红外体温计 毕业论文

红外体温计 毕业论文 题目:红外体温计 院,部,系 物理学与电子信息工程系 所 学 专 业 电子信息工程 年级、班级 姓名 分成 工 绩 学号 姓名 分成 学号 工 绩 姓名 分成 工 绩 学号 姓名 分成 工 绩 学号 2013年 6 月 9日 红外体温计 1、前言 在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波,其中就包含了波段位于0. 75,100μm 的红外线.红外测温仪就是利用这一原理制作而成的,温度是度量物体冷热程度的一个物理量，是工业生产中很普遍、很重要的一个热工参数，许多生产工艺过程均要求对温度进行监视和控制，特别是在化工、食品等行业生产过程中，温度的测量和控制直接影响到产品的质量和性能。传统的接触式测温仪如热电偶、热电阻等，因要与被测物质进行充分的热交换，需经过一定的时间后才能达到热平衡，存在着测温的延迟现象，故在连续生产质量检验中存在一定的使用局限。目前，红外温度仪因具有使用方便，反应速度快，灵敏度高，测温范围广，可实现在线非接触连续测量等众多优点，正在逐步地得以推广应用。 2、黑体辐射与红外测温原理与特点 2.1 黑体辐射与红外测温原理 一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 黑体辐射定律:黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1，其它的物质反射系数小于1，称为灰体。应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。 由于黑体的光谱辐射功率Pb(λΤ)与绝对温度Τ 之间满足普朗克定理: 5,c,1P,T, ，，expcb2 ,T,1 (1) 1 其中，Pb(λΤ)—黑体的辐射出射度; λ—波长; T—绝对温度; 1、2—辐射常数。 cc 式(1)说明在绝对温度Τ 下，波长λ处单位面积上黑体的辐射功率为Pb(λΤ)。 根据斯特藩—玻耳兹曼定理黑体的辐出度 Pb(Τ)与温度Τ 的四次方成正比， 即: 4 (2) ，，PT,,Tb 式中，Pb(T)—温度为T 时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能，称为总辐射度; σ—斯特藩—玻耳兹曼常量; —物体温度。 T 式(2)中黑体的热辐射定律正是红外测温技术的理论基础。如果在条件相同情况下，物体在同一波长范围内辐射的功率总是小于黑体的功率，即物体的单色辐出度 Pb(Τ)小于黑体的单色黑度ε(λ)，即实际物体接近黑体的程度。 ε(λ)= P(T)/ Pb(T) (3) 考虑到物体的单色黑度ε(λ)是不随波长变化的常数，即ε (λ)=ε，称此物体为灰体。它是随不同物质而值不同，即使是同一种物质因其结构不同值也不同，只有黑体ε=1，而一般灰体0<ε<1，由式(3)可得: 4 ，，，，，，PT,,PT;PT,,,Tb 所测物体的温度为: 1 4,,，，PT,,,T (4) ,,,, 式(4)正是物体的热辐射测温的数学描述。 2.2 红外测温仪特点 一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。红外辐射能量的大小按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身发出的红外能量的测量,便能准确地测出它的表面温度。红外测温仪能接收多种物体 2 自身发射出的不可见红外辐射能量。红外辐射是电磁频谱的一部分,红外位于可见光和无线电波之间。当仪器测温时,被测物体发射出的红外辐射能量,通过测温仪的光学系统在探测器上转为电信号,并通过红外测温仪的显示部分显示出被测物体的表面温度。红外测温仪特点:非接触式测量,测温范围广,响应速度快,灵敏度高。但由于受被测对象的发射率影响,几乎不可能测到被测对象的真实温度,测量的是表面温度。 3、远红外测温仪的硬件电路设计 3.1远红外传感器的设计 3.1.1 远红外探测器的一般组成 远红外探测器一般由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。光学系统是远红外探测器的重要组成部分。根据光学系统的结构分为反射式光学系统的远红外探测器和透射式光学系统的远红外探测器两种。 对于反射式光学系统的红外探测器的结构，它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。为了减小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射聚集到敏感元件上，敏感元件与透镜组合在一起，前置放大器接收热电转换后的电信号，并对其进行放大。 本设计中主要使用透射式光学系统的远红外探测器，其原理图如图1所示。透射式光学系统的部件用红外光学材料做成，不同的红外光波长应选用不同的红外光学材料:在测量700?以上的高温时，用波长为0.75,3um范围内的近红外光，用一般光学玻璃和石英等材料作透镜材料;当测量100,700?范围内的温度时，一般用3,5um的中红外光，多用氟化镁、氧化镁等热敏材料;当测量100?以下的温度用波长为5,14um的中远红外光，多采用锗、硅、硫化锌等热敏材料。三个范围内的波长远红外光其测量的温度相对较低，同时对仪器的损坏了相对较小，而远红外测温仪最适合的工作波长是8,14um，因此，在选用波段时应充分考虑远红外测温仪的工作波长而选择第三段。获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避免这一困难，所以，反射式光学系统用得较多。 3 图1 透射式远红外探测器示意图 3.1.2测温部分模块 远红外测温仪系统是一个有机的整体，并能对各种信息进行快捷的处理和显示，因此,在进行信号接收时首先利用遮光板对被测物体所发出的红外辐射能量进行有选择的吸收，主要吸收其中的远红外光谱。而遮光孔的大小由单片机输出控制信号控制电机的转动与否来带动遮光板旋转。经选择吸收的远红外辐射光信号通过敏感元件的转换成与之相应的电信号并送到放大器进行放大处理，再经滤波器的滤波处理成所需要的电信号送到加法器运算，最后送到显示输出端显示，但是在进行加法运算时要利用温度补偿部分对所输出的数据进行补偿，以实现被测物体温度值与显示输出的线性关系，从而实现测温仪的智能化控制，据此原理得出远红外测温仪的部份处理装置的原理框图如图2所示。 图2 红外测温部份处理装置的原理框图 远红外测温仪的探头部分的方框图是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统，利用热辐射体在远红外波段的辐射能量来测量温度，由测温传感器、放大单元、滤波单元及加法单元、温度补偿单元组成。测温传感器为一暗盒，盒内固定热释电探测器件，前方有遮光板，电动机带动遮光板旋转，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线，红外测温装置通过光电敏感元件将远红外辐射能变换为电信号输出，温度补偿二极管也 4 固定在盒内;放大单元是选用集成运放作为模拟放大器,且运放工作于线性放大区，电路的输出与输入之间存在一一对应的关系, 反馈信号通过反馈电阻送到输入端,即利用电压本身的变化量通过反馈网络对放大电路起自动调整作用,最终达到放大并稳定输出电压的作用;滤波单元采用集成运放组成的有源滤波器, 由两节RC滤波电路和反相比例放大电路所组成, 开环电压增益的输入阻抗很高，输出阻抗较低,而且具有一定的电压放大和缓冲作用;温度补偿单元采用二极管温度补偿电路,利用半导体受到外界的光和热的刺激时，其导电性能将会发生其显著变化，在将二极管的温度补偿信号经差动放 【5】大以补偿环境温度的影响。 3.2同相放大器的设计 3.2.1同相放大器的设计 运算放大器(简称运放)实际上是多级直接耦合放大电路的集成形式，其特点是高输入电阻、高放大倍数、低输出电阻。通常可以选用集成运算放大器作为模拟放大器，在某些精密的数字仪表系统中则可以选用仪表放大器和隔离放大器。选择放大器时主要考虑放大器的带宽和精度，放大器的满度误差和零位误差多半是可调的，因此这里精度主要指温漂和噪声。由于运放在电路性能方面具有众多优点，因此被广泛应用于模拟电路的各个领域之中，根据运放在电路中的工作状态，可把这些电路归纳为两大类:一是运放的线性应用，此类电路有一个显著的待点，即运放工作于线性放大区，电路的输出与输入之间存在一一对应的函数关系;二是运放的非线性应用，此类电路在多数情况下，运放工作在饱和状态。由于运放的工作状态不同，故所适用的分析亦不同。 集成运放在使用中常因以下三种原因被损坏:输入信号过大，使PN结击穿;电源电压极性接反或过高;输出端直接接“地”或接电源，此时，运放将因输出级功耗过大而损坏。因此，为使运算放大器安全工作，也从这三个方面进行保护。 在常用的放大电路中，比例运算放大器电路的接法有两种:一种是同相输入接法，另一种是反相输入接法，分别属于电压串联负反馈电路和电压并联负反馈电路。在本课题中比例运算放大电路采用同相输入的接法，其电路图如图4所示。这种电路的重要特点是:电路的输出电压趋向于维持恒定，因为无论反馈信号以何种方式引回到输入端，实际上都是利用输出电压本身的变化量通过反馈网络对放大电路起自动调整作用，这就是电压反馈的实质。若从输入电压取样，通过反馈网络得到反馈电压，然后与输入电压相比较，求得差值作为净输入电压进行放大，则称电路中引入了电压串联负反馈, 其电 5 路图如图3所示。该电路采用电阻分压的方式将输出电压的一部分作为反馈电压，电路各点电位的瞬时极性如图中所标注。 其工作原理是:当输入端正向电压增加时，且接放大器的同相输入端，反馈UUii R1电压，若输入电压对R1和R2所组成的反馈网络的作用忽略不计，U,,UUFOiR，R12 即可以为R1上的电压;并且，由于集成运放开环差模增益很大，因而其净AU,UodR1F 输入电压也可以忽略不计。根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电UD 压为零，即 说明集成运放有共模输入电压。 u,u，u,u，u,uIDR1DFF ,,R2,,所以输出电压为:u,1，,u OI,,R1,, 此式表明，与同相且大于，电路引入电压串联负反馈后，一旦和的uuRuuRooII12取值确定，就仅仅决定于，而与负载电阻无关。因此，可以将电路的输出看成uuROIL 为电压控制的电压源u，所以它稳定了输出电压u，且输出电阻为零。信号源内阻uOOI 越小，其反馈效果就越好。由于电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无 910,穷大，输出电阻为零。即使考虑集成运放参数的影响，输入电阻也可达。 应当指出，虽然同相比例运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应当选用高共模抑制比的集成运放。上述 ii结论是有条件的，只有认为集成运放同相输入端和反相输入端的电流)趋于零(称PN u为“虚断路”)，才能忽略对反馈网络的作用;只有认为集成运放同相输入端和反相输I uu,入端的电位近似相等(称为“虚短路”)，才能忽略净输入电压，使。实际上，只IF Ar有集成运放的开环差模增益和差模输入电阻均趋近于无穷大时，才会在集成运放odid 的输入端存在“虚断路”和“虚短路”。 6 图3 电压串联负反馈电路示图 R102 3.2.2同相放大器的电路图 220K 同相放大器电路如图4所示: 8R101+9V271 10KVCC3 65C101A1Uo 447uFR103 Ui10KOP07R104 10K R105 1K 图4 同相放大器电路图 【4】 3.3 温度补偿部分设计 3.3.1方案设计 方案一:采用恒温控制电路。恒温的原理为，感温电阻作为电桥的一臂，当温度等于所需要的某一温度(拐点温度)时，电桥输出直流电压经放大后，对加热电阻丝加热，以维持平衡温度;当环境温度变化，从而使电桥温偏离原来温度时，通过感温电阻的变 7 化改变加热电阻的电流，从而减少电桥温度的变化，虽稳定度高，但存在着电路复杂、体积大、重量重等缺点。 方案二:采用二极管温度补偿电路。由于半导体受到外界的光和热的刺激时，其导电性能将会发生其显著的变化，在将二极管的温度补偿信号经差动放大用以补偿环境温度的影响，采用负温度系数(-2mv/?)的硅二极管，采用这种电路比较简单，同时有较高的性价比，符合设计的要求。 综上所述，采用第二种方案。 3.3.2电路图 电路图如图5所示: R40756K 7R401+9V10K1R4068 U1R40210K10K62U3VoUo1R408 A4U210KR4033100K1K5C6OP-O7R4050.01uF4R40910K D R404R4101K RTRT100 图5 温度补偿部分电路图 3.4模数A/D转换器 3.4.1模数转换器介绍 能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器，A/D转换器已经成为计算机系统中不可缺少的接口电路。为确保系统处理结果的精确度，A/D转换器必须具有足够的转换精度;在实现对快速变化的信号的实时控制与检测，还要求具有较高的转换速度。为将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程，在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，同时实现。即外部的各种模拟信号必须通过A/D转换器变换为数字信号后，才能送入微处理器芯片。在单片集成A/D转换器中，ADC0809是8位的芯片，采用逐次 8 比较式工作原理。具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一+5V电源，其模拟量输入电压的范围为00H—FFH，转换时间为100，无须调零或调整满量程。 ,s 大部分M68HC08等系列MCU中具有ADC模块，但结构功能不完全相同，有8位精度的，也有10位精度的。采样通道数也有多种选择。ADC还有一个来自模拟模块的内部采样源。模拟多路复用允许选择14个ADC通道中的一个作为采样电压输入端。当转VADIN换结束后，ADC把转换好的结果放入数据寄存器，高字节和低字节分别为ADRH0和ADRL0，然后设置标志位或产生中断。在自动扫描模式下，用附加的3个ADC数据寄存器ADRL1,3来存放ATD1,3通道的A/D转换结果，通道ATD0的转换数据放在ADRL0中。 3.4.2引脚及功能 ADC0809共有28个引脚，图6为其引脚图。 图6 ADC0809引脚图 IN0---IN7接8路模拟量输入，ADDA，ADDB，ADDC接地址线，用来选定8路输入中的一路，详见表1。 表1 选通输入通道真值表 ADDC ADDB ADDA 选通输入通道 ADDC ADDB ADDA 选通输入通道 0 0 0 IN0 1 0 0 IN4 0 0 1 IN1 1 0 1 IN5 0 1 0 IN2 1 1 0 IN6 0 1 1 IN3 1 1 1 IN7 9 ，,ALE是地址锁存允许端，、接基准电源，在精度要求不是很高的情况下，VVREFREF 供电电源就用著作基准电源，START是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿启动一次新的A/D转换，EOC是转换结束信号，可用于向单片机申请中断或供单片机查询，OE是输出允许端，CLK是时钟端，因芯片的时钟频率最高只可工作于640KHZ，故通常单片机的ALE引脚经分频后接向该引脚，DB0---DB7是数字量输出，LSB表示最低位，MSB表示最高位。 3.4.3取样与保持 取样是将随时间连续变化的模拟量转换成时间离散的模拟量，取样信号的频率S(t)愈高，所取得的信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的取样频率由取样定理确定，即式。将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一f,2fsimax 定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。 3.4.4量化与编码 数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换成为数字量，在A/D转换过程中，还必须将取样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过程称为数值量化。量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。在量化过程中，由于取样电压不一定能被?整除，所以量化前后不可避免地存在误差，称为量化误差，用 V,表示。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。.0REFHV和之间时，ADC转换结果和采样电压呈线性关系。且出于安全考虑，输入电压不能REFL 超出模拟供电电压。对ADSCR寄存器执行写操作后ADC开始转换。一次转换需要16,17个ADC时钟周期。 16~17个时钟周期ADC转换时间= ADC时钟频率 总线周期数=转换时间,总线频率。转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。ADC转换时间与转换电路的类型有关，由所选的时钟源和分频系数决定。时钟源可以是总线时钟，也可以是CGMXCLK，通 10 过ADC时钟寄存器里的ADICLK位来选择。分频比由ADIV[2:0]位来确定。例如，如果频率为4MHz的CGMXCLK作为ADC时钟，分频比为4，则设置总线时钟频率为2MHz。 16~17个时钟周期ADC转换时间= ; ,16~17us4MHz/4 总线周期数=(1617)us*2MHz=3234;为了满足ADC模块的特性，ADC时钟频率~~ 必须在500kHz2MHz之间，典型值为1MHz。由于一个ADC周期是由几个总线周期组成~ 的，启动转换需要一个总线周期的时间写入ADSCR寄存器，在ADC启动以前需要额外的02个总线周期初始化ADC时钟，这就产生了非整数ADC周期，在此用17个周期来表~ 示。 4、远红外测温仪的软件设计 4.1控制模块的设计 4.1.1单片机的选择 自1971年微处理器研制成功后，不久就出现了单片的微型计算机(简称单片机)。特别是1976年Intel公司推出的MCS-48单片机，以其体积小、功能全、价格低等特点赢得了广泛应用。MCS-48为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展过程中的一个重要阶段。在MCS-48的成功应用的激励下，许多半导体公司和计算机公司竞相研制和发 51系列，包括8031、展自己的单片机系列。1980年Intel公司最先推出的8位单片机MCS-8051、8052及8751等，它们的基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。MCS-51是在MCS-48的基础之上发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能较MCS-48有很大的增强。 此外，它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此，它被广泛应用于工业过程控制，智能仪器、仪表，生产自动化领域，现在我国乃至世界范围内不失为单片机应用中的主流机型。 鉴于MCS-51系列单片机的高性能、低价格，以及在我国的广泛应用，我们决定选用该系列的单片机。但MCS-51系列单片机包含多种型号，通常以片内是否带ROM以及所带ROM的类型分为8*51类。而MCS-51系列单片机一般采用HMOS和CHMOS工艺制造，CHMOS工艺比较先进，不仅具有HMOS的高速性，同时还具有CMOS的低功耗。为区别起见，CHMOS工艺的单片机名称前冠以字母C，成为8*C51类。比较多种型号的MCS-51系 11 列单片机，为满足高性/价比，以及开发方便、高效的要求，我们选用了89C51单片机，它采用CHMOS工艺制造，与MCS-51系列的其它机型兼容，内带4K的EEPROM。 4.1.2 AT89C51单片机简介 (1)AT89C51的主要特性 18位微处理器和控制器，中央处理器是整个单片机的核心部件，能同时处理8? 位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 2内含一个布尔运算器，可直接对数据的位进行操作和运算，特别适用于逻辑控? 制。 3内含4KB可重擦写的可编程闪烁程序存贮器(EEPROM)。 ? 4内含128*8位的数据存贮器(RAM)。 ? 54个8位(32根)双向且可独立寻址的I/O(输入输出)接口,。 PP?03 62个16位的计数器/定时器。 ? 7片内振荡器和时钟电路。 ? 8全双工方式的串行接口(DART)。 ? 9两级中断优先权的6个中断源/5个中断矢量的中断逻辑。 ? 10指令集有111条指令，其中64条为单周期指令，支持6种寻址方式。 ? 11最高时钟振荡频率可达12MHz，大部分指令执行时间为1us，乘、除指令为4us。 ? 12与MCS-51兼容，寿命为1000次写/擦循环，数据保留时间为10年。 ? 13低功耗的闲置和掉电模式，可编程串行通道，三级程序存储器锁定。 ? (2)引脚及功能 AT89C51单片机为40脚双列直插式封装结构。其引脚排列顺序及引脚符号如图7所示: 12 (6) 图7 AT89C51管脚图 各引脚功能如下: 1电源及接地 ? GND:电源接地端。Vcc:供电电压即正常运行和编程校验时为+5V电源(士10%)。 2时钟及复位信号 ? XTAL1:是片内振荡器反相放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。当采用外部振荡器为时钟源时，此脚必须接地。 XTAL2:是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。使用外部振荡器时，可由此脚引入外部时钟信号。 RST:复位信号输入端，高电平有效。若此输入端保持2个机器周期(24个时钟振荡周期)以上的高电平，即可以将89C51完成复位操作。此外，RST引脚的第二功能是VPD，即备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，单片机自动将+5v电源接入RST端，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，以使复电后能继续正常运行。 3 :地址锁存允许/编程信号端。当89C51上电正常工作后，ALE管脚? 不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的六分之一。CPU访问片外存储器时，此信号作为锁存地址总线的低8位地址的控制信号。因此ALE信号可以对外输出时钟或定时信号。ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL。 ———— 4PSEN:程序存储允许输出信号端。在访问片外存储器时，此端定时输出脉冲作? 为读片外存储器的选通信号。此管脚接EPROM的OE端，PSEN端有效，即允许读出 13 EPROM/ROM中的指令码。当CPU访问外部程序存储器时，要产生两次PSEN负脉冲信号，当CPU访问内部程序存储器时，PSEN不跳变。此端驱动8个LS型TTL。 —— 5EA/VPP:外部程序存储器地址通话输入端/固化编程电压输入端。当EA端接高电? 平时，CPU只访问片内EPROM并执行内部程序存储器中的指令，但在PC的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器内的程序。当EA端接低电平时，则CPU只访问外部EPROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。此管脚的第二功能Vpp是对89c51片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压的输入端。 6I/O端口引脚:I/O端口P0,P3(地址为80H，90H，A0H，B0H)，且P0,P3为? 四个8位特殊功能寄存器，特殊功能寄存器位地址表详见附录A所示。分别为四个并行I/O端口的锁存器。它们都有字节地址，每一个端口锁存器还有位地址，所以每一条I/O线独立地用做输入或输出时，数据可以锁存;作输入时，数据可以缓冲。 P0.0—P0.7: P0口是一个8位漏极开路的8位准双向I/O端口，每位可驱动8个LS型TTL负载，故有较强的带负载能力。在CPU访问片外存贮器时，P0口是分时提供8位地址和8位数据的复用总线。当P0口作为输入口使用时，应先向锁存器(地址80H)写入全1，此时P0口的全部管脚浮空，可作为高阻抗输入或者通过外接上拉电阻。作输入口使用时要先写1，这就是准双向的含义。在访问外接扩展存储器时，地址数据总线分时复用。即在指令的前半周期，PO口作为地址总线的低8位输出，在ALE信号的下降沿该地址被锁存，在指令的后半周期用做8位数据总线。 P1.0—P1.7: P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，其某一闰的电路结构如图8所示。每位可驱动4个LS型TTL负载。当P1口用做输入口使用时，应先向P1口锁存器(地址90H)写入全1，此时P1端口管脚会被内部上拉电阻拉至高电平。当P1口输出高电平时，能向外提供拉电流负载，所以不必再接上拉电阻。在端口用做输入时，也必须先向对应的锁存器写入“1”，使FET截止。由于片内负载电阻较大，约20,40KΩ，所以不会对输入的数据产生影响。上拉电阻是两个场效应管(FET)并在一起，一个FET为负载管，其电阻固定;另一个FET可工作在导通或截止两种状态，使其总电阻值变化近似为0或阻值很大两种情况。当阻值近似为0时，可将管脚快速上拉至高电平;当阻值很大时，P1口为高阻输入状态。 14 图8 P1口电路结构 P2.0—P2.7: P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P2口缓冲器能接收，输出4个TTL门电流，每位可驱动4个LS型的TTL负载，在访问外接存储器器时，用做高8位地址输出。当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的原故。 P3口是一个多功能端口，其某一位的结构如图9所示。P3.0—P3.7: P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口，每位可驱动4个LS型TTL负载，其功能和驱动能力与P1口、P2口相同。此外，P3口与其它I/O端口有很大区别，它除作为一般准双向I/O口外，还具有特殊的控制功能: P3.0(RXD):串行数据接收端(串行口输入)。 P3.1(TXD):串行数据发送端(串行口输出)。 P3.2(INT0):外部中断0，低有效。P3.3(INT1):外部中断1，低有效。 P3.4(T0):计时器0外部时钟输入。P3.5(T1):计时器1外部时钟输入。 P3.6(WR):片外数据存储器写选通控制输出。 P3.7(RD):片外数据存储器读选通控制输入。 对比P1口的结构图不难看出，P3口与P1口的差别在于多了与非门3和缓冲器4，正是这两个部分，使得P3口除了具有P1口的准双向I/O功能之外，还可以使用各管脚所具有的第二功能。与非门3的作用实际上是一个开关，决定是输出锁存器上的数据还是第二输出功能的信号。当W=1时，输出Q端信号;当Q=1时，可输出W线信号。 编程时，可不必事先由软件设置P3口为第一功能(通用I/O口)还是第二功能。当CPU对P3口进行SFR寻址(位或字位)访问时，由内部硬件自动将第二功能输出线 15 置为1，这时P3口为通用I/O口;当CPU不把P3口作为SFR寻址访问时，即用做第二功能输出/输入线时，由内部硬件锁存器Q=1。 图9 P3口的电路结构 4.2 AT89C51的最小应用系统设计【7】。 由于AT89C51内部具有RAM和EEPROM，所以在芯片的外部接上时钟电路和上电复位电路就可以构成一个基本的应用系统了，如图10所示。本系统采用自动复位方式，主频率为6MHz，一方面保证满足系统对时间的要求，同时也考虑了可靠性的要求，即适当降低速度以提高抗干扰能力。由于内部的程序空间有限，不适合编写较大、较复杂的程序，所以，这个系统适合于简单的控制系统的应用。 单片机应用系统是指以单片机为核心，由硬件部分和软件部分组成，配以一定的外围电路和软件，能实现某几种功能的应用系统。硬件是系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其合理的调配和使用，从而完成应用系统所要完成的任务。单片机应用系统的设计分为硬件设计和软件设计两大部分，其设计包括下述几个:总体设计;系统硬件设计(用PROTEL);系统软件设计(用仿真机软件);仿真调试硬件和软件(用仿真机);固化应用程序(用仿真机);脱机运行(用户系统)。一个单片机应用系统的硬件设计电路包括两大部分内容:一是单片机系统的扩展部分设计，这包括存储器扩展和接口扩展。二是各功能模块的设计。如信号测量功能模块、信号控制功能模块等，根据系统功能要求配置相应的A/D、D/A、键盘、显示器、打印机等外围设备，设计合适的接口电路。 16 图10 AT89C51最小应用系统图 在进行应用系统的硬件设计时，首要问题是确定电路的总体方案，并需进行详细的 技术论证。设计还需要考虑以下几点: 1尽可能选择典型电路。 ? 2系统的扩充和外围装置，应充分满足应用系统的要求，并留有一些扩充槽，以? 便进行二次开发。 3硬件结构应结合应用软件一并考虑。 ? 4整个系统器件尽可能做到性能匹配。 ? 5可靠性及抗干扰性设计是硬件设计极其重要的部分，包括器件选择、电路板布? 线、通道隔离等。 6单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，驱动能力不足时，系统工作不? 可靠。解决办法是增加驱动能力，降低总线负载。 4.3系统总体的流程图 系统流程图如图11所示: 17 图11 软件流程图 5、系统误差分析与抗干扰设计 5(1影响红外测温仪测温精度的因素 由于红外测温仪属于非接触式测温，这就给获得准确温度值带来一定困难。影响红外测温仪测温误差的因素有很多，除去仪器的本身的精度因素外，主要体现在以下几个方面; 5.1.1距离系数对测温的影响 距离系数是红外测温仪性能的一个重要指标，通常用红外测温仪到物体的距离与被测光斑尺寸之比(D:S)来表示。比值越大，说明红外测温仪的分辨率越好，可测更远更小的目标，目前市面上常见到的红外测温仪产品D:s之比从8:1到100:1不等，部分工业型高温现场中的红外测温仪距离系数比更高，以美国雷泰公司的3IIMSC产品为例，其D:S之比为180:l。部分产品D:S达到了500:l以上，通常比值越大，红外测温仪的分辨率越好，距离系数比越大的红外测温仪，其价格也越高(单波段测温仪显 18 示的温度是其视场的平均值，通常要求被测物必须充满视场且留有部分的余量。 通常距离越远的物体，红外测温仪测温时测温所经过的光路上受到的干扰以及大气衰减也就越大，精度也就越低。由于实际的被测目标不是黑体，所以在进行辐射率修正以及温度补偿时，需要对测温距离进行补偿( 5(1(2辐射率的影响 物体的辐射率反映了物体的红外辐射能力，它是指在相同的几何条件和光谱条件下，实际物体与同温度黑体的辐射能量之比【8】。由于实际物体并非黑体，其发射率为一个小于1的数值【9】。因此需要根据设定的发射率来补偿不同物体因发射率不同而导致的对测量温度的影响(辐射率是一个与物体材料、表面状况有关的量，在实际使用中，通常需要使用者输入被测目标的比辐射率，而物体的比辐射率通常很难确定，因此输入 ,值与物体的真实值间必然存在一定的误差，因此，减小或消除变化对测温精度的影响是改善辐射测温系统特性的重要措施【10】【11】【12】【13】。 由黑体辐射定律可知;被测目标辐射的辐射出射度: ,1,5，，,,，，M,c,expc/,T,1,K,F(T),12 (5-1) M,K,F(T),探测器的输出信号: (5-2) K为与仪器有关的常数。 ,m,如果用 表示假定的辐射率, 物体的真实辐射率, 则辐射率的相对误差 ，，,,,,,,/,m (5-3) ，，,T,T,T/Tm温度的相对误差: (5-4) ,m,由于设定时的辐射率和真实情况下的辐射率时物体的辐射能量是相同的。所以 ，，，，K,FT,K,FTmm (5-5) 将(5-3)和(5-4)代入(5-5)得: ,FT,FT，1T，，，，,,,,,，，,,F,T，1T (5-6) 当测温仪工作在很小的窄带短波时: 19 ,,,expC/CT1/1,,，，,,，，，，，,23em/,,,，，expC/,T2c (5-7) ,,mc这里面表示峰值波长，表示窄带的中心波长( ，，，，,T,,T/Cln,/,cm2m将(5-3)和(5-4)代入(5-7)可得: (5-8) 利用式(5-8)可估算辐射率带来的测温误差。 5(1(3环境因素对测温的影响 被测物所处的环境对测量的结果有很大的影响，表现在两个方面，即环境温度和被测物到测温仪的视场清晰度。 通常情况下，环境温度越低，从外界进入红外测温仪窗口的辐射能量就少，相反，环境温度越高，从外界进入红外测温仪窗口的辐射能量就越少。在测温仪的正常测温范围内，一般不需要进行温度补偿。但是当测温仪工作在较高温的情况下，被测物周围有其他的热辐射源时，红外测温仪的探测器就会接收其他物体的热辐射，造成测温仪所显示的温度高于被测目标实际温度，这时就需要对红外测温仪进行温度补偿。 环境温度对红外辐射能量误差可由文献33说明，表2反映了在采用9-12m测温,镜头在环境温度为270K一330K，对300K,1000K目标测量时产生的能量误差。根据表6-1可看出，被测目标温度越接近环境温度，测量时产生的能量误差越大，反之，当被测目标与环境温度偏差越大，其测量时所产生的能量误差越小，因此对低温时红外测温仪的设计必须考虑到温度补偿措施。 本系统环境温度的补偿由集成温度传感器AD592完成，具有测温精度高、非线性、误差小、宽范围输入等优点，可满足系统温度补偿的需要( 表 2 环境温度为270K,330K时测温的影响 能量误差(%) 环境温度T2(K) 270 280 290 300 310 320 330 目标温300 20.37 23.50 26.74 30.00 33.23 36.45 39.59 度 400 7.29 8.63 10.09 11.65 13.28 15.00 16.77 500 3.64 4.35 5.12 5.96 6.86 7.82 8.83 20 600 2.23 2.66 3.15 3.68 4.25 4.86 5.52 1T(K) 700 1.53 1.84 2.17 2.54 2.94 3.37 3.84 800 1.14 1.37 1.62 1.90 2.20 2.53 2.88 900 0.93 1.12 1.33 1.55 1.80 2.07 2.35 1000 0.75 0.90 1.07 1.25 1.45 1.66 1.90 5(1(4干扰光的影响 对于红外测温系统，进入探测器的干扰光,要有三个来源:一是待测目标非测量区域的红外辐射;背景耳标对待测红外辐射的反射、背景目标的红外辐射;待测目标对背景目标红外辐射的反射;二是灯光等背景光;三是调制盘、滤光片、探头本身的外壳以及透镜等处的红外辐射【14】。对于一、二两项，可以在调制盘上置一个中心波长为 ,,,,=2(00m带宽为=10nm的窄带干涉滤光片即可很好地予以滤除;对于第三项，一方面需要采用高发射率涂料均匀喷涂调制盘以减小其发射率，另一方面需要采取措施使得调制盘的温度尽量稳定，防止其升温。 6、系统的抗干扰设计 由于红外测温仪工业测控对象的环境比较恶劣，干扰源较多，如环境温度、电磁场等，当干扰作用于模拟信号后，使A,D转换结果偏离真实值，为了减少对系统的干扰，提高测温系统的可靠性，有必要对系统进行抗干扰设计。系统的抗干扰措施分为硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计两类: 6.1 硬件抗干扰措施 在电子系统中，形成电子干扰的基本要素有三个，包括干扰源、传播路径、敏感器件，因此，在设计硬件抗干扰措施时，主要从这三方面入手，其主要原则是抑制干扰源、切断干扰的传播路径和提高敏感器件的抗干扰能力( 干扰源的分析与抗干扰设计 (1)电源的干扰问题 电源是计算机系统的一个必不可少的组成部分，但是当电源的启动或停止以及电源 21 的负载发生急剧变化时都会造成电源的波动，产生很大的干扰信号，据统计分析，计算机的干扰70,来自电源，因此解决电源的干扰问题尤其重要。 本系统电源的抗干扰设计主要采取两种方法:一是采用电源监视电路，本系统采用的复位电路芯片CATl021内置一个看门狗电路和电源监视模块，利用它可监视电源电压瞬时短路、瞬时降压、微秒级脉冲干扰和掉电的影响(二是采用高精度、抗干扰能力强的电源稳压芯片来转换电压。 (2)印刷电路板上的干扰 ?在每个集成电路的电源和地之间接入一个0.1u的去耦电容，它有两个作用，一方面 提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能，另一方面旁路掉该器件的高频噪声( ?闲置不用的门电路输入端不要悬空，闲置不用的运放正输入端接地，负输入端接输 出端( ?印制板尽量使用45折线而不用90折线布线，以减小高频信号对外的发射与耦合( ?根据印刷线路板电流的大小。尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力( 6.2 传播路径的抗干扰设计 ?模拟电压输入线、参考电压端要尽量远离数字电路信号线，尤其是时钟信号线。 ?任何信号都不要形成环路，如不可避免，让环路区尽量小( 用地线把数字区和模拟区隔离，数字地与模拟地分离，最后在一点接于电源地。 6.2.3(敏感器件的抗干扰措施 对于敏感器件，除了选取抗干扰能力强的器件之外，其它的抗干扰措施还有: ?对于电路中闲置的芯片I,O引脚不要悬空，不是接地，就是接电源。其它的IC限制端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。 ?对噪声敏感的线不要与大电流、高速开关线平行。 石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线 7、软件抗干扰措施 对于现代计算机系统来说，不仅需要考虑硬件抗干扰，也需要考虑到软件的抗干扰 22 措施，良好的软件抗干扰措施仅可以减轻硬件部分的负担，而且有利于系统稳定性和精度的提高。 软件抗干扰技术主要有“指令冗余技术”、。“件陷阱技术”、“软件看门狗技术”、“数字滤波技术”等。本系统在软件抗干扰措施上面主要采用了三种方案: 7.1 数字滤波技术 常用的数字滤波算法有程序判断法、中值判断法、算术平均值滤波法、加权滤波法、滑动滤波法、低通滤波法和复合滤波法等【15】。 程序判断法又称限幅滤波法，其方法是把相邻的采样值相减，求出其增量(以绝对值来表示)，然后对两次采样允许的最大差值进行比较，若小于或等于该值，则取本次采样，若大于该值，则取上次采样值作为本次采样值(此种方法主要用于处理变化比较缓慢的数据，如温度、物体的位置等。 中值滤波法即对某一个参数连续取样N次，然后把N次采样值按从小到大排序，再取中间值作为本次采样值(此种方法比较适合于去掉由偶然因素引起的波动和采样器不稳定而引起的脉动干扰，通常用于变化比较慢的数据。 算术平均滤波法就是对连续N次的采样值进行算术平均，此种方法对具有随机干扰的信号进行滤波。其对信号的平滑程度由采样次数N决定，当N较大时。平滑程度高，而灵敏度低;当N值较小时，平滑度低，但灵敏度高。 滑动滤波平均滤波法只采样一次，将这一次采样值和过去若干次的采样值一起取平均，得到的有效值作为该次采样的数据。该方法适合于系统实时性要求比较高的场合( 复合滤波法通过把两种或两种以上不同滤波功能的数字滤波器组合起来，组成复合功能滤波器，此种滤波器的效果最好，不仅适用于变化比较慢的数据具有较好的滤波效果，它对快速变化的数据，同样效果也比较好。 由于红外测温仪测温得到的数据变化比较缓慢，而且通常受到外界的干扰比较严重，采样单一的滤波器效果不太明显，因此本系统的数字滤波主要采用复合滤波方案:即把中值滤波法与算术平均法结合起来，可以滤除信号中的脉动干扰，且灵敏度比较高，在实验中取得了良好的滤波效果。 7.2 软件陷阱 计算机系统的程序操作时序由程序计数器PC控制，当PC由于干扰等原因出错时，程序会失控而跑飞，从而导致程序混乱失控，严重时甚至程序死循环和误操作( 23 当发生程序跑飞而进入非程序区的情况下，就需要采用软件陷阱的形式来恢复程序的正常运行。软件陷阱技术是指令冗余的一种应用形式。它是一条引导命令，可以强行地将捕获的程序指针引向设计的处理错误程序的地址。 7.3(软件看门狗技术 当失控程序进入了死循环后，指令冗余以及软件陷阱都将无法发挥作用，这时需要采用另外一种软件看门狗技术( 看门狗技术主要是通过不断监视程序循环运行的事件，如果发现程序运行时间超过最大的循环运行时间，则认为程序进入死循环，需进行出错处理(这时可强迫系统进入一段出错处理程序，使系统脱离死循环。 软件看门狗技术的做法是设定微控制器的定时器中断时间间隔稍大于主控程序正常运行的,个循环时间，在主程序的每次循环中执行一次定时器时间常数的刷新工作。如果程序跑飞，则调用出错处理程序，使程序跳到开头重新运行。 8、结语 红外测温技术随着现代技术的发展日趋完善, 用途逐渐渗透到各个领域。开发更新型的红外测温技术，完善红外测温仪的性能是时代发展的要求。基于黑体辐射原理的红外测温技术在现代化的发展起着越来越重要的作用，它的非接触测量，实现了遥测技术;不破坏被测温度场的均衡性; 光子作为信息载体，响应速度快;灵敏度高，比传统的传 4个数量级;频带宽，动态范围大;方便的和计算机连接，容易实现数字化，感器高1- 智能化; 安装方便，使用附件少，维护简单，提高了劳动生产力;非接触测量极大的提高了本产品的使用寿命，降低了生产成本;体积小、重量轻、价格不断低递降等优点使得它在其他的测温仪器中有越来越大的优势。 参考文献 [1] 李军，刘梅冬，曾亦可等.非接触式红外测温的研究[J]，2001.LI J，LIU M D，ZENG Y K，Researcon Non-contact Infrared Temperature Measurement [J]， 2001. [2] 袁继俊供稿.红外测温仪[J].YUAN J J，Infrared Thermometer [J]. [3] 曾强，舒芳誉，李清华.红外测温仪—工作原理及误差分析[J]，2007.ZENG Q，SHU F Y，LI Q H， 24 Principle And Error Analysis Of Infra-Red Temperature Measurement [J],2007. [4] 张钦.红外测温仪的工作原理及检定数据处理方法探讨[J]，2008.ZHANG Q，Working Principle of Infra - Red Thermometer and Discussion of the Method Verification Data Processing [J],2008. [5]田裕鹏. 红外检测与诊断技术,,,.北京:化学工业出版社，2006，3:1-43. [6]W:L Wolfe,G J.Zissis(The Infrared Handbook(Michigan:Environmental ResearchInstitute of Michigan,1978:9 [7]陈衡.红外物理学.北京;国防工业出版社，1985:72 [8]Richard R Corwin(Temperature error in radiation thermometry ceusedby emissivity and reflectance measurement error(App(1993(33:10 [9][美]W.M罗森诺等编.齐欣译.热传学基础手册(北京:科学出版社(1992 [10]Lewis E E.Miller MB.Fiber optic utilizing surface reflection(SPIE(1984:478 [11]戴苏明、朱桂荣(红外测温误差的来源与分析(苏州丝绸工学院学报(2000(2:25-29 [12]施德恒、赵晔等(环境温度及干扰光对主动辐射系统测温精度影响的讨论(激光杂志(2002(3l 45 [13]赵毅、牟同升、沈小丽等(单片机系统中数字滤波的算法(电测与仪表(2001(6:5-8 [14] AT89C51中文资料 [15]adc0809中文资料手册 25 26