觀，所以應選用顯示功能更好的液晶顯示，要求能顯示更多的數(shù)據(jù)，增加顯示信息的可讀性，看起來更方便。而液晶LCD1602有明顯的優(yōu)點：微功耗，尺寸小，超薄輕巧，顯示信息量大，字跡美觀，視覺舒適，而且容易控制。所以選擇方案二。3.2 芯片和組態(tài)王介紹綜合了各個方案的對比，我得出了本系統(tǒng)的最終方案，在主從處理器方面選擇STC89C51單片機，紅外模組TN_9作為測溫模塊，用LCD1602為本系統(tǒng)的顯示部分，通過CC1100E無線收發(fā)模塊把測得的溫度值傳到從處理器并通過從處理器串口經(jīng)RS232電平轉換模塊傳到上微機軟件組態(tài)王Kingview做各種數(shù)據(jù)的后臺處理。3.2.1主從控制器STC89C51單片機作為紅外測溫系統(tǒng)的核心處理部件，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。本測溫系統(tǒng)選擇的STC89C51RC單片機，下面是STC89C51RC單片機相關資料信息：STC89C51RC單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的新一代8051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/機器周期可任意選擇，最新的D版本內部集成MAX810專用復位電路。STC89C51RC系列單片機具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，這樣可以省去購買通用編程器，單片機在用戶系統(tǒng)上即可下載/燒錄用戶程序，無須將單片機從以生產(chǎn)好的產(chǎn)品上拆下。對于一些尚未定型的設計可以一邊設計一邊完善，加快了設計速度，減少了一些軟件缺陷風險。由于可以在用戶的目標系統(tǒng)上將程序直接下載進單片機看運行結果，故無須仿真器，圖3.1為此單片機的引腳圖。圖3.1 STC89C51RC單片機引腳圖STC89C51RC單片機的特點：（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：5.5v-3.8v；（3）工作頻率范圍：0-40MHz，相當于普通8051的080M，實際工作頻率可達48MHz；（4）4k的Flash程序存儲器；（5）片上集成512字節(jié)RAM；（6）ISP/IAP，無須專用編程器/仿真器；（7）通用I/O口，復位后：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉，P0口開漏輸出，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；（8）EEPROM功能；（9）看門狗；（10）內部集成MAX810專用復位電路（外部晶體20M以下時，可省復位電路）。（11）共3個16位定時器/計數(shù)器，定時器0還可以當成2個8位定時器使用；（12）外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒；（13）超低功耗，正常工作模式，典型功耗2mA；掉電模式，典型功耗0.5uA，可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序；（14）2個數(shù)據(jù)指針；（15）通用異步串行口（UATR），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UATR；（16）工作溫度范圍：075/4085；（17）封裝形式：PDIP-40/PLCC-44/PQFP-44。STC89C51各引腳的功能描述如下：（1）電源和晶振：VCC、VSS運行和程序校驗時加的電壓；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）：片外程序存儲器讀選通信號輸出端。3.2.2紅外模組TN_9面對目前眾多的紅外檢測器件產(chǎn)品，在設計中選擇合適的紅外檢測器已成為一個重要問題。在設計過程中選擇紅外線檢測器件時，首先考慮的是器件的以下性能因素:光譜響應范圍、響應速度、有效檢測面積、元件數(shù)量、制冷方式和檢測目標的溫度。凌陽公司生產(chǎn)的型號為TN9的紅外探測器作為測溫模塊，它是一種集成的紅外探測器，內部有溫度補償電路和線性處理電路，因此簡化了本系統(tǒng)的設計。 它的測量距離大約為30米，測量回應時間大約為0.5秒。而且它具備SPI接口，可以很方便地與單片機（MCU）傳輸數(shù)據(jù)。其引腳如圖3.2。圖3.2 紅外測溫傳感器引腳圖在圖3.2中，V為電源引腳VCC，VCC一般為3V到5V之間的電壓，一般取3.3V；D為數(shù)據(jù)接收引腳，沒有數(shù)據(jù)接收時D為高電平；C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。TN_9紅外測溫模塊的時序如圖3.3所示，在CLOCK的下降沿時接收數(shù)據(jù)。(例：如果一次溫度測量需接收5個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這5個字節(jié)中：Item為0x4c表示測量目標溫度，為0x6c表示測量環(huán)境溫度；MSB為接收溫度的高八位數(shù)據(jù)；LSB為接收溫度的低八位數(shù)據(jù)；Sum為驗證碼，接收正確時Sum=Item+MSB+LSB；CR為結束標志，當CR為0xodH時表示完成一次溫度數(shù)據(jù)接收。)圖3.3 TN_9模塊的時序圖紅外測溫模塊溫度值的計算：以上面的例子：無論測量環(huán)境溫度還是目標溫度，只要檢測到Item為0x4cH或者0x66H同時檢測到CR為0x0dH，他們的溫度的計算方法都相同。計算公式：目標溫度/環(huán)境溫度=Temp/16-273.15(3-1)其中Temp為十進制，當把它轉換成十六進制的高八位為MSB，低八位為LSB；比如MSB為0x14H，LSB為0x2Ah，則Temp十六進制時為0x142aH，十進制時為5162，則測得的溫度值為5162/16-273.15=39.475.3.2.3無線收發(fā)CC1100ECC1100E是一款Sub-GHz高性能射頻收發(fā)器，設計旨在用于極低功耗RF應用。其主要針對工業(yè)、科研和醫(yī)療(ISM)以及470-510MHz和950-960MHz頻帶的短距離無線通信設備(SRD)。CC1100E特別適合于那些針對日本ARIB STD-T96標準和中國470-510MHz短距離通信設備的無線應用。CC1100E主要的應用范圍有：(1)運行于470/950MHz ISM/SRD 頻帶的超低功耗無線應用；(2)無線傳感網(wǎng)絡；(3)家庭和樓宇自動化；(4)高級抄表架構(AMI)；(5)無線計量；(6)無線告警和安全系統(tǒng)；圖3.4 CC1100E的簡化結構圖CC1100E具有一個低功耗IF接收機。在圖3.4中，低噪聲放大器(LNA)將接收到的RF信號放大，并在求積分(I和Q)過程中被降壓轉換至中頻(IF)。在IF下，I/Q信號被ADC數(shù)字化。自動增益控制(AGC)、精確信道濾波和調制解調位/數(shù)據(jù)包同步均以數(shù)字方式完成。CC1100E的發(fā)送器部分基于RF頻率的直接合成。頻率合成器包括一個完全片上LC VCO和一個90度相位轉換器，以在接收模式下向降壓轉換混頻器生成I和Q LO信號。將一個晶體連接XOSC_Q1和XOSC_Q2。晶體振蕩器產(chǎn)生合成器的參考頻率，以及ADC和數(shù)字部件的時鐘。一個4線SPI串行接口用于配置和數(shù)據(jù)緩沖器存取。數(shù)字基帶包括對信道配置、數(shù)據(jù)包處理以及數(shù)據(jù)緩沖的支持。圖3.5 CC1100E的復位時序在圖3.5中，CC1100E全局復位方法使用SRES指令選通脈沖。通過發(fā)出這種選通脈沖，所有內部寄存器和狀態(tài)均被設置為默認值，即IDLE狀態(tài)。（1）設置SCLK=1和SI=0，以避免引腳控制模式下潛在的問題。（2）選通脈沖CSn低電平/高電平。（3）保持CSn為低電平，隨后為高電平，保持CSn為高電平至少持續(xù)40s。（4）拉低CSn，等待SO變低(CHIP_RDYn)。（5）通過SI線發(fā)送SRES 選通脈沖。（6）當SO再次變低時，復位完成，芯片處于IDLE狀態(tài)。圖3.8 配置寄存器的讀寫操作如圖3.8所示，CC1100E通過一個簡單的4-線SPI兼容接口（SI、SO、SCLK 和CSn）便可對CC1100E進行配置，此時CC1100E為從屬器件。該接口還可以用于讀取和寫入緩沖數(shù)據(jù)。SPI接口上的所有數(shù)據(jù)傳輸均以最高位開始。SPI接口上的所有事務均以一個報頭字節(jié)作為開始，該字節(jié)包含一個R/W;bit，一個突發(fā)存取位(B)，以及一個6位地址(A5A0)。在SPI總線上傳輸數(shù)據(jù)期間，CSn引腳必須保持低電平。在傳輸報頭字節(jié)或讀/寫寄存器期間，如果CSn電平升高，那么傳輸就會被取消。圖3-7顯示了SPI接口上地址和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間。拉低CSn電平時，在開始傳輸該報頭字節(jié)以前，MCU必須等待，直到CC1100E的SO引腳變?yōu)榈碗娖綖橹?。這表明，晶體正在運行。除非芯片處在SLEEP或XOFF狀態(tài)，否則SO引腳總會在CSn變?yōu)榈碗娖揭院罅⒓醋優(yōu)榈碗娖健?.2.4電平轉換芯片MAX232MAX232C是RS232與TTL電平之間進行電平轉換的工具芯片，它是MAXIM公司生產(chǎn)、包括兩路接收器和驅動器的IC芯片，適用于各種EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。MAX232C芯片內部有一個電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成為RS232所輸出電平所需的電壓。所以，采用此芯片的串行通信系統(tǒng)只需單一的+5V電源就可以了，如圖3.9。圖3.9 MAX232引腳圖MAX232C內部結構：（1）電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。（2）數(shù)據(jù)轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。（3）供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）。MAX232C主要特點：（1）單5V電源工作（2）LinBiCMOSTM工藝技術（3）兩個驅動器及兩個接收器（4）30V輸入電平（5）低電源電流：典型值是8Ma（6）符合甚至優(yōu)于ANSI標準 EIA/TIA-232-E及ITU推薦標準V.28（7）ESD保護大于MIL-STD-883（方 法3015）標準的2000V3.2.5液晶16021602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別。它的主要技術參數(shù)如表3.1，圖3.10，圖3.11所示。（1）顯示容量:162個字符（2）芯片工作電壓:4.55.5V（3）工作電流:2.0mA(5.0V)（4）模塊最佳工作電壓:5.0V表3.1 1602內部控制指令序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關控制0000001DCB5光標或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標志或地址01BF計數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)內容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內容圖3.10 LCD1602讀操作時序圖3.11 LCD1602寫操作時序3.2.6穩(wěn)壓芯片LM2576HYM2576系列調節(jié)器是單片集成電路，它可以提供降壓轉換器（Buck）的功能，它同時具有驅動3A負載電流，且有著極好的線性和負載調節(jié)特性。HYM2576系列器件包括固定輸出的3.3V、5V、12V、15V 以及可調輸出版本，它內部已經(jīng)集成頻率補償和一個固定頻率振蕩器。HYM2576系列高效率的特性完全可以替代常用的三端線性調節(jié)器。它的高效率可以最大限度的減小散熱片的尺寸，在某些情況下可以不加散熱片。在特定輸入和輸出負載的條件下，HYM2576的輸出可以保證4%的精度容差，以及10%的內部振蕩頻率容差。HYM2576 同時具有外部的關斷引腳，50A（典型）的備用電流。HYM2596 還具有循環(huán)限流和過溫關斷功能，如圖3.12所示。圖3.12 LM2576應用電路3.2.7組態(tài)王Kingview北京亞控公司的工業(yè)組態(tài)軟件Kingview是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它是一個集成的工業(yè)組態(tài)軟件，它包含幾千種智能儀表和智能模塊和大多數(shù)的單片機的地層通信協(xié)議，對于單片機它提供了兩種可以修改的通信協(xié)議，可以方便的實現(xiàn)單片機和PC機之間的通信。Kingview更是提供了強大的人機界面的制作，可以很好的將采集到的數(shù)據(jù)進行處理顯示記錄，利用自帶的動畫制作工具可以實現(xiàn)現(xiàn)場模擬。（1）全中文界面,可以運行在Windows 環(huán)境下,包括Windows 98P2000PNT 等。（2）先進的圖形、動畫功能,豐富的圖庫,開發(fā)簡便,周期短,界面美觀、友好。（3）在其公司網(wǎng)站上有各種應用實例,方便移植。（4）豐富的硬件支持功能,支持工業(yè)控制中大部分的板卡,接口簡單,便于操作。（5）提供了上百個函數(shù),大大簡化了編程過程,減輕了工作量,提高了工作效率。（6）對于典型數(shù)據(jù)庫的支持,使得數(shù)據(jù)的操作很容易實現(xiàn)。（7）強大的報表功能。（8）具有一定網(wǎng)絡支持功能。（9）具有動態(tài)數(shù)據(jù)交換功能(DDE),這使得它可以和Windows環(huán)境下的大部軟件或開發(fā)平臺進行數(shù)據(jù)傳遞。通訊口設置如表3.2。（1）通訊方式：RS-232,RS-485,RS-422均可。（2）波特率：由單片機決定（2400，4800，9600and19200bps）。表3.2 組態(tài)王字節(jié)數(shù)據(jù)格式起始位數(shù)據(jù)位校驗位停止位在組態(tài)王中定義設備地址的格式（1）格式： 前面的兩個字符是設備地址，范圍為0255，此地址為單片機的地址，由單片機中的程序決定；后面的一個字符是用戶設定是否打包，“0”為不打包、“1”為打包,用戶一旦在定義設備時確定了打包，組態(tài)王將處理讀下位機變量時數(shù)據(jù)打包的工作。表3.3 組態(tài)王中定義的寄存器格式寄存器名稱dd上限dd下限數(shù)據(jù)類型Xdd655350FLOAT/BYTE/UINT表3.3中，斜體字dd代表數(shù)據(jù)地址，此地址與單片機的數(shù)據(jù)地址相對應。（2）組態(tài)王與單片機通訊的命令格式如表3.4所示。表3.4 讀寫格式字頭設備地址標志數(shù)據(jù)地址數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)異或CR說明； 字頭：1字節(jié)1個ASCII碼，40H設備地址： 1字節(jié)2個ASCII碼，0255（即0-0x0ffH）標志：1字節(jié)2個ASCII碼，bit0bit7，bit0= 0:讀，bit0= 1:寫。bit1= 0：不打包。bit3bit2 = 00,數(shù)據(jù)類型為字節(jié)。bit3bit2 = 01,數(shù)據(jù)類型為字。bit3bit2 = 1x,數(shù)據(jù)類型為浮點數(shù)。數(shù)據(jù)地址： 2字節(jié)4個ASCII碼，0x00000xffff數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)：1字節(jié)2個ASCII碼，1100，實際讀寫的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)：為實際的數(shù)據(jù)轉換為ASCII碼，個數(shù)為字節(jié)數(shù)乘2。異或：異或從設備地址到異或字節(jié)前，異或值轉換成2個ASCII碼CR：0x0d。3.3 系統(tǒng)硬件總體設計方案確定系統(tǒng)的硬件由單片機主控模塊、單片機從控模塊、TN_9紅外模組、液晶顯示模塊、聲光報警模塊、無線收發(fā)CC1100E模塊、鍵盤模塊、RS232電平轉換模塊、聲光報警模塊、電源模塊、上位機模塊。硬件的流程是主控制器通過不斷的掃描鍵盤，當掃描到鍵值要求開始測溫時，判斷是測量環(huán)境溫度還是目標溫度，然后發(fā)送開始允許測溫指令給TN_9，TN_9執(zhí)行測溫任務并把測量結果送往主控制器，主控制器處理溫度后實時顯示到LCD1602模塊上，同時，主控制器將是實時溫度值與設定的溫度上限值比較，如果滿足報警條件，則開啟聲光報警，同時，主控制器不斷地掃描鍵盤，當發(fā)現(xiàn)有鍵值允許開啟無線傳輸模塊,則將實時溫度值傳至從處理器，從處理器通過串口將溫度經(jīng)RS232電平轉換模塊傳到組態(tài)王軟件，在組態(tài)王里面實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、生成曲線報表等多項功能。STC89C51主控制器TN_9電源模塊液晶顯示鍵盤模塊無線收發(fā)無線收發(fā)STC89C51從控制器RS232串口模塊組態(tài)王KingView電源模塊聲光報警圖3.13 紅外測溫系統(tǒng)的硬件方案設計框圖圖3.13中，STC89C51主控制器是本系統(tǒng)的控制中心，它負責控制啟動溫度測量、接收測量數(shù)據(jù)、計算溫度值、鍵盤控制、顯示控制和無線傳輸數(shù)據(jù)控制；TN_9模塊負責溫度數(shù)據(jù)的測量和采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)端口傳送給STC89C51單片機；通過鍵盤模塊可以方便地控制測溫及無線傳輸；RS232轉換電路模塊可以使從控制器方便地同組態(tài)王進行串口通信，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直觀地顯示給觀測者；電源模塊負責整個測溫系統(tǒng)的電源供應。3.4 系統(tǒng)軟件設計方案按照系統(tǒng)的設計功能要求，本紅外測溫系統(tǒng)的設計采用單片機軟件系統(tǒng)實現(xiàn)，用單片機的自動控制能力配合按鍵控制，來控制溫度的檢測、顯示、報警、傳輸；并用上位機軟件界面實現(xiàn)溫度的存儲、查詢、曲線報表等功能。所以本測溫系統(tǒng)的軟件設計同樣采用模塊化的設計思想，它把整個系統(tǒng)分成若干模塊分別予以解決，它包括主從控制器的主程序模塊，紅外測溫模塊，鍵盤掃描模塊、聲光報警模塊、液晶顯示模塊、無線傳輸模塊和組態(tài)王通信模塊。主程序模塊紅外測溫鍵盤掃描液晶顯示聲光報警無線傳輸主程序模塊無線傳輸組態(tài)王通信圖3.14 紅外測溫系統(tǒng)的軟件方案設計框圖圖3.14中，主程序模塊主要完成系統(tǒng)初始化，溫度的檢測，串行口通信，鍵盤和顯示等功能，其中系統(tǒng)初始化包括:串口通信中斷的初始化、液晶顯示的初始化，無線傳輸初始化；紅外測溫模塊包括：獲取溫度數(shù)據(jù)，計算溫度值。鍵盤掃描模塊 ：獲取按鍵信息，處理按鍵請求等；顯示模塊：獲取并處理相應的溫度數(shù)據(jù)；無線傳輸模塊：將測量到的溫度傳到從控制器，以便送到上位機處理；組態(tài)王通信：完成組態(tài)王與單片機通信協(xié)議和格式等各種操作。4 紅外測溫系統(tǒng)的硬件設計基于STC89C51單片機的紅外測溫系統(tǒng)的硬件設計采用目前使用比較廣泛的模塊化設計思想，將整個系統(tǒng)分成七大模塊：主從單片機處理模塊、紅外測溫模塊、無線傳輸模塊、LCD液晶顯示和聲光報警模塊、鍵盤模塊、RS232轉換電路模塊、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