1、哈尔滨理工大学学士学位论文基于单片机的红外温度测量系统摘要红外测温技术在生产过程中的产品质量控制和监测、设备在线故障的诊断、设备安全保护以及节约能源等方面发挥着重要作用。温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号。红外检测器将吸收的辐射转化为热能，因此提高检测器的温度，并把温度变化数据转化成电子信号，放大显示出来。红外测温打破了传统的测温模式，并且具备远距离非接触式测量、回应速度快、测量精度高、测量范围广和可同时测量环境温度和目标温度的特点，测量距离可达30米左右。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控
2、制与自动控制的核心就是单片机，单片机在检测和控制系统中得到广泛的应用,温度则是系统常需要测量、控制和保持的一个量。本文主要介绍了利用单片机实现温度控制系统的设计过程，并基于单片机控制技术实现红外温度的测量，系统采用具有SPI（串行外围接口）接口的TN系列红外温度传感器来测量温度信号，可同时测量目标温度和环境温度，并将测量的数据送给SPCE061A单片机处理，之后送数码管显示，同时利用SPCE061A单片机的语音功能播报温度值。该温度计以其准确快捷的测量功能、清晰易懂的数字化显示方便人们日常生活使用，语音播报功能使其更加智能化、人性化。关键词红外测温；TN9；单片机A System of Inf
3、rared Temperature Measurement Based on Single-chip MicrocontrollerAbstractInfrared temperature-measuring in the process of product quality control and monitoring, equipment, equipment on-line fault diagnosis safety protection and energy saving etc plays a very important role. Temperature of objects
4、above absolute zero, the molecules are due to their own movement, the infra-red radiation. Through the infrared detector we can change the power signals which objects radiate into electrical signals. Infrared detector will absorb the radiation into heat, thereby increasing the temperature detector,
5、and temperature data into electronic signals, amplified displayed. Infrared temperature-measuring broke traditional temperature measurement model, and long-distance non-contact measurement, the response speed and high precision measurement, the measurement range and simultaneous measurement of envir
6、onmental temperature and temperature characteristic, measurement target distance can reach 30 meters.SCM has small, strong function, low cost, application, advantages and intelligent control and automatic control of single-chip microcomputer in the core is, inspection and control system has been wid
7、ely used in the system, the temperature is often need to measure and control and maintain a quantity.This paper introduced the use of single chip microcomputer temperature control system design process, and based on single-chip microcomputer control technology, the infrared temperature measurement s
8、ystem using a serial interface (SPI) interface of periphery of infrared temperature sensor TN series, signal measuring temperature measuring temperature and environmental temperature, the goal and the measurement data to SPCE061A processing, after that, at the same time sent by using the function of
9、 speech broadcast SPCE061A temperature. The thermometer to its accurate measurement of quick, transparent function of digital display convenient Peoples Daily life, speech function makes it more intelligent and user-friendly.KeywordsInfrared temperature-measuring;TN9; Single-chip Microcontroller不要删除
10、行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 红外测温技术国内发展状况介绍21.3 红外测温技术国外发展状况介绍21.4 国内外红外测温技术发展状况比较21.5 论文主要研究内容3第2章 红外测温原理及相关器件介绍42.1 红外测温原理42.1.1 红外辐射基础理论42.1.2 非接触红外测温优点72.2 基于单片机的智能仪器设计方法72.2.1 智能仪器的组成及特点82.2.2 智能仪器的设计方法92.3 控制芯片模块介绍102.3.1 SPCE061A 16位单片机介绍112.3.2 SPCE061A片内存储器结构112.4本
11、章小结13第3章 系统硬件设计143.1系统总体设计143.2 主控板设计143.2.1主控芯片的选择143.2.2 主控板设计163.3 显示与键盘173.3.1键盘与显示控制电路设计173.3.2显示驱动电路设计173.4 控制接口设计183.4.1红外测温模块接口设计183.4.2键盘及显示接口设计213.4.3辅助部分接口设计213.5电源模块213.6抗干扰设计223.7本章小结23第4章 系统软件设计244.1系统软件结构244.2系统主程序设计244.3键盘扫描子程序264.4测温子程序274.5播报显示子程序284.6中断服务程序304.7 本章小结30结论31致谢32参考文献
12、33附录A34附录B39附录C43附录D44千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景随着人类社会的发展和科学技术的不断进步，科学技术正在改变着人类的生活习惯，在当今社会，生活的节奏在不断的加快，各种与生活相关的东西也在不断更新。譬如说体温计，温度是人体生命活动的基本特征，也是观察人体机能是否正常的一种生理信号。而传统的体温计多采用生物原理，根据水银随温度升降的热胀冷缩性质，通过读取刻度值来判断温度高低，有时由于光线较暗或其它因素的影响，使得观察者难
13、以准确的判断。同时，这些温度计一般对单人单次测量在2-5分钟左右，其工作效率很低，也难以用于大量的人群排查。今年我国局部地区人群感染甲型H1N1流感，它的前期症状表现为发热，一旦有患者通过机场或车站人群密集的地方，疫情扩散范围会更为加大，在这种情况下，使用传统的水银体温计来排查是否有疑似患者途经则颇显捉襟见肘。红外测温为测量人体温度提供了快速、非接触测量手段，可广泛、有效地用于密集人群的体温测量。非接触红外测温计针对特定人群，比如儿童或老人，极其方便。且利用单片机技术开发的语音功能便可克服传统体温计的许多缺陷。它不但可以以数字的方式显示出测量结果，使测量过程变得直观，而且可以根据需要以语音播报
14、出当前的温度值，除此之外，语音体温计还具有较高的灵敏度，可以在几秒钟内测得结果，且寿命长，是较为理想的测温仪器。红外辐射这一物理现象起源于1800年，赫胥尔首先发现了红外辐射，经过几代科学家100多年的探索、实验与研究，总结出了正确的辐射定律，为成功地研制红外测温仪奠定了理论机车。直到本世纪50年代，红外技术才开始进入广泛应用的阶段【1】。近代红外技术始于二战，推动技术发展的原因主要是由于军事上的迫切需要和航天工程的蓬勃开展。半个世纪以来随着光学技术、半导体技术、电子技术的发展，红外技术也日趋完善，其中红外测温技术也形成了完整的理论并成功的应用于医学、工农业、矿业等领域。红外测温作为一门新技术
15、和新方法 ,它的出现是红外技术的发展结果。红外技术是研究红外辐射的产生、传输、 转换、 探测并付诸应用的一门科学技术。近 20年来 ,红外测温技术在产品质量控制和监测、 设备在线故障诊断、 安全保护以及节约能源等方面发挥了正在发挥着重要作用 ,逐渐被广泛应用于电力、 食品加工、 冶金、 石化、 医疗、 科研等多种行业中。随着工农业、 国防事业、 医学的发展, 对温度测量越来越迫切。 在某些场合, 温度测量逐步上升为主要矛盾, 引起了各方面的普遍重视。例如在不停机的情况下对机械设备、 电力设备、 生产设备等进行温度测量; 在不能造成产品的污染或损坏的情况下对生产过程中或仓库里的产品温度进行测量;
16、 在医学领域内, 为了了解病人的身体状况, 需对病人身体各个部分的温度进行安全的测量。在这种背景下, 使用方便、 可快速对物体温度进行非接触、 无损测量的红外测温技术就得到了极大的发展。若测温不仅限于某一点, 而是一个区域, 则可以呈现温场分布的图像。红外测温技术也是一门很实用和前沿的技术，以此作为毕业设计，利于理论联系实际，形成个人在这一方面的知识体系，是对本科阶段学习内容的升华，特别是对单片机控制、传感器技术知识深入，它对学生自身综合素质与工程能力的培养也有重要意义。1.2 红外测温技术国内发展状况介绍我国的红外技术研究起步于60年代，70年代后期开始了红外玻璃测温计的研究，但至今未形成系
17、列产品，工业应用仅在近几年才开始。60年代我国研制成功第一台红外测温仪，1990年以后又陆续生产小目标、远距离、适合电业生产特点的测温仪器，如西光IRT1200D型、HCW型、HCW型；YHCW9400型；WHD4015型（双瞄准，目标D 40mm，可达15 m）、WFHX330型（光学瞄准，目标D 50 mm，可达30 m）。近年来随着我国工业迅速发展和产品更新换代的速度，对测温系统的需求量越来越大，尽管热电偶一类接触性测温传感器件仍具有很大的优势，但非接触性的红外测温技术正日益收到各行各业的注视和研究开发。国外的红外测温技术发展较早，技术比较成熟，红外测温产品种类繁多，测温精度及分辨率较高
18、。国内生产红外测温仪的厂家和研究所有：上海自动化三厂、云南仪表厂、中国科学院自动化所、杭州无线电厂西光仪器厂等。1.3 红外测温技术国外发展状况介绍在国外，非接触红外测温技术的发展极为迅速：日本的千野、横河、松下、川崎、精工、北辰、米诺他等公司生产的简易辐射温度计具有较高的水平。美国生产的PM20、30、40、50、HAS201测温仪；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有较广泛的应用。DL500 E可以应用于110500 kV变电设备上，图像清晰，温度准确。红外热像仪，主要有日本TVS2000、TVS100，美国PM250，瑞典AGA THV510、550、570。美国许多公司研制
19、出各种便携式辐射温度计，如RAYTEK公司的Ranynger系列、WAHL公司的DHS系列、UNITY PUWER SYSTEM公司的TM系列等。英国LAND公司和德国的IKE公司生产的红外测温仪都具有较高的准确度。1.4 国内外红外测温技术发展状况比较相比之下，国内红外测温技术相对来说技术落后，产品种类比较单一，测温精度及测温分辨率也不如国外产品在技术性能上国内产品与国外产品相比还有一定差距，但随着红外产品在国内应用得更加普及，会有更多厂家和科研机构进行这方面的研究，会推动我国红外测温产品性能的提高，以满足工农业生产的需要。1.5 论文主要研究内容本论文主要研究基于单片机控制技术实现红外温度
20、测量，主要研究的内容包括：红外测温原理及方法，单片机控制技术、系统的硬件设计和测温软件设计等工作。以单片机为控制核心，设计完成基于单片机的红外温度测量系统，采用红外温度探测技术实现对测量目标的非接触温度实时测量。完成测量系统的硬件设计和主要的测量软件设计。本设计为红外测温系统，要求所测量的温度应非常准确,同时要满足数字化的要求。需要其具有良好的灵敏度。在我的实际的设计过程中,通过对DS18B20数字温度传感器和TN9这两种红外温度传感器进行仔细的学习了解，并对相关要求进行了合理的分析与论证，最终，选取最合适的红外温度传感器为设计所用。在以往的实时控制领域中，常规方式是采用上、下位机的模式。上位
21、机一般采用工业级的PC机，下位机一般采用单片机、PLC或DSP微控制器。近年来随着微电子技术、计算机技术以及软件技术的发展，这种模式正逐渐被嵌入式系统所取代。人们可以选用高性能的微控制器(例如单片机)或微处理器，加上嵌入式实时操作系统，面向具体应用编写应用程序，形成完整的实时控制系统。第2章 红外测温原理及相关器件介绍2.1 红外测温原理2.1.1 红外辐射基础理论红外技术时代的到来已经打开了多种多样应用的大门，它们包括了光电子器件、电光器件、通信系统、高分辨率成像传感器以及一大批其他商用和军用传感器。在把红外技术应用于各种器件与系统之前，了解红外辐射理论是极为重要的【2】。红外线是一种电磁波
22、，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。红外辐射也称红外光，其波长从0.75m到1000m。红外光在电磁波普中的位置如图2-1所示。射线X射线紫外线可见光红外光微波无线电波mcm m10-710-510-310-1110-1100101102近红外中红外远红外0.753201000m宇宙射线 图2-1 红外光在电磁波谱的位置在电磁波谱中，我们把人眼可直接感知的0.40.75微米波段称为可见光波段，而把波长从0.75至1000微米的电磁波称为红外波段，红外波段的短波端与可见光红光相邻，长波端与微波相接。可
23、见光辐射主要来自高温辐射源，如太阳、高温燃烧气体、灼热金属等，而任何低温、室温或加热后的物体都有红外辐射【3】。红外线是电磁波谱的一个部分，这一波段位于可见光和微波之间。红外光的最大特点就是具有很强的光热效应，是光谱中最大的光热效应区。红外光在光谱区中位于可见光之外，是一种不可见光。和所有的电磁波一样，它也具有反射、折射、干涉、吸收等性质。自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都会因自身的分子运动而产生红外辐射，红外辐射的强度与物体的温度及表面的辐射能力有关。1. 红外辐射的发射及其规律先简单介绍一下黑体的红外辐射规律。所谓黑体，简单讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的
24、物体，也就是说全吸收。显然，因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射（吸收率不等于1），所以，黑体只是人们抽象出来的一种理想化的物体模型。但黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系。下面，我着重介绍其中的三个基本定律。 （1）辐射的光谱分布规律-普朗克辐射定律一个绝对温度为T(K)的黑体，单位表面积在波长附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度)与波长、温度T满足下列关系见式（21）： （21）式中，分别为第一、第二辐射常数。普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。（2）斯蒂芬玻尔兹曼
25、定律：物体的总辐射率，即单位面积发射总功率与黑体温度的四次方及材料表面的发射率成正比。数学表示见式（22）： （22）其中：，为 Stefan-Boltzmann常数，为材料表面发射率。1879年斯蒂芬从实验上总结而得到该公式，1884年玻耳兹曼从理论上证明了它。斯蒂芬-玻耳兹曼定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射，而且，黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且，只要当温度有较小变化时，就将会引起物体发射的辐射功率很大变化。那么，我们可以想象一下，如果能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率，不是就能确定黑体的温度了吗？因此，斯蒂芬-玻耳兹曼定律
26、是所有红外测温的基础。（3）辐射的空间分部规律朗伯余弦定律所谓朗伯余弦定律，就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比见式（23）： （23）此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检测时。应尽可能选择在被测表面法线方向进行，如果在与法线成角方向检测，则接收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的倍。2. 红外辐射规律在实际应用中的问题前面所说的辐射定律是对理想辐射源-黑体而言的，黑体的发射系数为1。自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体，它们的发射系数都小于1。这些物体与黑体的差别就体现在发射率、反射率及透射率上。我们知道，自然界充满着电
27、磁辐射，一切物体都处于电磁辐射之中，一切物体都在不断地辐射、吸收、反射或透过红外辐射。根据基尔霍夫定律，在热平衡状态下，物体辐射的功率等于它吸收的功率。物体的辐射率、反射率和透过率总和为1。用公式表示，即E+R+T=1,E为发射率，R为反射率，T为透射率。 实验表明，实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。这里，我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，则就可把黑体的基本定律应用于实际物体。这个辐射系数，就是常说的发射率，或称之为比辐射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。德国物理学家基尔霍夫通过实验发现：在相同的温度下，各种物体在同
28、一波长的发射率与吸收率的比值都相等，并等于该温度下黑体在同一波长的发射率。数学表示见式（24）： （24）其中为波长、 T为物体绝对温度，表示黑体在特定温度和波长下的本领，为常数。该定律指出物体发射本领和吸收率之间的普遍关系，通俗地说就是辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强。物体的辐射出射度M(T)和吸收本领的比值M/与物体的性质无关，等于同一温度下黑体的辐射出射度M0(T)。其表明，吸收本领大的物体，其发射本领大，如果该物体不能发射某一波长的辐射能，也决不能吸收此波长的辐射能。3. 生物波谱生物波谱又称生物频谱，是生物自身发出的生物物理信息的光波或频率的综合称谓，它构成生物体周围的生物信息场
29、。科学研究表明，生物体（包括人体）可产生温度场、电场和磁场等，统称为生物信息场，可以用物理学中的电磁波谱频率或波长、温度等物理因子来表述。生物波谱的波长覆盖范围在电磁波谱中的紫外线到弱微波之间，人体的生物波谱则主要在红外线到弱微波区域，尤其集中在红外线波段范围。因此它遵循电磁波的一切特性。生物波谱的这种物理信息的存在、变化是与生物体自身功能状态密切相关的，同样可以反映生物体的健康状态。在人体生物信息场已知物理参数的实验测量中，对辐射能量比较集中的波谱分布，取得比较一致的数值结果，JD哈里认为，人体辐射能量与皮肤表面温度及辐射率有关。活体皮肤光谱范围约为3-50m，其中8-14m波段的辐射量占总
30、能量的46%，峰值波长约为9.5m，虽然人体生物波谱分布范围较宽，从可见光到微波波段，但在非能量集中区域，信号强度较低，尤其在远端的数值极其微弱。经科学检测，不管人的肤色如何，干燥皮肤的红外辐射率(emissivity)均为0.98,近似为黑体。根据普朗克定律，其波长主要分布在2.5-25m红外波段范围内，根据 Wien 定律mT2898（Km），人体皮肤辐射的峰值波长约9.5m 。2.1.2 非接触红外测温优点非接触红外测温优点如下：1. 远距离和非接触测量红外测温不需要与被测温度场的内部或表面，因此，不会干扰被测温度场的状态，测温仪本身也不受温度场的损伤。并可远距离测量，它特别适合于对高速
31、运动物体、旋转体、带电体和高温高压下物体的温度测量。2. 响应速度快红外测温不象热电偶、温度计那样，需要与被测量体接触以达到热平衡，只要接到目标的红外辐射即可测量，其响应时间在毫秒甚至微秒数量级。3. 灵敏度高因物体温度的微小变化会引起辐射功率的较大变化，容易被探测器探出，故红外测温的可测温差很小，可达零点几摄氏度。4. 准确度高红外测温是非接触测量，不破坏物体本身的温度分布，因而所测温度真是、准确、误差可达0.1oC以下。5. 测温范围广测温范围可从负几十摄氏度到正几千摄氏度【4】。因其是非接触测温，所以测温系统并不处在较高或较低的温度场中，而是工作在正常的温度或测量系统允许的条件下。2.2 基于单片机的智能仪器设计方法微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲
