凌阳SPEC061A单片机红外线温度测量.docx
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凌阳SPEC061A单片机红外线温度测量
凌阳SPEC061A单片机红外线温度测量
摘要
红外测温技术在生产过程,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发挥了着重要作用。
它打破了传统的测温模式,并且具备回应速度快、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。
本设计是一种方便用户使用的温度测量工具,功能稳定,运行速度快,通过单片机的运算处理,完成数据的显示与语音播报功能。
本系统主要是以凌阳科技推出的一款16位结构的微控制器SPCE061A单片机作为主控制器进行设计的。
利用红外线温度传感器测量目标温度,进行AD转换,传给单片机,经单片机处理信息之后,把信息传给SPLC501液晶模块显示出来,经过内部计算,并由语音模块外接功放,实现语音播报温度。
测量范围是-33°C—220°C,测量精度是±0.6°C。
本系统包括语音播报和SPLC501LCD液晶显示、TN红外测温传感器接入等部分。
关键词:
红外线温度测量,凌阳SPEC061A单片机,语音播报,SPLC501液晶模块
Abstract
Infraredtemperaturemeasurementtechnologyintheproductionprocess、qualitycontrolandmonitoring、equipmentonlinefaultdiagnosisandsecurityprotection,andenergyconservationhasplayedanimportantrole.Itbreaksthetraditionaltemperaturemeasurementmode,andhasthecharcteristicsoffastresponse、highaccuracy、widemeasurementrange、simultaneouslymeasuringtemperatureandtargettemperature,andthedistancemeasurementcanbeupto30meters.
Thedesignisauser-friendlytoolfortemperaturemeasurement,whichisstable,runningfastthroughtheMCUoperationprocessingfordatadisplayandvoicebroadcastfunction.ThissystemisdesignedbyusingSunplusintroducingthestructureofa16-bitsinglechipmicro-controllerasthemastercontrollerSPCE061A.Usinginfraredtemperaturesensortomeasuretargettemperature,thenforADconversion,andtransmittingtosinglechip,aftersinglechipprocessinginformation,trasmittinginformationtoSPLC501LCDmoduletodisplay,throughtheinternalcalculationbythevoicemoduleexternalpoweramplifier,voicebroadcasttemperature.Measurementrangeis-33°C—220°C,accuracyis±0.6°C.
ThesystemincludesvoicebroadcastandSPLC501LCDliquidcrystaldisplay,TNaccesstootherpartsofinfraredsensors.
Keywords:
infraredtemperaturemeasurement,SunplusSPEC061Amicrocontroller,voicebroadcast,SPLC501LCDModule
目录
1绪论1
1.1课题开发的背景和现状1
1.2课题开发的目的和意义2
1.3课题的要求2
2红外测温工作原理4
3系统总体设计6
3.1系统基本设计6
3.1.1系统设计思路6
3.1.2系统设计总体框架6
3.2系统设计方案选择7
4硬件设计11
4.1硬件总体设计11
4.2红外温度传感器选型11
4.3电源模块14
4.4语音播报15
4.5SPLC501LCD液晶显示16
4.6凌阳SPCE061A单片机19
4.6.1凌阳SPCE061A单片机设计19
4.6.2凌阳SPEC061A单片机电路21
5软件设计23
5.1主程序23
5.1.1主程序流程图23
5.1.2主程序的设计24
5.2红外线测温子程序设计25
5.3语音播报28
5.4LCD液晶显示31
6系统调试34
6.1系统硬件调试34
6.1.1系统硬件环境34
6.1.2系统硬件调试34
6.2系统软件调试34
6.2.1系统软件环境34
6.2.2系统软件调试39
总结和展望40
致谢41
参考文献42
附录1原理图43
附录2源程序44
1绪论
课题开发的背景和现状
红外辐射这一物理现象被发现在1800年,但直到本世纪50年代,红外技术才开始进入广泛应用的阶段。
非接触测温技术也叫辐射测温,最早的非接触测温就是以光学高温计为代表的高温法,以后,人们根据斯蒂芬.玻尔兹曼公式,利用黑体辐射能与热力学温度的关系进行测温,这就是全辐射测温和部分辐射测温法,还有的人在光学高温计上进行改进,出现了光电高温计、红外温度计等。
红外测温优点如下:
1.它的测量不干扰被测温场,不影响温场分布,从而具有较高的测量准确度。
2.测温范围宽,在理论上无测量上限,可以测量相当高的温度
3.探测器的响应时间短,反应速度快,易于快速与动态测量
4.不必接触被测物体,操作方便
5.可以确定微小目标的温度
随着工农业、国防事业、医学的发展,对温度测量越来越迫切。
红外测温技术在生产过程中,在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发挥了着重要作用。
近20年来,国内红外温度测量在技术上得到迅速发展,性能不断完善,功能不断增强,品种不断增多,适用范围也不断扩大,市场占有率逐年增长。
比起接触式测温方法,红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。
但是比起国外,我们仍处于起步晚,高度低的状况,就温度仪来说,美国红外线测温仪型号:
Fluke62Mini(非接触式温度测量)特点:
较宽的温度范围到500℃;高光学分辨率;激光瞄准;高精度;背景光显示;同时显示测量的最大值温度范围:
-30-500℃(932℉)精度:
10C-30℃(50F-86℉)时为±1℃(±2℉),德国一家公司制造的,响应时间因为一秒钟,日本的温度测量技术精确度远远领先世界同种技术。
课题开发的目的和意义
为了克服传统的温度计测量温度的主要缺点——需要测量者与被目标近距离接触和测量不方便。
在顾及仪器测量高精度前提下,以追求最低成本为原则,本文设计红外测温的整体系统构架。
接着根据红外测温原理,主要针对人体体温测量进行了具体的设计开发.开发包括硬件电路,外围工艺,单片机程序和主机程序,对人体的温度测量的误差低于±o.1℃。
红外测温为测量各种温度提供了快速、红外测量手段,可广泛、有效地用于密集人群的体温测量。
红外测温针对特定人群,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。
在本设计中,整合大学所学的各种专业知识,并运用到实际生活中,并在其中中应用了当今的新技术,此设计能跟上科技大潮的步伐。
红外测温现在应用日益广泛,在生活中应用很多。
在我国甲流、SARS时,红外测温是最常用的测量技术,无接触,不感染,对人们战胜疾病,起到很重要的作用。
无论是过去还是将来,红外测温应用必将日益广泛。
本设计就是基于这种思路,从基础入手,利用红外测温技术,提高了测温的距离,和测温的范围,并应用了语音播报技术,在传统测温的基础上更进一步。
本设计在人们的生活中,会得到推广并应用与各个领域。
课题的要求
本设计实现红外温度测量,具有红外非接触测温功能。
利用红外测温原理,使用红外测温传感器,测量出目标在其波段范围内的红外辐射量,经过AD转换后,将测量值发送到处理器,根据公式计算出物体的实际温度值。
可以对室温或体温进行测量,经液晶显示,并且将温度值语音播报出来。
主要要求包括
(1)了解红外线温度测量的设计原理,制定合理的设计方案;
(2)根据实际的应用,选择合适的芯片和温度传感器;
(3)测量范围在-33℃至200℃;
(4)测量误差在±0.6℃,或温度值的1%;
(5)使用音频芯片播报测量温度值;
(6)使用SPLC501液晶模块显示数据
根据以上要求:
本文以凌阳SPCE061A单片机和红外测温传感器、SPLC501液晶模块为基础,进行设计,了解芯片的结构,总结系统设计的框架,选择需要匹配的元器件,并进行线路的连接,画出系统原理图,和各个芯片的原理图。
设计完成,进行焊接和调试。
2红外测温工作原理
红外测温是辐射式测温的一种,是利用物体的热辐射现象来测量物体温度的。
红外辐射的基本依据是玻耳兹曼、普朗克等人的黑体辐射定律。
黑体是一种理想物体,它们在相同的温度下都发出同样的电磁波谱,而与黑体的具体成分和形状等特性无关,通过实现和计算得出黑体辐射定律。
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。
物体发射率对辐射测温的影响:
自然界中存在的实际物体,几乎都不是黑体。
所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外,还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。
因此,为使黑体辐射定律适用于所有实际物体,必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数,即发射率。
该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度,其值在零和小于1的数值之间。
根据辐射定律,只要知道了材料的发射率,就知道了任何物体的红外辐射特性。
影响发射率的主要因素在:
1.材料种类
2.表面粗糙度
3.理化结构
4.材料厚度
自然界一切温度高于绝对零度(一273.15℃)的物体,其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合基尔霍夫辐射定律。
只要测量出所发射的E,就可得出温度,这就是红外测温的原理。
利用这个原理制成的温度测量仪表在测量时不需要与被测对象接触,因此属于非接触式测量。
红外测温范围很宽,从一5O℃直至高于3000℃。
在不同的温度范围,对象发出的电磁波能量的波长分布不同,在常温(0—100℃)范围,能量主要集中在中红外和远红外波长。
本设计选用的TN9红外模块,测温范围为-33—+220℃。
当用红外线测温,测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量,红外能量被红外温度传感器接收,并转变为相应的电信号。
该信号经过放大器和信号处理电路,并按照系统内部的算法校正后转变为被测目标的温度值,然后由测温系统计算出被测目标的温度。
3系统总体设计
3.1系统基本设计
3.1.1系统设计思路
本次文设计的是一个红外线温度测量系统,方便用户使用的温度测量工具,功能稳定,运行速度快,通过单片机的运算处理,完成数据的显示与语音播报功能。
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,这是红外辐射测温所依据的客观基础。
利用红外测温原理,使用红外测温传感器,测量出目标在其波段范围内的红外辐射量,经过AD转换后,将测量值发送到处理器,根据公式计算出物体的实际温度值,通过语音模块外接功放语音读出数据,并通过液晶显示出温度值。
3.1.2系统设计总体框架
图3-1系统总体结构图
本系统采用凌阳61板和TN9红外测温传感器、SPLC501LCD液晶模块,组建这个系统主要包括音频播报,红外线测温,液晶显示三部分,可以实现红外线温度测量,并经由音频播报温度,液晶显示温度。
3.2系统设计方案选择
图3-2基于c51单片机的方案
图3-3基于凌阳61的方案
方案一:
图3-2采用MCS-51系列单片机外接红外测温探头进行温度的数字化采集,并将结果通过LED/LCD模块显示,并进行语音播报。
同样也可以采用其它的8位单片机实现,但是现在单片机已经需要四个模块,再加上必须要的晶振模块、AD转换模块、复位模块、I/O端口,显得复杂繁琐,而且不容易设计方案结构如图3-2所示:
方案二:
图3-3采用SPCE061A单片机外接红外测温探头进行温度的数字化采集,通过内部语音算法将结果播报出来,并由液晶显示模块显示温度。
观整体结构,因为61板集成了晶振输入模块(OSC)、锁相环外围电路(PLL)、复位电路(RESET)、指示灯(LED),系统显的简洁,较容易设计,能较好的完成本次设计,如图3-3所示:
比较一下思路一和思路二,发现大多的同学做的都是用LED显示,设计时可以经过测量直接读出数字,并经由LCD液晶显示,也显的很新颖。
经过查阅资料,了解到PSPCE061A单片机集成了音频芯片,又集成了单片机需要的几个模块,能方便用户处理音频,功能强大,设计较为简单,于是就选择了凌阳SPCE061A单片机。
下面主要介绍一下凌阳SPCE061A单片机的功能特性。
SPCE061A单片机是台湾凌阳公司生产的一种十六位的单片机,使用它可以非常方便的实现控制和语音播报的系统,凌阳十六位单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。
在此环境中,支持标准C语言,可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用,并且,提供了语音录放的库函数,只要了解库函数的使用,就会很容易完成语音播报,这些都为软件开发提供了方便的条件。
该芯片拥有8路10位精度的AD,其中1路AD为音频转换通道,并且内置有自动增益电路。
这为实现语音录入提供了方便的硬件条件。
2路10位精度的DA,只需要外接2个功放(LM386)即可完成语音的播放。
SPCE061A的主要性能特点是:
(1)16位微处理器;
(2)工作电压(CPU)VDD为2.4—3.6V(I/O)VDDH为2.4~5.5V
(3)CPU时钟:
0.32MHz—49.152MHz;
(4)内置2K字SRAM;
(5)内置32KFLASH;
(6)可编程音频处理;
(7)晶体振荡器;
(8)系统处于备用状态下(时钟处于停止状态),耗电仅为3.6V;
(9)2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值);
(10)2个10位DAC(数-模转换)输出通道;
(11)32位通用可编程输入/输出端口;
(12)14个中断源可来自定时器A/B,时基,2个外部时钟源输入,键唤醒;
(13)具备触键唤醒的功能;
(14)使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒),能容纳210秒的语音数据;
(15)锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号;
(16)32768Hz实时时钟;
(17)7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器;
(18)声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能;
(19)具备串行设备接口;
(20)具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能;
(21)内置在线仿真电路ICE(In-CircuitEmulator)接口;
SPCE061A的结构如图3-4所示:
图3-4SPEC061A结构图
SPCE061A单片机的芯片图如图3-5所示:
图3-5SPEC061A单片机芯片引脚图
4硬件设计
4.1硬件总体设计
本设计采用TN9红外温度测量传感器,经TN9红外测温测的目标温度,经AD转换,传给SPEC061A单片机,并由单片机处理后,将信号传给SPLC051LCD液晶模块显示温度,并进行语音播报。
图4-1硬件设计总体框图
4.2红外温度传感器选型
本设计选择的是TN9红外温度传感器。
TN9红外测温模块解决了传统测温中需接触的问题,并且具备回应速度快、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,配合凌阳的SPCE061A测量距离可以达到30米的红外线的温度测量。
主要功能:
红外线自动测温
测温理想距离可达100英尺(30米)
回应时间比较短,大约0.5秒
该红外传感器可与SPI接口,可以与MCU相连
基本特性与参数指标:
表4-1TN9特性参数表
特性参数
量程
-33—220°C/-27—428°F
工作温度
-10—50°C/14—122°F
精度
+/-0.6°C
反应时间
1sec
重量
9g
电压范围
3Vor5V
图4-2红外模块与凌阳单片机硬件连接图
连线如下:
V-->3.3v
D-->IOA15
C-->IOB8
G-->GND
A-->按键-->GND
运行程序,把按键按住直到有声音播出,第一个温度为环境温度,第二个为目标温度。
红外线传感器和SPEC061A相连接,属于外接,也是此设计除了外接功放和液晶显示模块以外还需要外接的元器件,SPI接口与SPEC061A连接时序如图4-3所示:
图4-3时序图
一帧数据包括5Byte,每个Byte代表含义如下:
Item“L”(4CH):
此帧为目标温度,“f”(66H):
此帧为环境温度
MSB8bitDataMsb
LSB8bitDataLsb
SumItem+MSB+LSB=SUM
CR0DH,结束码
系统刚从盒中取出,还未适应环境温度,所以连续测量都会出现数据不同的情况,相同的情况亦会发生于室温相差太多的房间,例如:
设有暖炉房间的温度要比其他的高出很多,快速改变环境温度亦是造成系统数值不准的原因之一。
因此在这种情况下,建议使用者先将系统放置室内,大约20分钟后,让其适应环境温度,这样就可以得到较正确的数值
由于采用SPEC061单片机,系统的大部分电路集中在61板上面,只有传感器部分电路是采用独立设计,由于TN9红外模块集成了多个电路,但是和单片机连接时,只有几个端口,因此该部分电路如图4-4,TN9红外传感器与SPEC061板的连接如图4-4所示
图4-4TN9部分电路图
4.3电源模块
图4-5是电源部分的电路,由电池盒提供的4.5V直流电压经过SPY0029后产生3.3V给整个系统供电。
SPY0029是凌阳公司设计的电压调整IC,采用CMOS工艺,具有静态电流低、驱动能力强、线性调整出色等特点。
图中的VDDH3为SPCE061A的I/O电平参考,如果该点接SPCE061A(PLCC84封装,下面的介绍中当出现SPCE061A的引脚描述时,均指此封装的芯片)的VDDH脚,可使I/O输出高电平为3.3V;VDDP为PLL锁相环电源,接SPCE061A的VDDP脚;VDD和VDDA分别为数字电源与模拟电源,分别接SPCE061A的VDD脚、VDDA脚,AVSS1是模拟地,接SPCE061A的AVSS1脚;VSS是数字地,接SPCE061A的AVSS2脚;AVSS2接音频输出电路的AVSS2。
图4-5为电源电路图:
图4-5电源电路图
4.4语音播报
语音播报电路由语音输出和语音输入两部分组成。
图4-6是语音输出电路图。
SPCE061A内置2路10位精度的DAC,只需要外接功放电路即可完成语音的播放。
图4-6中的SPY0030是凌阳的一款音频放大芯片,可以工作在2.4—6V范围内,最大输出功率可达700mW。
由于此音频芯片是SPEC061A单片机内置的,所以芯片外部的电路连接比较简单。
该SPEC061A集成了音频输入ADC以及AGC放大电路,因此输出部分电路如图4-6所示,外接一个功放电路可自动完成语音播放。
图4-6语音播报电路图
4.5SPLC501LCD液晶显示
为方便进行单片机接口方面的学习专门设计的模块,SPLC501液晶显示模组可以方便的和61板连接,可进行字符显示、汉字显示以及图形显示;应用在需要图形、文本显示的系统中。
功能简介SPLC501液晶显示模组为128X64点阵,面板采用STN(SuperTwistedNematic)超扭曲向列技术制成并且由128Segment和64Common组成,LCM非常容易通过接口被访问。
模组上的液晶显示器采用凌阳科技的SPLC501芯片作为LCD驱动和控制器,为128X64点阵图形液晶显示器。
表4-2为SPLC501液晶显示模组的电气参数:
表4-2电气参数
参数
符号
条件
最小
典型
最大
单位
工作电压
VDD
-
3.3
5
V
输入电压highlevel
VIH
0.7Vdd
VDD
V
输入电压Lowlevel
VIL
Vss
0.3VDD
V
LCD驱动电压
VLCD
Bias=1/9
8.7
9.0
9.3
V
SPLC501液晶显示模组上提供了液晶显示器的接口,及其所需的复位电路等;并把对液晶模组的操作接口引出,方便用户使用;此外还提供有背光、电源指示灯。
下面主要介绍SPLC501液晶显示模组的模组接口。
SPLC501液晶显示模组引出了时序操作的接口引脚,还引出了对操作时序进行选择的C86和PS接线,模组接口定义:
模组接口各个引脚的定义请参考模组接口引脚定义表。
SPLC501液晶显示模组中,接口引脚:
“+”、“V3”分别为电源输入端和高电平引针(供时序选择跳线用),而“-”、“GND”都是接地引脚。
图4-7为模组的接线原理图
图4-8SPLC501液晶实物图
SPLC501液晶显示模组使用凌阳公司的SPLC501A芯片作为控制
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