基于单片机的非接触式红外测温仪设计

基于单片机的非接触式红外测温仪设计内容摘要：

此在前置 放大器和后级放大器之间加了带通滤波器来抑制宽带噪声，提高信噪比。 但带通滤波器的带宽不能做得太窄，否则当温度发生变化时，信号的频谱有可能偏离带通滤波器的通频带而导致测量误差。 根据本系统测温需要，系统采用二阶无限增益多路巴特沃斯型带通滤波器，其中心频率设计为 30Hz 左右，带宽在 10Hz 左右。 相应的电路图如下： NULLININ+VNULLV+OUTOV12348765U C4+12VV2主放大电路OP07C312VR3C210uFC110uF33KR1R2前置放大电路V1 图 7 带通滤波电路 Fig7 The band pass filter circuit 经过查《常用电子元器件手册》 [10]计算 : 其通带增益： )( 211 23 ?????? CCR CRK p (4) 12 固有角频率：21321210 CCRRR RRW ?? (5) 阻尼度：)( 21213 21 RRCCR RR ??? (6) 信号采集电路 经放大电路放 大后的模拟电信号需要转换成数字信号后才能送入单片机进行数据处理，系统数据采集选用 TLC549 集成芯片进行 A/D转换。 TLC549 是 8 位串行 A/D 芯片，既有 4MHz 的片内系统时钟，转换时间最长为17μs，允许最高转换速度达 40000 次 /s，总失调误差最大为 177。 ，典型功耗为6mW。 TLC549 可 按 比 例 量 程 校 准 转 换 范 围 ， 其 VREF 接地时，(VREF+)(VREF)≥1V，可用于较小信号的采样， 3～ 6V的供电范围。 TLC549 带有片内系统时钟，该时钟与 I/O CLOCK 是独立工作 的，无需特殊速度和相位匹配。 当 CS 为高时，数据 DATA OUT 处于高阻态，此时 I/O CLOCK 不起作用。 这种 CS 控制作用允许在同时使用 TLC549 时，共用 I/O CLOCK，以减少 A/D转换时的 I/O 控制端口 [11]。 TLC549 与单片机通过 I/O CLOCK、 CS、 DATA OUT 3 个引脚串行连接。 该器件有 1个模拟输入端口 AIN，三态数据串行输出接口可方便与微处理器或外围设备相连。 TLC549 仅仅使用输入 /输出时钟 (I/O CLOCK)和片选信号 (CS)控制数据，与 51单片机的接口电路如下图所示。 REF+AINREFGNDDOCLKVCCCS87654321VCC主放大电路1KR→VCCUTLC549STC89C51 图 8 TLC549与单片机的接口电路 Fig8 TLC549 and MCU interface circuit 环境温度补偿电路 由于热释电传感器测量是全辐射测温法，测得的是被测物体与环境的辐射能量差，因此需要在信号处理电路中增加环境温度的检测电路。 系统采用集成温度13 传感器 DS18B20 进行环境温度的检测， DS18B20 采用电源供电方式，与单片机的接口电路如下图所示 : VCCDQGNDDS18B20VCCSTC89C51 图 9 DS18B20与单片机的接口电路 Fig9 DS18B20 and MCU interface circuit DS18B20 的 1脚接地， 2脚作为信号线， 3脚接电源。 当 DS18B20 处于写存储器操作和温度转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为 10μs。 P1 口内部自带上拉电阻，总线上不需要外加上拉电阻。 采集信号 DQ 由 口送入单片机，经过单片机分析处理，转换成相应大小的温度数值。 测温模块的时序与计算 红外测温模块的时序图如下图，在 Clock 的下降沿时接收数据。 其中例 Item为 0x4c 表示测量目标温度， Item 为 0x6c 表示测量环境温度； MSB 为接收温度的高八位数据； LSB 为接收温度的低八位数据； Sum 为验证码，接收正确时Sum=Item+MSB+LSB。 CR 为结束标志，当 CR为 0x0dH 时表示完成一次温度数据接收。 图 10 红外测温时序图 Fig10 Infrared temperature measurement timing diagram 14 红外测温模块温度值的计算 以上面的例子；无论测量环境温度还是目标温度，只要检测到 Item 为 0x4cH或者 0x66H 同时检测到 CR 为 0x0dH，他们的温度的计算方法都相同。 计算公式： 目标温度 /环境温度 =Temp/ (7) 其中 Temp 为十进制，当把它转换成十六进制的高八位为 MSB，低八位为 LSB；其中例 MSB 为 0x14H， LSB 为 0x2Ah，则 Temp 十六进制时为 0x142aH，十进制时为5162，则测得的温度值为 5162/=℃。 单片机处理模块 该红外测温仪是以 STC89C51单片机为核心器件，此单片机模块的工作原理是：加载相应程序的 STC89C51 单片机把红外测温模 块传来的数据加以处理，送 LED显示屏显示。 下图是单片机处理模块的电路原理图： RSTXTAL2XTAL1GNDGND123456781011121315161718914201912晶振C30pFC30pFSTC89C51VccEA/VppALE/PROGPSEN4039383736353433323130292827262524232122SKEYD1N414810KR10uFC+5VVCCC30pF 图 11 单片机处理模块电路图 Fig11 Single chip processing circuit module 其复位电路如上图左边上部分，本单片机处理模块是通过开关手动复位的，只要在 RST 引脚出现大于 10ms 的高电平，单片机就进入复位状态，这样做的目的是便于根据实际情况而选择是否复位温度测量数据。 15 而此仪器的振荡电路选用的是晶体振荡电路，其具体电路如上图左边下部分。 采用晶体振荡电路的原因是因为它的 频率稳定性好，而这正是本红外测温仪非常重要的技术要求。 单片机作为红外测温仪的核心处理部件，它关系到整个仪器的性能指标。 因此它的选择是非常重要的。 本测温仪选择的 STC89C51 单片机，下面是 STC89C51单片机相关资料信息： STC89C51 单片机是新一代超强抗干扰、高速、低功耗的新一代 8051 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 /机器周期可任意选择， D 版本内部集成 MAX810 专用复位电路 [12]。 STC89C51 系列单片机具有在系统可编程（ ISP）特性，这样可以省去购买 通用编程器，单片机在用户系统上即可下载、烧录用户程序，无须将单片机从以生产好的产品上拆下。 对于一些尚未定型的设计可以一边设计一边完善，加快了设计速度，减少了一些软件缺陷风险。 由于可以在用户的目标系统上将程序直接下载进单片机看运行结果，故无须仿真器。 下图是次单片机的引脚图： RSTXTAL2XTAL1GND1234567810111213151617189142019STC89C51VccEA/VppALE/PROGPSEN4039383736353433323130292827262524232122 图 12 STC89C51 单片机引脚图 Fig12 STC89C51 Microcontroller pin diagram STC89C51 单片机的特点 [13]： (1) 增强 型 6 时钟 /机器周期， 12 时钟 /机器周期 8051CPU； (2) 工作电压： ； (3) 工作频率范围： 040MHz，相当于普通 8051 的 0~80M，时间工作频率可达 16 48MHz； (4) 4k 的 Flash 程序存储器； (5) 片上集成 512 字节 RAM； (6)ISP/IAP，无须专用编程器 /仿真器； (7) 通用 I/O 口，复位后： P1/P2/P3/P4 是准双向口 /弱上拉， P0 口开漏输出，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； (8) EEPROM 功能； (9) 看门狗； (10) 内部集成 MAX810 专用复位电路（外部晶体 20M 以下时，可省略复位电 路）； (11)共 3 个 16 位定时器 /计数器，其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使 用； (12) 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发中断， Power Down 模式可由外 部中断低电平触发中断方式唤醒； (13)超低功耗，正常工作模式，典型功耗 2mA；掉电模式，典型功耗 ， 可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序； (14) 2 个数据指针； (15) 同意异步串行口（ UATR)，还可用定时器软件实现多个 UATR； (16) 工作温度范围： 0— 75℃ /— 40~+85℃； (17) 封装形式： PDIP40/PLCC44/PQFP44。 STC89C51 各引脚的功能描述如下： (1)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。 (2) RST：单片机的上电复位或掉电保护端； (3)ALE：地址锁存有效信号输出端； (4) PSEN ：片外程序存储器读选通信号输出端。 单片机外围电路模块 RS232 电平转换模块 通过 RS232 转换电路单片机可以方便的同 PC 机进行串口通信，可以同时接收17 或传送外部送来的资料。 但是进行串行通讯时要满足一定的条件，因为 RS232 是用正负电压来表示逻辑状态的，而 TTL 是用高低电平来表示逻辑状态的，因此，为了能够同 PC 机接口或终端的 TTL 器件连接，必须在 RS232 与 TTL 电平之间进行电平转换。 实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。 目前较为广泛地使用集成电路转换器件，本设计采用 MAX232 芯片它可完成 TTL到 EIA 双向电平的转换。 RS232C 是串行数据接口标准，它规定了连接电缆 和机械、电气特性、信号功能及传送过程。 RS232 被定义为一种在低速串行通信中增加通信距离的单端标准，它采取非均衡传输方式，即所谓的单端通信。 典型的 RS232信号在正负电平之间摆动，发送数据时，发送端驱动器输出正电平 +5~+15V，负电平为 15~ 5V。