基于C51单片机的红外温度测试仪含外文翻译.docx
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基于C51单片机的红外温度测试仪含外文翻译
南京工程学院
毕业设计说明书(论文)
作者:
崔明明学号:
202090637
院系:
计算机工程学院
专业:
电子信息科学与技术
题目:
基于C51单片机的红外温度测试仪
指导者:
王桂珍/郑胜男高级实验师/助理实验师
评阅者:
王桂珍/高级实验师
2013年5月南京
毕业设计说明书(论文)中文摘要
现代的温度测量技术在生活中应用十分广泛,但在某些领域中,所测物体不能与温度测量仪相接触,此时需要一种非接触式的温度测试仪来满足上述的要求。
本论文所研究的红外温度测试仪正是为了迎合上述的需求而设计的。
红外温度测试仪是以黑体辐射定理作为理论基础,是结合光学和微电子学等领域所发展的产物。
本论文介绍了红外温度测试仪的基本理论基础和实现的具体方法。
详细地介绍了系统的组成结构和具体的实现方式,给出了硬件原理图和软件的设计流程图。
本系统主要由光电探测器系统、控制系统、报警系统、调温系统、显示输出等五部分组成。
光电探测器汇聚视场内目标的红外辐射能量,红外辐射能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。
C51单片机负责控制启动系统测量、接收测量数据和处理数据,分析报警数据,传送数据最后通过LCD把结果显示出来。
与传统的测温方式相比具有非接触、响应时间快、不干扰被测物体的温场等一系列优点。
关键词:
STC89C51单片机红外测温LCD显示报警系统
毕业设计说明书(论文)英文摘要
TitleInfraredThermomrterBasedonC51MCU
Abstract
Today,thetechnologyoftemperaturemeasurementisusedwidespreadinourlife.Butinsomeapplicationdomains,themeasuredobjectcannotcontactwithtemperaturemeasuringinstrument,whichneedsakindofnon-contacttemperaturemeasurementtosatisfiesthedemand.Infraredtemperatureinstrumentdesignedinthispaperisinordertomeettheaboverequirements.
Infraredtemperatureinstrumentusestheblackbodyradiationlawsasthetheoriesfoundation,itistheproductofthecombinationofOpticsandmicroelectronicsfield.Thispaperintroducesthebasictheoryofinfraredtemperaturerandrealizationmethod.Thepaperintroducesthesystemstructureandtheconcreterealizationway,andgivesthehardwareprinciplediagramandthedesignflowchartofthesoftware.Thesystemisformedbythephotoelectrondetector,displaysystem,Controlsystem,alarmsystem,temperaturecontrolsystemandoutputpartially.Theopticalsystemcollectstheinfraredradiationenergyoftheobjectinitsfieldofview,theinfraredenergyfocusontheinstrumentandtransformstothecorrespondingelectricalsignal.TheC51MCUisusedtostartthesystemmeasurement,receivingmeasurementdata,processingdata,analysisofalarmdata,transmittingdataanddisplaytheresultonL
CD.Comparedtothetraditionaltemperaturemeasurement,ithasaseriesofadvantages,suchasnon-contact,shortinresponsetime,noninterferencetotemperaturefield,etc.
Keywords:
TheC51MCU,InfraredRadiationThermometry,LCD,AlarmSystem
第一章前言
1.1课题背景及意义
随着现代医学和工业发展的需求,在很多情况下需要一个快速而又准确的测温仪器,而传统的温度计显然不能满足要求,比如在车站和机场的人口密度很大的情况下,快速准确测温很重要。
在国外这种测温技术已经日趋成熟,而在国内红外测温技术还处于发展阶段。
因此,为了适应医学发展的需要,在特殊环境下快速测温,急需设计一种测温速度快、准确率高的仪器。
针对这种情况,我们通过红外测温的原理,设计了一种带有温度补偿电路的温度仪。
该温度仪可以自动调节温度差数,提高测量的精确度,适用于快速测温的场合。
1.2红外温度仪的发展现状
红外测温技术在生工业产过程如产品质量控制和监测、设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面得到普遍应用。
红外检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目,红外检测是一种在线实时监测(不停电)式高科技检测技术,红外温度计应用了很多领域的知识,包括光电、信息、图像处理等重要的高科技技术。
通过接收物体本身发射出来的红外光线,在接收端收集红外信号,并通过转换成温度信号,最终在屏幕端显示出来。
其工作原理是任何物体由于其自身分子的运动,都在不停地向外部环境辐射红外热能,从而热能在物体表面产生温度场,俗称“热像”。
正是通过吸收这种辐射的红外能量,红外诊断技术能测出设备表面温度场的分布,从而判断设备发热状况。
而近20年来,非接触式红外人体测温仪在技术上边得到迅速发展,性能不断完善而功能不断增强、品种不断增多、适用范围也不断扩大。
比起接触式测温方法,红外测温仪有着非接触、响应时间快、使用安全及使用寿命长等优点。
非接触式红外测温也叫辐射测温,一般使用热电型或光电探测器作为检测元件。
此温度测量系统比较简单,可以实现大面积的测温,也可以是被测物体上某一点的温度测量;可以是便携式,也可以是固定式,并且使用方便;它的制造工艺简单、成木低廉、测温时不接触被测物体。
具有响应时间短、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。
但利用红外辐射测量温度,也必然受到物体发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响,其测量误差较大。
在这种温度测量技术中红外温度传感器的选择是非常重要的,而且不仅在点温度测量中要使用红外温度传感器,大面积温度测量也可使用红外温度传感器。
本设计正是采用红外温度传感器这种温度测量技术,它具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点;另外红外温度传感器的种类较多,发展非常快,技术比较成熟,这也是本设计采用红外温度传感器设计非接触温度测量仪的主要原因之一。
目前,我国也在研发一种体积小、成本较低,又不受外界环境温度干扰的人体红外测温仪,对医学、工业的发展有很重大的意义。
1.3论文的主要研究内容
本论文以工行分为六个章节:
第一章主要介绍了红外温度仪的选题意义背景以及发展的现状。
第二章通过研究红外温度仪所需要的软硬件平台,介绍了C51单片机的内部结构以及单片机在系统中的功能,在软件方面详细介绍了函数的调用以及编程所需要的软件知识。
第三章通过对红外温度仪的硬件的研究,详细介绍了该系统各个功能模块,每个硬件模块需要的功能,给出了系统在硬件上的连接图。
第四章通过对系统软件功能的研究,详细说明了软件编程的实现,对每个软件功能进行了介绍。
第五章通过硬件软件方面的调试,系统下载软件程序进行测试,并给出了调试过程中所需要的问题及解决思路。
第六章介绍了这次设计的学习体会。
最终实现一个具有以下功能的红外温度测试仪:
1、开机复位时自动初始化设备,引导程序正确执行;2、开机或复位之后启动A/D转换,对环境温度进行采样,并在显示器上显示当前环境温度;3、保持环境温度显示的同时,对覆盖热释电探测器视场的物体表面的红外辐射进行转换和采样,并比较各采样值,直到采样值为热释电探测器响应的峰值电压为止;4、实时显示所测温度;5、测量精度:
+/-2%,2°C;6、测量范围-33~220°C/-27~428°F;7、操作范围-10~50°C/14~122°F;9、响应时间:
1sec;10、D:
S为1:
1;11、波长:
5um-14um;12、人体测温距离:
5~10cm。
2、软件设计部分的程序主要实现以下功能:
1、循环采样,重复读取数据做到实时显示;2、对数据进行处理,对红外温度模块的采集红外数据进行转换,并在脉冲下传送数据到单片机中;3、当温度超过设定的上限报警温度时候,则蜂鸣器开始响,进行温度的报警;4、系统的上限报警温度可以调节;5、液晶显示子程序完成最后的温度。
1.4本章小结
本章主要介绍了红外温度仪的设计背景以及发展的前景,可以看出在国内医学和工业方面有巨大的应用价值。
本章站在实际的应用角度,从应用价值出发分析了红外温度仪所要达到的设计要求,结合生活的实际,与传统温度仪相比有巨大的优势。
从而论证了选题和此次毕业设计的意义以及价值。
第二章开发平台与主要语言
本章中详细介绍了非接触式红外温度测试仪的开发平台和主要使用的编程语言。
本次开发主要使用单片机作为硬件平台,keil编程软件作为软件环境。
2.1C51单片机简介
89C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品,它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征,基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统,集成了时钟输出和向上或向下计数器等很多的功能,在很多工业控制中广泛应用。
C51单片机主要有以下几个特性:
增强型6时钟/机器周期,12时钟/机器周期8051CPU;工作电压:
5.5v-3.8v;
工作频率为0-40MHz,实际工作时频率可达到48MHz;4k的Flash程序存储器;片上集成512字节RAM;ISP/IAP,无须专用编程器/仿真器;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;EEPROM功能;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)共3个16位定时器/计数器,其中定时器0还可以作为2个8位定时器来使用;外部中断4路,下降沿产生中断或通过低电平来触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒;超低功耗,正常工作模式,典型功耗2mA;掉电模式,典型功耗0.5uA,可由外部中断唤醒,中断返回后,继续执行原程序;工作温度范围:
0-75℃/-40~+85℃;封装形式:
PDIP-40/PLCC-44/PQFP-44。
2.1.1C51单片机接口介绍
图2-1单片机引脚
上述单片机一共有21个引脚,在工业应用中主要作为小型控制模块。
操作简单,编程方便,价格低廉因此得到广泛使用。
电源引脚:
Vcc和Vss:
Vcc(40或44脚)是电源端,为+5V,Vss(20或22脚)是接地端。
时钟电路引脚:
XTAL1(19或21脚),接外部晶振和微调电容的一端;在片内是反向放大器的输入端,在采用外部时钟时,该引脚作为外部时钟脉冲输入端;XTAL2(18或20脚),接外部晶振和微调电容的另一端,在89C51片内它是反向放大器的输出端,振荡电路的频率就是晶体固有频率。
若需采用外部时钟电路时,则该引脚悬空,89C51正常工作时,该引脚应有脉冲信号输出。
控制信号引脚RST:
复位信号输入端,高电平有效,当此输入端保持两个机器周期的高电平时,就可以完成复位操作;ALE:
地址锁存允许信号端,正常工作时,该引脚以振荡频率的1/6固定输出正脉冲,CPU访问片外存储器时,该引脚输出信号作为锁存低8位地址的控制信号,它的负载能力为8个LS型TTL负载;PSEN(29或32脚):
程序存储器允许信号输出端。
在访问片外ROM时,定时输出负脉冲作为读片外ROM的选通信号,接片外ROM的OE端,它的负载能力为8个LS型TTL负载;EA:
外部程序存储器地址允许输入端。
当该引脚接高电平时,CPU访问片内行片内程序存储器中的指令,但当过0FFFH(片内ROM为4KB)时,将执行片外ROM中的程序,当该引脚接低电平时,CPU只访问片执行外部程序存储器中的程序。
I/O端口P0、P1、P2、P31、I/O口:
当I/O口作为输入时,应先向此口锁存器写入全1,此时该口引脚浮空,可作高阻抗输入;P0口:
漏极开路的8位准双向I/O口,每位能驱动8个LS型TTL负载。
P0口可作为一个数据输入/输出口;在CPU访问片外存储器时,P0口为分时复用的低8位地址总线和8位数据总线P1口:
带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口,每位能驱动4个LS型TTL负载;P2口:
带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口,每位能驱动4个LS型TTL负载。
在CPU访问片外存储器时,它输出高8位地址;P3口:
带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口,每位能驱动4个LS型TTL负载。
P3口除作为一般I/O口外,每个引脚都有第二功能。
2.1.2C51单片机的内部系统模块
图2-2系统模块
有以下几个结构:
8位CPU程序存储器(ROM)(52为8K);256bytes的数据存储器(RAM)(52有384bytes的RAM);32条I/O接口线;单字节指令占大部分;21个专用寄存器;2个可编程定时器;5个中断源;2个优先级(52有6个);全双工串行通信口一个;64kB外部数据存储器寻址空间;64kB外部程序存储器寻址空间为,具有逻辑操作位寻址的功能,直插双列40PinDIP封装,单一+5V电源供电;CPU:
由运算和控制逻辑组成;还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器;RAM:
用以存放可以读写的数据,比如运算中间结果、最后结果以及所要显示的数据;ROM:
用以存放一些原始数据、程序和表格;I/O口:
四个8位并行I/O口,既可用作输入,也可用作输出;T/C:
两个定时/记数器,既可以工作在定时模式,也可以工作在记数模式;五个中断源的中断控制系统;一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口,来实现串行通信;时钟电路和片内振荡器,石英晶体和微调电容需要外接。
最高振荡频率为12M。
2.1.3C51单片机内部存储资源分配
1)程序存储器的空间。
编址为89C51片内FlashROM的容量为4KB。
地址为0000H~0FFFH。
片外最多可扩至64KBROM/EPROM,地址为1000H~FFFFH。
当EA=“1”时,89C51的PC在0000~0FFFH范围内执行片内ROM中的程序,当指令地址超过0FFFH后就自动转向片外ROM中取指令。
当EA=”0”时,89C51片内ROM不起作用,CPU只能从片外FlashROM/EPROM中取指令。
可以从0000H开始寻址。
由于8031片内不带ROM,所以使用时必须EA=”0”。
89C51从片内ROM和片外ROM取指的速度相同。
程序存储器的保留存储单元。
如表2-1所示。
表2-1程序存储器保存单元
存储单元
保留目的
0000H-0002H
复位后初始化引导程序
0003H-000AH
外部中断0
000BH-0012H
定时器0溢出中断
0013H-001AH
外部中断1
001BH-0022H
定时器1溢出中断
0023H-002AH
串行口中断
002BH
定时器2中断
2)数据存储器地址空间分为:
1、片外RAM:
64kB,其地址为0000H~FFFFH寻址是用MOVX指令;2、片内RAM:
256B,其片内RAM地址空间有低128字节RAM(00H~7FH),工作寄存器区(00H~1FH),由四组(32个)工作寄存器组成,每组8个寄存器(R0-R7),共占32个单元。
表2-2工作寄存器地址表
组
RS1
RS0
R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
0
0
0
00H
01H
02H
03H
04H
05H
06H
07H
1
0
1
08H
09H
0AH
0BH
0CH
0DH
0EH
0FH
2
1
0
10H
11H
12H
13H
14H
15H
16H
17H
3
1
1
18H
19H
1AH
1BH
1CH
1DH
1EH
1FH
3)位寻址区D地址范围是20H~2FH,位寻址区有16个单元,每个单元8位,共128位位地址为00H-7FH。
表2-3位寻址地址表
字节地址
MSB
位地址
LSB
2FH
7F
7E
7D
7C
7B
7A
79
78
2EH
77
76
75
74
73
72
71
70
2DH
6F
6E
6D
6C
6B
6A
69
68
2CH
67
66
65
64
63
62
61
60
2BH
5F
5E
5D
5C
5B
5A
59
58
2AH
57
56
55
54
53
52
51
50
29H
4F
4E
4D
4C
4B
4A
49
48
28H
47
46
45
44
43
42
41
40
27H
3F
3E
3D
3C
3B
3A
39
38
26H
37
36
35
34
33
32
31
30
25H
2F
2E
2D
2C
2B
2A
29
28
24H
27
26
25
24
23
22
21
20
23H
1F
1E
1D
1C
1B
1A
19
18
22H
17
16
15
14
13
12
11
10
21H
0F
0E
0D
0C
0B
0A
09
08
20H
07
06
05
04
03
02
01
00
4)用户RAM区地址范围为30H~7FH,其中高128字节RAM为80H~FFH,有21个特殊功能功能寄存器和有11个具有位寻址能力。
表2-4特殊功能寄存器表
符号
名称
地址
符号
名称
地址
*ACC
累加器
E0H
*B
B寄存器
F0H
*PSW
程序状态字
D0H
SP
栈指正
81H
*P0
P0锁存器
80H
*P2
P2锁存器
A0H
*P1
P1锁存器
90H
*P3
P3锁存器
B0H
DPTR
数据指针(高8位DPH低8位DPL
83H
82H
TL0
定时器/计数器0(低字节)
8AH
*IE
中断允许控制寄存器
A8H
*TCON
定时器/计数器控制寄存器
88H
TMOD
定时器/计数器工作方式寄存器
89H
T0H
定时器/计数器0(高字节)
8CH
TH1
定时器/计数器1(高字节)
8DH
TL1
定时器/计数器1(低字节)
8BH
*SCON
串行口控制寄存器
98H
SBUF
串行数据缓冲器
99H
*IP
中断优先级控制寄存器
D8H
PCON
电源控制及波特率选择寄存器
87H
2.2编程语言
本系统是基于C51单片机的红外温度测试仪系统,编程语言在keil的软件环境下实现,为了更好的理解软件程序,下面简单介绍编程的环境。
2.2.1Keil简介
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。
其C语言与汇编相比,在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而简单易学易用。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的开发调试工具,全Windows界面。
它提供了一个完整开发方案,其中包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和功能强大的仿真调试器等,通过一个集成开发环境(uVision)将这些部份组合在一起。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
其界面如图2-3所示:
图2-3Keil编程环境
2.2.2Keil主要特点
1、全功能的源代码编辑器;2、器件库用来配置开发工具设置;3、项目管理器方便用户创建和维护项目;4、集成的MAKE工具可以进行汇编、编译和连接用户的嵌入式应用;5、开发工具的设置都是以对话框形式的出现的;6、高级GDI(AGDI)接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51进行通信。
2.3本章小结
本章节从设计红外温度仪所需要的硬件条件和软件知识方面入手,详细的介绍了红外温度仪控制中心器件C51单片机的功能以及单片机的工作原理和内部结构。
为红外温度仪的硬件设计提供了很好的硬件支持。
同时在软件方面,使用的是C语言的编程,C语言具有简单易于编写且方便维护的特点,同时在keil的开发环境下,编程易于操作仿真,为红外温度仪的软件方面积累了一定的设计基础。
第三章红外温度仪的系统设计
本章主要介绍红外温度计的技术原理和工作指标,以及各个模块的硬件设计和软件方面的编程实现。
3.1红外温度计的工作原理
自然界一切高于绝对零度(-273.15℃)的物体,由于物体内部分子的热运动,都在时刻地向周围空间发射的电磁波包括红外波段在内,其物体温度与辐射能量密度关系符合辐射定律。
红外辐射原理—辐射定律如下:
(2.1)
式中:
是辐射时的分子出射度数,单位为
;
为斯蒂芬―波尔兹曼常数,
;
是物体辐射率;
是物体温度,单位为
;
为物体所处环境温度,单位为
。
所以根据上式测量出发射
,就可得出温度。
红外温度仪表就是运用这个原理所制成。
所制成的温度仪不需要与物体的表面接触,因此属于非接触式的温度仪。
温度范围不同,物体发出的电磁波能量的波长也不同,在常温(0~100℃)范围,能量集中在远红外和中红外波长。
根据式(2.1)的原理,仪表所测得的红外辐射为:
(2.2)
式中:
为光学常数,与温度仪具体设计有关;
为被测物体的辐射率;
为红外温度仪的辐射率;
为被测对象的温度表面(K);
为红外温度计的所处环境温度(K);它由一个内置的温度检
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