1、 畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計基于單片機的紅外溫度測量系統(tǒng)基于單片機的紅外溫度測量系統(tǒng)指導(dǎo)教師：王宏民指導(dǎo)教師：王宏民 電技電技05-2班班 陳雪峰陳雪峰論文結(jié)構(gòu)n第一章 課題背景研究目的及意義n第二章 紅外測溫原理及控制器件介紹n第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計n第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計第一章 課題背景n 隨著人類社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，科學(xué)技術(shù)正在改變著人類的生活習(xí)慣，在當(dāng)今社會，生活的節(jié)奏在不斷的加快，各種與生活相關(guān)的東西也在不斷更新。譬如說體溫計，溫度是人體生命活動的基本特征，也是觀察人體機能是否正常的一種生理信號。而傳統(tǒng)的體溫計多采用生物原理，根據(jù)水銀隨溫度升降的熱脹冷縮性質(zhì)，通過讀取刻度值來判斷溫度高

2、低，有時由于光線較暗或其它因素的影響，使得觀察者難以準(zhǔn)確的判斷。同時，這些溫度計一般對單人單次測量在2-5分鐘左右，其工作效率很低，也難以用于大量的人群排查。 課題背景n 紅外測溫為測量人體溫度提供了快速、非接觸測量手段，可廣泛、有效地用于密集人群的體溫測量。非接觸紅外測溫計針對特定人群，比如兒童或老人，極其方便。且利用單片機技術(shù)開發(fā)可克服傳統(tǒng)體溫計的許多缺陷。第二章 紅外測溫原理及控制器件介紹n紅外線是電磁波譜的一個部分，這一波段位于可見光和微波之間。紅外光的最大特點就是具有很強的光熱效應(yīng)，是光譜中最大的光熱效應(yīng)區(qū)。紅外光在光譜區(qū)中位于可見光之外，是一種不可見光。和所有的電磁波一樣，它也具有

3、反射、折射、干涉、吸收等性質(zhì)，其波長從0.75微米到1000微米。 紅外輻射的發(fā)射及其規(guī)律 n 先簡單介紹一下黑體的紅外輻射規(guī)律。所謂黑體，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，也就是說全吸收。顯然，因為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（吸收率不等于1），所以，黑體只是人們抽象出來的一種理想化的物體模型。但黑體熱輻射的基本規(guī)律是紅外研究及應(yīng)用的基礎(chǔ)，它揭示了黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度及波長變化的定量關(guān)系。 斯蒂芬玻爾茲曼定律 n斯蒂芬-玻耳茲曼定律表明，凡是溫度高于絕對零度的物體都會自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，而且，黑體單位表面積發(fā)射的總輻射

4、功率與開氏溫度的四次方成正比。而且，只要當(dāng)溫度有較小變化時，就將會引起物體發(fā)射的輻射功率很大變化。那么，我們可以想象一下，如果能探測到黑體的單位表面積發(fā)射的總輻射功率就能確定黑體的溫度。因此，斯蒂芬-玻耳茲曼定律是所有紅外測溫的基礎(chǔ)。 斯蒂芬玻爾茲曼定律的實際應(yīng)用n實驗表明，實際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長外，還與構(gòu)成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。這里，我們引入一個隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的輻射系數(shù)，則就可把黑體的基本定律應(yīng)用于實際物體。這個輻射系數(shù)，就是常說的發(fā)射率，其定義為實際物體與同溫度黑體輻射性能之比。 非接觸紅外測溫的優(yōu)點n非接觸紅外測溫優(yōu)點如下：n1. 遠距離和非接觸測

5、量n紅外測溫不需要與被測溫度場的內(nèi)部或表面，因此，不會干擾被測溫度場的狀態(tài)，測溫儀本身也不受溫度場的損傷。并可遠距離測量，它特別適合于對高速運動物體、旋轉(zhuǎn)體、帶電體和高溫高壓下物體的溫度測量。n2. 響應(yīng)速度快n紅外測溫不象熱電偶、溫度計那樣，需要與被測量體接觸以達到熱平衡，只要接到目標(biāo)的紅外輻射即可測量，其響應(yīng)時間在毫秒甚至微秒數(shù)量級。n3. 靈敏度高n因物體溫度的微小變化會引起輻射功率的較大變化，容易被探測器探出，故紅外測溫的可測溫差很小，可達零點幾攝氏度。n4. 準(zhǔn)確度高n紅外測溫是非接觸測量，不破壞物體本身的溫度分布，因而所測溫度真是、準(zhǔn)確、誤差可達0.1攝氏度以下。n5. 測溫范圍廣

6、n測溫范圍可從負(fù)幾十?dāng)z氏度到正幾千攝氏度。因其是非接觸測溫，所以測溫系統(tǒng)并不處在較高或較低的溫度場中，而是工作在正常的溫度或測量系統(tǒng)允許的條件下。 控制芯片的介紹nSPCE061A 16位處理器 部分性能簡介：n工作電壓(CPU) VDD為2.43.6V (I/O) VDDH為2.45.5V；CPU時鐘：0.32MHz49.152MHz；可編程音頻處理；內(nèi)部震蕩，外接晶體振蕩器；系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止?fàn)顟B(tài))，耗電僅為2A3.6V；2個16位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值)；2個10位DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道；32位通用可編程輸入/輸出端口；14個中斷源可來自定時器A

7、/ B，時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能；使用凌陽音頻編碼SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容納210秒的語音數(shù)據(jù)；鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號；32768Hz實時時鐘；7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；具備串行設(shè)備接口；具有低電壓復(fù)位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(LVD)功能；內(nèi)置在線仿真電路ICE（In- Circuit Emulator）接口；具有WatchDog功能。 SPCE061A片內(nèi)存儲器結(jié)構(gòu) n基于單片機系統(tǒng)內(nèi)部ROM、RAM存儲器的編址有兩種方式：一種是ROM、RAM、I/O統(tǒng)一編址；另一種是獨立編址，稱為哈佛結(jié)

8、構(gòu)。nSPCE061A是存儲器統(tǒng)一編址的存儲結(jié)構(gòu)。其片內(nèi)存儲器地址映射如圖 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計n本系統(tǒng)采用基于單片機智能化儀器的設(shè)計方法，實現(xiàn)了模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖，系統(tǒng)由紅外測溫模塊、控制模塊、鍵盤及顯示模塊、電源組成。 主控板的設(shè)計n比較方案一和方案二 ：兩種方案的比較n方案二采用SPCE061A單片機，該16位單片機運算能力強，操作簡單，而且?guī)в姓Z音功能，可以非常快捷地實現(xiàn)語音輸出功能，提高了集成度，并且能實現(xiàn)在線仿真、調(diào)試，帶來了諸多便利 。n方案一采用8位單片機，資源比較適中，但是如果需要實現(xiàn)語音功能則比較困難，擴展電路比較復(fù)雜，而且還需要專用的仿真器。n所以最

9、終選擇方案二 。SPCE061A最小系統(tǒng)IOB41IOB32IOB23IOB14IOB05RESTB6VDDP7(VCOIN)VCP8VSS9NC10NC11OSC32O12OSC32I13TEST14VDD15ICE16ICECLK17ICESDA18VSS19PVIN20DAC121DAC222VREF2(V2VREF)23VSS24AGC25OPI26MICOUT27MICN28PFUSE29NC30NC31NC32MICP33VCM(VREFAD)34VRTPAD(VEXTREF)35VDD36VMIC37VSS38NC39NC40IOA041IOA142IOA243IOA344IOA

10、445IOA546IOA647IOA748VSS49VSS50VDDH51VDDH52IOA853IOA954IOA1055IOA1156IOA1257IOA1358IOA1459IOA1560ROMT61VSS62SLEEP63IOB1564IOB1465IOB1366IOB1267IOB1168PVPP69NC70NC71NC72NC73NC74VDDH75IOB1076IOB977IOB878IOB779IOB680IOB581NC82NC83NC84SPCE061A-PLCC84U1IOA0IOA1IOA2IOA3IOA4IOA5IOA6IOA7IOA8IOA9IOA10IOA11IO

11、A12IOA13IOA14IOA15IOB0IOB1IOB2IOB3IOB4IOB5IOB6IOB7IOB8IOB9IOB10IOB11IOB12IOB13IOB14IOB15OSCOOSCIVDDICE_ENICE_SCKICE_SDAVSSDAC1DAC2VREF2AVSS1AGCOPIMICOUTMICINMICIPVCMVRTVDD_AVMICAVSS1VSSVSSVDDHVDDHVSSSLEEPVSSVCPVDD_PRES_BVDDH12J1C22104C19100uAVSS1VRT1J13DAC2C18104C17100uVSSC14104C15104Y132768OSCOOSCI

12、VSSC33300pC10104R23.3kVCPVSSC4100uC7104C8104C9100uVSSS1C37104R184.7kVSSRES_BVDDD1LEDD2LEDR12330R131kVDDSLEEPVSSC31104C27100uC28104C29100uAVSS1VSSLEDVREFPLLOSCRESETDACVREF2鍵盤及顯示電路K1K2K3K4K5K6K7K8abfcgdee3d4dp2c1g5b9f6a10dpG18G27abfcgdedpLG5621CHG6IN 11IN 22IN 33IN 44IN 55IN 66IN 77GND8COM9OUT 710OUT

13、611OUT 512OUT 413OUT 314OUT 215OUT 116U4ULN2003Aabfcgdee1d2dp3c4g5b9f12a13dpG114G211G310G46d1d2d1d28G57abfcgdedpabfcgdedpabfcgdedpLG5643EHG3G4VDDG5Q108050R191.5KG1G2G3G4G5G6G7G1G2IOB0IOB1IOB2IOB3IOB4IOB5IOB6IOB7IOB8IOB9IOB10IOB11IOB12IOB13IOB14IOB15Q18050Q28050Q38050Q48050Q58050Q68050Q78050Q88050R12

14、40R2240R3240R4240R5240R6240R7240R8240R101.5KR111.5KR121.5KR131.5KR141.5KR151.5KR161.5KR171.5KIOA0VDDQ98050R9240R181.5KD_DPAABBCCDDEEFFGGDPD1D2D1D2IOA1IOA2IOA3IOA4IOA5IOA6IOA7AABBCCDDEEGGFFDPAABBCCDDEEGGFFDP控制接口總體設(shè)計紅外測溫模塊接口設(shè)計n五個引腳功能介紹：V為電源電壓引腳VCC，VCC一般為3V到5V之間的電壓，一般取VCC為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2

15、KHz 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。紅外測溫模塊的時序圖如圖所示，為SPI數(shù)據(jù)格式，在CLOCK的下降沿接收數(shù)據(jù)，一次溫度測量需接收5個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這五個字節(jié)中：Item為0 x4c表示測量目標(biāo)溫度，為0 x66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(jié)束標(biāo)志，當(dāng)CR為0 x0dH時表示完成一次溫度數(shù)據(jù)接收。 紅外測溫模塊時序圖n紅外測溫模塊與SPCE061A采用同步串行的通信方式 n無論測量環(huán)境溫度還是目標(biāo)溫度，只要檢測到Item為0 x4cH或0

16、x66H同時檢測到CR為0 x0dH，它們的溫度的計算方法都相同。計算公式為：n溫度 = Temp/16 273.15 n其中Temp為十進制， 而測量結(jié)果為16進制，把它直接轉(zhuǎn)換為十進制即可。比如MSB為0 x14H，LSB為0 x2aH，測量結(jié)果為0 x142aH，十進制表示為5162，則測得溫度值為5162/16-273.15=49.475。 輔助部分接口的設(shè)計n電源與SPCE061A的連接方式，SPCE061A的內(nèi)核供電為 3.3V，而 I/O端口可接3.3V也可以接 5V，所以在電源模塊中有一個端口電平選擇跳線，由于本系統(tǒng)需要的端口高電平為 3.3V（紅外測溫模塊和LED鍵盤模塊的供

17、電電壓都可為 3.3V），所以在正常工作狀態(tài)下，將跳線連接為3.3V的供電狀態(tài)即可。但向SPCE061A的ROM中加載程序時需要更高的電壓，所以在加載程序時，跳線連接為5V的供電狀態(tài)。 抗干擾技術(shù)介紹n WatchDog 的結(jié)構(gòu)和信號時序 SPCE061A的WatchDog的清除時間周期為0.75s。定時溢出時WatchDog的溢出復(fù)位信號WatchDog_Reset信號 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計n根據(jù)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的要求，編程時采用模塊化和結(jié)構(gòu)化編程，以主程序和子程序調(diào)用為軟件設(shè)計的主要手段，軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)反映為主程序和子程序的調(diào)用和被調(diào)用關(guān)系。軟件結(jié)構(gòu)主要包含以下的程序模塊：主程序模塊、測溫程

18、序模塊、播報顯示程序模塊以及中斷服務(wù)程序。 主程序流程圖NYYNYNNYK3K2K1初始化鍵盤掃描鍵盤取鍵值測量目標(biāo)溫度測量目標(biāo)溫度測量環(huán)境溫度是 否 正確 測 到目 標(biāo) 溫度是否正確測到目標(biāo)溫度是 否 正確 測 到環(huán) 境 溫度播報并顯示目標(biāo)溫度播報并顯示目標(biāo)溫度播報并顯示環(huán)境溫度測量環(huán)境溫度是否正確測到環(huán)境溫度播報并顯示環(huán)境溫度初始化測溫模塊開始主程序流程圖按鍵為K1？按鍵為K2？NN鍵盤掃描子程序n按鍵輸入，采用兩次測度按鍵輸入的方法來消除按鍵抖動。由于機械觸點的彈性作用，在鍵被按下或彈起時會出現(xiàn)電壓都會出現(xiàn)抖動 。測溫子程序NYNY開始定義返回變量，并賦一個不為0的數(shù)啟動測溫讀取測量數(shù)據(jù)

19、讀到第一個字節(jié)數(shù)據(jù)為0 x4c或0 x66？取第二個字節(jié)數(shù)據(jù)取第三個字節(jié)數(shù)據(jù)讀到第五個字節(jié)數(shù)據(jù)為0 x0d？計算溫度值返回變量賦0延時關(guān)閉測量返回圖4-3 測溫程序流程圖整體硬件設(shè)計圖12345678ABCD87654321DCBAIOB41IOB32IOB23IOB14IOB05RESTB6VDDP7(VCOIN)VCP8VSS9NC10NC11OSC32O12OSC32I13TEST14VDD15ICE16ICECLK17ICESDA18VSS19PVIN20DAC121DAC222VREF2(V2VREF)23VSS24AGC25OPI26MICOUT27MICN28PFUSE29NC3

20、0NC31NC32MICP33VCM(VREFAD)34VRTPAD(VEXTREF)35VDD36VMIC37VSS38NC39NC40IOA041IOA142IOA243IOA344IOA445IOA546IOA647IOA748VSS49VSS50VDDH51VDDH52IOA853IOA954IOA1055IOA1156IOA1257IOA1358IOA1459IOA1560ROMT61VSS62SLEEP63IOB1564IOB1465IOB1366IOB1267IOB1168PVPP69NC70NC71NC72NC73NC74VDDH75IOB1076IOB977IOB878IOB

21、779IOB680IOB581NC82NC83NC84SPCE061A-PLCC84U1IOA0IOA1IOA2IOA3IOA4IOA5IOA6IOA7IOA8IOA9IOA10IOA11IOA12IOA13IOA14IOA15IOB0IOB1IOB2IOB3IOB4IOB5IOB6IOB7IOB8IOB9IOB10IOB11IOB12IOB13IOB14IOB15OSCOOSCIVDDICE_ENICE_SCKICE_SDAVSSDAC1DAC2VREF2AVSS1AGCOPIMICOUTMICINMICIPVCMVRTVDD_AVMICAVSS1VSSVSSVDDHVDDHVSSSLEEP

22、VSSVCPVDD_PRES_BVDDH12J1C22104C19100uAVSS1VRT1J13DAC2C18104C17100uVSSC14104C15104Y132768OSCOOSCIVSSC33300pC10104R23.3kVCPVSSC4100uC7104C8104C9100uVSSS1C37104R184.7kVSSRES_BVDDD1LEDD2LEDR12330R131kVDDSLEEPVSSC31104C27100uC28104C29100uAVSS1VSSLEDVREFPLLOSCRESETDAC主控模塊K1K2K3K4K5K6K7K8abfcgdee3d4dp2c1g5b9f6a10dpG18G27abfcgdedpLG5621CHG6IN 11IN 22IN 33IN 44IN 55IN 66IN 77GND8COM9OUT 710OUT 611OUT 512OUT 413OUT 314OUT 215OUT 116U4ULN2003Aabfcgdee1d2dp3c4g5b9f12a13dpG114G211G310G46d1d2d1d28G57abfcgdedpabfcgdedpabfcgdedpLG5643EHG3G4VDDG5Q10805