基于單片機(jī)的紅外溫度測量系統(tǒng)

摘要

紅外測溫技術(shù)在生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測、設(shè)備在線故障的診斷、設(shè)備安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要作用。溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成電信號。紅外檢測器將吸收的輻射轉(zhuǎn)化為熱能，因此提高檢測器的溫度，并把溫度變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電子信號，放大顯示出來。紅外測溫打破了傳統(tǒng)的測溫模式，并且具備遠(yuǎn)距離非接觸式測量、回應(yīng)速度快、測量精度高、測量范圍廣和可同時測量環(huán)境溫度和目標(biāo)溫度的特點，測量距離可達(dá)30米左右。

單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、成本低、應(yīng)用面廣等優(yōu)點，可以說，智能控制與自動控制的核心就是單片機(jī)，單片機(jī)在檢測和控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用,

溫度則是系統(tǒng)常需要測量、控制和保持的一個量。

本文主要介紹了利用單片機(jī)實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，并基于單片機(jī)控制技術(shù)實現(xiàn)紅外溫度的測量，系統(tǒng)采用具有SPI（串行外圍接口）接口的TN系列紅外溫度傳感器來測量溫度信號，可同時測量目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度，并將測量的數(shù)據(jù)送給SPCE061A單片機(jī)處理，之后送數(shù)碼管顯示，同時利用SPCE061A單片機(jī)的語音功能播報溫度值。該溫度計以其準(zhǔn)確快捷的測量功能、清晰易懂的數(shù)字化顯示方便人們?nèi)粘Ｉ钍褂茫Z音播報功能使其更加智能化、人性化。

關(guān)鍵詞紅外測溫；TN9；單片機(jī)

ASystemofInfraredTemperatureMeasurementBasedonSingle-chipMicrocontroller

Abstract

Infraredtemperature-measuringintheprocessofproductqualitycontrolandmonitoring,equipment,equipmenton-linefaultdiagnosissafetyprotectionandenergysavingetcplaysaveryimportantrole.Temperatureofobjectsaboveabsolutezero,themoleculesareduetotheirownmovement,theinfra-redradiation.Throughtheinfrareddetectorwecanchangethepowersignalswhichobjectsradiateintoelectricalsignals.Infrareddetectorwillabsorbtheradiationintoheat,therebyincreasingthetemperaturedetector,andtemperaturedataintoelectronicsignals,amplifieddisplayed.Infraredtemperature-measuringbroketraditionaltemperaturemeasurementmodel,andlong-distancenon-contactmeasurement,theresponsespeedandhighprecisionmeasurement,themeasurementrangeandsimultaneousmeasurementofenvironmentaltemperatureandtemperaturecharacteristic,measurementtargetdistancecanreach30meters.

SCMhassmall,strongfunction,lowcost,application,advantagesandintelligentcontrolandautomaticcontrolofsingle-chipmicrocomputerinthecoreis,inspectionandcontrolsystemhasbeenwidelyusedinthesystem,thetemperatureisoftenneedtomeasureandcontrolandmaintainaquantity.

Thispaperintroducedtheuseofsinglechipmicrocomputertemperaturecontrolsystemdesignprocess,andbasedonsingle-chipmicrocomputercontroltechnology,theinfraredtemperaturemeasurementsystemusingaserialinterface(SPI)interfaceofperipheryofinfraredtemperaturesensorTNseries,signalmeasuringtemperaturemeasuringtemperatureandenvironmentaltemperature,thegoalandthemeasurementdatatoSPCE061Aprocessing,afterthat,atthesametimesentbyusingthefunctionofspeechbroadcastSPCE061Atemperature.Thethermometertoitsaccuratemeasurementofquick,transparentfunctionofdigitaldisplayconvenientPeople'sDailylife,speechfunctionmakesitmoreintelligentanduser-friendly.

KeywordsInfraredtemperature-measuring;TN9;Single-chipMicrocontroller

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目錄

摘要……

=1\*ROMAN

I

Abstract

=2\*ROMAN

II

第1章緒論

1

1.1課題背景

1

1.2紅外測溫技術(shù)國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r介紹

2

1.3紅外測溫技術(shù)國外發(fā)展?fàn)顩r介紹

2

1.4國內(nèi)外紅外測溫技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r比較

2

1.5論文主要研究內(nèi)容

3

第2章紅外測溫原理及相關(guān)器件介紹

4

2.1紅外測溫原理

4

2.1.1紅外輻射基礎(chǔ)理論

4

2.1.2非接觸紅外測溫優(yōu)點

7

2.2基于單片機(jī)的智能儀器設(shè)計方法

7

2.2.1智能儀器的組成及特點

8

2.2.2智能儀器的設(shè)計方法

9

2.3控制芯片模塊介紹

10

2.3.1SPCE061A16位單片機(jī)介紹

11

2.3.2SPCE061A片內(nèi)存儲器結(jié)構(gòu)

11

2.4本章小結(jié)

13

第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計

14

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計

14

3.2主控板設(shè)計

14

3.2.1主控芯片的選擇

14

3.2.2主控板設(shè)計

16

3.3顯示與鍵盤

17

3.3.1鍵盤與顯示控制電路設(shè)計

17

3.3.2顯示驅(qū)動電路設(shè)計

17

3.4控制接口設(shè)計

18

3.4.1紅外測溫模塊接口設(shè)計

18

3.4.2鍵盤及顯示接口設(shè)計

21

3.4.3輔助部分接口設(shè)計

21

3.5電源模塊

21

3.6抗干擾設(shè)計

22

3.7本章小結(jié)

23

第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計

24

4.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

24

4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計

24

4.3鍵盤掃描子程序

26

4.4測溫子程序

27

4.5播報顯示子程序

28

4.6中斷服務(wù)程序

30

4.7本章小結(jié)

30

結(jié)論

31

致謝

32

參考文獻(xiàn)

33

附錄A

34

附錄B

39

附錄C

43

附錄D

44

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緒論

課題背景

隨著人類社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)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(jī)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。

今年我國局部地區(qū)人群感染甲型H1N1流感，它的前期癥狀表現(xiàn)為發(fā)熱，一旦有患者通過機(jī)場或車站人群密集的地方，疫情擴(kuò)散范圍會更為加大，在這種情況下，使用傳統(tǒng)的水銀體溫計來排查是否有疑似患者途經(jīng)則頗顯捉襟見肘。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(jī)技術(shù)開發(fā)的語音功能便可克服傳統(tǒng)體溫計的許多缺陷。它不但可以以數(shù)字的方式顯示出測量結(jié)果，使測量過程變得直觀，而且可以根據(jù)需要以語音播報出當(dāng)前的溫度值，除此之外，語音體溫計還具有較高的靈敏度，可以在幾秒鐘內(nèi)測得結(jié)果，且壽命長，是較為理想的測溫儀器。

紅外輻射這一物理現(xiàn)象起源于1800年，赫胥爾首先發(fā)現(xiàn)了紅外輻射，經(jīng)過幾代科學(xué)家100多年的探索、實驗與研究，總結(jié)出了正確的輻射定律，為成功地研制紅外測溫儀奠定了理論機(jī)車。直到本世紀(jì)50年代，紅外技術(shù)才開始進(jìn)入廣泛應(yīng)用的階段【1】。近代紅外技術(shù)始于二戰(zhàn)，推動技術(shù)發(fā)展的原因主要是由于軍事上的迫切需要和航天工程的蓬勃開展。半個世紀(jì)以來隨著光學(xué)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，紅外技術(shù)也日趨完善，其中紅外測溫技術(shù)也形成了完整的理論并成功的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工農(nóng)業(yè)、礦業(yè)等領(lǐng)域。

紅外測溫作為一門新技術(shù)和新方法,它的出現(xiàn)是紅外技術(shù)的發(fā)展結(jié)果。紅外技術(shù)是研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、探測并付諸應(yīng)用的一門科學(xué)技術(shù)。近20年來,紅外測溫技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測、設(shè)備在線故障診斷、安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了正在發(fā)揮著重要作用,逐漸被廣泛應(yīng)用于電力、食品加工、冶金、石化、醫(yī)療、科研等多種行業(yè)中。

隨著工農(nóng)業(yè)、國防事業(yè)、醫(yī)學(xué)的發(fā)展,對溫度測量越來越迫切。在某些場合,溫度測量逐步上升為主要矛盾,引起了各方面的普遍重視。例如在不停機(jī)的情況下對機(jī)械設(shè)備、電力設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備等進(jìn)行溫度測量;在不能造成產(chǎn)品的污染或損壞的情況下對生產(chǎn)過程中或倉庫里的產(chǎn)品溫度進(jìn)行測量;在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi),為了了解病人的身體狀況,需對病人身體各個部分的溫度進(jìn)行安全的測量。在這種背景下,使用方便、可快速對物體溫度進(jìn)行非接觸、無損測量的紅外測溫技術(shù)就得到了極大的發(fā)展。若測溫不僅限于某一點,而是一個區(qū)域,則可以呈現(xiàn)溫場分布的圖像。

紅外測溫技術(shù)也是一門很實用和前沿的技術(shù)，以此作為畢業(yè)設(shè)計，利于理論聯(lián)系實際，形成個人在這一方面的知識體系，是對本科階段學(xué)習(xí)內(nèi)容的升華，特別是對單片機(jī)控制、傳感器技術(shù)知識深入，它對學(xué)生自身綜合素質(zhì)與工程能力的培養(yǎng)也有重要意義。

紅外測溫技術(shù)國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r介紹

我國的紅外技術(shù)研究起步于60年代，70年代后期開始了紅外玻璃測溫計的研究，但至今未形成系列產(chǎn)品，工業(yè)應(yīng)用僅在近幾年才開始。60年代我國研制成功第一臺紅外測溫儀，1990年以后又陸續(xù)生產(chǎn)小目標(biāo)、遠(yuǎn)距離、適合電業(yè)生產(chǎn)特點的測溫儀器，如西光IRT－1200D型、HCW－Ⅲ型、HCW－Ⅴ型；YHCW－9400型；WHD4015型（雙瞄準(zhǔn)，目標(biāo)D40mm，可達(dá)15m）、WFHX330型（光學(xué)瞄準(zhǔn)，目標(biāo)D50mm，可達(dá)30m）。近年來隨著我國工業(yè)迅速發(fā)展和產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，對測溫系統(tǒng)的需求量越來越大，盡管熱電偶一類接觸性測溫傳感器件仍具有很大的優(yōu)勢，但非接觸性的紅外測溫技術(shù)正日益收到各行各業(yè)的注視和研究開發(fā)。國外的紅外測溫技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)比較成熟，紅外測溫產(chǎn)品種類繁多，測溫精度及分辨率較高。國內(nèi)生產(chǎn)紅外測溫儀的廠家和研究所有：上海自動化三廠、云南儀表廠、中國科學(xué)院自動化所、杭州無線電廠西光儀器廠等。

紅外測溫技術(shù)國外發(fā)展?fàn)顩r介紹

在國外，非接觸紅外測溫技術(shù)的發(fā)展極為迅速：日本的千野、橫河、松下、川崎、精工、北辰、米諾他等公司生產(chǎn)的簡易輻射溫度計具有較高的水平。美國生產(chǎn)的PM－20、30、40、50、HAS－201測溫儀；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有較廣泛的應(yīng)用。DL－500E可以應(yīng)用于110～500kV變電設(shè)備上，圖像清晰，溫度準(zhǔn)確。紅外熱像儀，主要有日本TVS－2000、TVS－100，美國PM－250，瑞典AGA－THV510、550、570。美國許多公司研制出各種便攜式輻射溫度計，如RAYTEK公司的Ranynger系列、WAHL公司的DHS系列、UNITYPUWERSYSTEM公司的TM系列等。英國LAND公司和德國的IKE公司生產(chǎn)的紅外測溫儀都具有較高的準(zhǔn)確度。

國內(nèi)外紅外測溫技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r比較

相比之下，國內(nèi)紅外測溫技術(shù)相對來說技術(shù)落后，產(chǎn)品種類比較單一，測溫精度及測溫分辨率也不如國外產(chǎn)品在技術(shù)性能上國內(nèi)產(chǎn)品與國外產(chǎn)品相比還有一定差距，但隨著紅外產(chǎn)品在國內(nèi)應(yīng)用得更加普及，會有更多廠家和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行這方面的研究，會推動我國紅外測溫產(chǎn)品性能的提高，以滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。

論文主要研究內(nèi)容

本論文主要研究基于單片機(jī)控制技術(shù)實現(xiàn)紅外溫度測量，主要研究的內(nèi)容包括：紅外測溫原理及方法，單片機(jī)控制技術(shù)、系統(tǒng)的硬件設(shè)計和測溫軟件設(shè)計等工作。

以單片機(jī)為控制核心，設(shè)計完成基于單片機(jī)的紅外溫度測量系統(tǒng)，采用紅外溫度探測技術(shù)實現(xiàn)對測量目標(biāo)的非接觸溫度實時測量。完成測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計和主要的測量軟件設(shè)計。

本設(shè)計為紅外測溫系統(tǒng)，要求所測量的溫度應(yīng)非常準(zhǔn)確,同時要滿足數(shù)字化的要求。需要其具有良好的靈敏度。在我的實際的設(shè)計過程中,通過對DS18B20數(shù)字溫度傳感器和TN9這兩種紅外溫度傳感器進(jìn)行仔細(xì)的學(xué)習(xí)了解，并對相關(guān)要求進(jìn)行了合理的分析與論證，最終，選取最合適的紅外溫度傳感器為設(shè)計所用。在以往的實時控制領(lǐng)域中，常規(guī)方式是采用上、下位機(jī)的模式。上位機(jī)一般采用工業(yè)級的PC機(jī)，下位機(jī)一般采用單片機(jī)、PLC或DSP微控制器。近年來隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及軟件技術(shù)的發(fā)展，這種模式正逐漸被嵌入式系統(tǒng)所取代。人們可以選用高性能的微控制器(例如單片機(jī))或微處理器，加上嵌入式實時操作系統(tǒng)，面向具體應(yīng)用編寫應(yīng)用程序，形成完整的實時控制系統(tǒng)。

紅外測溫原理及相關(guān)器件介紹

紅外測溫原理

紅外輻射基礎(chǔ)理論

紅外技術(shù)時代的到來已經(jīng)打開了多種多樣應(yīng)用的大門，它們包括了光電子器件、電光器件、通信系統(tǒng)、高分辨率成像傳感器以及一大批其他商用和軍用傳感器。在把紅外技術(shù)應(yīng)用于各種器件與系統(tǒng)之前，了解紅外輻射理論是極為重要的【2】。

紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質(zhì)，紅外線的發(fā)現(xiàn)是人類對自然認(rèn)識的一次飛躍，對研究、利用和發(fā)展紅外技術(shù)領(lǐng)域開辟了一條全新的廣闊道路。

紅外輻射也稱紅外光，其波長從0.75m到1000m。紅外光在電磁波普中的位置如圖2-1所示。

射線

X

射線

紫外線

可見光

紅外光

微波

無線電波

m

cm

m

10-7

10-5

10-3

10-1

1

10-1

100

101

102

近紅外

中紅外

遠(yuǎn)紅外

0.75

3

20

1000m

宇宙射線

圖2-1紅外光在電磁波譜的位置

在電磁波譜中，我們把人眼可直接感知的0.4～0.75微米波段稱為可見光波段，而把波長從0.75至1000微米的電磁波稱為紅外波段，紅外波段的短波端與可見光紅光相鄰，長波端與微波相接?？梢姽廨椛渲饕獊碜愿邷剌椛湓?，如太陽、高溫燃燒氣體、灼熱金屬等，而任何低溫、室溫或加熱后的物體都有紅外輻射【3】。

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(qiáng)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，它也具有反射、折射、干涉、吸收等性質(zhì)。自然界中任何物體，只要其溫度在絕對零度之上，都會因自身的分子運動而產(chǎn)生紅外輻射，紅外輻射的強(qiáng)度與物體的溫度及表面的輻射能力有關(guān)。

紅外輻射的發(fā)射及其規(guī)律

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。下面，我著重介紹其中的三個基本定律。

（1）輻射的光譜分布規(guī)律-普朗克輻射定律

一個絕對溫度為T(K)的黑體，單位表面積在波長附近單位波長間隔內(nèi)向整個半球空間發(fā)射的輻射功率(簡稱為光譜輻射度)與波長、溫度T滿足下列關(guān)系見式（2—1）：

（2—1）

式中，分別為第一、第二輻射常數(shù)。

普朗克輻射定律是所有定量計算紅外輻射的基礎(chǔ)。

（2）斯蒂芬—玻爾茲曼定律：

物體的總輻射率，即單位面積發(fā)射總功率與黑體溫度的四次方及材料表面的發(fā)射率成正比。數(shù)學(xué)表示見式（2—2）：

（2—2）

其中：，為Stefan-Boltzmann常數(shù)，為材料表面發(fā)射率。

1879年斯蒂芬從實驗上總結(jié)而得到該公式，1884年玻耳茲曼從理論上證明了它。

斯蒂芬-玻耳茲曼定律表明，凡是溫度高于開氏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，不是就能確定黑體的溫度了嗎？因此，斯蒂芬-玻耳茲曼定律是所有紅外測溫的基礎(chǔ)。

（3）輻射的空間分部規(guī)律——朗伯余弦定律

所謂朗伯余弦定律，就是黑體在任意方向上的輻射強(qiáng)度與觀測方向相對于輻射表面法線夾角的余弦成正比見式（2—3）：

（2—3）

此定律表明，黑體在輻射表面法線方向的輻射最強(qiáng)。因此，實際做紅外檢測時。應(yīng)盡可能選擇在被測表面法線方向進(jìn)行，如果在與法線成角方向檢測，則接收到的紅外輻射信號將減弱成法線方向最大值的倍。

紅外輻射規(guī)律在實際應(yīng)用中的問題

前面所說的輻射定律是對理想輻射源-黑體而言的，黑體的發(fā)射系數(shù)為1。

自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體，它們的發(fā)射系數(shù)都小于1。這些物體與黑體的差別就體現(xiàn)在發(fā)射率、反射率及透射率上。我們知道，自然界充滿著電磁輻射，一切物體都處于電磁輻射之中，一切物體都在不斷地輻射、吸收、反射或透過紅外輻射。根據(jù)基爾霍夫定律，在熱平衡狀態(tài)下，物體輻射的功率等于它吸收的功率。物體的輻射率、反射率和透過率總和為1。用公式表示，即E+R+T=1,E為發(fā)射率，R為反射率，T為透射率。

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，或稱之為比輻射率，其定義為實際物體與同溫度黑體輻射性能之比。

德國物理學(xué)家基爾霍夫通過實驗發(fā)現(xiàn)：在相同的溫度下，各種物體在同一波長的發(fā)射率與吸收率的比值都相等，并等于該溫度下黑體在同一波長的發(fā)射率。數(shù)學(xué)表示見式（2—4）：

（2—4）

其中λ為波長、T為物體絕對溫度，表示黑體在特定溫度和波長下的本領(lǐng)，為常數(shù)。該定律指出物體發(fā)射本領(lǐng)和吸收率之間的普遍關(guān)系，通俗地說就是輻射能力越強(qiáng)的物體，其吸收能力也越強(qiáng)。

物體的輻射出射度M(T)和吸收本領(lǐng)的比值M/與物體的性質(zhì)無關(guān)，等于同一溫度下黑體的輻射出射度M0(T)。其表明，吸收本領(lǐng)大的物體，其發(fā)射本領(lǐng)大，如果該物體不能發(fā)射某一波長的輻射能，也決不能吸收此波長的輻射能。

生物波譜

生物波譜又稱生物頻譜，是生物自身發(fā)出的生物物理信息的光波或頻率的

綜合稱謂，它構(gòu)成生物體周圍的生物信息場?？茖W(xué)研究表明，生物體（包括人體）可產(chǎn)生溫度場、電場和磁場等，統(tǒng)稱為生物信息場，可以用物理學(xué)中的電磁波譜頻率或波長、溫度等物理因子來表述。

生物波譜的波長覆蓋范圍在電磁波譜中的紫外線到弱微波之間，人體的生物波譜則主要在紅外線到弱微波區(qū)域，尤其集中在紅外線波段范圍。因此它遵循電磁波的一切特性。

生物波譜的這種物理信息的存在、變化是與生物體自身功能狀態(tài)密切相關(guān)的，同樣可以反映生物體的健康狀態(tài)。

在人體生物信息場已知物理參數(shù)的實驗測量中，對輻射能量比較集中的波譜分布，取得比較一致的數(shù)值結(jié)果，J·D哈里認(rèn)為，人體輻射能量與皮膚表面溫度及輻射率有關(guān)?；铙w皮膚光譜范圍約為3-50m，其中8-14m波段的輻射量占總能量的46%，峰值波長約為9.5m，雖然人體生物波譜分布范圍較寬，從可見光到微波波段，但在非能量集中區(qū)域，信號強(qiáng)度較低，尤其在遠(yuǎn)端的數(shù)值極其微弱。

經(jīng)科學(xué)檢測，不管人的膚色如何，干燥皮膚的紅外輻射率(emissivity)均為0.98,近似為黑體。根據(jù)普朗克定律，其波長主要分布在2.5-25m紅外波段范圍內(nèi)，根據(jù)Wien定律λm·T＝2898（Kμm），人體皮膚輻射的峰值波長約9.5m。

非接觸紅外測溫優(yōu)點

非接觸紅外測溫優(yōu)點如下：

1.遠(yuǎn)距離和非接觸測量

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(yuǎn)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。

2.響應(yīng)速度快

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(dá)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。

3.靈敏度高

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(dá)零點幾攝氏度。

4.準(zhǔn)確度高

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(dá)0.1oC以下。

5.測溫范圍廣

測溫范圍可從負(fù)幾十?dāng)z氏度到正幾千攝氏度【4】。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。

基于單片機(jī)的智能儀器設(shè)計方法

微電子學(xué)和計算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命的影響。微處理器在20世紀(jì)70年代初期問世不久，就被引進(jìn)電子測量和儀器領(lǐng)域，所占比重在各項計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中名列前茅。在這之后，隨著微處理器在體積小、功能強(qiáng)、價格低等方面的進(jìn)一步的發(fā)展，電子測量與儀器和計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合就愈加緊密，形成了一種全新的微型計算機(jī)化儀器。目前，人們習(xí)慣將這種內(nèi)含微型計算機(jī)并帶有相關(guān)通信接口的電子儀器稱為智能儀器，以區(qū)別于傳統(tǒng)的電子儀器【5】。

智能儀器的組成及特點

以單片機(jī)為核心的智能測量儀器的基本組成如圖2-2所示。單片機(jī)是儀器

的主體，對于小型儀器來說，單片機(jī)內(nèi)部的存儲器已經(jīng)足夠；大型儀器要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，或者要完成復(fù)雜的控制功能，其監(jiān)控程序較大，測量、處理的數(shù)據(jù)很多，這是需要在單片機(jī)外部擴(kuò)展片外存儲器，被測量的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后，通過輸入通道進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部；單片機(jī)根據(jù)由鍵盤置入的各種命令，或者送往打印機(jī)打印，或者經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后成為能夠完成某種控制的模擬電壓。通信接口的功能是通過接口總線與其他儀器甚至計算機(jī)作遠(yuǎn)距離通信，以達(dá)到資源共享的目的。

微處理器

MPU

程序存儲器

ROM

數(shù)據(jù)存儲器

RAM

I/O接口

鍵盤顯示接口

標(biāo)準(zhǔn)儀用

通信接口

A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

鍵盤

顯示

外部儀用

標(biāo)準(zhǔn)總線

輸入

電路

模擬

執(zhí)行器

被測量

圖2-2智能儀器通用結(jié)構(gòu)框圖

現(xiàn)在傳感器也正在受著微電子技術(shù)的影響，不斷發(fā)展變化。傳感器正朝著小型、固態(tài)、多功能和集成化的方向發(fā)展。有許多國家正致力于將微處理器與傳感器集成于一體，以構(gòu)成超小型、廉價的測量儀器的主體。

近20年來，由于微電子學(xué)的進(jìn)步以及計算機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，智能化測量控制儀表已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。從技術(shù)背景上來說，硬件集成電路的不斷發(fā)展和創(chuàng)新是一個重要因素，各種集成電路芯片都在朝大規(guī)模、全CMOS化的方向發(fā)展。CMOS電路具有功耗低、工作溫度范圍寬的特點。一個全CMOS電路系統(tǒng)的功耗只是普通TTL系統(tǒng)功耗的1/10，采用這種CMOS芯片組成的智能化測量控制儀表可以采用干電池供電，從根本上解決了市電干擾的問題。同時還可以使儀器小型化，便于攜帶。

智能儀器的設(shè)計方法

智能儀器是以微型計算機(jī)為核心的電子儀器，它不僅要求設(shè)計者熟悉電子儀器的工作原理，而且還要求掌握微型計算機(jī)硬件和軟件的原理。因而其設(shè)計不能完全沿用傳統(tǒng)電子儀器的設(shè)計方法和手段。

為了保證儀器的質(zhì)量，提高研制效率，設(shè)計人員應(yīng)該在正確的設(shè)計思想指導(dǎo)下，按照一個合理的步驟進(jìn)行開發(fā)。設(shè)計研制一臺智能儀器的一般開發(fā)過程如圖2-3所示。各主要階段的設(shè)計原則和工作內(nèi)容簡要概述如下。

1．確定設(shè)計任務(wù)

首先根據(jù)儀器最終要實現(xiàn)的設(shè)計目標(biāo)，編寫設(shè)計任務(wù)說明書，明確儀器應(yīng)具備的功能和應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計任務(wù)說明書是設(shè)計人員設(shè)計的基礎(chǔ)，應(yīng)力求準(zhǔn)確簡潔。

2．?dāng)M制總體設(shè)計方案

這個階段，設(shè)計者首先依據(jù)設(shè)計的要求和一些約束條件，提出幾種可能的方案。每個方案應(yīng)包括儀器的工作原理，采用的技術(shù)，重要元器件的性能等；接著要對各方案進(jìn)行可行性論證，包括對某些重要部分的理論分析與計算以及一些必要的模擬實驗，來驗證方案是否能達(dá)到設(shè)計的要求；最后再兼顧各方面因素選擇其中之一作為儀器的設(shè)計方案。在確定儀器總體設(shè)計方案時，微處理器的選擇非常關(guān)鍵。微處理器是整個儀器的核心部件，應(yīng)從功能和性能價格比等多方面進(jìn)行認(rèn)真考慮。

3．確定儀器工作總框圖

當(dāng)儀器總體方案和選用的微處理器的種類確定之后，就應(yīng)該采用自上而下的方法，把儀器劃分成若干個便于實現(xiàn)的功能模塊，并分別繪制出相應(yīng)的硬件和軟件工作框圖。

硬件電路和軟件的設(shè)計與調(diào)試

一旦儀器工作總框圖確定之后，硬件電路和軟件的設(shè)計工作就可以齊頭并進(jìn)。

硬件電路設(shè)計的一般過程是：先根據(jù)儀器硬件框圖按模塊分別對個單元電路進(jìn)行電路設(shè)計；然后再進(jìn)行硬件合成，即將各單元電路按硬件框圖將各部分電路組合在儀器，構(gòu)成一個完整的整機(jī)硬件電路圖。在完成電路設(shè)計之后，即可繪制硬件原理圖，然后進(jìn)行裝配與調(diào)試。

軟件設(shè)計一般按列步驟進(jìn)行：即先分析儀器系統(tǒng)對軟件的要求；然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件總體設(shè)計，包括程序總體及污垢設(shè)計和對程序進(jìn)行模塊化設(shè)計，模塊化設(shè)計即將程序劃分為若干個相對獨立的模塊；接著畫出每一個專用程序模塊的詳細(xì)流程圖，并選擇合適的語言編寫程序；最后按照軟件總體設(shè)計時給出的結(jié)構(gòu)框圖，將各模塊入口、出口及對硬件資源占用情況。

設(shè)計任務(wù)下達(dá)

編寫任務(wù)說明書

擬定總體設(shè)計方案

選擇處理器芯片

權(quán)衡硬、軟件比例

電路硬件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計

硬件電路調(diào)試

軟件程序調(diào)試

裝配樣機(jī)、軟硬聯(lián)調(diào)

樣機(jī)性能指標(biāo)測試

性能是否

合格

編制技術(shù)文件、轉(zhuǎn)產(chǎn)

N

Y

圖2-3設(shè)計研制智能儀器的一般過程

2.3控制芯片模塊介紹

從設(shè)計任務(wù)及要求來看，整個設(shè)計要求我們完成一個基于單片機(jī)的紅外溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計。這個溫度測量系統(tǒng)能夠通過按鍵來啟動紅外測溫，之后需要將測溫數(shù)據(jù)送單片機(jī)處理，得到溫度值；這一溫度值又需要顯示并且語音播報出來，從而實現(xiàn)其智能化和人性化。從這一分析來看，整個系統(tǒng)需要這樣幾個功能模塊：單片機(jī)主控模塊、紅外測溫模塊、鍵盤顯示模塊以及語音輸出模塊。其中單片機(jī)機(jī)型的選擇至關(guān)重要，因為它的選擇關(guān)系到整個系統(tǒng)的復(fù)雜和難易程度。

2.3.1SPCE061A16位單片機(jī)介紹

SPCE061A是繼μ’nSP?系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，SPCE061A里只內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH）。較高的處理速度使μ’nSP?能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號。因此，與SPCE500A相比，以μ’nSP?為核心的SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語音識別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。

部分性能簡介：

工作電壓(CPU)VDD為2.4～3.6V(I/O)VDDH為2.4～5.5V；CPU時鐘：0.32MHz～49.152MHz；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2μA3.6V；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/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；聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動增益控制(AGC)功能；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-CircuitEmulator）接口；具有保密能力；具有WatchDog功能【6】。

2.3.2SPCE061A片內(nèi)存儲器結(jié)構(gòu)

基于單片機(jī)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)構(gòu)。SPCE061A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2-4所示。

0x0700~0x07FF地址是2K字的SRAM（包括堆棧區(qū)）。

0x0800~0x6FFF地址保留，未使用。

0x7000~0x7FFF地址是I/O和系統(tǒng)端口，也是專用的控制設(shè)置寄存器和輸入/輸出口地址，與51的特殊功能據(jù)村其的作用類似。

0x8000~0xFFF5地址是32K字閃存（FlashROM），作為程序和有關(guān)數(shù)據(jù)的存儲。

0XFFF6~0xFFFF地址是中斷向量入口地址。

該單片機(jī)復(fù)位后PC的數(shù)值被置為0x8000，程序由此開始執(zhí)行。

2K字SRAM

保留空間

32K字FlashROM

中斷向量

I/O端口

系統(tǒng)端口

0XFFFF

0XFFF6

0XFFF5

0X8000

0X7FFF

0X7000

0X6FFF

0X0800

0X07FF

0X0000

圖2-4SPCE061A內(nèi)存映射表

下面分別介紹一下SPCE061A的RAM和堆棧。

RAM一般分為動態(tài)存儲器（DRAM）和靜態(tài)存儲器（SRAM）兩大類。SRAM是英文StaticRAM的縮寫，它是一種具有靜止存取功能的內(nèi)存，不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)。不像DRAM內(nèi)存那樣需要刷新電路，每隔一段時間，固定要對DRAM刷新充電一次，否則內(nèi)部的數(shù)據(jù)即會消失，因此SRAM具有較高的性能，但是SRAM也有它的缺點，即它的集成度較低，相同容量的DRAM內(nèi)存可以設(shè)計為較小的體積，但是SRAM卻需要很大的體積，所以在主板上SRAM存儲器要占用一部分面積。優(yōu)點，速度快，不必配合內(nèi)存刷新電路，可提高整體的工作效率。缺點，集成度低，功耗較大，相同的容量體積較大，而且價格較高，少量用于關(guān)鍵性系統(tǒng)以提高效率。SPCE061A的讀寫存儲器的類別是靜態(tài)存儲器（SRAM）。

堆棧是一個區(qū)域，用來存放因中斷或子函數(shù)調(diào)用等而需要保存的一些數(shù)據(jù)。這個區(qū)域就是SRAM的一部分，只是它有特殊的存取數(shù)據(jù)的原則，即“先進(jìn)后出，后進(jìn)先出”。

對應(yīng)的有特殊的數(shù)據(jù)傳輸指令：PUSH和POP,而且還有一個特殊的專為其服務(wù)的堆棧指針SP,每執(zhí)行一次PUSH指令，SP就自動減1，每執(zhí)行一次POP指令，SP就自動加1。

同其他單片機(jī)一樣，SPCE061A的堆棧是在內(nèi)存SRAM區(qū)專門開辟出來的按照“先進(jìn)后出”原則進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的一種工作方式，如圖2-5所示。

它主要用于子程序調(diào)用及返回和中斷處理斷電的保護(hù)及返回。堆棧的最大容量范圍限制在2K字SRAM內(nèi)，即其地址是在從0x07FF~0x0000的存儲器范圍中。值得注意的是，堆棧的生長方向是自頂向下的，SPCE061A系統(tǒng)復(fù)位后，SP初始化為0x07FF,每執(zhí)行一次PUSH指令，SP指令就會減1。

棧底

棧頂

0x07FF

0x0000

堆棧生長方向

PUSH后SP減1

POP后SP加1

圖2-5SPCE061A堆棧

2.4本章小結(jié)

本章主要介紹了紅外測溫技術(shù)的基本原理以及本設(shè)計中所需用到的模塊器件工作原理，第一部分介紹了紅外技術(shù)的基本理論基礎(chǔ)和紅外光測溫原理。第二部分介紹了核心控制模塊的工作原理，為下一章系統(tǒng)硬件設(shè)計提供依據(jù)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計

主控板

SPCE061A

LED模塊

TN9紅外測溫探頭

鍵盤

圖3-1系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

電源

本系統(tǒng)采用基于單片機(jī)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3-1，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。

SPCE061A單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)控制啟動溫度的測量、接受測量數(shù)據(jù)、計算溫度值，并根據(jù)取得的鍵值控制播報顯示過程，同時通過音頻輸出通道播報溫度值；紅外測溫模塊負(fù)責(zé)溫度的測量、采集，并將采集數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)端口傳送到SPCE061A單片機(jī)；鍵盤顯示模塊控制按鍵操作和溫度的顯示。通過按鍵啟動紅外測溫模塊，測量結(jié)束返回測量結(jié)果，待MCU運算處理得出目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度后將溫度對結(jié)果進(jìn)行語音播報。利用鍵盤可以控制測溫計的靈活性，按K1鍵，測量、播報和顯示目標(biāo)溫度與環(huán)境溫度；按K2鍵，僅測量、播報和顯示目標(biāo)溫度；按K3鍵，僅測量、播報和顯示環(huán)境溫度。

3.2主控板設(shè)計

3.2.1主控芯片的選擇

近10余年來，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)日新月異的發(fā)展，這類8位/16位單片機(jī)的性能又有了很大的增強(qiáng)，仍然保持著智能儀器主機(jī)電路主流機(jī)型的地位。我們知道方案選擇的關(guān)鍵是單片機(jī)機(jī)型的選擇。目前市場上主流單片機(jī)是8位和16位的單片機(jī)，而且現(xiàn)在主要都是采用帶有閃存或其他功能的新型單片機(jī)，如8位的有美國Atmel公司的AT89C51、AT89S51等，PHLIPS公司的89C51RD2等等，16位的有臺灣凌陽科技研發(fā)的SPCE061A等，因而這里主要介紹兩種方案。

采用MCS-51系列單片機(jī)外接數(shù)字式紅外探頭進(jìn)行溫度的數(shù)字化采集，并將結(jié)果

主控板

MCS-51

LED模塊

TN紅外測溫探頭

語音輸出

圖3-2基于MCS-51單片機(jī)的紅外測溫方案

鍵盤

通過LED模塊顯示，并需要給其設(shè)計相應(yīng)的鍵盤電路和語音輸出電路。同樣也可以采用其它的8位單片機(jī)實現(xiàn)，方案結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。

采用SPCE061A單片機(jī)外接數(shù)字式紅外探頭進(jìn)行溫度的數(shù)字化采集，并通過內(nèi)部語音算法將結(jié)果播報出來。方案結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。

主控板

SPCE061A

LED模塊

TN紅外測溫探頭

鍵盤

圖3-3基于SPCE061A單片機(jī)的紅外測溫方案

語音輸出

比較方案一和方案二：方案一采用8位單片機(jī)，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(kuò)展電路比較復(fù)雜，而且還需要專用的仿真器；方案二采用SPCE061A單片機(jī)，該16位單片機(jī)運算能力強(qiáng)，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，所以最終選擇方案二。

系統(tǒng)的顯示方案有數(shù)碼管顯示和液晶顯示，本設(shè)計中我們采用數(shù)碼管來顯示。臺灣凌陽公司同時開發(fā)了很多功能模塊，可供我們選擇，為我們完成紅外測溫計的設(shè)計提供了很多便利。本設(shè)計中主要采用了其生產(chǎn)的61板、紅外測溫模塊和鍵盤顯示模塊。

3.2.2主控板設(shè)計

主控板設(shè)計是基于SPCE061A精簡開發(fā)板開發(fā)設(shè)計完成的。是以凌陽16位單片機(jī)SPCE061A為核心的精簡開發(fā)－仿真－實驗板，是“凌陽科技大學(xué)計劃”專為大學(xué)生、電子愛好者等進(jìn)行電子實習(xí)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、電子制作及電子競賽所設(shè)計的，也可作為單片機(jī)項目初期研發(fā)使用。61板除了具備單片機(jī)最小系統(tǒng)電路外，還包括有電源電路、音頻電路（含MIC輸入部分和DAC音頻輸出部分）、復(fù)位電路等，采用電池供電，方便隨身攜帶。61板上有調(diào)試器接口（Probe接口）以及下載線（EZ_Probe）接口，分別可接凌陽科技的在線調(diào)試器、簡易下載線，配合unSPIDE，可方便地在板上實現(xiàn)程序的下載、在線仿真調(diào)試。另外，61板體積小、價格相對較低、采用電池供電，攜帶十分方便。SPCE061A的最小系統(tǒng)如圖3-4所示，本系統(tǒng)以SPCE061A單片機(jī)為主控芯片。

圖3-4SPCE061A最小系統(tǒng)

而核心控制模塊實際上就是SPCE061A單片機(jī)的最小系統(tǒng)。在主芯片的OSC0、OSC1端接上晶振及諧振電容，在鎖相環(huán)壓控振蕩器的阻容輸入VCP端接上相應(yīng)的電容電阻后，即可構(gòu)成SPCE061A最小系統(tǒng)，最小系統(tǒng)主要包括SPCE061A芯片及其外圍的基本電路：晶振輸入電路（OSC）、鎖相環(huán)電路（PLL）、復(fù)位電路（RESET）、指示燈（LED）等，這些電路都做在61板中。

3.3顯示與鍵盤

3.3.1鍵盤與顯示控制電路設(shè)計

本設(shè)計中采用6位數(shù)碼管顯示，3個按鍵控制。整個電路我們采用凌陽公司的LED鍵盤顯示模塊。設(shè)計中用到的硬件電路如圖3-5所示。

LED顯示及鍵盤模塊基本特性和主要功能如下：

1.LED鍵盤模塊采用DC5V供電，也可以采用DC3.3V供電；

2.擴(kuò)展了6位8段數(shù)碼管，顯示范圍為-99999～999999；

3.8個發(fā)光二極管，可作為顯示狀態(tài)信息使用；

4.8個按鍵，可以組成1×8鍵盤也可組成2×4鍵盤；

5.一個電位器，可以提供0～5V的模擬電壓信號或者0～3.3V的模擬電壓,與模組輸入的VDD有關(guān)。

3.3.2顯示驅(qū)動電路設(shè)計

在本設(shè)計中只用到了三個按鍵和六位數(shù)碼管顯示，下面簡單介紹一下用到的相關(guān)器件：

圖3-5鍵盤及顯示電路

1.ULN2003A

其內(nèi)部為三極管陣列，其IN腳相當(dāng)于三極管的B極，OUT較相當(dāng)于三極管的C極。若IN腳輸入高電平，對應(yīng)的OUT腳接地；IN腳輸入低電平，對應(yīng)的OUT腳截止輸出。圖中：IN1～I(xiàn)N7為輸入信號，OUT1～OUT7為輸出信號，輸入信號高電平有效。

2.LG5621CH

共陰極2位數(shù)碼管。其中a～dp為數(shù)碼管的段信號，G1、G2為2位數(shù)碼管的位信號。段信號高有效，位信號低有效。

3.LG5643EH

共陰極4位數(shù)碼管。其中a～dp為數(shù)碼管的段信號，d1、d2為時鐘冒號的段信號；G1～G4為4位數(shù)碼管的位信號，G5為時鐘冒號的位信號。段信號高有效，位信號低有效。

3.4控制接口設(shè)計

紅外測溫

模塊

V

D

C

G

A

VDD

IOA15

IOA14

GND

IOA13

IOA0~IOA7

IOB0~IOB7

IOB8~IOB15

VDD

a~g，dp

DIG1~DIG8

COL8~COL1

ROW1

SPCE061A

鍵盤顯示

模塊

揚聲器

電源

J3

J10

圖3-6系統(tǒng)硬件接口設(shè)計圖

8

8

8

該紅外測溫系統(tǒng)主要由SPCE061A精簡開發(fā)板、具有SPI接口的TN系列紅外測溫模塊、鍵盤顯示模塊以及電源和揚聲器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連接圖如圖3-6所示。

3.4.1紅外測溫模塊接口設(shè)計

本設(shè)計的紅外測溫傳感器采用TN系列紅外測溫模塊，紅外測溫模塊參數(shù)如表3-7所示。紅外測溫模塊采用非接觸測溫手段，解決了傳統(tǒng)測溫中需要接觸的問題，具有回應(yīng)速度快、測量精度高、測量范圍廣以及可同時測量目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度的特點。

表3-7TN系列紅外測溫模塊參數(shù)

測量范圍

-33～220℃

工作溫度

-10～50℃

精度(25℃)

0.6℃

分辨率

0.05℃

響應(yīng)時間

0.5秒

距離系數(shù)D:S

1:1

發(fā)射率

0.01～1

波長

5～14

電源

3V～5V

尺寸

35×14×12mm

測量回應(yīng)時間大約為0.5s，而且，它具備SPI接口，可以很方便地與MCU傳輸數(shù)據(jù)。

紅外測溫模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3-8所示。

A

G

C

D

V

TN紅外測溫模塊

圖3-8紅外測溫結(jié)構(gòu)框圖

圖3-9紅外測溫模塊時序圖

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2KHzClock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3-9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0x4c表示測量目標(biāo)溫度，為0x66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0x0dH時表示完成一次溫度數(shù)據(jù)接收。

一幀數(shù)據(jù)包括5個Byte，每個Byte代表含義：Item值為“L”(4CH)時代表此幀為目標(biāo)溫度，Item值為“f”(66H)時代表此幀為環(huán)境溫度。MSB為8bitDataMsb，LSB為8bitDataLsb。Sum表示為Item+MSB+LSB=SUM。CR值為0DH表示結(jié)束碼。

無論測量環(huán)境溫度還是目標(biāo)溫度，只要檢測到Item為0x4cH或0x66H同時檢測到CR為0x0dH，它們的溫度的計算方法都相同。計算公式為（3—1）：

溫度=Temp/16–273.15（3—1）

其中Temp為十進(jìn)制，而測量結(jié)果為16進(jìn)制，把它直接轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制即可。比如MSB為0x14H，LSB為0x2aH，測量結(jié)果為0x142aH，十進(jìn)制表示為5162，則測得溫度值為5162/16-273.15=49.475℃。

紅外測溫模塊與SPCE061A采用同步串行的通信方式。

串口進(jìn)行通信的方式有兩種：同步通信方式和異步通信方式。所謂同步通信是指在約定的通信速率下，發(fā)送端和接收端的時鐘信號頻率和相信始終保持一致（同步），這就保證了通信雙方在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時具有完全一致的定時關(guān)系。同步通信把許多字符組成一個信息組，或稱為信息幀，每幀的開始用同步字符來指示。由于發(fā)送和接收的雙方采用同一時鐘，所以在傳送數(shù)據(jù)的同時還要傳送時鐘信號，以便接收方可以用時鐘信號來確定每個信息位。

同步通信方式要求通信雙方以相同的時鐘頻率進(jìn)行，而且準(zhǔn)確協(xié)調(diào)，通過共享一個單個時鐘或定時脈沖源保證發(fā)送方和接收方的準(zhǔn)確同步，效率較高。

異步通信是指通信中兩個字符之間的時間間隔是不固定的，而在一個字符內(nèi)各位的時間間隔是固定的。

異步通信方式不要求雙方同步，收發(fā)方可采用各自的時鐘源，雙方遵循異步的通信協(xié)議，以字符為數(shù)據(jù)傳輸單位，發(fā)送方傳送字符的時間間隔不確定，發(fā)送效率比同步傳送效率低【7】。

紅外測溫模塊引出5個引腳，其中引腳V和引腳G分別接電源和地即可；引腳D接SPCE061A的IOA15，傳輸給SPCE061A測量數(shù)據(jù)；引腳C接SPCE061A的IOA14，則通過IOA14就可以檢測到紅外測溫模塊時鐘；引腳A接SPCE061A的IOA13，這樣只要從IOA13輸出低電平，就可以啟動測溫。

紅外測溫模塊將測得的數(shù)據(jù)通過引腳D連接IOA15傳輸給SPCE061A,采用串行同步通信方式，其采用的差錯校驗方法為累加和校驗，累加和校驗是指發(fā)送方將所發(fā)送的數(shù)據(jù)塊求和【11】，并將“校驗和”附加到數(shù)據(jù)塊末尾，接收方接收數(shù)據(jù)時也是先對數(shù)據(jù)塊求和，將所得結(jié)果與發(fā)送方的”校驗和”時行比較，相符則無差錯，否則即出現(xiàn)了差錯?！靶ｒ灪汀钡募舆\算可用邏輯加，也可用算術(shù)加。累加和校驗的缺點是無法檢驗出字節(jié)位序(或1、0位序不同)的錯誤。

3.4.2鍵盤及顯示接口設(shè)計

按鍵和顯示功能采用配套的LED鍵盤模組實現(xiàn)，其中按鍵選擇1×8獨立按鍵，顯示采用6位8段數(shù)碼管動態(tài)顯示。在連接時要注意：按鍵公共端都接VCC，在鍵盤模塊上注意把ROW1和ROW2用跳線短接起來。IOB口高八位連接8個按鍵的COL8~COL1，IOA口低八位控制數(shù)碼管的段信號，IOB的低八位分別控制數(shù)碼管的位信號、發(fā)光二極管的公共端和第4位數(shù)碼管后時鐘冒號D_DP的位信號，其中IOB的低六位控制位信號DIG1~DIG6，IOB6控制發(fā)光二極管的公共端（本設(shè)計中沒有用到發(fā)光二極管模塊），IOB7控制第4位數(shù)碼管后時鐘冒號D_DP的位信號，該信號低電平有效，配合時鐘冒號D_DP的段信號就可以點亮或者熄滅時鐘冒號。

3.4.3輔助部分接口設(shè)計

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)。

3.5電源模塊

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（61板上）中有一個端口電平選擇跳線，如圖3-3中的J5，此圖為61板上的電源模塊圖。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鍵盤模塊的供電電壓都可為3.3V），所以圖3-10當(dāng)中的J5跳線需要跳到1和2上。

圖3-10電源模塊

該系統(tǒng)以16位單片機(jī)SPCE061A作為控制核心，由于紅外測溫模塊具有SPI接口，故可以直接與單片機(jī)的I/O口相連接，不需要信號放大及調(diào)理電路。鍵盤電路可以控制溫度的測量，并把測得的溫度通過數(shù)碼管顯示出來。揚聲器可以實現(xiàn)溫度的語言播報，超過設(shè)定值會自動報警。電源模塊為整個系統(tǒng)提供電源，該電源模塊為三節(jié)五號電池及電池盒組成。

3.6抗干擾設(shè)計

watchdog,中文名稱叫做“看門狗”，全稱watchdogtimer,從字面上我們可以知道其實它屬于一種定時器。

然而它與我們平常所接觸的定時器在作用上又有所不同。普通的定時器一般起記時作用，記時超時(TimerOut)則引起一個中斷，例如觸發(fā)一個系統(tǒng)時鐘中斷。windows用windows的Timer，windowsTimer的作用與方才所討論的定時器在功能上是相同的，只是windowsTimer屬于軟件定時器,當(dāng)windowsTimer記時超時則引起App向System發(fā)送一條消息從而觸發(fā)某個事件的發(fā)生。我們從以上的描述可知不論軟件定時器或硬件定時器他們的作用都是在某個時間點上引起一個事件的發(fā)生，對于硬件定時器來說這個事件可能是通過中斷的形式得以表現(xiàn)，對于軟件定時器，這個事件則可以是以系統(tǒng)消息的形式得以表現(xiàn)。正如本文開頭所講的，watchdog本質(zhì)上是一種定時器，那么普通定時器所擁有的特征它也應(yīng)該具備，是的，當(dāng)它記時超時時也會引起事件的發(fā)生，只是這個事件除了可以是系統(tǒng)中斷外，它也可以是一個系統(tǒng)重起信號(ResetSignal)，可以這么說，能發(fā)送系統(tǒng)重起信號的定時器我們就叫它watchdog。

SPCE061A的WatchDog的清除時間周期為0.75s。因為WatchDog的溢出復(fù)位信號WatchDog_Reset信號，如圖3-11所示。

/4

4Hz

WatchDog_Reset

WatchDog_Clear

4Hz

1

2

3

4

圖3-11WatchDog的結(jié)構(gòu)和信號時序

需要注意的是，SPCE061A的看門狗功能是上電自動使能，不能夠被屏蔽。因此在使用時，在0.75s內(nèi)必須進(jìn)行清狗操作。

硬件看門狗是利用一個硬件定時器來監(jiān)控主程序的運行，也就是說，在主程序的運行過程中，必須在給定時間到來之前對定時器進(jìn)行復(fù)位。

系統(tǒng)的總體硬件電路圖見附錄。

3.7本章小結(jié)

本章在開始首先介紹了該系統(tǒng)的工作原理，即以SPCE061A為控制中心，負(fù)責(zé)控制啟動溫度的測量、接受測量數(shù)據(jù)、計算溫度值，并根據(jù)取得的鍵值控制播報顯示過程，同時通過音頻輸出通道播報溫度值。然后介紹系統(tǒng)設(shè)計所遵循的一般原則，智能儀器的設(shè)計方法。最后根據(jù)這樣的方法對本設(shè)計進(jìn)行硬件設(shè)計。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

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。調(diào)用關(guān)系通過參數(shù)的傳遞和返回計算結(jié)果來實現(xiàn)。采用條件連接、循環(huán)連接、中斷/事件方式的結(jié)構(gòu)化連接方式。這種主程序與子過程風(fēng)格的優(yōu)點就是幾乎所有的程序設(shè)計語言都對此提供了支持，并以函數(shù)、過程、庫、包等形式出現(xiàn)。程序中需要多次執(zhí)行的代碼，可以使用函數(shù)或子過程的形式，提高代碼的使用率，減少內(nèi)存的使用【10】。軟件結(jié)構(gòu)主要包含以下的程序模塊：主程序模塊、測溫程序模塊、播報顯示程序模塊以及中斷程序模塊。

4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計

主程序流程圖如圖4-1所示：初始化紅外測溫模塊，根據(jù)硬件設(shè)計中的紅外測溫模塊與SPCE061A的接口設(shè)計將紅外測溫模塊的端口映像到SPCE061A的特殊功能寄存器中。初始化鍵盤，初始化IOB口的高八位為帶下拉電阻的輸入口。將特殊功能寄存器初始化，至此系統(tǒng)的初始化工作完成。

接下來是人-機(jī)接口的軟件設(shè)計，即對按鍵操作的識別與分析，在這里調(diào)用鍵盤掃描子程序來判斷是否有鍵按下，若有鍵按下則識別出是哪個鍵被按下并求出被按下鍵的鍵值。

這里智能儀器中CPU對鍵盤進(jìn)行掃描時，要兼顧兩方面的問題：一是要及時，以保證對用戶的每一次按鍵都能做出響應(yīng)；二是掃描不能占用過多的時間，CPU還有大量的其他任務(wù)要去處理。因此，要根據(jù)智能儀器中的CPU忙、閑情況，選擇適當(dāng)?shù)逆I盤工作方式。鍵盤有三種常用的工作方式：編程掃描工作方式、中斷工作方式和定時掃描工作方式。

在本設(shè)計中采用的是編程掃描工作方式，這種方式也叫做查詢方式，踏實利用CPU在完成其他工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描程序，以響應(yīng)鍵盤輸入的要求。當(dāng)CPU在運行其他程序是，它就不會再響應(yīng)鍵輸入要求，因此，采用該方式編程時，應(yīng)考慮程序是否能對用戶的每次按鍵做出及時響應(yīng)。

通過人-機(jī)接口有命令發(fā)出時，則要啟動測溫子程序，判斷是否測量到目標(biāo)溫度或環(huán)境溫度，是則依次取第二個字節(jié)數(shù)據(jù)和第三個字節(jié)數(shù)據(jù)，如果第五個字節(jié)數(shù)據(jù)為0x0d，則在證明讀到正確數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度計算公式計算溫度值，并給返回變量賦0，表明已經(jīng)讀到正確的溫度值；否則直接返回。

獲得溫度值后就需要將信息顯示給用戶，通過顯示及播報子程序即可實現(xiàn)，根據(jù)硬件設(shè)計IOA的低8位與數(shù)碼管的段控制引腳連接，IOB口的低8位與數(shù)碼管的位控制引腳連接，這樣在軟件設(shè)計上對特殊功能寄存器的操作就相當(dāng)于對數(shù)碼管顯示的操作。

N

Y

Y

N

Y

N

N

Y

K3

K2

K1

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

圖4-1主程序流程圖

按鍵為K1？

按鍵為K2？

N

N

因為系統(tǒng)的硬件并不復(fù)雜，而且集成度較高，因而很多功能都需要軟件編程來實現(xiàn)，所以系統(tǒng)中涉及的軟件程序較多，需要很多實現(xiàn)獨立功能的子程序。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4-2所示，圖中可以看出各文件之間的調(diào)用關(guān)系。

各函數(shù)及其功能如下：

TNDriverUser.c文件里包含了TN_IR_GetData函數(shù)合一個延時函數(shù)，TN_IR_GetData函數(shù)的功能是讀取測量結(jié)果并計算溫度值。這是一個用戶端函數(shù)，直接調(diào)用TN_IR_GetData函數(shù)就可以得到測量數(shù)據(jù)。

TNRFDriver.asm文件是底層驅(qū)動文件，包含了紅外模塊初始化函數(shù)TN_InitalIO、紅外模塊啟動函數(shù)TN_IRACK_EN和讀測量數(shù)據(jù)函數(shù)TN_ReadData；其中TN_InitalIO函數(shù)主要進(jìn)行控制口初始化，TN_IRACK_EN函數(shù)用來啟動測溫，TN_ReadData函數(shù)用來讀取測量數(shù)據(jù)。

PlayData.c文件里包含PlaySnd_Auto自動播放語音函數(shù)和F_TempplayAndShow溫度值顯示播報函數(shù)，在主函數(shù)里直接調(diào)用F_TempplayAndShow就可以播放并且顯示已經(jīng)計算好的溫度值。

Key.c是一個鍵盤底層驅(qū)動文件，包含鍵盤控制端口初始化函數(shù)Key_Init和鍵盤掃描函數(shù)KeyScan函數(shù)。

Dig.asm是數(shù)碼管底層驅(qū)動文件，包含數(shù)碼管控制端口初始化函數(shù)DIG_Init，設(shè)置數(shù)碼管的某一位的顯示內(nèi)容函數(shù)DIG_Set，設(shè)置所有數(shù)碼管的顯示內(nèi)容函數(shù)DIG_SetAll，獲取某一位數(shù)碼管的顯示內(nèi)容函數(shù)DIG_Get，獲取所有數(shù)碼管顯示內(nèi)容函數(shù)DIG_GetAll，數(shù)碼管顯示函數(shù)DIG_Drive，停止數(shù)碼管顯示函數(shù)DIG_Off和恢復(fù)數(shù)碼管顯示函數(shù)DIG_On。

isr.asm文件里定義了各個中斷函數(shù)，其中在_FIQ中斷服務(wù)函數(shù)里調(diào)用F_FIQ_Service_SACM_S480函數(shù)播放語音，在_IRQ4的4KHz中斷里調(diào)用數(shù)碼管顯示函數(shù)DIG_Drive實現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)刷新顯示。

main.c文件里包含了main()一個函數(shù)，函數(shù)調(diào)用鍵盤掃描程序掃描鍵盤，根據(jù)返回的鍵值，調(diào)用TN_IR_GetData得到測量數(shù)據(jù)，計算成溫度值后進(jìn)行播放并顯示。

4.3鍵盤掃描子程序

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(jī)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，如圖4-2所示。

圖4-2按鍵抖動示意圖

鍵按下

前沿抖動

后沿抖動

穩(wěn)定

為保證按鍵識別的準(zhǔn)確，必須進(jìn)行去抖動處理，常用的方法有硬件和軟件兩種方法。硬件方法是在按鍵處加去抖電容，軟件上可以用以延時程序也可以采用多次測讀的方法，多次測讀鍵值都一樣時，說明是穩(wěn)定的鍵值。本設(shè)計中采用兩次測讀，鍵盤掃描程序函數(shù)如下：

unsignedintKeyScan(void)

{

unsignedintuiData;

unsignedintuiTemp;

uiData=*P_IOB_Data;//讀取IOB端口輸入，鍵盤接在此口高八位

uiData=uiData&0xff00; //僅取高八位有效值

if(uiData!=0) //非零則表示有鍵按下

{

delay(); //延時消抖

uiTemp=*P_IOB_Data;

uiTemp=uiTemp&0xff00; //僅取高八位有效值

if(uiData!=uiTemp)

uiData=0; //兩次讀數(shù)不相等，則置返回值為0

}

returnuiData; //返回鍵值

}

調(diào)用鍵盤掃描程序掃描鍵盤，根據(jù)鍵值散轉(zhuǎn)：

如果第一個鍵（K1）按下，調(diào)用測量溫度程序測量，判斷是否正確測到目標(biāo)溫度，否則繼續(xù)測量，直到測量到正確的數(shù)據(jù)；是則播放并顯示目標(biāo)溫度值。然后再調(diào)用測量溫度程序測量，判斷是否正確測量到環(huán)境溫度，否則繼續(xù)測量，直到測量到正確數(shù)據(jù)；是則播放并顯示環(huán)境溫度值；

如果第二個鍵（K2）按下，調(diào)用測量溫度程序測量，判斷是否正確測量到目標(biāo)溫度，否則繼續(xù)測量，直到測量到正確數(shù)據(jù)；是則播放并顯示溫度值；

如果第三個鍵（K3）按下，調(diào)用測量溫度程序測量，判斷是否正確測量到環(huán)境溫度，否則繼續(xù)測量，直到測量到正確數(shù)據(jù)；是則播放并顯示溫度值；如果沒有鍵盤按下，則返回重新掃描鍵盤。

4.4測溫子程序

主程序中，調(diào)用了測溫程序，其流程圖如圖4-3所示。程序中定義了一個返回變量，根據(jù)這個返回變量在主程序中可以根據(jù)該變量判斷是否測量到正確數(shù)據(jù)；調(diào)用啟動測溫程序啟動測溫；調(diào)用讀測量數(shù)據(jù)程序讀取測量數(shù)據(jù)；判斷第一個字節(jié)數(shù)據(jù)是否為0x4c或0x66，也就是判斷是否測量到目標(biāo)溫度或環(huán)境溫度，是則依次取第二個字節(jié)數(shù)據(jù)和第三個字節(jié)數(shù)據(jù)，如果第五個字節(jié)數(shù)據(jù)為0x0d，則在證明讀到正確數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度計算公式計算溫度值，并給返回變量賦0，表明已經(jīng)讀到正確的溫度值；否則直接返回。

N

Y

N

Y

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)

讀到第一個字節(jié)數(shù)據(jù)為0x4c或0x66？

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0x0d？

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

4.5播報顯示子程序

該系統(tǒng)采用自動播報方式