基于单片机的红外测温系统毕业设计论文Word格式文档下载.docx
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第2章系统的设计方案
2.1系统总体方案设计
2.1.1系统总体设计框图
图2-1系统总设计方框图
系统总设计框图如图2-1所示。
本设计采用热释电红外测温模块对温度信号进行采集,采集的信号经放大再通过滤波电路,送至A/D转换器。
A/D转换器将采集到的模拟信号转换成数字信号,最后将转换后的信号通过单片机AT08C52接收,单片机对接收信号进行处理。
最后经数码管显示输出。
这样,整个系统的功能完成,就由这个工作流程完成。
2.2器件调研选型
根据设计的要求,下面对设计所用到的主要器件进行介绍说明。
2.2.1控制器AT89C52简介
2.2.1.1总述[5]
AT89C52是由美国ATMEL公司所生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含有8Kbytes的可以反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术所生产,与标准的MCS-51指令系统以及8052的产品引脚兼容,片内置有通用8位中央处理器和flash存储单元,该存储单元允许进行重复1000次以上的编程烧写。
功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂的控制场合。
2.2.1.2主要性能参数介绍
·
与MCS—51产品的指令和引脚完全兼容
8k字节可重擦写Flash闪速存储器
1000次擦写周期
全静态操作:
0Hz-24MHz
三级加密程序存储器
256X8字节内部RAM
32个可编程I/O口
3个16位定时/计数器
8个中断源
可编程的串行UART通道
低功耗的空闲和掉电模式
2.2.1.3引脚功能的说明介绍[6]
VCC:
电源电压
GND:
地
P0口:
P0口是一组8位漏极开关型的双向I/O口,即地址/数据总线复用口。
P1口:
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1口的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,在通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可以做输入端口。
作为输入端口使用时,因为内部存在有上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时就会输出一个电流(IIL)。
与AT89C51不同的是,P1.0和P1.1还可以分别作为定时/计数器2的外部技术输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX),参见表2-1。
Flash编程和程序效验期间,P1接收低8位地址。
表2-1P1.0和P1.1的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2(定时计数器2外部计数脉冲输入),时钟输出
P1.1
T2EX(定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制)
P2口:
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口的输出缓冲级可以驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时就可以做输入口。
作为输入口使用时,因为内部存在有上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时就会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或者16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)的时候,P2口送出高8位的地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)的时候,P2口输出P2锁存器内容。
P3口:
P3口就是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口,P2口的输出缓冲级可以驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,它们就被内部上拉电阻拉高并且可以做为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
P3口除了作一般的I/O口线以外,更重要的用途就是它的第二功能,如表2-2所示:
表2-2P3口的第二功能
端口引用
第二功能
P3.1
RXD(串行输入口)
TXD(串行输出口)
P3.2
外部中断0
P3.3
外部中断1
P3.4
T0(定时/计数器0)
P3.5
T1(定时/计数器1)
P3.6
外部数据存储器写选通
P3.7
外部数据存储器读选通
此外,P3口还可以接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序效验的控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器工作的时候,RST引脚就出现两个机器周期以上的高电平将会使单片机复位。
ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器的时候,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用以锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍然以时钟震荡频率的1/6输出固定脉冲信号,因此它可以对外输出时钟或者用于定时目的。
PSEN:
该引脚是外部程序存储器选通信号。
当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)的时候,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器的时候,将会跳过两次PSEN信号。
EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000—FFFFH)的时候,EA端就必须保持低电平(或接地)。
需要注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部就会锁存EA端的状态。
如果EA端为高电平(接VCC端)时,CPU就执行内部程序存储器指令。
XTAL1:
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端口。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端口。
振荡器的特性:
XTAL1和XTAL2分别作为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可配置为片内振荡器。
石晶振荡器和陶瓷振荡器均可以采用。
如果采用外部时钟源作为驱动器件,XTAL2应不接。
由于输入至内部时钟信号需要通过一个二分频的触发器,因此对外部时钟信号的脉冲就无任何要求,但必须保要证脉冲的高低电平所要求的宽度。
芯片擦除:
整个PEROM的阵列和三个锁定位的电擦除都可以通过正确的控制信号来组合,并且保持了ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片的擦除中,代码的阵列就全被写为“1”且在任何非空存储字节被重复编程前,该操作都必须被执行。
此外,AT89C52内设有稳态逻辑,可在低到零频率的条件下的静态逻辑,支持两种软件可以选用的掉电模式。
在闲置的模式下,CPU就停止工作。
但是RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉的电模式下,保存RAM的内容并冻结振荡器,禁止所用其他芯片的功能,直到下一个硬件的复位为止。
AT89C52单片机管脚图如图2-2所示:
图2-2AT89C52管脚图
2.2.2MLX90601EZA-CAA简介
2.2.2.1模块介绍
MLX90601EZA-CAA是由Melexis公司生产的红外测温模块[7],该模块在出厂前进行了校验,可以直接输出线性信号,有很好的互换性,免去了复杂的校验过程,是一个非常方便的红外测温模块。
该模块精度可以达到±
0.2℃,体积小巧。
模块以MLX90247热电元件作为红外的感应部分,输出是被测物体(T1)和传感器自身温度(T2)共同作用下的结果,理想情况下MLX90247的输出电压值为如式[8](2-1)所示:
(2-1)
其中
是仪器常数。
传感器自身的温度由MLX90247内的热敏电阻测定,由MLX90247中输出的两路信号分别由内部MLX90313器件输出,在由斩波稳态放大器放大,经A/D转换后由单片机来处理相应的信号。
2.2.2.2模块主要芯片引脚的说明介绍
MLX90601EZA-CAA模块图如图2-3所示。
图2-3MLX90601EZA-CAA模块图
主要芯片MLX90247的引脚:
.REL1(1脚):
继电器输出;
.VSS(2脚):
地;
.VDD(3脚):
电源;
.SDIN(4脚):
SPI数据入口;
.SDOUT(5脚):
SPI数据出口;
.CSB(6脚):
片选;
.SCLK(7脚):
时钟;
.IROUT(8脚):
PWM输出被测物体温度;
.VREF(9脚):
参考电压;
.TEMPOUT(10脚):
PWM环境温度输出。
其引脚图如图2-4所示。
图2-4MLX90247引脚图
2.2.3A/D转换芯片ADC0809简介
ADC0809有8位A/D转换器[9]、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式的A/D转换器,可以和微机直接接口。
2.2.3.1A/D0809芯片管脚图如图2-5所示。
图2-5A/D0809芯片管脚
2.2.3.20809芯片的引脚功能说明
(1)IN0~IN7:
8条模拟量通道
ADC0809对输入模拟量的要求:
信号单极性,电压范围0~5v,若信号太小,必须要经过放大;
输入的模拟量在转换的过程中应该保持不变,如果模拟量的变化太快,则需要在输入前增加采样保持电路。
(2)地址输入和控制线:
4条
ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。
当ALE为高电平的时候,地止锁存器与译码器将ADDA、ADDB和ADDC三条地址的输入线,用于选通IN0~IN7上的一路模拟信号量输入。
通道选择如表2-3所示。
表2-3被选通道和地址的关系
ADDC
ADDB
ADDA
选择的通道
IN0
1
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
(3)数字量输出及控制线:
11条
START为转换启动信号。
当START是上跳沿时,所有的内部寄存器清零;
下跳沿时,开始进行A/D转换;
在转换期间,START应该保持低电平。
EOC位转换结束信号。
当EOC为高电平的时候,表明转换已经结束;
否则,就表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号,用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=1时,输出转换得到的数据;
OE=0时,输出数据线呈高阻状态。
D7~D0位数字数出线。
(4)电源线及其他线:
5条
CLOCK为时钟输入的信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路,所需要的时钟信号必须由外界提供,通常是使用频率为500KHz的时钟信号。
Vcc为+5V电源线。
GND为地线。
Vref(+)和Vref(-)为参考电压输入,参考电压用来与输入的模拟信号进行比较,作为逐次逼近的基准。
其典型去值:
Vref(+)=+5v,Vref(-)=0v。
2.2.4LED数码显示器
LED是一种电流发光器件[10]。
它既可以工作在恒定的电流状态,又可以工作在脉冲电流状态。
在平均电流相同的情况下,脉冲工作状态可产生比直流工作状态较强的亮度,一般每秒钟可导通100—500次,每次为几个毫秒。
LED有单个发光二极管、七段(或八段)LED显示器和LED点阵显示器等类型。
发光的颜色有红、绿、黄等。
LED显示器每段正常发光需要直流电流10~20mA,发光二极管发光的时候,其正向导通压降为1.7v左右。
七段LED的数码管显示器是由7个LED按一定的图形排列组成,七段LED显示器的各个二极管分别为a、b、c、d、e、f、g段,有些七段显示器增加了一个dp段表示小数点,也称为八段LED显示器。
其管脚配置如图2-6所示
图2-6LED数码管管脚配置
七段LED显示器有两种结构:
共阴极七段LED显示器和共阳极七段LED显示器,如图2-7(a)、(b)所示。
所有二极管的阴极接在一起的称为共阴极七段LED显示器;
所有二极管的阳极接在一起的称为共阳极七段LED显示器。
共阳极七段LED显示器工作时,二极管的公共阳极接向电平“1”,各个段的阴极接与共阳七段码相对应的电平。
共阴极的七段LED显示器工作时,其公共极接到低电平,各段的阳级接与共阴七段码相对应的电平。
在实际应用中,除公共极外,其他各极应串接一个电阻后再接到相应电平。
电阻的作用是限制流过LED中的电流来保证在发光时二极管不因电流过大而被烧坏。
图2-7两类LED数码管
将数码管的引脚和单片机的数据输出口相连,控制输出的数据可以使数码管显示不同的数字和字符,通常称控制发光二极管的8位字节数据为段选码。
7段LED段选码如表2-4所示。
可以看出,共阳极和共阴极的段选码互为补数。
表2-47段LED选码
显示字符
共阴极段选码
共阳极段选码
3FH
C0H
B
7CH
83H
06H
F9H
C
39H
C6H
2
5BH
A4H
D
5EH
A1H
3
4FH
B0H
E
79H
86H
4
66H
99H
F
71H
8EH
5
6DH
92H
H
76H
89H
6
7DH
82H
L
38H
C7H
7
07H
F8H
N
37H
C8H
8
7FH
80H
8.
FFH
00H
9
6FH
90H
“灭”
A
77H
88H
|
下面以8位共阳数码管为例,简要说明共阳数码管动态显示的原理。
为了介绍方便,假定单片机的P0口接数码管的8段显示管,P1口用来控制每个数码管的阳极端。
单片机采用扫描方式进行工作,首先将要在最高位显示的数字写到P0口,然后控制P1.7,使D7和电源接通,同时控制P1.6~P1.0,使D6~D0和电源断开。
此时最高位亮,其余不亮。
保持一小段时间后,将要在次高位显示的数字写到P0口,然后控制P1.6,使D6和电源接通,同时控制P1.7和P1.5~P1.0,使D7和D5~D0和电源断开。
此时次高位亮,其余不亮……不断进行循环扫描。
如果扫描速度足够快,人眼感觉到的就是一排亮着的数码管。
共阴数码管的动态显示原理基本相同。
第3章系统硬件设计
3.1系统电路原理图
该设计,是经过MLX90601EZA-CAA红外测温模块对温度信号进行采集,然后经过IROUT管脚输出所采集到的模拟信号。
由于所采集到的信号是模拟信号且很微弱,所以该模拟信号通过放大滤波电路后传输到ADC进行转换。
把转换后得到的数字信号送到单片机进行数字处理,最后通过单片机的控制传送到LED数码显示管中进行显示。
就完成整个红外测温的主要过程。
其系统硬件总图见附录一所示。
3.2系统各单元电路设计
3.2.1 MLX90601-CAA模块接口电路
连接的模块外围电路如图3-1所示[11]。
MLX90601EZA-CAA供电电压是+5V,GND管脚为接地脚。
由于MLX90601EZA-CAA红外接收模块所接收到的信号是模拟信号,所以IROUT管脚接放大滤波电路[1],经放大滤波后,由A/D转换器转换成相应的数字子信号,在送到单片机进行处理。
图3-1红外接收模块外围接口
3.2.2放大滤波和稳压电路部分
温度变化反映在红外模块的传感上[12],是将温度信号以电压的方式输出。
由于热红外传感温度系数很小,其上的电压变化就很小。
因此还需要对此输出的电压信号进行放大,再送入A/D转换中进行转换,再输出给单片机。
图3-2所示显示了放大滤波电路的连接图。
图3-2滤波放大电路
3.2.3A/D转换部分
ADC0809和单片机之间的连接如图3-3所示。
其中A/D的参考电压采用默认的5V,使用单片机输出时钟分频。
A/D的数据口和AT89C52的P1口相连接[12],A/D的控制和反馈端口和单片机的P3功能口相连接。
图中的74LS74触发器,一个74LS74中包含两个D触发器。
这里把它连接成分频器,用来对单片机ALE输出的时钟信号进行分频。
以提供给AD0809,用作AD0809的时钟信号。
因为单片ALE输出的时钟频率是12M/6=2M,太大不能直接送给AD0809,所以要用74LS74进行分频。
图3-3ADC0809与单片机连接图
3.2.4温度显示部分
显示系统是单片机控制系统的重要组成部分,主要用于显示各种参数的值,以便使现场工作人员能够及时掌握生产过程。
如图3-4所示,本文采用三位共阳数码管的动态显示方式。
三个数码管的8段分别连接电阻,再通过电阻和单片机的P0口相连。
控制端分别由P2.0,P2.1和P2.2控制。
当控制端为高,数码管阳极和电源断开,该数码管不亮;
当控制端为低,数码管阳极和电源接通,该数码管亮。
由共阳数码管的结构,可以得出P0.0~P0.7输出低电平时,相应管段亮,输出高电平时,相应管段灭。
相应管段亮,输出高电平时,相应管段灭。
图3-4数码显示电路
3.2.5电源部分
稳压电源是单片机测控系统的重要组成部分,它不仅为测控系统提供多路电源电压,还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。
近年来,传统的线性稳压电源正逐步被高效率的开关电源所取代。
特别是单片开关电源的迅速推广应用,为设计新型、高效、节能电源创造了良好的条件。
线性集成稳压器分固定式输出、可调式输出两种类型,又以三端固定或可调式集成稳压器的应用范围为最广。
此设计中选用的三端固定集成稳压器为78L05,其电路图如图3-5所示。
图3-5系统电源的电路图
该电源电路采用两种供电方式:
机内变压器供电和机外外接电源供电,两种供电方式可以任选一种,在机内自动切换。
机外外接供电采用傻瓜式接口,不需要辨认直流电正负极,可任意接入8~15V的交流或在直流电压。
机内变压器输入220V交流电压,输出7V交流电压。
经过桥式整流输出大约9V的脉动电压,经过470uF的滤波电容可得到平稳的直流电压,此电压再经过三端稳压器78L05稳压,输出稳定的+5V电压。
外接供电口输入的电源也经过机内另一组桥式整流桥,再经过滤波、稳压、然后输出。
输入口的整流桥堆实现了傻瓜式接口。
当输入直流电源时,由D1、D4或者D2、D3中的一组完成极性转换。
如果输入的是交流电源,则由D1~D4组成的桥完成整流。
3.2.6AT89C52单片机主控模块部分
AT89C52单片机的电源、复位、晶振振荡电路如图3-6所示[13]
图3-6AT89C52单片机的电源、复位、晶振振荡电路图
3.2.6.1复位电路
复位操作完成单片机片内电路的初始化,使单片机
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