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電路方案：基于51單片機紅外非接觸測溫儀閾值報警設計

2023-08-15 08:05:10 來源：與非網

課題背景及其意義

紅外測溫儀采用非接觸式手段，突破了傳統測溫模式，具有不擾動被測物體溫度分布場，溫度分辨率高、響應速度快、測溫范圍廣，穩定性好、可同時測量環境溫度和目標溫度的特點。本設計擬采用51單片機為控制核心，負責控制啟動溫度測量，接收測量數據，計算溫度值，并根據取得鍵值控制播放顯示過程，主要由光學系統、光電探測器、信號放大器及51單片機信號處理、顯示輸出等部分組成實現。該課題能夠考察我對單片機及其外圍電路與軟件編程、計算機輔助設計軟件等知識的學習和掌握水平，使我在硬件設計及實現、輔助設計軟件等方面的應用能力得到全面的訓練和提高。單片機應用的發展及現狀在20世界50年代中期，全世界第一臺用數字運算方式的計算機，自從美國著名大學實驗室研究出來，從此以后電子計算機經過飛速的成長，主要有以下四個時期：第一代是電子管控制時期，第二代是晶體管控制時期，第三代是采用集成電路控制時期，第四代是采用超大規模集成電路控制時期。目前使用的計算機都是采用第四代超大規模集成電路控制方式的，由于是有很好的性能，主要表現在性價比高，體積小，性能穩定等特點；例外計算機發展趨向功能強大化，體積越小化，系統穩定化和功能人性化。體積越小化是目前計算機主要的研究方向，其中主要研究的是把控制器的組成部分融合在一塊集成板上，因此就誕生了廣泛大規模的集成控制器的微小電子計算機——簡稱單板小型數字控制器，英文縮寫為MCU，因為MCU的主要運用場所是高性能智能化電子產品上，主要是大多數產品都是要內含嵌入的設備的系統。現在全世界有能力制造出數字控制器MCU的公司商主要是很多大型的國際公司，國內也有一些上市公司進行生產和研究數字控制器MCU，每個公司生產出來的單片機都有各自的特色，主要運用場合也不盡相同。

第二章方案的設計與論證

控制方案的確定本設計由STC89C52單片機電路+1602液晶顯示電路+MLX90614ESF紅外非接觸溫度檢測電路+按鍵電路+蜂鳴器報警電路。控制方式的選擇單片機芯片的選擇方案一采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器，CPLD可以實現各種復雜的功能、規模大、密度高、體積小、穩定性高、I/O資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統的處理速度，適合作為大規模控制系統的控制核心。但本系統不需要復雜的邏輯功能，對數據的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經濟的角度考慮，最終放棄了此方案。方案二采用ST公司的STC89C52單片機作為主控制器，STC89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統可編程 Flash 存儲器。該單片機功耗低、接口豐富，成本低廉，完全能滿足本設計要求。方案三采用單片機芯片控制MSP430單片機是美國德州儀器（TI）推出的一種16位超低功耗的混合信號處理器（Mixed Signal Processor），主要是針對實際應用需求，把許多模擬電路、數字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”混合信號處理的解決方案。MSP430F149是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，具有可靠性高、功耗低、擴展靈活、體積小、價格低和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表、專用設備智能化管理及過程控制等領域，有效地提高了控制質量與經濟效益，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。然而其成本太高，故舍棄。故選擇方案二。聲音報警電路方案的選擇方案一采用語音集成芯片ISD4004報警，由于ISD4004需要擴充喇叭驅動電路且其本身控制比較繁瑣、電路比較復雜，穩定性差。基于以上考慮，所以放棄了此方案。方案二通過蜂鳴器實現報警電路，具有電路簡單，性能可靠、穩定等優點，最重要的是低成本，故選擇方案二。方案三采用音樂片作為本系統門鈴的音樂模塊，音樂芯片是一種比較簡單的語音電路，它通過內部的振蕩電路，再外接小量分立元件，就能產生各種音樂信號，音樂芯片是語音集成電路的一個重要分支，目前廣泛用于音樂卡、電子玩具、電子鐘、電子門鈴、家用電器等場合。其具有電路簡單，成本低廉等優點。故選擇方案二。顯示方案的選擇方案一采用LED數碼管動態掃描,LED數碼管價格適中,對于顯示數字十分合適,采用動態掃描法與單片機連接時,雖然占用的單片機口線少，電路簡單，性價比較高。然而本設計顯示數據較多，數碼管明顯不符合要求，故舍棄。方案二采用點陣式數碼管顯示，點陣式數碼管是由八行八列的發光二極管組成，對于顯示文字比較適合,若采用在顯示數字顯得太浪費,且價格也相對較高,所以在此也不用此種作為顯示。方案三LCD液晶顯示，由單片機驅動，它主要用來顯示大量數據、文字、圖形，能夠顯示的位數多，顯示得清晰多樣、美觀，同時液晶顯示器的編寫程序簡單，價格便宜，故采用此種方案。采用1602液晶顯示屏,該液晶顯示屏的顯示功能強大,內置192種字符，可顯示大量符號、數字,清晰可見,而且功率消耗小壽命長抗干擾能力強。故選擇方案一。溫度采集模塊的選擇方案一采用PT100鉑電阻溫度傳感器，此傳感器屬于電阻式傳感器，它的電阻隨著溫度的變化而變化。這種溫度傳感器有零度電阻值和電阻變化率，它性能比較穩定，測量范圍達到-200℃~850℃，但是使用它要復雜的轉換關系，要清楚的知道電阻和溫度之間的關系。其采集電路主要采用的是電阻分壓網絡，在電阻分壓網絡的設計上，由于定值電阻隨著測量環境溫度變化時，其阻值會有所變化，這就會給系統帶來誤差，使系統采集的溫度值產生偏差，并且其電壓值要進行AD轉換，增加了系統的復雜程度。PT100自身體積較大，溫度變化時，反應速度會優先減慢，如果環境變化溫度較快時，將會有部分的中間溫度會被直接過濾掉，使實時溫度信息不準，實時性較差。方案二采用AD590，AD590是現在溫度測量較為常見的溫度傳感器，測量精度高、溫度范圍寬，但是成本很高，一般的廉價應用上不會使用。AD590是電流型溫度傳感器，在檢測溫度變化時，其兩端的輸出電流會有相應的改變。應用方法，一般是采用在輸出端接一個定值電阻(當然這也要溫漂較低的電阻)，在測量電阻兩端的電壓（電壓值=AD590輸出電流×定值電阻阻值），這與PT100的測量方式相同，使用AD轉換器，將模擬電壓值轉換為數字量。當然AD590的體積也稍大，也會有高速溫度變化時產生出濾波效果，實時性降低。方案三采用DS18B20， DS18B20是數字式的溫度傳感器，測量的溫度范圍較廣，精度高，成本低，穩定性較好。DS18B20采用單總線通信，減少了I/O的占用數量，減少了外圍電路，通信簡單。DS18B20的集成度高，體積較小。因為其體積小，可以測量到的溫度值變化快，實時性就好。方案三選擇MLX90614ESF非接觸式紅外測溫模塊對溫度進行測量，真正實現了非接觸式測溫。本傳感器體積小，成本低，易集成。可以無線測溫。（醫用）高精度校準，在所需的溫度范圍精度為°C，分辨率為°C。有單個和雙重區域版本。SMBus兼容數字接口用于快速讀取溫度并可建立傳感器網絡。

故選擇方案四。

【資料圖】

硬件電路的設計

系統的功能分析及體系結構設計

系統功能分析本設計由STC89C52單片機電路+1602液晶顯示電路+MLX90614ESF紅外非接觸溫度檢測電路+按鍵電路+蜂鳴器報警電路。1、液晶實時顯示MLX90614ESF檢測的環境溫度值和被測物體溫度值，顯示中E環境溫度，O物體溫度。2、可以通過按鍵設置溫度的閾值，如果MLX90614檢測到的溫度高于設置的閾值，則蜂鳴器報警，否則，蜂鳴器不報警。系統總體結構

本系統具體框圖如下圖所示：

系統原理框圖

模塊電路的設計 STC89C52單片機核心系統電路設計

STC89C52RC是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節系統可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但是做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能：8k字節Flash，512字節RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。

一、STC89C52主要特性如下：

（1）8K字節程序存儲空間；（2）512字節數據存儲空間；（3）內帶4K字節EEPROM存儲空間;（4）可直接使用串口下載。

二、STC89C52主要參數如下：

（1）增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12 時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統8051；（2）工作電壓：～（5V單片機）/～（3V 單片機）；（3）工作頻率范圍：0～40MHz，相當于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz；（4）用戶應用程序空間為8K字節；（5）片上集成512 字節RAM；（6）通用I/O 口（32個），復位后為：P1/P2/P3 是準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O口用時，需加上拉電阻；（7）ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/,TxD/）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片；（8）具有EEPROM功能；（9）共3個16 位定時器/計數器。即定時器T0、T1、T2；（10）外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發電路，Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發中斷方式喚醒；（11）通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現多個UART；（12）工作溫度范圍：-40～+85℃（工業級）/0～75℃（商業級）；（13）PDIP封裝。

三、STC89C52單片機相關引腳說明：

（1）VCC：供電電壓。（2）GND：接地。（3） RXD（串行輸入口）（4） TXD（串行輸出口）（5） /INT0（外部中斷0）（6） /INT1（外部中斷1）（7） T0（記時器0外部輸入）（8） T1（記時器1外部輸入）（9） /WR（外部數據存儲器寫選通）（10） /RD（外部數據存儲器讀選通）

（11）RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。

（12）ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。（13）/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。（14）/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。（15）XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。（16）XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

單片機引腳圖如下圖所示：

STC89C52單片機引腳圖

四、STC89C52單片機最小系統說明：

STC89C52單片機最小系統電路由復位電路、時鐘電路和電源電路。擁有這三部分電路后，單片機即可正常工作。單片機最小系統原理圖如下圖所示。

單片機最小系統原理圖

VCC和GND為單片機的電源引腳，為單片機提供電源：

復位電路由按鍵S1、電解電容EC1和電阻R1組成。具有手動按鍵復位和上電自動復位功能。系統上電復位按鍵接口采集到兩個高端信號后進行手動復位，就是非自動的按鍵復位；系統檢測到的電壓由低電平上升到高電平的一段時間后，在這段時間過后，系統通過電阻與接地之間形成一條通路，然后自動把高電平進行拉低，使得單片機從高電位變為低電位，從而就是給單片機自動進行復位即上電復位。

時鐘電路由晶振Y1、瓷片電容C1和C2組成。有控制芯片的數字電路正常工作是少不了TIME(時鐘)電路的，我們需要時鐘電路自動發出系統時間，讓控制芯片正常工作。給控制芯片正常工作的時鐘信號，一般把這種工作方式稱為“拍”，以至于讓整個控制系統能正常工作，由于要保證控制系統能正常工作，提高他的工作能力，我們經常用晶振和30PF的電容進行組合，電容為了幫助晶振起振的，滿足了數字控制器上電以后可以正常工作。

JD1為單片機的下載接口。

5V電源電路設計本系統選擇5V直流電源作為系統總電源，為整個系統供電，電路簡單、穩定。DC為電源的DC插座，可以直接接USB電源線，一端插在DC插座上，另外一端可以插在5V電源上，如電腦USB、充電寶、手機充電器等等。LED為紅色LED燈，作為系統是否有點的指示燈，電阻為1K電阻，起到限流作用，保護LED燈，以防電流過大燒壞LED燈。SW為自鎖開關，開關按下后，紅燈亮，此時系統電源5V直流輸出。開關再次按下后，紅燈滅，此時系統電源無5V電源輸出。5V電源電路原理圖 LCD1602液晶顯示模塊電路設計LCD顯示器分為字段顯示和字符顯示兩種。其中字段顯示與LED顯示相似，只要送對應的信號到相應的管腳就能顯示。字符顯示是根據需要顯示基本字符。本設計采用的是字符型顯示。系統中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。與傳統的LED數碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等優點，而且不需要外加驅動電路，現在液晶顯示模塊已經是單片機應用設計中最常用的顯示器件了。LCD1602可以顯示2行16個漢字。

一、LCD1602主要技術參數如下：

（1）顯示容量為16×2個字符；（2）芯片工作電壓為～；（3）工作電流為（）；（4）模塊最佳工作電壓為；（5）字符尺寸為×（W×H）mm。

二、LCD1602采用標準的14腳，其接口的引腳說明如下：

（1）第1腳：VSS為地電源。（2）第2腳：VDD接5V正電源。（3）第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端。（4）第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。（5）第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數據。（6）第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。（7）第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線。（8）第15～16腳：空腳

三、控制指令說明

LCD1602液晶模塊內部的控制器共有11條控制指令，說明下表所示：

序號	指令	RS	R/W	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
1	清顯示	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1
2	光標返回	0	0	0	0	0	0	0	0	1	*
3	置輸入模式	0	0	0	0	0	0	0	1	I/D	S
4	顯示開/關控制	0	0	0	0	0	0	1	D	C	B
5	光標或字符移位	0	0	0	0	0	1	S/C	R/L	*	*
6	置功能	0	0	0	0	1	DL	N	F	*	*
7	置字符發生存貯器地址	0	0	0	1	字符發生存貯器地址
8	置數據存貯器地址	0	0	1	顯示數據存貯器地址
9	讀忙標志或地址	0	1	BF	計數器地址
10	寫數到CGRA或DDRAM）	1	0	要寫的數據內容
11	從CGRAM或DDRAM讀數	1	1	讀出的數據內容

表控制命令表

四、1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現的。（說明：1為高電平、0為低電平）

（1）指令1：清顯示，指令碼01H，光標復位到地址00H位置（2）指令2：光標復位，光標返回到地址00H（3）指令3：光標和顯示模式設置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。（4）指令4：顯示開關控制。 D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍（5）指令5：光標或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標（6）指令6：功能設置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符（7）指令7：字符發生器RAM地址設置（8）指令8：DDRAM地址設置（9）指令9：讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數據，如果為低電平表示不忙。（10）指令10：寫數據（11）指令11：讀數據

系統中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。在本電路中電位器可以調節液晶顯示的對比度即清晰度。其具體電路原理圖如下圖所示。

LCD1602液晶顯示電路原理圖其實物圖如下圖所示。LCD1602液晶實物圖蜂鳴器報警電路（低電平有效）設計

有源蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發聲器件。本系統所采用的報警模塊為5V有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管9012來驅動，只要單片機控制引腳為低電平，蜂鳴器就會鳴叫報警，反之則不鳴叫，可以通過控制單片機引腳方波輸出形式控制蜂鳴器的鳴叫方式。電阻為限流電阻，保護作用。

系統軟件設計

完整的控制系統由硬件系統和軟件系統組成，前一章主要闡述了系統的硬件電路的設計方案，若要充分發揮系統的設計功能，則需要支持硬件平臺的軟件程序，即燒寫到單片機內部的程序。

編程語言選擇由于整個程序比較復雜，且計算量較大，用到了較多的浮點數計算，所以程序的編寫采用了C語言。對于大多數51系列的單片機，使用C語言這樣的高級語言與使用匯編語言相比具有如下優點:

不需要了解處理器的指令集，也不必了解存儲器結構。

寄存器分配和尋址方式由編譯器進行管理，編程時不需要考慮存儲器的地址和數據類型等細節。指定操作的變量選擇組合提高了程序的可讀性。可使用與人的思維更相近的關鍵字和操作函數。與使用匯編語言相比，程序的開發和調試時間大大縮短。C語言的庫文件提供了許多標準的例程。通過C語言可實現模塊化編程技術，從而可將已編制好的程序加到新程序中。C語言可移植性好且非常普及，C語言編譯器幾乎適用于所有的目標系統，己完成的項目可以很容易的轉換到其它的處理器或環境中與匯編語言相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可移植性、可維護性上有明顯的優勢，易學易用。

單片機程序開發環境

本設計中單片機開發環境是Keil uVision4，Keil uVision4開發軟件是目前51系列單片機系統的主流程序開發軟件，Keil uVision4是STC公司推出最新一代關于51系列單片機處理器的編譯、連接和調試集成環境。可以降低開發周期，從而減少很多成本。Keil uVision4不僅提供了完整的Windows開發環境界面，支持C/C++語言開發，而且其C語言編輯效率很高，能夠使開發者非常容易地使用C語言進行程序編程。其中Keil uVision4有以下特點：

（1）Keil uVision4軟件同時支持WINXP和WIN7等多種操作系統，提供了豐富的庫函數和功能強大的開發工具。（2）Keil uVision4可以完成從編輯、編譯、到連接、調試的一套開發流程。（3）Keil uVision4 C51在Keil C51的基礎上，增加了很多新的功能。如Keil uVision4更加增強了對內核微控制器的開發支持，并對Keil C51的開發形式和開發界面進行相應的改進。Keil uVision4軟件界面如下圖所示。Keil uVision4開發界面圖 Keil uVision4軟件開發流程首先，需要建立“Project”工程，點擊Keil uVision4界面中菜單中“Project”，選擇“New uVision Project”，為新建的工程命名后點擊保存；然后選擇開發單片機芯片的型號，本工程選擇“STC89C52”，這樣就完成了“Project”的建立；當工程建立完畢后，點擊“Source Group”，可以往里面添加.c文件，點擊Add就可以編輯了該文件了，也可以把常用的.c文件拷貝到建立的“Project”目錄下面，最后一個完成的工程軟件就建立完畢了。具體開發流程如圖所示。Keil uVision4軟件開發流程圖程序燒錄軟件介紹在Keil uVision4開發環境下，STC89C52RC芯片程序燒寫軟件使用的是燒錄軟件，它是一款集成了代碼下載，在線仿真和串口查看于一起軟件備，在51系列智能產品研發過程中得到了廣泛使用，性能高，是目前51系列單片機控制系統研發中不可缺少的一部分。在Keil uVision4開發環境中，需要進行一定的配置才能使用，當把下載器（即PL2303串口燒寫模塊）、設備和PC連接好，首先需要在軟件中選擇單片機型號和串口號，并把波特率設置和程序軟件一致。然后選在項目程序“hex”文件所在的地址，最后就可以點擊程序下載按鈕了。具體下載界面如下圖所示。

資料包括：

需要完整的資料可以加入我的紛傳圈子，里面有資源壓縮包的百度網盤下載地址及提取碼。

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