安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)課題名稱基于MC9S08AW60的紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 院電氣信息學(xué)院專業(yè)班級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器093班姓 名學(xué) 號(hào)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作內(nèi)容:了解本次畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)及資料的收集、整理學(xué)習(xí)紅外光纖溫度檢測(cè)技術(shù)的基本原理熟悉AW60單片機(jī)并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)Protel軟件并繪制電路圖畢業(yè)論文書(shū)寫(xiě)及畢業(yè)答辯準(zhǔn)備有關(guān)英文資料的翻譯摘要熱釋電紅外光纖測(cè)溫儀是一種利用物體熱釋電效應(yīng)而制成的新型紅外光纖測(cè)溫儀器，它以黑體輻射定律作為理論基礎(chǔ)，是光學(xué)理論和微電子學(xué)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)的測(cè)溫方式相比，具有響應(yīng)時(shí)間短、非接觸、不干擾被測(cè)溫場(chǎng)使用壽命長(zhǎng)、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了熱釋電紅外光纖測(cè)溫儀測(cè)溫的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，以熱釋電紅外光纖測(cè)溫儀現(xiàn)階段的技術(shù)作為參考，提出并研制了一種基于MC9S08AW60微處理器的熱釋電紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)方式，給出了硬件原理圖和軟件的設(shè)計(jì)流程圖。本文主要做了以下工作：闡述了紅外光纖測(cè)溫儀的發(fā)展現(xiàn)狀和分類，并指出了本文的研究意義；闡述了熱釋電紅外光纖測(cè)溫儀的原理，并對(duì)目前紅外光纖測(cè)溫的幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹;對(duì)MC9S08AW60微處理器作了詳細(xì)的介紹，并對(duì)本文用到的微處理器的功能特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的介紹；詳細(xì)分析了系統(tǒng)的功能要求，提出了總體設(shè)計(jì)方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，對(duì)每個(gè)部分所完成的功能和設(shè)計(jì)思路作了說(shuō)明；介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，以流程圖的方式介紹了整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)；對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步的研究工作進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞:熱釋電紅外傳感器，光導(dǎo)纖維，放大器，MC9S08AW60，A/D轉(zhuǎn)換AbstractPyroelectricinfraredfiberopticthermometerisapyroelectriceffectusingobjectsmadeofnewinfraredfiberopticthermometer,whichblackbodyradiationlawastothetheoreticalbasisoftheopticaltheoryandmicroelectronicsintegrateddevelopmentoftheproduct.Comparedwiththetraditionaltemperaturemeasurementmethods,ithasshortresponsetime,non-contact,donotinterferewiththetemperaturefield,longlife,easyoperationandaseriesofadvantages.Thispaperdescribesthethebasicprincipleandmethodofpyroelectricinfraredfiberopticthermometertemperaturemeasurementtopyroelectricinfraredfiberopticthermometeratthisstageoftechnologyasareference,proposedanddevelopedamicroprocessor-basedthermalMC9S08AW60pyroelectricinfraredfiberoptictemperaturemeasurementsystem.Detailsofthesystem'sstructureandimplementation,giventhehardwareschematicsandsoftwaredesignflow.Inthispaper,thefollowingworkisdone:Describesthecurrentdevelopmentandclassificationofinfraredopticalfiberthermometer,andpointedoutthesignificanceofthisstudy;elaboratedpyroelectricinfraredfiberopticthermometerprinciple,andpresentseveralscenariosinfraredopticalfibertemperaturemeasurementcarriedouttheadvantagesanddisadvantagesdetail;introducedMC9S08AW60microprocessorindetail,andthemicroprocessorusedinthisarticlefeaturesandstructuresmadeadetailedintroduction;detailedanalysisofthefunctionalrequirementsofthesystemproposedoveralldesignandonthebasisofthesystem'shardwaredesign,foreachpartofthecompletionofthefunctionanddesignideasareexplained;introducesthesoftwaredesignflowchartpresentationontheimplementationoftheentiremeasurementsystemfunctions;systemfurtherresearchworkwerediscussed.Keywords:Pyroelectricinfraredsensor,Opticalfiber,Amplifier,MC9S08AW60,A/Dconverter目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 I\o"CurrentDocument"Abstract II\o"CurrentDocument"目錄 III\o"CurrentDocument"1.緒論 0\o"CurrentDocument"研究課題背景 0\o"CurrentDocument"紅外光纖測(cè)溫儀概述 0\o"CurrentDocument"紅外光纖測(cè)溫儀簡(jiǎn)介 0\o"CurrentDocument"紅外光纖測(cè)溫儀的優(yōu)點(diǎn) 1\o"CurrentDocument"紅外光纖測(cè)溫儀的分類 2\o"CurrentDocument"全輻射測(cè)溫儀 2\o"CurrentDocument"單色測(cè)溫儀 3\o"CurrentDocument"比色溫度計(jì) 4\o"CurrentDocument"紅外光纖測(cè)溫儀工作原理及測(cè)溫方法 5\o"CurrentDocument"光導(dǎo)纖維的介紹 5\o"CurrentDocument"光導(dǎo)纖維的構(gòu)造與原理 6\o"CurrentDocument"紅外光纖測(cè)溫儀的工作原理及測(cè)溫方法 8\o"CurrentDocument"紅外光纖測(cè)溫儀的應(yīng)用 10\o"CurrentDocument"本文研究?jī)?nèi)容 10\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 11\o"CurrentDocument"2.傳感器、單片機(jī)及開(kāi)發(fā)工具 11\o"CurrentDocument"紅外測(cè)溫傳感器 11\o"CurrentDocument"紅外測(cè)溫傳感器結(jié)構(gòu) 11\o"CurrentDocument"紅外測(cè)溫傳感器的工作原理 12飛思卡爾單片機(jī)MC9S08AW60 14\o"CurrentDocument"AW60系列主要常規(guī)模塊和特點(diǎn) 14\o"CurrentDocument"時(shí)鐘模塊 15\o"CurrentDocument"看門(mén)狗 15\o"CurrentDocument"中斷模塊 15IIC模塊 15\o"CurrentDocument"片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換模塊 16Flash模塊 16\o"CurrentDocument"開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹 17\o"CurrentDocument"、本章小結(jié) 17\o"CurrentDocument"紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 18\o"CurrentDocument"紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)概述 18\o"CurrentDocument"系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計(jì)方案 18\o"CurrentDocument"系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)方案 19\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 19\o"CurrentDocument"紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 19\o"CurrentDocument"硬件設(shè)計(jì)概述 19\o"CurrentDocument"電源模塊 19\o"CurrentDocument"單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊 22\o"CurrentDocument"電源電路 22\o"CurrentDocument"復(fù)位電路 22\o"CurrentDocument"晶振電路 23\o"CurrentDocument"BDM調(diào)試接口電路 24IRQ電路 24\o"CurrentDocument"程序設(shè)計(jì)思想 24\o"CurrentDocument"紅外光纖測(cè)溫模塊 25\o"CurrentDocument"信號(hào)調(diào)理電路模塊 26\o"CurrentDocument"信號(hào)放大電路 27\o"CurrentDocument"信號(hào)濾波電路 28\o"CurrentDocument"信號(hào)整形電路 29A/D轉(zhuǎn)換模塊 29A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC5510介紹 29TLC5510芯片的引腳功能 29TLC5510芯片的工作原理 30\o"CurrentDocument"LCD液晶顯示模塊 32\o"CurrentDocument"聲光報(bào)警模塊 34\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 35\o"CurrentDocument"紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 36\o"CurrentDocument"程序流程圖 36\o"CurrentDocument"主程序設(shè)計(jì) 37\o"CurrentDocument"SOPT=0b01100000; 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及參數(shù) 37\o"CurrentDocument"信號(hào)調(diào)理電路模塊輸出信號(hào)分析及處理 37\o"CurrentDocument"傳感器輸出信號(hào)分析及處理 39\o"CurrentDocument"紅外光纖測(cè)溫實(shí)驗(yàn) 39\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 42\o"CurrentDocument"總結(jié)與展望 42\o"CurrentDocument"致謝 43\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 441.緒論研究課題背景溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)之一，它的測(cè)量與控制在國(guó)防、軍事、科學(xué)研究以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。在工業(yè)生產(chǎn)中，我們需要經(jīng)常對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)確保設(shè)備的安全運(yùn)行，而對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)通常通過(guò)測(cè)量其表面的溫度來(lái)進(jìn)行?，F(xiàn)代的工業(yè)設(shè)備往往是在高電壓、大電流以及其它危險(xiǎn)情況下運(yùn)行的，傳統(tǒng)依靠人工接觸式檢測(cè)的方法既浪費(fèi)時(shí)間、物力、人力，又帶有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)對(duì)測(cè)溫儀所采用的材質(zhì)也有嚴(yán)格的限制，在這樣的場(chǎng)合下，儀器的使用壽命也成為設(shè)計(jì)接觸式測(cè)溫儀時(shí)的一個(gè)重點(diǎn)考慮問(wèn)題。因此有必要去應(yīng)用一種新的方式去檢測(cè)目標(biāo)系統(tǒng)的溫度，確保設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。溫度的測(cè)量方法有兩類，一種是利用電氣參數(shù)隨溫度變化特性的熱電阻、熱電偶測(cè)溫法［1］以及以膨脹式溫度計(jì)為代表的接觸式測(cè)溫方法另，一種是以熱輻射為代表的非接觸式測(cè)溫方法［2］。前者的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)得的溫度是物體的真實(shí)溫度測(cè)溫簡(jiǎn)單、可靠，其缺點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)性能差，需要接觸被測(cè)物體，測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)需要一定時(shí)間的熱交換才能達(dá)到熱平衡，同時(shí)對(duì)被測(cè)物體的溫度場(chǎng)分布有一定的影響，同時(shí)由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高溫、高壓、腐蝕性等惡劣條件，影響了測(cè)溫儀的精度和使用壽命，大大限制了接觸式測(cè)溫儀的使用；非接觸式測(cè)溫也叫輻射測(cè)溫，一般使用熱電型或光電探測(cè)器作為檢測(cè)元件，其與接觸式測(cè)溫相比，具有響應(yīng)時(shí)間短、非接觸、不干擾被測(cè)溫場(chǎng)、使用壽命長(zhǎng)、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，但受到物體的發(fā)射率、測(cè)溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，其測(cè)量誤差較大。目前應(yīng)用最廣泛的非接觸式測(cè)量?jī)x是紅外測(cè)溫儀［3］，它測(cè)溫的理論基礎(chǔ)是黑體輻射定律。自然界的任何物體都在不停的向外輻射能量，物體輻射能量的大小及波長(zhǎng)的分布與其表面的溫度有著十分密切的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量物體自身紅外輻射的能量便能確定它的表面溫度。紅外光纖測(cè)溫儀概述紅外光纖測(cè)溫儀簡(jiǎn)介紅外光纖測(cè)溫儀是紅外測(cè)溫儀的一種，也叫做光纖傳感測(cè)溫儀。對(duì)于普通的紅外測(cè)溫儀，其主要原理就是，通過(guò)非接觸的方式來(lái)感知物體本身發(fā)射的紅外線從而探測(cè)物體的表面溫度。對(duì)于紅外光纖測(cè)溫儀，其與普通紅外測(cè)溫儀的區(qū)別就是通過(guò)光纖來(lái)傳送紅外線到傳感器，這樣就可以將測(cè)溫儀的光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)分開(kāi)。紅外測(cè)溫儀是一種將紅外技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種新型測(cè)溫儀器，它通過(guò)將被測(cè)物表面發(fā)射的紅外波段輻射能量通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)匯聚到紅外探測(cè)原件上，使其產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)處理，最后以數(shù)字形式直接在顯示屏上顯示溫度值。紅外測(cè)溫儀由光學(xué)部分和信號(hào)處理部分組成，其體積小，便于攜帶，操作簡(jiǎn)單，在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。紅外測(cè)溫儀已經(jīng)有了幾十年的發(fā)展歷史，最早出現(xiàn)的是隱絲式光學(xué)高溫計(jì),它出現(xiàn)在上世紀(jì)初，直到現(xiàn)在仍在高溫（800°C以上）測(cè)量領(lǐng)域被使用，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)溫范圍廣，但是在使用光學(xué)高溫計(jì)的過(guò)程中，經(jīng)常需要用人的眼睛進(jìn)行亮度平衡，手動(dòng)調(diào)節(jié)燈絲的溫度，使高溫計(jì)燈絲瞄準(zhǔn)區(qū)域均勻地消失在輻射源或被測(cè)物體的背景上，但是由于生理限制，人眼的辨別能力會(huì)帶來(lái)一定的觀察誤差，不適合于自動(dòng)控制系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來(lái)，三個(gè)方面的問(wèn)題困擾了紅外測(cè)溫儀的發(fā)展。第一個(gè)是微弱信號(hào)的放大和抗干擾問(wèn)題；二是信號(hào)與所需要的溫度值的非線性對(duì)應(yīng)問(wèn)題；三是探頭所處溫度對(duì)信號(hào)的影響。自二次大戰(zhàn)以來(lái)，光電導(dǎo)和光伏探測(cè)器及紅外透光材料的高速發(fā)展，促使了紅外測(cè)溫和紅外技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展。20世紀(jì)60年代后，由于各種高靈敏度紅外探測(cè)器、干涉濾光片以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，大大促進(jìn)了紅外技術(shù)的應(yīng)用的進(jìn)程。在60年代中期，出現(xiàn)了以光電倍增管作為檢測(cè)器的光電高溫儀，具有較高的靈敏度和精度。在70年代初，硅光電探測(cè)器由于穩(wěn)定性、線性度、靈敏度優(yōu)良、結(jié)構(gòu)牢固逐漸受到重視。意大利國(guó)家計(jì)量院IMGc首先制成了用硅光電二極管作為檢測(cè)元件的高精度光電高溫計(jì)。與此同時(shí)，輻射溫度計(jì)的工作波長(zhǎng)也從單波長(zhǎng)逐步發(fā)展為多波長(zhǎng)，儀器的功能也漸趨智能化，測(cè)量精度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和分辨率都達(dá)到了相當(dāng)高的水平,測(cè)溫范圍也從以往的中高溫延伸到室溫或更低溫度，輻射測(cè)溫儀的使用范圍也越來(lái)越廣。紅外光纖測(cè)溫儀的優(yōu)點(diǎn)紅外光纖測(cè)溫儀相對(duì)于一體式紅外測(cè)溫儀的好處有很多，最主要的優(yōu)點(diǎn)有如下兩點(diǎn)：1、 由于將光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)分開(kāi)，所以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，可以將測(cè)溫儀的光路系統(tǒng)安裝到高溫環(huán)境（可耐現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境200C,例如北京彗爾賽恩科技有限公司生產(chǎn)的HE-X光纖紅外測(cè)溫儀），并且可以長(zhǎng)期在線穩(wěn)定工作。由于光路系統(tǒng)完全不含電，所以安裝的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)完全防爆。而測(cè)溫儀的電路部分則可以安裝到室內(nèi)或者遠(yuǎn)離高溫現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)光纖和光路部分連接，這樣就完全避免了測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)的高溫對(duì)儀器測(cè)溫的干擾。2、 由于光纖紅外測(cè)溫儀的紅外信號(hào)是通過(guò)特殊材料的紅外光纖傳送到傳感器上的，這樣，在光路聚焦到光纖上時(shí)，只有光纖截面大小的光斑可以通過(guò)光纖傳送到傳感器，這樣就避免了大面積的光線直接聚焦到傳感器上對(duì)傳感器進(jìn)行的烘烤對(duì)傳感器工作穩(wěn)定性及壽命的影響。并且，紅外光纖采用特殊材料制作，可以只選擇需要的紅外波段通過(guò)光纖，這樣就進(jìn)一步減弱了光線對(duì)傳感器的烘烤。因此，光線紅外測(cè)溫儀相對(duì)于一體式紅外測(cè)溫儀來(lái)說(shuō)有更好的穩(wěn)定性和更長(zhǎng)的使用壽命。紅外光纖測(cè)溫儀的分類通過(guò)測(cè)量輻射物體的全波長(zhǎng)的熱輻射來(lái)確定物體的輻射溫度的稱為全輻射測(cè)溫法［4］；通過(guò)測(cè)量物體在一定波長(zhǎng)下的單色輻射亮度來(lái)確定它的亮度溫度的稱為亮度測(cè)溫法；通過(guò)被測(cè)物體在兩個(gè)波長(zhǎng)下的單色輻射亮度之比隨溫度變化來(lái)定溫的稱為比色測(cè)溫法。全輻射測(cè)溫儀全輻射測(cè)溫儀是通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)從零到無(wú)窮大的整個(gè)光譜范圍內(nèi)的輻射功率來(lái)確定物體的輻射溫度［5］。輻射溫度就是指當(dāng)實(shí)際物體總的輻射功率（包括所有的波長(zhǎng)）與絕對(duì)黑體總的輻射功率相等時(shí)，則黑體的溫度叫做實(shí)際物體的輻射溫度。目前尚無(wú)對(duì)全光譜波段輻射均勻相應(yīng)的探測(cè)器，也沒(méi)有能透過(guò)全光譜波段的窗口或透鏡的紅外光學(xué)材料，因此，全輻射測(cè)溫只是一個(gè)理想化的概念。實(shí)際使用的全輻射測(cè)溫儀只是對(duì)較寬波段范圍的輻射進(jìn)行的測(cè)量，所接收的輻射能量為總輻射能量的大部分值。根據(jù)斯蒂芬-波耳茲曼定律(l-l)=<8,€-5Lxp(,/€T-l)lid€=ecT4(l-l)€120式中M為絕對(duì)溫度為T(mén)時(shí)物體的光譜輻出度；8為物體的光譜發(fā)射率；TT€為物體的絕對(duì)溫度；入為波長(zhǎng)；,為第一輻射常數(shù)；,為第二輻射常數(shù)；8為物l2體表面的發(fā)射率；。為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)⑹。由上式可以知道，物體表面的輻射功率不僅取決于物體的溫度，還依賴于物體表面的發(fā)射率￡。由于不同物體的發(fā)射率差異很大，所以不能只通過(guò)測(cè)量輻射功率來(lái)單一地決定物體的溫度。全輻射測(cè)溫儀通常要通過(guò)黑體定標(biāo)。設(shè)黑體溫度為T(mén)，它所對(duì)應(yīng)的輻射功BB率為M <cT4T BBBB(1-2)在儀器定標(biāo)和實(shí)測(cè)時(shí)，若兩者的接收功率相同，應(yīng)有如下關(guān)系M<ecT全輻射測(cè)溫儀通常要通過(guò)黑體定標(biāo)。設(shè)黑體溫度為T(mén)，它所對(duì)應(yīng)的輻射功BB率為M <cT4T BBBB(1-2)在儀器定標(biāo)和實(shí)測(cè)時(shí)，若兩者的接收功率相同，應(yīng)有如下關(guān)系M<ecT4<M<cT4T T BBBB(1-3)由此得(1-4)其相對(duì)誤差為?T/T<1-81/4(1-5)因?yàn)楸粶y(cè)物體的發(fā)射率￡總小于1,所以全輻射測(cè)溫儀的指示溫度總低于物體的真實(shí)溫度。顯然，目標(biāo)的發(fā)射率越接近于1，則測(cè)溫儀的指示溫度就越接近目標(biāo)的真實(shí)溫度；反之，發(fā)射率越小，誤差就越大。單色測(cè)溫儀單色測(cè)溫儀是通過(guò)測(cè)量目標(biāo)發(fā)射的某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射功率來(lái)確定目標(biāo)亮溫的儀器⑺。所謂亮溫是指溫度為T(mén)的輻射體，如它在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射功率與溫度為T(mén)的黑體在同一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射功率相等則定義T為該輻射BBBB體的亮溫。假如目標(biāo)的光譜發(fā)射率已知，將普朗克公式在€?€+?€)內(nèi)積分€Mhg€-5Lxp電/€T)-111d€€€120可知，測(cè)溫儀接受到的輻射功率只與溫度有關(guān)。若取?€為單位波長(zhǎng)，在€T時(shí)，式(1-6)將簡(jiǎn)化為M<8€-5lexp匕/€T)li (1-7)€€2若用黑體標(biāo)定，由亮溫的定義，這時(shí)，溫度為T(mén)的黑體輻射能量應(yīng)等于溫BB度為T(mén)的目標(biāo)輻射能量。即M<8€-5Lxp￡/€t)li €-5Lxp￡/€t)1i€€1212BB(1-6)(1-8)于是得?T/T<€TlnG/ )BB€2由式(1-9)可知，測(cè)試波長(zhǎng)選的越短，由發(fā)射率引起的誤差就越小，所以單色測(cè)溫儀一般工作在短波區(qū)。但短波單色測(cè)溫儀的溫度覆蓋范圍窄，易受外界的干擾。而長(zhǎng)波單色測(cè)溫儀雖然測(cè)量誤差偏大，但它有較寬的溫度覆蓋范圍，且對(duì)太陽(yáng)、爐壁、火焰等高溫物體的雜散輻射引起的誤差不大敏感。此外，根據(jù)維恩位移定律可知，隨著溫度的升高，輻射功率最大的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。因此，測(cè)量低溫目標(biāo)宜選用長(zhǎng)波波長(zhǎng)，而測(cè)量高溫目標(biāo)宜選用短波波長(zhǎng)。比色溫度計(jì)比色測(cè)溫儀是根據(jù)兩個(gè)波段輻射能量的比值與物體溫度的函數(shù)關(guān)系來(lái)測(cè)定物體色溫的⑻。設(shè)實(shí)際物體的真實(shí)溫度為T(mén),在波長(zhǎng)€和€處的光譜發(fā)射率為b12€和b。當(dāng)該物體在這兩個(gè)波長(zhǎng)處輻射功率之比與某一溫度為的黑體在這兩個(gè)€BB波長(zhǎng)處的輻射功率之比相等時(shí)，這個(gè)黑體的溫度T就叫做該物體的有色溫度，BB簡(jiǎn)稱色溫。比色測(cè)溫儀可在一定程度上消除因發(fā)射率不同而造成的誤差。只要發(fā)射率在這兩個(gè)波段內(nèi)的變化是緩慢的，這兩個(gè)波段上的輻射能量的比值就主要決定于被測(cè)物體的表面溫度。而光學(xué)系統(tǒng)上的灰塵、視場(chǎng)局部被遮擋、測(cè)試空間有煙霧、灰塵和測(cè)距變化等，只要它們對(duì)這兩個(gè)波段的輻射功率的影響近于相同，這些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果就無(wú)顯著影響［9］。同樣，元件的性能或電路放大倍數(shù)的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果也無(wú)顯著影響。根據(jù)色溫的定義，假定有€?&+?€)和€?(X+?€)兩個(gè)波長(zhǎng)范圍，且?€1122選為單位波長(zhǎng)，XT?匕。利用黑體標(biāo)定目標(biāo)溫度，則由式(1-7)得出兩個(gè)波長(zhǎng)輻2射功率的比值為M XM€2expM XM€2exp冷&訃］12expT廠丿BB 12(1-10)經(jīng)整理得?T?T(1-11)由此可見(jiàn)，為了提高比色測(cè)溫的精度，關(guān)鍵是選擇合適的波長(zhǎng)，使兩個(gè)波長(zhǎng)處的發(fā)射率相近。一般說(shuō)來(lái)，€和€越接近，￡和￡相差就越小，測(cè)量誤差也12€€就越小。而由式(1-10)亦知，若將€和€選擇在短1波，2且兩者相差較大，測(cè)量誤12差也會(huì)減小?？梢?jiàn)，這兩方面的要求是矛盾的。除去以上三種主要測(cè)溫方法之外，其它的測(cè)溫方案還有多波段測(cè)溫法和最大波長(zhǎng)測(cè)溫法。多波段測(cè)溫法的測(cè)溫原理是依次取多個(gè)波段，通過(guò)計(jì)算這些波段輻射功率之間的復(fù)雜關(guān)系來(lái)確定物體的溫度，該測(cè)溫法精度比較高，但測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。最大波長(zhǎng)測(cè)溫法的測(cè)溫原理是依據(jù)維恩位移定律中黑體輻射峰值波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度之積為一常數(shù)，此方法測(cè)溫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只適用于極高溫度的測(cè)量。各種測(cè)溫方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表1-1所示表1-1各類測(cè)溫方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較測(cè)溫方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)全輻射測(cè)溫法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低測(cè)溫精度稍差，受物體輻射率影響大亮度測(cè)溫法無(wú)肅環(huán)境溫度補(bǔ)償，發(fā)射率誤差較小，測(cè)溫精度高 1工雀于短波區(qū)，只適于鬲溫測(cè)量雙波段測(cè)溫法光學(xué)系統(tǒng)可局部遮描，受煙霧灰塵影響小，測(cè)溫誤差小必須選擇適當(dāng)波段，使波段的發(fā)射率相差不大'多波段測(cè)溫法測(cè)量結(jié)果與發(fā)射率無(wú)關(guān)，精度高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需選擇適當(dāng)波段 ■最大波長(zhǎng)測(cè)溫法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單僅用于測(cè)極高溫紅外光纖測(cè)溫儀工作原理及測(cè)溫方法光導(dǎo)纖維的介紹光導(dǎo)纖維自問(wèn)世以來(lái)，得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用，形成了一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域。光導(dǎo)纖維在傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用，解決了不少用傳統(tǒng)方式難以解決的技術(shù)問(wèn)題，在溫度測(cè)量方面也不例外。光導(dǎo)纖維的特點(diǎn)：光導(dǎo)纖維是一種透明度很高的材料制成的傳輸光信息的導(dǎo)光纖維，用于沿復(fù)雜通道傳輸光能、圖像與信息。這種傳輸在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射和高噪聲等惡劣環(huán)境下也不產(chǎn)生火花，不引燃引爆，不受干擾，因而使用安全可靠。用光纖原理測(cè)溫，傳感器的體積很小，不破壞被測(cè)溫場(chǎng)、耐高溫高壓、抗化學(xué)腐蝕、物理和化學(xué)性能穩(wěn)定。由于光纖傳感器具有高靈敏度，傳送信息容量大，柔軟可撓曲，高強(qiáng)度，低損耗，寬頻帶等特點(diǎn)可在密閉狹窄空間等特殊環(huán)境下進(jìn)行測(cè)溫。所以，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜測(cè)溫條件下溫度的遠(yuǎn)距離監(jiān)視，可使儀表部分遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)。光纖構(gòu)型靈活，可制成單根、成束、Y形、陣列等結(jié)構(gòu)形式，可以在一般傳感器難以達(dá)到的場(chǎng)合進(jìn)行測(cè)溫。光纖溫度傳感器的分類：光纖溫度傳感器即光纖測(cè)溫的探頭，其種類繁多，可分別按材料、作用及應(yīng)用等進(jìn)行分類。1．按材料分類氧化物氧化物光纖以石英系為主。石英易加工成均勻而細(xì)長(zhǎng)的絲，透光性好、性能穩(wěn)定、資源豐富、工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，而且可撓性好和抗拉強(qiáng)度高。(2)非氧化物非氧化物光纖有氟化物、硫化物、鹵化物及塑料等。其中塑料光纖衰減大不宜作傳感器材料；氟化物光纖的制造工藝還存在一些問(wèn)題。2．按作用分類功能型：光纖具有感溫和導(dǎo)光雙重功能；非功能型：光纖只起導(dǎo)光作用，感溫功能由其它溫度傳感元件來(lái)實(shí)現(xiàn)；拾光型：用光纖作探頭，接收被測(cè)對(duì)象的輻射以及反射或散射。3．按應(yīng)用分類接觸式：使用時(shí)光纖溫度傳感器與被測(cè)溫對(duì)象接觸。非接觸式：使用時(shí)光纖溫度傳感器不與被測(cè)溫對(duì)象接觸，而采用熱輻射原理感溫，由光纖接收并傳輸被測(cè)物體表面的熱輻射。光導(dǎo)纖維的構(gòu)造與原理構(gòu)造光導(dǎo)纖維外表如同一根塑料導(dǎo)線，其分為三層，如圖所示。

圖光纖的構(gòu)造光導(dǎo)纖維的最里層是用透明度和折射率均很高的材料制成的芯線，以石英居多；中層是折射率很低的包層，材質(zhì)為石英、玻璃或硅膠等；最外層則是塑料制作的保護(hù)層。在光纖中，芯線與包層是兩個(gè)同心的圓柱體，各有一定厚度，芯線居中，包層在外，兩層之間無(wú)隙。要求芯線材料的折射率必須大于包層材料的折射率，使光線在其中發(fā)生全反射，具有傳輸光的性能。(2)工作原理光纖的工作原理如圖2．2所示。光線AB由光纖端面入射，00為芯線軸，兩者的交角為€，折射角為€的ij折射線與芯線和包層的界面交與C點(diǎn)。此折射線與C點(diǎn)界面法線DE的夾角為€，k

并由界面折射至包層CK,CK與DE之夾角為€，由斯乃爾定律得到rnsin€二nsin€ (1-12)0i1j

以及高重復(fù)性、快速響應(yīng)、非接觸測(cè)量的新型測(cè)溫儀器。它一般由紅外探頭、傳光光纖、電子模塊、信號(hào)傳輸電纜等組成。被測(cè)物體的紅外輻射經(jīng)紅外探頭透鏡匯聚到光纖前端，通過(guò)光纖傳輸及紅外濾光片過(guò)濾后的紅外能量，被紅外探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，此電信號(hào)經(jīng)電子線路的放大、線性化處理后以標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)輸出方式輸出。nsin€=n1k2式中：n為入射光線AB所在空間的折射率；n|01由于 €nsin€=n1k2式中：n為入射光線AB所在空間的折射率；n|01由于 €=90。一€jk由式(1-12)和(1-13)得出sin€=n/n,-1一sin2€i1 0Y ksin€ (1-13)r為芯線折射率；n為包層折射率。(1-14)(1-15)因?yàn)樗詓in€=(n/n?sin€k2 1r(1-16)對(duì)空氣而言，n=1則0在€=90。的臨界狀態(tài)時(shí),rsin€=—:n2一n2sin2€in 1 2 r0(1-17)sin€=.'n2一n2sin2€

i飛1 2€=€，€為臨界角，貝U

io o. sin€=Jn2-n2=NA

o' 1 2(1-18)(1-19)此時(shí)，sin€為“數(shù)值孔徑”，用NA表示，其值由上式可知，即由芯線和包圍的o折射率確定。光纖制成以后，它是一個(gè)常數(shù)。數(shù)值孔徑NA是光纖的一個(gè)重要參數(shù)，其值可反映出光纖接受輻射能量的多少。其值越大，表示臨界角越大，光纖所能接受的輻射能量越大，光纖與探測(cè)器耦合效率也越高。但由于受到全反射條件限制，NA值過(guò)大，使光能在光纖中傳輸?shù)乃p也相應(yīng)增加。由于n…n，故n+n=2n12121另A=(n-n?/n，稱為相對(duì)折射率sin€=Jn2-n2=血+n)C-noV1 2*1212n、2A (1-20)_ 2 ' 1 21 2 1當(dāng)€=€=90o時(shí)，€<€=arcsinNA，入射角小于臨界角的光線，將在芯ro io線與包層界面上產(chǎn)生全反射，光線沿光纖傳播不泄露。紅外光纖測(cè)溫儀的工作原理及測(cè)溫方法一切溫度高于絕對(duì)零度的物體時(shí)時(shí)刻刻都在不停的輻射紅外能量，物體輻射的紅外能量的多少與物體的表面溫度存在一定的函數(shù)關(guān)系。通過(guò)探測(cè)器接收物體輻射能量再經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得物體表面溫度的方法稱為紅外測(cè)溫。紅外測(cè)溫具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、準(zhǔn)確度高和測(cè)溫范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，尤其是其非接觸測(cè)量的特點(diǎn)，使紅外測(cè)溫在測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體和難以接近的物體的溫度方面得到了很好的應(yīng)用。光纖紅外測(cè)溫儀是一種結(jié)合紅外測(cè)溫技術(shù)和光纖傳感技術(shù)、實(shí)現(xiàn)高精度、光纖紅外測(cè)溫儀就是將光線通過(guò)光纖傳送到傳感器上，而不是直接由透鏡聚焦到傳感器上。其余的原理同普通紅外測(cè)溫儀一樣。紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫原理是黑體輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對(duì)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(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系[10]，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)，黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定，即卡 (1-21)M，JMd，?T4r……0黑體輻射出射度由斯蒂芬一玻耳茲曼定律確定即M…，C]…-5[\xp\2/…T/1「1 (1-22)其中c，3.7418x10-16W€m2,稱為第一出射度；1c2=1-4388x10-2m?K，稱為第二出射度；?，5.6697x10-8W?m2-K-4，稱為斯蒂芬一玻耳茲曼常數(shù)；…表示波長(zhǎng)；T表示熱力學(xué)溫度。由于實(shí)際物體并非黑體，所以實(shí)際物體的輻射出射度還需要在上式中乘上體的輻射常數(shù)，即(1-23)M，&?T4r(1-23)8表示物體的輻射出射度因此對(duì)于進(jìn)入紅外測(cè)溫光學(xué)系統(tǒng)的光線,經(jīng)過(guò)探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換后，其電壓V，8KT4 (1-24)這里面的K與探測(cè)器的靈敏度、光學(xué)系統(tǒng)中光譜的透過(guò)率等有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)時(shí)確定。因此，可以通過(guò)檢測(cè)電壓而確定被測(cè)物體的溫度，上式表明探測(cè)器輸出信號(hào)與目標(biāo)溫度呈非線性關(guān)系，V與T的四次方成正比，所以要進(jìn)行線性化處理。線性化處理后得到物體的表觀溫度，需進(jìn)行輻射率修正為真實(shí)溫度，其校正式為：(1-25)式中Tr——輻射溫度（表觀溫度）8（T）——輻射率，取?由于調(diào)制片輻射信號(hào)的影響，輻射率修正后的真實(shí)溫度為高于環(huán)境的溫度，還必須作環(huán)溫補(bǔ)償［11］，即真實(shí)溫度加上環(huán)溫才能最終得到被測(cè)物體的實(shí)際溫度。紅外光纖測(cè)溫儀的應(yīng)用紅外測(cè)溫儀在工業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛，用的最多的主要是便攜式紅外測(cè)溫儀及在線式紅外測(cè)溫儀。目前，隨著光纖紅外測(cè)溫儀技術(shù)上的日趨成熟，以及其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)顯現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)點(diǎn)日益突出，光纖紅外測(cè)溫儀也已開(kāi)始慢慢替代在線測(cè)溫的一體式紅外測(cè)溫儀，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)場(chǎng)合。光纖紅外測(cè)溫儀目前的主要應(yīng)用市場(chǎng)是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。因?yàn)橐惑w式紅外測(cè)溫儀對(duì)使用環(huán)境要求很苛刻，一般要保持儀器安裝在環(huán)境溫度不超過(guò)50°C場(chǎng)合，否則將會(huì)因電路元件受溫度的影響而導(dǎo)致測(cè)量值失真，甚至儀器損壞，所以，一般在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線使用的一體式紅外測(cè)溫儀都裝有水冷套等降溫保護(hù)措施，安裝麻煩，使用成本也高。而光纖紅外測(cè)溫儀采用的是分體式設(shè)計(jì)，將基本不受溫度影響的光路系統(tǒng)（即光學(xué)探頭）安裝在測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)；而把對(duì)環(huán)境溫度要求較苛刻的信號(hào)處理/顯示器安裝在遠(yuǎn)離測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)的地方，可以保證信號(hào)處理/顯示器始終正常工作；中間通過(guò)一根紅外光纖，將光學(xué)探頭接收到的紅外信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)處理器進(jìn)行處理。這樣，儀表便有了長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性及可靠性，且安裝簡(jiǎn)易，無(wú)需水冷等降溫措施，使用成本低廉，設(shè)備維護(hù)也方便。本文研究?jī)?nèi)容本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以“飛思卡爾”MC9S08AW60單片機(jī)為紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)的控制器，首先介紹了該紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)的基本原理、主要模塊、硬件電路部分設(shè)計(jì)、溫度信號(hào)的采集和處理，另外編寫(xiě)了一些溫度數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)液晶顯示的程序。本章小結(jié)本章主要介紹了課題背景、紅外光纖測(cè)溫儀系統(tǒng)的簡(jiǎn)單介紹和紅外光纖測(cè)溫方法的比較。通過(guò)紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用前景的介紹，可以知道紅外光纖測(cè)溫在工控領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。傳感器、單片機(jī)及開(kāi)發(fā)工具紅外測(cè)溫傳感器紅外測(cè)溫傳感器結(jié)構(gòu)OTP-538U是一個(gè)典型的TO-46系列熱電堆傳感器。該傳感器包含了116組串聯(lián)的熱接點(diǎn)，形成了一個(gè)直徑545um的感應(yīng)區(qū)。涂黑的表面活性吸收熱紅外輻射，導(dǎo)致兩輸出端產(chǎn)生電壓差。該傳感器芯片采用了了一個(gè)獨(dú)特的前表面微加工技術(shù)，使得尺寸更小，能更快速地響應(yīng)環(huán)境溫度變化的結(jié)果［12］。紅外窗口是一個(gè)帶通濾波器，允許測(cè)量波長(zhǎng)在5um至14um之間。與電阻相互比較熱敏元件總是存在白色雜訊。對(duì)應(yīng)不同頻率他都有一個(gè)穩(wěn)定的訊號(hào)，直到頻率極限，并正比于入射輻射。熱電堆傳感器的特色在于與溫度參考電阻器在同一塊基座上。溫度參考電阻是由外殼至接地。圖OTP-538U紅外測(cè)溫傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：非接觸式溫度探測(cè)電壓輸出，便于檢測(cè)零功耗元件寬溫度測(cè)量范圍OTP-538U背面接腳圖如圖所示：圖背面接腳圖其中：1(V+)代表熱電堆熱端輸出訊號(hào)2(R)代表熱敏電阻輸出信號(hào)3(V-)代表熱電堆冷端輸出訊號(hào)4(GND)代表熱敏電阻接地端點(diǎn)紅外測(cè)溫傳感器的工作原理非接觸式紅外溫度傳感器OTP-538U是紅外線感應(yīng)型的溫度探測(cè)器。主要工作原理是利用紅外線的波長(zhǎng)在硅片上產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，根據(jù)檢測(cè)到的電壓不同來(lái)檢測(cè)不同的溫度。由于只要是發(fā)熱的光源就會(huì)輻射紅外線，所以可以對(duì)溫度進(jìn)行非接觸式的檢測(cè)。傳感器由一個(gè)熱敏電阻和傳感器部分組成。傳感器部分根據(jù)外部的溫度產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，而熱敏電阻根據(jù)外部溫度不同，電阻值產(chǎn)生變化，由此來(lái)補(bǔ)充因?yàn)橥饨绛h(huán)境對(duì)傳感器的影響，因此可以做到比較高的精度。其主要性能指標(biāo)如表2-1所示：

Do10203040Do10203040別&QTO3Q9010011Q12Q130ObjectTemperature[ID]表2-1熱電堆傳感器特性ParameterMinTypMaxUnitConditionsOutputVoltage077144mVj=25C0=50CSensitivity70&5100v/w*TCofsensitivity0.10011012%/KTypicalSensitivityareaindiameter&45□mResistanceofthermopile5065SOKfi25tTCofresistance0.09%/KTypicalTimeconstant16msHrNoisevoltage283236nwnzi/2NEP028D3604BnW/Hz1/2Norrnafi2eddetect?rty（D*）1DMO?1.3*1Q0l7'10ecm*H2l!/27WOTP-538U在室溫（25°C）下的電壓輸出特性如下圖所示:圖OTP-538U在室溫（25°C）下的電壓輸出特性O(shè)TP-538U在室溫（25C）下的電壓輸出典型值如下表2-2所示:表2-2OTP-538U在室溫（25C）下的電壓輸出典型值飛思卡爾單片機(jī)MC9S08AW60S08是單芯片8位微控制器解決方案。MC9S08AW60/AW48/AW32/AW16是是低成本、高性能8位微控制器單元（MCU）S08家族中的成員。家族中所有的MCU使用增強(qiáng)型S08核，且使用不同的模塊、存儲(chǔ)空間、存儲(chǔ)器類型和封裝類型[13]。AW60系列主要常規(guī)模塊和特點(diǎn)1）最高達(dá)40MHz的CPU工作頻率和20Hz的內(nèi)部總線工作頻率表；時(shí)鐘源選Temp,Temp,{t)Vout(mV)50「1.0260149701.998025290309100369no—I 4*331205.00項(xiàng)包括晶振、諧振器、外部時(shí)鐘或內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)鐘。2） 相比HC08CPU指令集，S08CPU增加了BGND指令。3） 單線后臺(tái)調(diào)試模式接口；增強(qiáng)的斷點(diǎn)能力，允許單一的斷點(diǎn)設(shè)置在線調(diào)試（在片內(nèi)調(diào)試的模塊增加了多于兩個(gè)的斷點(diǎn)）。4） 內(nèi)含32個(gè)中斷復(fù)位源；內(nèi)含2KB的片內(nèi)RAM；內(nèi)含60KB的片內(nèi)在線可編程Flash存儲(chǔ)器，帶有塊保護(hù)和安全選項(xiàng)。5） 可選的計(jì)算機(jī)正常操作（COP）復(fù)位；低電壓檢測(cè)和復(fù)位或中斷；非法操作碼檢測(cè)與復(fù)位；非法地址檢測(cè)與復(fù)位。6） ADC：多達(dá)16個(gè)通道，10位A/D轉(zhuǎn)換器與自動(dòng)比較功能；兩個(gè)串行通信接口SCI模塊與可選的13位中斷；一個(gè)串行外設(shè)接口SPI模塊；集成電路互連總線I2C模塊運(yùn)作高達(dá)100kbps的最高總線負(fù)載；8引腳鍵盤(pán)中斷KBI模塊。7）Timers:1個(gè)2通道和1個(gè)6通道16位定時(shí)器/脈沖寬度調(diào)制器模板。具有輸入、捕捉、輸出比較、脈寬調(diào)制功能。時(shí)鐘模塊S08單片機(jī)中有兩個(gè)不同的時(shí)鐘，即外部晶振時(shí)鐘、總線時(shí)鐘，總線時(shí)鐘最高可超頻到40M。本系統(tǒng)采用的是的外部晶振，因此外部晶振時(shí)鐘為；默認(rèn)設(shè)置下，總線時(shí)鐘，外部晶振時(shí)鐘的倍、分頻關(guān)系由ICGC2寄存器決定?？偩€時(shí)鐘用作片上外圍設(shè)備的同步，它決定了指令執(zhí)行的速度。由于我溫度變化時(shí)緩慢的，的總線時(shí)鐘對(duì)一個(gè)溫度檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了,本系統(tǒng)的總線時(shí)鐘設(shè)置為?？撮T(mén)狗看門(mén)狗的加入使程序運(yùn)行的更加穩(wěn)定，可以在程序溢出的情況下重啟，不會(huì)因?yàn)橥饨绲母蓴_（靜電、電磁干擾等）而死機(jī)。中斷模塊中斷系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的重要組成部分。實(shí)時(shí)控制、故障自動(dòng)處理、計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了計(jì)算機(jī)效率。不同的計(jì)算機(jī)其硬件結(jié)構(gòu)和軟件指令是不完全相同的，因此，中斷系統(tǒng)也是不相同的。計(jì)算機(jī)的中斷系統(tǒng)能夠加強(qiáng)CPU對(duì)多任務(wù)事件的處理能力。中斷機(jī)制是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施之一，它在系統(tǒng)中起著通信網(wǎng)絡(luò)作用，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)對(duì)各種外部事件的響應(yīng)和處理。MC9S08AW60支持多達(dá)32個(gè)中斷/復(fù)位源，基本上每個(gè)模塊都帶了中斷，本系統(tǒng)用到兩個(gè)中斷：SCI1Receive中斷（串口1接收中斷）、KBI中斷（鍵盤(pán)中斷）IIC模塊AW60芯片具有一個(gè)IIC模塊接口，IIC總線以物理方式連接2條激活線和1條地線。激活線（稱為SDA和SCL）是雙向的，SDA是串口數(shù)據(jù)線，SCL是串行時(shí)鐘線。為了不影響IIC的靈活性，所有連接到這2條信號(hào)線的設(shè)備必須是漏極開(kāi)路或集成電路開(kāi)路輸出，這些輸出需要帶外接上拉電阻。

片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換模塊MC9S12AW60芯片內(nèi)部集成了一個(gè)8位/10位精度的逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換模塊，最多可支持28路獨(dú)立的模擬輸入(ADO?AD27),但在64引腳封裝中，只引出16個(gè)通道供用戶使用(ADO?AD15),這些通道與I/O引腳復(fù)用。MC9S12AW60的A/D轉(zhuǎn)換模塊有8個(gè)寄存器，它們是：2個(gè)狀態(tài)和控制寄存器(ADC1SC1?ADC1SC2)、1個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果寄存器(ADC1RH、ADC1RL)、1個(gè)比值寄存器(ADCCVH、ADCCVL)、1個(gè)配置寄存器(ADC1CFG)、3個(gè)引腳控制寄存器(APCTL1、APCTL2、APCTL3)。通過(guò)對(duì)這些寄存器的編程，就可以獲取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)［14］。Flash模塊□□EmPAGEREGisrcnsRAtrfBYTES匚LASHBYTESHIGHPAGEREGISTERS51060Fbk^H

磁嘶BYTESSFFFFMC&SOBAW&D圖AW60存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)從圖可以看出，MC9S08AW60含有高達(dá)60KB的片內(nèi)在線可編程FLASH存儲(chǔ)器，帶有塊保護(hù)和安全選項(xiàng)，可以向Flash程序存儲(chǔ)器寫(xiě)入引導(dǎo)程序或用戶程序。在MC9S08AW60系列出廠時(shí)，除非有特別指明，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器默認(rèn)為擦除的,因此在運(yùn)行模式下沒(méi)有程序可以執(zhí)行，直到Flash存儲(chǔ)器初次被編程。才可以對(duì)其重新寫(xiě)入程序。FrcescaleC口djfarri-sr 『■.!!!&.a][i1? ￡￡i1J￡lir話斫兇￡rajk!Fi-uMiiir■呂曲[i1? ￡￡i1J￡lir話斫兇￡rajk!Fi-uMiiir■呂曲"◎：<：■■￡-ZlProjectOOOOO.icp]Eej?f1;D?￥lc?IaaLiod.iekLica^ndirU?lp ■bX;迥響■*■回伯」hk內(nèi)▼啊I▼囪Ft￡*TPhl.lL匸：遼UlJI<tl.3J'i￡3l|XllLEUll.rht.-U'illyD■?CMUL11\D99QtU91VFfC-J?ELDC1...U.3LC門(mén)FileC?J>RD.；l湘1kilJLd1Q3T.■■LCDk0?￡血r2tBD|]Gflfl□3S3-i^^Tnrlud?i□H?血和網(wǎng)廿.兀h0gUDKDSJJI&OhDfwa.L□TQLibE5旳93 1+'~|;Tr&j<cti3SSineLuclb<hldef,h>y*forEastJlelnterruptsnscro*/Wtricl4Mle■通葉/*includep甘dec】茁就：?■亍*/■include■,LCP,h"Hinclump為SirNini:luda"'CPIt.li11u?idtiCIIIfiit（void￡0FT-眈Bd訕皿砒號(hào) "$兀 iDptlmis triteonce）IIIIIIIIIII* 5T0FE—STOPalllD^id|* （IPF longkins^DLit2^1?* COPE COiPnfFCGUCbOUnaaaet "幅尊XfiteriaalULM涯gemer^iLion2IIHI||| shcultlwrit?HFl>xtefert1CCC1-IIIIIl-fiFiU：IElllL*RH令頻血子I:1hhiytfu?i||||+-—LOCFE—丟失時(shí)評(píng)佰號(hào)后產(chǎn)注一千中斷佰號(hào)W HFCit\'H —鎖碩壞酥固子N?1*Lam2Cc-1劉|開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹CodeWarriorDevelopmentStudio（開(kāi)發(fā)工作室）是完整的用于編程應(yīng)用中硬件bring-up的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。采用CodeWarriorIDE，開(kāi)發(fā)人員可以得益于采用各種處理器和平臺(tái)（從Motorola到TI到Intel）間的通用功能性。根據(jù)GardnerDataquest的報(bào)告，CodeWarrior編譯器和調(diào)試器在商用嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具的使用率方面排名第一。而這只是流行的CodeWarrior軟件開(kāi)發(fā)工具中的兩個(gè)。CodeWarrior包括構(gòu)建平臺(tái)和應(yīng)用所必需的所有主要工具IDE、編譯器、調(diào)試器、編輯器、鏈接器、匯編程序等。CodeWarrior開(kāi)發(fā)工作室將尖端的調(diào)試技術(shù)與健全開(kāi)發(fā)環(huán)境的簡(jiǎn)易性結(jié)合在一起，將C/C++源級(jí)別調(diào)試和嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)帶入新的水平。圖CodeWarrior編譯器和調(diào)試器、本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了紅外測(cè)溫傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。對(duì)該測(cè)溫傳感器OTP-538!有了一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。為下一步開(kāi)發(fā)整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。詳細(xì)介紹了微處理器4C9S12AW60的主要常規(guī)模塊和該系列單片機(jī)的開(kāi)發(fā)環(huán)境。在此基礎(chǔ)上可以接著進(jìn)行紅外測(cè)溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和程序的編寫(xiě)調(diào)試。紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)概述紅外光纖測(cè)溫充分應(yīng)用熱電堆傳感器、單片機(jī)、計(jì)算機(jī)等電子技術(shù)，其總體設(shè)計(jì)方案如下：通過(guò)安裝在探頭上的熱電堆探測(cè)器OTP-538U得到溫度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)送至信號(hào)調(diào)理電路模塊放大、濾波、整流之后再送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換采用8位高精度的TLC5510芯片，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳到微處理器MC9S08AW60,并由微處理器完成數(shù)據(jù)處理，最后將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示所測(cè)到的溫度。系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)的硬件由單片機(jī)模塊MC9S08AW60、紅外溫度傳感器模塊OTP-538U、信號(hào)調(diào)理電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊。硬件的流程是紅外測(cè)溫傳感器OTP-538U將接收到的紅外光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成MV級(jí)電壓信號(hào)輸出，MV級(jí)電壓信號(hào)送至信號(hào)調(diào)理電路模塊放大、濾波、整流之后轉(zhuǎn)換成V級(jí)的電壓信號(hào)，V級(jí)的電壓信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC5510轉(zhuǎn)換成8位二級(jí)制數(shù)，8位二級(jí)制數(shù)送至微控制器MC9S08AW60進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理將二進(jìn)制數(shù)還原為溫度數(shù)值并將溫度數(shù)據(jù)送至液晶顯示模塊。系統(tǒng)的硬件電路整體設(shè)計(jì)框圖如圖所示。系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)方案按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能要求，本紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用單片機(jī)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，用單片機(jī)的自動(dòng)控制能力，來(lái)控制溫度的檢測(cè)、顯示，并用液晶模塊實(shí)時(shí)顯示采集到的溫度數(shù)據(jù)。本紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，它把整個(gè)系統(tǒng)分成若干模塊分別予以解決，它包括微處理器的主程序模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊。主程序模塊主要完成系統(tǒng)初始化，其中系統(tǒng)初始化包括：微處理器初始化、A/D轉(zhuǎn)換模塊初始化、液晶顯示的初始化。A/D轉(zhuǎn)換模塊包括：獲取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值、中值濾波、均值濾波。溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊：獲取溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算溫度值。液晶顯示模塊：根據(jù)相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)并在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示。本章小結(jié)本章在整體上對(duì)紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)做了一個(gè)整體概述，對(duì)本系統(tǒng)有了一個(gè)全局的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上將分別進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，為具體實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能做鋪墊。紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)概述基于MC9S08AW60單片機(jī)的紅外光纖測(cè)溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)系統(tǒng)分成六大模塊：電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、紅外光纖測(cè)溫模塊、信號(hào)調(diào)理電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LCD液晶顯示模塊。通過(guò)劃分模塊的方法，可以把一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分割成幾個(gè)相對(duì)容易解決的問(wèn)題，然后分別予以解決，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的難度。電源模塊全部硬件電路的電源由外部的12v開(kāi)關(guān)電源提供，本系統(tǒng)需要+5V電壓和-5V電壓，因此本系統(tǒng)采用電源穩(wěn)壓芯片L7805CV產(chǎn)生+5V電壓、CMOS開(kāi)關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器TL7660將+5V電壓轉(zhuǎn)換成-5V電壓。紅外測(cè)溫系統(tǒng)電壓模塊示意圖如圖所示：

12V開(kāi)關(guān)

電源圖紅外測(cè)溫系統(tǒng)電壓模塊示意圖L7805CV是一款線性穩(wěn)壓電源芯片，其最大輸出電流為1A，輸出紋波小,非常適合給單片機(jī)、放大模塊、片外A/D、LCD液晶顯示模塊供電。L7805CV，采用TO-220標(biāo)準(zhǔn)封裝方式，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用LM7805CV三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。另外，在實(shí)際使用中，應(yīng)在穩(wěn)壓芯片L7805CV上加上足夠大的散熱片。當(dāng)穩(wěn)壓器溫度過(guò)高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。正5V電壓產(chǎn)生電路原理圖如圖所示，其中穩(wěn)壓芯片輸入12V電壓，輸出為

+5V電壓。通過(guò)在輸入輸出端加上一些電解電容和瓷片電容，一方面可以濾低頻噪聲，另一方面因電解電容容值大，可以起穩(wěn)壓的作用。L7S0512VViiiVoutGND+5Vnt廠+C4C3—lOOufLC1*—C2 嚴(yán)104圖正5V電壓產(chǎn)生電路原理圖TL7660是一款CMOS開(kāi)關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器。采用8腳封裝，可將范圍介為至10V之間的輸入電壓轉(zhuǎn)換為至-10V的補(bǔ)償負(fù)輸出電壓，條件是僅需兩個(gè)非臨界的外部電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)充電泵與電荷存儲(chǔ)功能。TL7660還可以連接用于倍壓器，以便以10V的輸入電壓轉(zhuǎn)換成高達(dá)的輸出電壓。該款I(lǐng)C的基本構(gòu)建塊集成了多個(gè)組件，如線性穩(wěn)壓器、RC、電壓電平轉(zhuǎn)換器以及四個(gè)功率MOS開(kāi)關(guān)。為實(shí)現(xiàn)無(wú)閉鎖的操作，電路會(huì)自動(dòng)感測(cè)該器件最負(fù)極的電壓，并確保N通道開(kāi)關(guān)源極襯底結(jié)不會(huì)出現(xiàn)正向偏壓。振蕩器運(yùn)行的額定頻率為10kHz(VCC=5V)，但我們既可通過(guò)向振蕩器終端添加一個(gè)外部電容器來(lái)下調(diào)頻率，也可利用外部時(shí)鐘超速驅(qū)動(dòng)振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)上調(diào)。單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊單片機(jī)對(duì)于一個(gè)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于人的大腦對(duì)于人的身體，是系統(tǒng)的核心。MC9S12AW60最小系統(tǒng)是指可以使內(nèi)部程序運(yùn)行起來(lái)的所必須的外圍電路。MC9S12AW60芯片的最小系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、BDM調(diào)試接口電路和IRQ電路等［15］。單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖(A)所示，最小系統(tǒng)PCB圖如圖(B)所示，最小系統(tǒng)實(shí)物圖如圖(C)所示。電源電路電路中需要大量引腳用來(lái)提供足夠的電流容量。所有的電源引腳必須有適當(dāng)?shù)呐月冯娙?，?lái)抑制高頻噪音。一些VDD和VSS引腳僅用于噪音旁路。圖4-6(A)中的電源電路顯示了一個(gè)典型的電源連接圖。電源電路部分的電容構(gòu)成濾波電路，可以改善系統(tǒng)的電磁兼容性，降低電源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，增強(qiáng)電路工作穩(wěn)定性。為標(biāo)識(shí)系統(tǒng)通電與否，可以增加一個(gè)電源指示燈。注意那些僅連接電容的引腳，不要將它們直接連接電源電壓。復(fù)位電路在響應(yīng)各種外部或偵測(cè)到的內(nèi)部系統(tǒng)故障時(shí)可進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。當(dāng)MCU檢測(cè)到需要復(fù)位時(shí)，它將寄存器和控制位設(shè)置成已知的起始默認(rèn)值。系統(tǒng)復(fù)位的用途是錯(cuò)誤恢復(fù)。即當(dāng)MCU檢測(cè)到內(nèi)部故障時(shí)，它嘗試回到一個(gè)已知的、明確的狀

3333PO332PD331PD230292￡P(guān)D127PIW2625PB22斗PB123PBD看門(mén)狗定時(shí)器復(fù)態(tài)而從故障中恢復(fù)。多種事件可以觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位:如上電復(fù)位、位和軟件復(fù)位等?？撮T(mén)狗定時(shí)器復(fù)正常工作時(shí)該腳接在MCU第3腳(REST)的電路為芯片硬件復(fù)位電路。正常工作時(shí)該腳通過(guò)10K電阻接到電源正極(這里設(shè)為5V電源供電)，所以應(yīng)為高電平。若按下復(fù)位按鈕RST，則第3腳接地，為低電平，芯片復(fù)位。晶振電路晶體振蕩器也分為無(wú)源晶振和有源晶振兩種類型。需要外接電源的晶振稱為有源晶振。無(wú)源晶振與有源晶振的英文名稱不同，無(wú)源晶振為crystal,而有源晶振則叫做oscillator。無(wú)源晶振是有兩個(gè)引腳的無(wú)極性元件，需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自身無(wú)法振蕩起來(lái)。這里使用無(wú)源晶振。圖4-6(A)的最小系統(tǒng)電路中的晶振電路部分使用的是無(wú)源晶振。晶振信號(hào)包括EXTAL，XTAL。用于片上時(shí)鐘產(chǎn)生器電路。圖(A)單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖BDM調(diào)試接口電路背景調(diào)試模式BDM是由Freescale半導(dǎo)體公司自定義的片上調(diào)試規(guī)范°BDM調(diào)試方式為開(kāi)發(fā)人員提供了底層的調(diào)試手段。開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)它初次向目標(biāo)板下載程序，同時(shí)也可以通過(guò)BDM調(diào)試器對(duì)目標(biāo)板MCU的Flash進(jìn)行寫(xiě)入、擦除等操作。用戶也可以通過(guò)它進(jìn)行應(yīng)用程序的下載和在線更新、在線動(dòng)態(tài)調(diào)試和編程、讀取CPU各個(gè)寄存器的內(nèi)容、MCU內(nèi)部資源的配置與修復(fù)、程序的加密處理等操作。而這些僅需要向CPU發(fā)送幾個(gè)簡(jiǎn)單的指令就可以實(shí)現(xiàn)，從而使調(diào)試軟件的編寫(xiě)變得非常簡(jiǎn)單。BDM硬件調(diào)試插頭的設(shè)計(jì)也非常簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是要滿足通信時(shí)序關(guān)系和電平轉(zhuǎn)換要求。IRQ電路IRQ中斷引腳，平時(shí)要上拉。如圖4-6(A)所示該引腳通過(guò)電阻上拉，同時(shí)并聯(lián)的電容濾波。程序設(shè)計(jì)思想程序設(shè)計(jì)遵循面向硬件對(duì)象模塊的封裝原則。即對(duì)系統(tǒng)中的每個(gè)硬件對(duì)象建立相對(duì)應(yīng)的頭文件和硬件驅(qū)動(dòng)程序文件。頭文件中主要包含該硬件的接口和相應(yīng)的寄存器設(shè)置參數(shù)，硬件驅(qū)動(dòng)程序文件主要是對(duì)該硬件的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)標(biāo)注出各個(gè)功能模塊的功能、入口、出口和堆棧深度。這樣做剩下的編程工作就只是面向變量和PC的編程，屏蔽的具體硬件對(duì)象的差異性，提高了程序的移植性和復(fù)用性。工程中的各個(gè)模塊的子程序均源于系統(tǒng)中給出的子程序，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了面向硬件對(duì)象模塊的封裝思想提高的程序的移植性和復(fù)用性。由于在集成開(kāi)發(fā)套件中已給出硬件模塊的驅(qū)動(dòng)程序。因此，程序設(shè)計(jì)主要任務(wù)是在對(duì)將各硬件模塊整合在一起，并建立好與PC方的數(shù)據(jù)通信的接口。

紅外光纖測(cè)溫模塊紅外測(cè)溫模塊采用紅外測(cè)溫傳感器OTP-538U。OTP-538U輸出MV級(jí)電壓,通過(guò)簡(jiǎn)單的電路就可以獲取傳感器的輸出電壓信號(hào)。OTP-538U的輸出電壓獲取電路如圖所示。

信號(hào)調(diào)理電路模塊經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的紅外輻射照射到探測(cè)器上，轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔兊拿}沖電信號(hào)。此時(shí)的電信號(hào)是非常微弱的，通常只有幾毫伏。而這樣微弱的電信號(hào)是不能直接接入單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的的。所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化的處理，需要將信號(hào)由毫伏量級(jí)放大到數(shù)伏量級(jí)。同時(shí)，由于探測(cè)器輸出的信號(hào)中不可避免的引入各種噪聲，所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，目的是保證有用的頻率的信號(hào)通過(guò)，無(wú)用的頻率信號(hào)受到抑制。再者，探測(cè)器輸出的電信號(hào)是正負(fù)交變的近似方波的脈沖信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和濾波，變成了近似于正弦波的交流信號(hào)。為了便于后續(xù)電路的處理，還需要將此信號(hào)進(jìn)行整形。信號(hào)放大電路信號(hào)放大部分主要采用了MAXIN公司生產(chǎn)的芯片OP07。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25yV）,所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/MV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。其主要參數(shù)如下：超低偏移：150yV最大。低輸入偏置電流：。低失調(diào)電壓漂移：yV/°C。超穩(wěn)定時(shí)間：2yV/month最大高電源電壓范圍：±3V至±22V其引腳排列如圖所示:電源-，5空腳，6為輸出，7接電源+。為了將紅外傳感器OTP-538U輸出的MV信號(hào)能被模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片接收。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)放大部分電路的放大倍數(shù)為1000倍。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩級(jí)放大，首先為了不影響輸出，讓輸入通過(guò)第一級(jí)射極跟隨器，然后通過(guò)第一級(jí)放大電路放大10倍，最后送入下一級(jí)放大100倍。兩級(jí)放大電路之間采用電阻耦合的方式。其原理圖如圖所示。其中R16和R20為調(diào)零電阻，C20和C21可以濾波。

OAL0A2伙盼OUTV-MCOALOAL0A2伙盼OUTV-MCOAL□JJMV+n-n-OUTY-HCOAL□見(jiàn)IN：V+UrTtOUTY-HC當(dāng)探測(cè)器的傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路后，里面仍混有一定的高頻噪聲，因此需要加一個(gè)低通濾波電路來(lái)抑制噪聲，改善鎖定放大器的信噪比。只要低通濾波器的時(shí)間常數(shù)RC越大，等效噪聲帶寬越窄，其抑制噪聲的能力越強(qiáng)；但是RC越大，其響應(yīng)速度越慢，所以在設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)需要選擇一個(gè)合適的RC值。系統(tǒng)中采用的低通濾波器為二階無(wú)限增益巴特沃思型低通濾波器，其電路簡(jiǎn)單，低通濾波器的原理圖如圖所示。該低通濾波器的中心頻率在35Hz左右，通帶增益為1。其固有角頻率為w€ 0JRRCC29 30 22 2329 30—23C?111)

+ + 29 30—23C阻尼比為?RRR丿阻尼比為' 28 29 30‘信號(hào)整形電路A/D轉(zhuǎn)換模塊A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC5510介紹A/D轉(zhuǎn)換采用TI公司生產(chǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC5510。TLC5510是一種采用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A/D芯片，能提供的最小采樣率為20MSPS。由于TLC5510采用了半閃速結(jié)構(gòu)及CMOS工藝，因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量，而且在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí)能夠保持較低的功耗。在推薦工作條件下，TLC5510的功耗僅為130mW。由于TLC5510不僅具有高速的A/D轉(zhuǎn)換功能，而且還帶有內(nèi)部采樣保持電路，從而大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)；同時(shí)，由于其內(nèi)部帶有了標(biāo)準(zhǔn)分壓電阻，因而可以從+5V的電源獲得2V滿刻度的基準(zhǔn)電壓。TLC5510芯片的引腳功能TLC5510為24引腳。PSOP表貼封裝形式（NS）。其引腳排列如圖所示：

D詡D叵D詡D叵DI(LSB)E02ED3ED4區(qū)05(1D6HD7M08(MSB)RV&ddOclx3TLC5510I3DGND0REFB易R(shí)EFBS?9agkdmCNDPANALOGISE3vdda回REFT_HEFTS囤Vdpa3Vdda囤VdniEE圖TLC5510的引腳各引腳功能如下：AGND:模擬信號(hào)地；ANALOGIN：模擬信號(hào)輸入端；CLK：時(shí)鐘輸入端；DGND:數(shù)字信號(hào)地；D1?D8:數(shù)據(jù)輸出端口。D1為數(shù)據(jù)最低位，D8為最高位;OE：輸出使能端。當(dāng)OE為低時(shí)，D1?D8數(shù)據(jù)有效，當(dāng)OE為高時(shí)，D1?D8為高阻抗；VDDA：模擬電路工作電源；VDDD：數(shù)字電路工作電源；REFTS：內(nèi)部參考電壓引出端之一，當(dāng)使用內(nèi)部電壓分壓器產(chǎn)生額定的2V基準(zhǔn)電壓時(shí)，此端短路至REFT端；REFT:參考電壓引出端之二；REFB:參考電壓引出端之三；REFBS：內(nèi)部參考電壓引出端之四，當(dāng)使用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)器產(chǎn)生額定的2V基準(zhǔn)電壓時(shí)，此端短路至REFB端。TLC5510芯片的工作原理TLC5510的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。由圖中可以看出：TLC5510模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)含時(shí)鐘發(fā)生器、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓分壓器、1套高4位采樣比較器、編碼器、鎖存器、2套低4位采樣比較器、編碼器和1個(gè)低4位鎖存器等電路。TLC5510的外部時(shí)

圖TLC5510內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖TLC5510的工作時(shí)序見(jiàn)圖所示。在圖中工作時(shí)序的控制下，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)時(shí)鐘周期的下降沿到來(lái)時(shí)，模擬輸入電壓將被采樣到高比較器塊和低比較器塊，高比較器塊在第二個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿最后確定高位數(shù)據(jù)，同時(shí)，低基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生與高位數(shù)據(jù)相應(yīng)的電壓。低比較塊在第三個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿的最后確定低位數(shù)據(jù)。高位數(shù)據(jù)和低位數(shù)據(jù)在第四個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿進(jìn)行組合，這樣，第N次采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)個(gè)時(shí)鐘周期的延遲之后，便可送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。此時(shí)如果輸出使能OE有效，則數(shù)據(jù)便可被送至8位數(shù)據(jù)總線上。由于CLK的最大周期為50ns。因此，TLC5510模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最小采樣速率可以達(dá)到20MSPS。TLC5510的硬件電路圖如圖所示

■OHJ■OHJ“GXDDCrXDREFBDLREFBSD2AGMJD3AGXDD4ANALOGIND5VDD鹿D6REFTD"RIFTSDSXBDAFDDVDDACLKVDDDTLC5510LCD液晶顯示模塊LCD液晶顯示模塊的功能是實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)，LCD液晶模塊的使用使得本系統(tǒng)觀測(cè)直觀。本系統(tǒng)LCD液晶模塊采用Nokia5110,Nokia5110是84*48的點(diǎn)陣CCD，可以顯示4行漢字，采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，接口信號(hào)線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號(hào)線僅有8條。支持多種串行通信協(xié)議（如AVR單片機(jī)的SPI、MCS51的串口模式0等），傳輸速率高達(dá)4Mbps，可全速寫(xiě)入顯示數(shù)據(jù)，無(wú)等待時(shí)間。Nokia5110采用低電壓供電，正常顯示時(shí)的工作電流在200uA以下，且具有掉電模式。Nokia5110引腳排列圖如圖所示：其中：1、RST——復(fù)位2、CE—片選3、DC——數(shù)據(jù)/指令選擇4、DIN——串行數(shù)據(jù)線5、CLK——串行時(shí)鐘線6、VCC——電源輸入7、BL—背光控制端8、GND——電源負(fù)極

圖Nokia5110引腳排列圖Nokia5110的通信協(xié)議是一個(gè)沒(méi)有MISO只有MOSI的SPI協(xié)議，如果單片機(jī)有富裕的SPI接口，也可以利用硬件SPI,但通常沒(méi)有必要，只需要軟件程序模擬即可。圖Nokia5110串行總線協(xié)議——傳送一個(gè)字節(jié)接通電源后，內(nèi)部寄存器和RAM的內(nèi)容是不確定的，這需要一個(gè)RES低電平脈沖復(fù)位一下。當(dāng)VDD變?yōu)楦唠娖?，達(dá)到VDDmin（或更高）之后，最多100ms，RST輸入低電平（電平幅度V。圖Nokia5110復(fù)位時(shí)序D/Cfti￡D67pDaeDBS0B4DB3062oeiDfiO(H-Ccr1JMOP00000cQ00空■施功怔設(shè)畳00D100PDVH植電擰制lih>16o5