1、江蘇城市職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）（ 2010 屆）設(shè)計（論文）題目 紅外線測溫儀 辦 學(xué) 點 （系）江蘇城市職業(yè)學(xué)院昆山辦學(xué)點（電信系） 專 業(yè) 應(yīng)用電子專業(yè) 班級 07應(yīng)用電子 學(xué)號 2 學(xué)生姓名 馬媛媛 起訖日期 09年12月23日2010年3月25日 地點 江蘇城市職業(yè)學(xué)院昆山辦學(xué)點 指導(dǎo)教師 顧 萍 職稱 講 師 2010年 3 月 25 日江蘇城市職業(yè)學(xué)院教務(wù)處制目 錄摘要3一、緒論41.1 遠(yuǎn)紅外測溫儀的研究意義及功能實現(xiàn)41.2 本設(shè)計所做要求41.3 本設(shè)計所作的工作5二、遠(yuǎn)紅外測溫原理52.1 紅外輻射的產(chǎn)生52.2 遠(yuǎn)紅外測溫系統(tǒng)的組成圖6三、遠(yuǎn)紅外測溫儀的硬件電路設(shè)計73

2、.1遠(yuǎn)紅外傳感器的設(shè)計73.1.1 遠(yuǎn)紅外探測器的一般組成73.1.2測溫部分模塊分析83.2同相放大器的設(shè)計93.2.1同相放大器的方案設(shè)計93.2.2同相放大器的電路圖113.3 溫度補償部分設(shè)計113.3.1方案設(shè)計113.3.2電路圖123.4模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器123.4.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器介紹123.4.2引腳及功能133.4.3取樣與保持143.4.4量化與編碼14四 遠(yuǎn)紅外測溫儀的軟件設(shè)計154.1控制模塊的設(shè)計154.1.1單片機的選擇154.1.2 AT89C51單片機簡介164.2 AT89C51的最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計214.3系統(tǒng)總體的流程圖22參 考 文 獻(xiàn)23摘 要【內(nèi)容摘要】：

3、為了監(jiān)檢惡劣生產(chǎn)條件、特殊環(huán)境的溫度，以便進行預(yù)防性維護，我們進行了紅外線測溫儀的設(shè)計。紅外測溫儀是利用紅外傳感器對電力設(shè)備運行時的熱輻射進行采集，通過轉(zhuǎn)換電路將紅外傳感器采集到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再將電信號通過放大電路、帶通濾波電路、解調(diào)電路、A/D轉(zhuǎn)換等單元電路處理后送到單片機中，最后單片機將帶有數(shù)據(jù)信息的電信號進行分析處理，將電信號轉(zhuǎn)變成與之相對應(yīng)大小的溫度值顯示輸出。將有用信息保存下來并傳送給控制中心，電力設(shè)備運行過程中的臨界溫度通過軟件編程的方式寫入單片機中。通過對溫度的確認(rèn)達(dá)到掌握被測對象的工作狀態(tài)，確定其工作是否正常，以便及早發(fā)現(xiàn)故障并針對具體情況采取相應(yīng)對策。如果被測物體的溫

4、度低于所設(shè)定的臨界溫度值，紅外測溫儀將正常工作。反之，系統(tǒng)則發(fā)出報警信號啟動報警裝置，提醒操作人員采取必要的措施，避免電力設(shè)備的運行因溫度過高而發(fā)生故障和損失，從而實現(xiàn)儀器的自動化和智能化，保障電力設(shè)備的正常運行。【關(guān)鍵字】：熱釋電傳感器，單片機，紅外線1、 緒 論1.1 遠(yuǎn)紅外測溫儀的研究意義及功能實現(xiàn)自二十世紀(jì)九十年代以來，我國電力工業(yè)發(fā)展迅速，電網(wǎng)規(guī)模日益擴大。電力設(shè)備是電網(wǎng)和變電站的核心設(shè)備，它的運行狀況直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全運行。隨著電壓等級的提高，電力設(shè)備的負(fù)荷也越來越大，由于電力設(shè)備自身的造價都比較昂貴，因電力設(shè)備故障所帶來的事故，造成的損失往往也是巨大的。而設(shè)備運行時所發(fā)出的紅外

5、光譜的波長范圍是514um，屬于遠(yuǎn)紅外光譜，這個波段內(nèi)的光所對應(yīng)的物體的溫度是介于0500之間。溫度不是特別高，對儀器的損壞也不是特別大，因此，設(shè)計一種測量更準(zhǔn)確，采樣波長介于此區(qū)間內(nèi)的非接觸式遠(yuǎn)紅外測溫儀來監(jiān)測電力設(shè)備運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，有著充分的必要性。根據(jù)遠(yuǎn)紅外測溫的基本定律，闡述遠(yuǎn)紅外測溫儀的工作原理及功能實現(xiàn)：一切溫度高于絕對零度的物體都在不停的向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量，。設(shè)計出光電檢測部分的具體電路圖（電源、放大器、濾波器以及溫度補償?shù)龋?，確定出各部分元件的具體參數(shù)，并結(jié)合單片機將設(shè)備的運行過程中的臨界溫度寫入單片機，再配以終端顯示,可方便的對測量結(jié)果進行實時監(jiān)控，從而實

6、現(xiàn)遠(yuǎn)紅外測溫儀的自動化和智能化，最終將電力設(shè)備因超溫所出現(xiàn)的故障給予解決。1.2 本設(shè)計所做要求測溫范圍: 27227（300500K）；響應(yīng)波長: 8um14um；響應(yīng)時間：500ms；A/D轉(zhuǎn)換:8位的ADC0809芯片；工作環(huán)境溫度范圍:050；相對濕度：30 時 1095%；測量精度：23 時1%；溫度分辨率:0.5；電源電壓:+9V；微處理器:AT89C51；發(fā)射率:0.95(可調(diào)),激光瞄準(zhǔn)。1.3 本設(shè)計所作的工作首先，介紹遠(yuǎn)紅外測溫技術(shù)的相關(guān)理論知識，從與幾種紅外測溫儀的比較中得出遠(yuǎn)紅外測溫儀的優(yōu)點和缺點，以便對遠(yuǎn)紅外測溫有比較清晰的認(rèn)識。其次，對遠(yuǎn)紅外測溫電路的硬件設(shè)計，本設(shè)

7、計分別從紅外傳感器、串聯(lián)穩(wěn)壓電源、同相放大器、低通濾波器和溫度補償部分共五個部分分別進行方案選擇、參數(shù)計算、并給出了各模塊的電路圖以便更好的理解。再次，對遠(yuǎn)紅外測溫儀的A/D轉(zhuǎn)換進行詳細(xì)的說明，并進行了軟件模塊的設(shè)計，從單片機的選擇到其功能的介紹、接口電路的分析、系統(tǒng)總的流程圖并給出了源程序?？傊麄€設(shè)計分別從硬件和軟件兩個方面進行了詳細(xì)的分析，思路清晰，方案正確，并最終得出了總的電路圖，有很好的現(xiàn)實意義。2、 遠(yuǎn)紅外測溫原理2.1 紅外輻射的產(chǎn)生【1】任何物體內(nèi)部的帶電粒子都處于不斷運動狀態(tài)，當(dāng)物體溫度高于熱力學(xué)溫度0時，它就會不斷地向周圍進行電磁輻射。物體的自發(fā)輻射，常溫下主要是紅外輻射

8、，俗稱紅外線，它是人眼看不見的光線，具有強烈的熱作用，故又稱熱輻射。熱輻射特性主要由溫度決定，故稱為溫度輻射，是光學(xué)溫度傳感的基礎(chǔ)。物體在常溫下，發(fā)射紅外線；當(dāng)溫度升高至500左右，便開始發(fā)射部分暗紅外觀的可見光；當(dāng)溫度繼續(xù)升高，物體會向外輻射電磁波，且隨著溫度的升高其波長會變短。當(dāng)溫度升到1500時，便開始發(fā)出白色光。當(dāng)將一束白色光照射到一個玻璃三棱鏡上時，通過三棱鏡對不同波長光的折射，就會顯現(xiàn)七彩的單色光束。圖2.1是太陽光的分光實驗示意圖。圖2.1 太陽光分光實驗示意圖2.2 遠(yuǎn)紅外測溫系統(tǒng)的組成圖遠(yuǎn)紅外測溫系統(tǒng)由以下幾部分組成：遠(yuǎn)紅外透鏡及濾光系統(tǒng)、測試裝置、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理機（單

9、片機）和終端顯示組成。結(jié)合紅外測溫的工作原理及實際操作的需要，進行了相關(guān)參數(shù)的計算和論證，在確定方案可行的情況下，最后得出遠(yuǎn)紅外測溫儀系統(tǒng)的原理框圖如圖2.2所示。遠(yuǎn)紅外測溫儀系統(tǒng)是集信號采集、數(shù)據(jù)處理、誤差分析、輸出顯示及危險報警為一體的多功能、智能化的測溫系統(tǒng)。而信號采集系統(tǒng)中最重要的是用濾光片收集遠(yuǎn)紅外區(qū)域內(nèi)（814um）的光譜，使紅外測溫的波長范圍相對縮小，精度有所提高。因此，遠(yuǎn)紅外測溫儀在工業(yè)系統(tǒng)溫度的測量上有更好的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，紅外測溫儀的設(shè)計也越來越先進、品種越來越繁多、功能越來越齊全、價格不斷的趨于穩(wěn)定。具體操作：將遠(yuǎn)紅外測溫儀對準(zhǔn)被測的物體，按觸發(fā)器啟動單片機，并

10、在儀器的LED上讀出溫度數(shù)據(jù)，保證測溫距離和光斑尺寸之比。使用遠(yuǎn)紅外測溫儀時還必須注意：1、只測量表面溫度，紅外測溫儀不能測量內(nèi)部溫度。2、不能透過玻璃進行測溫，玻璃有很特殊的反射和透過特性，不允許精確紅外溫度讀數(shù)。但可通過紅外窗口測溫。紅外測溫儀最好不用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫（不銹鋼、鋁等）。3、定位熱點，要發(fā)現(xiàn)熱點，儀器瞄準(zhǔn)目標(biāo)，然后在目標(biāo)上作上下掃描運動,直至確定熱點。4、環(huán)境溫度，如果將紅外測溫儀突然暴露在環(huán)境溫差為20度或更高的情況下，允許儀器在20分鐘內(nèi)調(diào)節(jié)到新的環(huán)境溫度。圖2.2 遠(yuǎn)紅外測溫系統(tǒng)的組成圖 三、遠(yuǎn)紅外測溫儀的硬件電路設(shè)計3.1遠(yuǎn)紅外傳感器的設(shè)計3.1.1 遠(yuǎn)

11、紅外探測器的一般組成遠(yuǎn)紅外探測器一般由光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和信號調(diào)制器組成。光學(xué)系統(tǒng)是遠(yuǎn)紅外探測器的重要組成部分。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為反射式光學(xué)系統(tǒng)的遠(yuǎn)紅外探測器和透射式光學(xué)系統(tǒng)的遠(yuǎn)紅外探測器兩種。對于反射式光學(xué)系統(tǒng)的紅外探測器的結(jié)構(gòu)，它由凹面玻璃反射鏡組成，其表面鍍金、鋁和鎳鉻等紅外波段反射率很高的材料構(gòu)成反射式光學(xué)系統(tǒng)。為了減小像差或使用上的方便，常另加一片次鏡，使目標(biāo)輻射經(jīng)兩次反射聚集到敏感元件上，敏感元件與透鏡組合在一起，前置放大器接收熱電轉(zhuǎn)換后的電信號，并對其進行放大。本設(shè)計中主要使用透射式光學(xué)系統(tǒng)的遠(yuǎn)紅外探測器，其原理圖如圖3.1所示。透射式光學(xué)系統(tǒng)的部件用紅外光學(xué)材料

12、做成，不同的紅外光波長應(yīng)選用不同的紅外光學(xué)材料：在測量700以上的高溫時，用波長為0.753um范圍內(nèi)的近紅外光，用一般光學(xué)玻璃和石英等材料作透鏡材料；當(dāng)測量100700范圍內(nèi)的溫度時，一般用35um的中紅外光，多用氟化鎂、氧化鎂等熱敏材料；當(dāng)測量100以下的溫度用波長為514um的中遠(yuǎn)紅外光，多采用鍺、硅、硫化鋅等熱敏材料。三個范圍內(nèi)的波長遠(yuǎn)紅外光其測量的溫度相對較低，同時對儀器的損壞了相對較小，而遠(yuǎn)紅外測溫儀最適合的工作波長是814um，因此，在選用波段時應(yīng)充分考慮遠(yuǎn)紅外測溫儀的工作波長而選擇第三段。獲取透射紅外光的光學(xué)材料一般比較困難，反射式光學(xué)系統(tǒng)可避免這一困難，所以，反射式光學(xué)系統(tǒng)用

13、得較多。圖3.1 透射式遠(yuǎn)紅外探測器示意圖3.1.2測溫部分模塊分析遠(yuǎn)紅外測溫儀系統(tǒng)是一個有機的整體，并能對各種信息進行快捷的處理和顯示，因此,在進行信號接收時首先利用遮光板對被測物體所發(fā)出的紅外輻射能量進行有選擇的吸收，主要吸收其中的遠(yuǎn)紅外光譜。而遮光孔的大小由單片機輸出控制信號控制電機的轉(zhuǎn)動與否來帶動遮光板旋轉(zhuǎn)。經(jīng)選擇吸收的遠(yuǎn)紅外輻射光信號通過敏感元件的轉(zhuǎn)換成與之相應(yīng)的電信號并送到放大器進行放大處理，再經(jīng)濾波器的濾波處理成所需要的電信號送到加法器運算，最后送到顯示輸出端顯示，但是在進行加法運算時要利用溫度補償部分對所輸出的數(shù)據(jù)進行補償，以實現(xiàn)被測物體溫度值與顯示輸出的線性關(guān)系，從而實現(xiàn)測溫

14、儀的智能化控制，據(jù)此原理得出遠(yuǎn)紅外測溫儀的部份處理裝置的原理框圖如圖3.2所示。圖3.2 紅外測溫部份處理裝置的原理框圖遠(yuǎn)紅外測溫儀的探頭部分的方框圖是一個包括光、機、電一體化的紅外測溫系統(tǒng)，利用熱輻射體在遠(yuǎn)紅外波段的輻射能量來測量溫度，由測溫傳感器、放大單元、濾波單元及加法單元、溫度補償單元組成。測溫傳感器為一暗盒，盒內(nèi)固定熱釋電探測器件，前方有遮光板，電動機帶動遮光板旋轉(zhuǎn)，將被測的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線，紅外測溫裝置通過光電敏感元件將遠(yuǎn)紅外輻射能變換為電信號輸出，溫度補償二極管也固定在盒內(nèi)；放大單元是選用集成運放作為模擬放大器,且運放工作于線性放大區(qū)，電路的輸出與輸入之間存在一一對

15、應(yīng)的關(guān)系, 反饋信號通過反饋電阻送到輸入端,即利用電壓本身的變化量通過反饋網(wǎng)絡(luò)對放大電路起自動調(diào)整作用,最終達(dá)到放大并穩(wěn)定輸出電壓的作用；濾波單元采用集成運放組成的有源濾波器, 由兩節(jié)RC濾波電路和反相比例放大電路所組成, 開環(huán)電壓增益的輸入阻抗很高，輸出阻抗較低,而且具有一定的電壓放大和緩沖作用；溫度補償單元采用二極管溫度補償電路,利用半導(dǎo)體受到外界的光和熱的刺激時，其導(dǎo)電性能將會發(fā)生其顯著變化，在將二極管的溫度補償信號經(jīng)差動放大以補償環(huán)境溫度的影響【5】。3.2同相放大器的設(shè)計3.2.1同相放大器的方案設(shè)計運算放大器(簡稱運放)實際上是多級直接耦合放大電路的集成形式，其特點是高輸入電阻、高

16、放大倍數(shù)、低輸出電阻。通?？梢赃x用集成運算放大器作為模擬放大器，在某些精密的數(shù)字儀表系統(tǒng)中則可以選用儀表放大器和隔離放大器。選擇放大器時主要考慮放大器的帶寬和精度，放大器的滿度誤差和零位誤差多半是可調(diào)的，因此這里精度主要指溫漂和噪聲。由于運放在電路性能方面具有眾多優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于模擬電路的各個領(lǐng)域之中，根據(jù)運放在電路中的工作狀態(tài)，可把這些電路歸納為兩大類：一是運放的線性應(yīng)用，此類電路有一個顯著的待點，即運放工作于線性放大區(qū)，電路的輸出與輸入之間存在一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系；二是運放的非線性應(yīng)用，此類電路在多數(shù)情況下，運放工作在飽和狀態(tài)。由于運放的工作狀態(tài)不同，故所適用的分析方法亦不同。集成運放

17、在使用中常因以下三種原因被損壞：輸入信號過大，使PN結(jié)擊穿；電源電壓極性接反或過高；輸出端直接接“地”或接電源，此時，運放將因輸出級功耗過大而損壞。因此，為使運算放大器安全工作，也從這三個方面進行保護。在常用的放大電路中，比例運算放大器電路的接法有兩種：一種是同相輸入接法，另一種是反相輸入接法，分別屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路和電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。在本課題中比例運算放大電路采用同相輸入的接法，其電路圖如圖3.4所示。這種電路的重要特點是：電路的輸出電壓趨向于維持恒定，因為無論反饋信號以何種方式引回到輸入端，實際上都是利用輸出電壓本身的變化量通過反饋網(wǎng)絡(luò)對放大電路起自動調(diào)整作用，這就是電壓反饋的實質(zhì)。

18、若從輸入電壓取樣，通過反饋網(wǎng)絡(luò)得到反饋電壓，然后與輸入電壓相比較，求得差值作為凈輸入電壓進行放大，則稱電路中引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋, 其電路圖如圖3.3所示。該電路采用電阻分壓的方式將輸出電壓的一部分作為反饋電壓，電路各點電位的瞬時極性如圖中所標(biāo)注。其工作原理是：當(dāng)輸入端正向電壓增加時，且接放大器的同相輸入端，反饋電壓，若輸入電壓對R1和R2所組成的反饋網(wǎng)絡(luò)的作用忽略不計，即可以為R1上的電壓；并且，由于集成運放開環(huán)差模增益很大，因而其凈輸入電壓也可以忽略不計。根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念，集成運放的凈輸入電壓為零，即 說明集成運放有共模輸入電壓。所以輸出電壓為：此式表明，與同相且大于，電路引入

19、電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，一旦和的取值確定，就僅僅決定于，而與負(fù)載電阻無關(guān)。因此，可以將電路的輸出看成為電壓控制的電壓源，所以它穩(wěn)定了輸出電壓，且輸出電阻為零。信號源內(nèi)阻越小，其反饋效果就越好。由于電路引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，故可以認(rèn)為輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零。即使考慮集成運放參數(shù)的影響，輸入電阻也可達(dá)。應(yīng)當(dāng)指出，雖然同相比例運算電路具有高輸入電阻、低輸出電阻的優(yōu)點，但因為集成運放有共模輸入，所以為了提高運算精度，應(yīng)當(dāng)選用高共模抑制比的集成運放。上述結(jié)論是有條件的，只有認(rèn)為集成運放同相輸入端和反相輸入端的電流趨于零（稱為“虛斷路”），才能忽略對反饋網(wǎng)絡(luò)的作用；只有認(rèn)為集成運放同相輸入端和反相輸入端

20、的電位近似相等（稱為“虛短路”），才能忽略凈輸入電壓，使。實際上，只有集成運放的開環(huán)差模增益和差模輸入電阻均趨近于無窮大時，才會在集成運放的輸入端存在“虛斷路”和“虛短路”。圖3.3 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路示圖3.2.2同相放大器的電路圖同相放大器電路如圖3.4所示：圖3.4 同相放大器電路圖3.3 溫度補償部分設(shè)計【4】3.3.1方案設(shè)計方案一：采用恒溫控制電路。恒溫的原理為，感溫電阻作為電橋的一臂，當(dāng)溫度等于所需要的某一溫度（拐點溫度）時，電橋輸出直流電壓經(jīng)放大后，對加熱電阻絲加熱，以維持平衡溫度；當(dāng)環(huán)境溫度變化，從而使電橋溫偏離原來溫度時，通過感溫電阻的變化改變加熱電阻的電流，從而減少電橋溫

21、度的變化，雖穩(wěn)定度高，但存在著電路復(fù)雜、體積大、重量重等缺點。方案二：采用二極管溫度補償電路。由于半導(dǎo)體受到外界的光和熱的刺激時，其導(dǎo)電性能將會發(fā)生其顯著的變化，在將二極管的溫度補償信號經(jīng)差動放大用以補償環(huán)境溫度的影響，采用負(fù)溫度系數(shù)(-2mv/)的硅二極管，采用這種電路比較簡單，同時有較高的性價比，符合設(shè)計的要求。綜上所述，采用第二種方案。3.3.2電路圖電路圖如圖3.6所示：圖3.6 溫度補償部分電路圖3.4模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器3.4.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器介紹能將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。為確保系統(tǒng)處理結(jié)果的精確度，A/D轉(zhuǎn)換器必

22、須具有足夠的轉(zhuǎn)換精度；在實現(xiàn)對快速變化的信號的實時控制與檢測，還要求具有較高的轉(zhuǎn)換速度。為將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程，在實際電路中，這些過程有的是合并進行的，同時實現(xiàn)。即外部的各種模擬信號必須通過A/D轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號后，才能送入微處理器芯片。在單片集成A/D轉(zhuǎn)換器中，ADC0809是8位的芯片，采用逐次比較式工作原理。具有地址鎖存控制的8路模擬開關(guān)，應(yīng)用單一+5V電源，其模擬量輸入電壓的范圍為00HFFH，轉(zhuǎn)換時間為100，無須調(diào)零或調(diào)整滿量程。大部分M68HC08等系列MCU中具有ADC模塊，但

23、結(jié)構(gòu)功能不完全相同，有8位精度的，也有10位精度的。采樣通道數(shù)也有多種選擇。ADC還有一個來自模擬模塊的內(nèi)部采樣源。模擬多路復(fù)用允許選擇14個ADC通道中的一個作為采樣電壓輸入端。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC把轉(zhuǎn)換好的結(jié)果放入數(shù)據(jù)寄存器，高字節(jié)和低字節(jié)分別為ADRH0和ADRL0，然后設(shè)置標(biāo)志位或產(chǎn)生中斷。在自動掃描模式下，用附加的3個ADC數(shù)據(jù)寄存器ADRL13來存放ATD13通道的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，通道ATD0的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在ADRL0中。3.4.2引腳及功能ADC0809共有28個引腳，圖3.7為其引腳圖。圖3.7 ADC0809引腳圖IN0-IN7接8路模擬量輸入，ADDA，ADDB，ADDC接地

24、址線，用來選定8路輸入中的一路，詳見表3.1。表3.1 選通輸入通道真值表ADDCADDBADDA選通輸入通道ADDCADDBADDA選通輸入通道000IN0100IN4001IN1101IN5010IN2110IN6011IN3111IN7ALE是地址鎖存允許端，、接基準(zhǔn)電源，在精度要求不是很高的情況下，供電電源就用著作基準(zhǔn)電源，START是芯片的啟動引腳，其上脈沖的下降沿啟動一次新的A/D轉(zhuǎn)換，EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，可用于向單片機申請中斷或供單片機查詢，OE是輸出允許端，CLK是時鐘端，因芯片的時鐘頻率最高只可工作于640KHZ，故通常單片機的ALE引腳經(jīng)分頻后接向該引腳，DB0-DB7是

25、數(shù)字量輸出，LSB表示最低位，MSB表示最高位。3.4.3取樣與保持取樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時間離散的模擬量，取樣信號的頻率愈高，所取得的信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的取樣頻率由取樣定理確定，即式。將取樣電路每次取得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定值，每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間。3.4.4量化與編碼數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且在幅值上也是不連續(xù)的。任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。為將模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，還必須將取樣-保持電路的輸出電壓，按某種近似

26、方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上。這一轉(zhuǎn)化過程稱為數(shù)值量化。量化后的數(shù)值最后還須通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。在量化過程中，由于取樣電壓不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，稱為量化誤差，用表示。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。.0和之間時，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果和采樣電壓呈線性關(guān)系。且出于安全考慮，輸入電壓不能超出模擬供電電壓。對ADSCR寄存器執(zhí)行寫操作后ADC開始轉(zhuǎn)換。一次轉(zhuǎn)換需要1617個ADC時鐘周期。轉(zhuǎn)換時間=總線周期數(shù)=轉(zhuǎn)換時間總線頻率。轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)

27、定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。ADC轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān)，由所選的時鐘源和分頻系數(shù)決定。時鐘源可以是總線時鐘，也可以是CGMXCLK，通過ADC時鐘寄存器里的ADICLK位來選擇。分頻比由ADIV2：0位來確定。例如，如果頻率為4MHz的CGMXCLK作為ADC時鐘，分頻比為4，則設(shè)置總線時鐘頻率為2MHz。轉(zhuǎn)換時間= ；總線周期數(shù)=（1617）us*2MHz=3234；為了滿足ADC模塊的特性，ADC時鐘頻率必須在500kHz2MHz之間，典型值為1MHz。由于一個ADC周期是由幾個總線周期組成的，啟動轉(zhuǎn)換需要一個總線周期的時間寫入ADSCR寄存器，在ADC啟動以前需要額外的02個總線周

28、期初始化ADC時鐘，這就產(chǎn)生了非整數(shù)ADC周期，在此用17個周期來表示。四 遠(yuǎn)紅外測溫儀的軟件設(shè)計4.1控制模塊的設(shè)計4.1.1單片機的選擇自1971年微處理器研制成功后，不久就出現(xiàn)了單片的微型計算機(簡稱單片機)。特別是1976年Intel公司推出的MCS-48單片機，以其體積小、功能全、價格低等特點贏得了廣泛應(yīng)用。MCS-48為單片機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，成為單片機發(fā)展過程中的一個重要階段。在MCS-48的成功應(yīng)用的激勵下，許多半導(dǎo)體公司和計算機公司競相研制和發(fā)展自己的單片機系列。1980年Intel公司最先推出的8位單片機MCS-51系列，包括8031、8051、8052及8751等，它們的

29、基本組成、基本性能和指令系統(tǒng)都是相同的。MCS-51是在MCS-48的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，雖然它仍然是8位的單片機，但其功能較MCS-48有很大的增強。此外，它還具有品種全、兼容性強、軟硬件資料豐富等特點。因此，它被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，智能儀器、儀表，生產(chǎn)自動化領(lǐng)域，現(xiàn)在我國乃至世界范圍內(nèi)不失為單片機應(yīng)用中的主流機型。鑒于MCS-51系列單片機的高性能、低價格，以及在我國的廣泛應(yīng)用，我們決定選用該系列的單片機。但MCS-51系列單片機包含多種型號，通常以片內(nèi)是否帶ROM以及所帶ROM的類型分為8*51類。而MCS-51系列單片機一般采用HMOS和CHMOS工藝制造，CHMOS工藝比較先進，

30、不僅具有HMOS的高速性，同時還具有CMOS的低功耗。為區(qū)別起見，CHMOS工藝的單片機名稱前冠以字母C，成為8*C51類。比較多種型號的MCS-51系列單片機，為滿足高性/價比，以及開發(fā)方便、高效的要求，我們選用了89C51單片機，它采用CHMOS工藝制造，與MCS-51系列的其它機型兼容，內(nèi)帶4K的EEPROM。4.1.2 AT89C51單片機簡介（1）AT89C51的主要特性8位微處理器和控制器，中央處理器是整個單片機的核心部件，能同時處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。內(nèi)含一個布爾運算器，可直接對數(shù)據(jù)的位進行操作

31、和運算，特別適用于邏輯控制。內(nèi)含4KB可重擦寫的可編程閃爍程序存貯器（EEPROM）。內(nèi)含128*8位的數(shù)據(jù)存貯器（RAM）。4個8位(32根)雙向且可獨立尋址的I/O（輸入輸出）接口。2個16位的計數(shù)器/定時器。片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。全雙工方式的串行接口(DART)。兩級中斷優(yōu)先權(quán)的6個中斷源/5個中斷矢量的中斷邏輯。指令集有111條指令，其中64條為單周期指令，支持6種尋址方式。最高時鐘振蕩頻率可達(dá)12MHz，大部分指令執(zhí)行時間為1us，乘、除指令為4us。與MCS-51兼容，壽命為1000次寫/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時間為10年。低功耗的閑置和掉電模式，可編程串行通道，三級程序存儲器鎖定。（2

32、）引腳及功能AT89C51單片機為40腳雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)。其引腳排列順序及引腳符號如圖4.1所示： 圖4.1 AT89C51管腳圖各引腳功能如下：電源及接地GND:電源接地端。Vcc:供電電壓即正常運行和編程校驗時為+5V電源(士10%)。時鐘及復(fù)位信號XTAL1:是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。當(dāng)采用外部振蕩器為時鐘源時，此腳必須接地。XTAL2:是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端，也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。使用外部振蕩器時，可由此腳引入外部時鐘信號。RST:復(fù)位信號輸入端，高電平有效。若此輸入端保持2個機器周期（24個時鐘振蕩周期）以上的高電平，即可以將89C51完成

33、復(fù)位操作。此外，RST引腳的第二功能是VPD，即備用電源的輸入端。當(dāng)主電源Vcc發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，單片機自動將+5v電源接入RST端，為RAM提供備用電源，以保證存儲在RAM中的信息不丟失，以使復(fù)電后能繼續(xù)正常運行。 :地址鎖存允許/編程信號端。當(dāng)89C51上電正常工作后，ALE管腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的六分之一。CPU訪問片外存儲器時，此信號作為鎖存地址總線的低8位地址的控制信號。因此ALE信號可以對外輸出時鐘或定時信號。ALE端的負(fù)載驅(qū)動能力為8個LS型TTL。：程序存儲允許輸出信號端。在訪問片外存儲器時，此端定時輸出脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。此管

34、腳接EPROM的OE端，PSEN端有效，即允許讀出EPROM/ROM中的指令碼。當(dāng)CPU訪問外部程序存儲器時，要產(chǎn)生兩次PSEN負(fù)脈沖信號，當(dāng)CPU訪問內(nèi)部程序存儲器時，PSEN不跳變。此端驅(qū)動8個LS型TTL。/VPP:外部程序存儲器地址通話輸入端/固化編程電壓輸入端。當(dāng)EA端接高電平時，CPU只訪問片內(nèi)EPROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，但在PC的值超過0FFFH時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲器內(nèi)的程序。當(dāng)EA端接低電平時，則CPU只訪問外部EPROM并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲器。此管腳的第二功能Vpp是對89c51片內(nèi)EPROM固化編程時，作為施加較高編程

35、電壓的輸入端。I/O端口引腳：I/O端口P0P3（地址為80H，90H，A0H，B0H），且P0P3為四個8位特殊功能寄存器，特殊功能寄存器位地址表詳見附錄A所示。分別為四個并行I/O端口的鎖存器。它們都有字節(jié)地址，每一個端口鎖存器還有位地址，所以每一條I/O線獨立地用做輸入或輸出時，數(shù)據(jù)可以鎖存；作輸入時，數(shù)據(jù)可以緩沖。P0.0P0.7: P0口是一個8位漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，每位可驅(qū)動8個LS型TTL負(fù)載，故有較強的帶負(fù)載能力。在CPU訪問片外存貯器時，P0口是分時提供8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。當(dāng)P0口作為輸入口使用時，應(yīng)先向鎖存器（地址80H）寫入全1，此時P0口的全部管腳

36、浮空，可作為高阻抗輸入或者通過外接上拉電阻。作輸入口使用時要先寫1，這就是準(zhǔn)雙向的含義。在訪問外接擴展存儲器時，地址數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用。即在指令的前半周期，PO口作為地址總線的低8位輸出，在ALE信號的下降沿該地址被鎖存，在指令的后半周期用做8位數(shù)據(jù)總線。P1.0P1.7: P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，其某一閏的電路結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。每位可驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)載。當(dāng)P1口用做輸入口使用時，應(yīng)先向P1口鎖存器（地址90H）寫入全1，此時P1端口管腳會被內(nèi)部上拉電阻拉至高電平。當(dāng)P1口輸出高電平時，能向外提供拉電流負(fù)載，所以不必再接上拉電阻。在端口用做輸入時，也必須先向?qū)?yīng)

37、的鎖存器寫入“1”，使FET截止。由于片內(nèi)負(fù)載電阻較大，約2040K，所以不會對輸入的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。上拉電阻是兩個場效應(yīng)管（FET）并在一起，一個FET為負(fù)載管，其電阻固定；另一個FET可工作在導(dǎo)通或截止兩種狀態(tài)，使其總電阻值變化近似為0或阻值很大兩種情況。當(dāng)阻值近似為0時，可將管腳快速上拉至高電平；當(dāng)阻值很大時，P1口為高阻輸入狀態(tài)。圖4.2 P1口電路結(jié)構(gòu)P2.0P2.7: P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。P2口緩沖器能接收，輸出4個TTL門電流，每位可驅(qū)動4個LS型的TTL負(fù)載，在訪問外接存儲器器時，用做高8位地址輸出。當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且

38、作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的原故。P3口是一個多功能端口，其某一位的結(jié)構(gòu)如圖4.3所示。P3.0P3.7: P3口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，每位可驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)載，其功能和驅(qū)動能力與P1口、P2口相同。此外，P3口與其它I/O端口有很大區(qū)別，它除作為一般準(zhǔn)雙向I/O口外，還具有特殊的控制功能:P3.0(RXD):串行數(shù)據(jù)接收端（串行口輸入）。P3.1(TXD):串行數(shù)據(jù)發(fā)送端（串行口輸出）。P3.2(INT0):外部中斷0，低有效。P3.3(INT1):外部中斷1，低有效。P3.4(T0):計時器0外部時鐘輸入。P3.5(T1):計時器1外部時鐘輸入。P3.6(WR):片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通控制輸出。P3.7(RD):片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通控制輸入。對比P1口的結(jié)構(gòu)圖不難看出，P3口與P1口的差別在于多了與非門3和緩沖器4，正是這兩個部分，使得P3口除了具有P1口的準(zhǔn)雙向I/O功能之外，還可以使用各管腳所具有的第二功能。與非門3的作用實際上是一個開關(guān)，決定是輸出鎖存器上的數(shù)據(jù)還是第二輸出功能的信號。當(dāng)W=1時，輸出Q端信號；當(dāng)Q=1時，可輸出W線信號。編程時，可不必事先由軟件設(shè)置P3口為第一功能（通用I/O口）還是第二功能。當(dāng)CPU對P3口進行SFR尋址（位或字位）訪問時，由內(nèi)部硬件自動將第二功能輸出線置