基于51单片机红外非接触测温仪阈值报警设计

• 绪论

1.1课题背景及其意义

红外测温仪采用非接触式手段，突破了传统测温模式，具有不扰动被测物体温度分布场，温度分辨率高、响应速度快、测温范围广，稳定性好、可同时测量环境温度和目标温度的特点。

本设计拟采用51单片机为控制核心，负责控制启动温度测量，接收测量数据 ，计算温度值，并根据取得键值控制播放显示过程，主要由光学系统、光电探测器、信号放大器及51单片机信号处理、显示输出等部分组成实现。该课题能够考察我对单片机及其外围电路与软件编程、计算机辅助设计软件等知识的学习和掌握水平，使我在硬件设计及实现、辅助设计软件等方面的应用能力得到全面的训练和提高。

1.2单片机应用的发展及现状

在20世界50年代中期，全世界第一台用数字运算方式的计算机，自从美国著名大学实验室研究出来，从此以后电子计算机经过飞速的成长，主要有以下四个时期：第一代是电子管控制时期，第二代是晶体管控制时期，第三代是采用集成电路控制时期，第四代是采用超大规模集成电路控制时期。

目前使用的计算机都是采用第四代超大规模集成电路控制方式的，由于是有很好的性能，主要表现在性价比高，体积小，性能稳定等特点；例外计算机发展趋向功能强大化，体积越小化，系统稳定化和功能人性化。

体积越小化是目前计算机主要的研究方向，其中主要研究的是把控制器的组成部分融合在一块集成板上，因此就诞生了广泛大规模的集成控制器的微小电子计算机——简称单板小型数字控制器，英文缩写为MCU，因为MCU的主要运用场所是高性能智能化电子产品上，主要是大多数产品都是要内含嵌入的设备的系统。

现在全世界有能力制造出数字控制器MCU的公司商主要是很多大型的国际公司，国内也有一些上市公司进行生产和研究数字控制器MCU，每个公司生产出来的单片机都有各自的特色，主要运用场合也不尽相同 。

1.3本文的主要研究内容及论文结构安排

1. .主要介绍本设计的课题背景及国内外研究状况；
2. .主要说明系统方案的选择；

第3章.主要介绍硬件电路的组成及使用方法；

第4章.主要介绍软件设计；

第5章.主要介绍硬件调试。

第二章 方案的设计与论证

2.1控制方案的确定

本设计由STC89C52单片机电路+1602液晶显示电路+MLX90614ESF红外非接触温度检测电路+按键电路+蜂鸣器报警电路。

2.2控制方式的选择

2.2.1 单片机芯片的选择

方案一

采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器，CPLD可以实现各种复杂的功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑，最终放弃了此方案。

方案二

采用ST公司的STC89C52单片机作为主控制器，STC89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。该单片机功耗低、接口丰富，成本低廉，完全能满足本设计要求。

方案三

采用单片机芯片控制MSP430单片机是美国德州仪器（TI）推出的一种16位超低功 耗的混合信号处理器（Mixed Signal Processor），主要是针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”混合信号处理的解决方案。MSP430F149是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，具有可靠性高、功耗低、扩展灵活、体积小、价格低和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表、专用设备智能化管理及过程控制等领域，有效地提高了控制质量与经济效益，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。然而其成本太高，故舍弃。

故选择方案二。

2.2.2声音报警电路方案的选择

方案一

采用语音集成芯片ISD4004报警，由于ISD4004需要扩充喇叭驱动电路且其本身控制比较繁琐、电路比较复杂，稳定性差。基于以上考虑，所以放弃了此方案。

方案二

通过蜂鸣器实现报警电路，具有电路简单，性能可靠、稳定等优点，最重要的是低成本，故选择方案二。

方案三

采用音乐片作为本系统门铃的音乐模块，音乐芯片是一种比较简单的语音电路，它通过内部的振荡电路，再外接小量分立元件，就能产生各种音乐信号，音乐芯片是语音集成电路的一个重要分支，目前广泛用于音乐卡、电子玩具、电子钟、电子门铃、家用电器等场合。其具有电路简单，成本低廉等优点。

故选择方案二。

2.2.3显示方案的选择

方案一

采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字十分合适,采用动态扫描法与单片机连接时,虽然占用的单片机口线少，电路简单，性价比较高。

然而本设计显示数据较多，数码管明显不符合要求，故舍弃。

方案二

采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,若采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以在此也不用此种作为显示。

方案三

LCD液晶显示，由单片机驱动，它主要用来显示大量数据、文字、图形，能够显示的位数多，显示得清晰多样、美观，同时液晶显示器的编写程序简单，价格便宜，故采用此种方案。

采用1602液晶显示屏,该液晶显示屏的显示功能强大,内置192种字符，可显示大量符号、数字,清晰可见,而且功率消耗小寿命长抗干扰能力强。

故选择方案一。

2.2.4温度采集模块的选择

方案一

采用PT100铂电阻温度传感器，此传感器属于电阻式传感器，它的电阻随着温度的变化而变化。这种温度传感器有零度电阻值和电阻变化率，它性能比较稳定，测量范围达到-200℃~850℃，但是使用它要复杂的转换关系，要清楚的知道电阻和温度之间的关系。其采集电路主要采用的是电阻分压网络，在电阻分压网络的设计上，由于定值电阻随着测量环境温度变化时，其阻值会有所变化，这就会给系统带来误差，使系统采集的温度值产生偏差，并且其电压值要进行AD转换，增加了系统的复杂程度。PT100自身体积较大，温度变化时，反应速度会优先减慢，如果环境变化温度较快时，将会有部分的中间温度会被直接过滤掉，使实时温度信息不准，实时性较差。

方案二

采用AD590，AD590是现在温度测量较为常见的温度传感器，测量精度高、温度范围宽，但是成本很高，一般的廉价应用上不会使用。AD590是电流型温度传感器，在检测温度变化时，其两端的输出电流会有相应的改变。应用方法，一般是采用在输出端接一个定值电阻(当然这也要温漂较低的电阻)，在测量电阻两端的电压（电压值=AD590输出电流×定值电阻阻值），这与PT100的测量方式相同，使用AD转换器，将模拟电压值转换为数字量。当然AD590的体积也稍大，也会有高速温度变化时产生出滤波效果，实时性降低。

方案三

采用DS18B20， DS18B20是数字式的温度传感器，测量的温度范围较广，精度高，成本低，稳定性较好。DS18B20采用单总线通信，减少了I/O的占用数量，减少了外围电路，通信简单。DS18B20的集成度高，体积较小。因为其体积小，可以测量到的温度值变化快，实时性就好。

方案三

选择MLX90614ESF非接触式红外测温模块对温度进行测量，真正实现了非接触式测温。本传感器体积小，成本低，易集成。可以无线测温。（医用）高精度校准，在所需的温度范围精度为0.1°C，分辨率为0.01°C。有单个 和双重区域版本。SMBus兼容数字接口用于快速读取温度并可建立传感器网络。

故选择方案四。

• 硬件电路的设计

3.1系统的功能分析及体系结构设计

3.1.1系统功能分析

本设计由STC89C52单片机电路+1602液晶显示电路+MLX90614ESF红外非接触温度检测电路+按键电路+蜂鸣器报警电路。

1、液晶实时显示MLX90614ESF检测的环境温度值和被测物体温度值，显示中E环境温度，O物体温度。

2、可以通过按键设置温度的阈值，如果MLX90614检测到的温度高于设置的阈值，则蜂鸣器报警，否则，蜂鸣器不报警。

3.1.2系统总体结构

本系统具体框图如下图所示：

系统原理框图

3.2模块电路的设计

3.2.1 STC89C52单片机核心系统电路设计

STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

一、STC89C52主要特性如下：

（1）8K字节程序存储空间；

（2）512字节数据存储空间；

（3）内带4K字节EEPROM存储空间;

（4）可直接使用串口下载。

二、STC89C52主要参数如下：

（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；

（2）工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机）；

（3）工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作 频率可达48MHz；

（4）用户应用程序空间为8K字节；

（5）片上集成512 字节RAM；

（6）通用I/O 口（32个），复位后为：P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O口用时，需加上拉电阻；

（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；

（8）具有EEPROM功能；

（9）共3个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2；

（10）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒；

（11）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；

（12）工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）；

（13）PDIP封装。

三、STC89C52单片机相关引脚说明：

（1）VCC：供电电压。

（2）GND：接地。

（3）P3.0 RXD（串行输入口）

（4）P3.1 TXD（串行输出口）

（5）P3.2 /INT0（外部中断0）

（6）P3.3 /INT1（外部中断1）

（7）P3.4 T0（记时器0外部输入）

（8）P3.5 T1（记时器1外部输入）

（9）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

（10）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

（11）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

（12）ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

（13）/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

（14）/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

（15）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

（16）XTAL2：来自反向振荡器的输出。

单片机引脚图如下图所示：

STC89C52单片机引脚图

四、STC89C52单片机最小系统说明：

STC89C52单片机最小系统电路由复位电路、时钟电路和电源电路。拥有这三部分电路后，单片机即可正常工作。单片机最小系统原理图如下图所示。

单片机最小系统原理图

1. VCC和GND为单片机的电源引脚，为单片机提供电源：
2. 复位电路由按键S1、电解电容EC1和电阻R1组成。具有手动按键复位和上电自动复位功能。系统上电复位按键接口采集到两个高端信号后进行手动复位，就是非自动的按键复位；系统检测到的电压由低电平上升到高电平的一段时间后，在这段时间过后，系统通过电阻与接地之间形成一条通路，然后自动把高电平进行拉低，使得单片机从高电位变为低电位，从而就是给单片机自动进行复位即上电复位。
3. 时钟电路由晶振Y1、瓷片电容C1和C2组成。有控制芯片的数字电路正常工作是少不了TIME(时钟)电路的，我们需要时钟电路自动发出系统时间，让控制芯片正常工作。给控制芯片正常工作的时钟信号，一般把这种工作方式称为“拍”，以至于让整个控制系统能正常工作，由于要保证控制系统能正常工作，提高他的工作能力，我们经常用11.0592MHZ晶振和30PF的电容进行组合，电容为了帮助晶振起振的，满足了数字控制器上电以后可以正常工作。
4. JD1为单片机的下载接口。

3.2.2 5V电源电路设计

本系统选择5V直流电源作为系统总电源，为整个系统供电，电路简单、稳定。DC为电源的DC插座，可以直接接USB电源线，一端插在DC插座上，另外一端可以插在5V电源上，如电脑USB、充电宝、手机充电器等等。LED为红色LED灯，作为系统是否有点的指示灯，电阻为1K电阻，起到限流作用，保护LED灯，以防电流过大烧坏LED灯。SW为自锁开关，开关按下后，红灯亮，此时系统电源5V直流输出。开关再次按下后，红灯灭，此时系统电源无5V电源输出。

3.2.3 LCD1602液晶显示模块电路设计

LCD显示器分为字段显示和字符显示两种。其中字段显示与LED显示相似，只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。字符显示是根据需要显示基本字符。本设计采用的是字符型显示。系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。LCD1602可以显示2行16个汉字。

一、LCD1602主要技术参数如下：

（1）显示容量为16×2个字符；

（2）芯片工作电压为4.5～5.5V；

（3）工作电流为2.0mA（5.0V）；

（4）模块最佳工作电压为5.0V；

（5）字符尺寸为2.95×4.35（W×H）mm。

二、LCD1602采用标准的14脚，其接口的引脚说明如下：

（1）第1脚：VSS为地电源。

（2）第2脚：VDD接5V正电源。

（3）第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端。

（4）第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

（5）第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

（6）第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

（7）第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。

（8）第15～16脚：空脚

三、控制指令说明

LCD1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，说明下表所示：

表3.1 控制命令表

四、1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）

（1）指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置

（2）指令2：光标复位，光标返回到地址00H

（3）指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。

（4）指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁

（5）指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标

（6）指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符

（7）指令7：字符发生器RAM地址设置

（8）指令8：DDRAM地址设置

（9）指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。

（10）指令10：写数据

（11）指令11：读数据

3.2.4 蜂鸣器报警电路（低电平有效）设计

有源蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。本系统所采用的报警模块为5V有源蜂鸣器模块，电路中采用三极管9012来驱动，只要单片机控制引脚为低电平，蜂鸣器就会鸣叫报警，反之则不鸣叫，可以通过控制单片机引脚方波输出形式控制蜂鸣器的鸣叫方式。电阻为限流电阻，保护作用。

编程语言选择

由于整个程序比较复杂，且计算量较大，用到了较多的浮点数计算，所以程序的编写采用了C语言。

对于大多数51系列的单片机，使用C语言这样的高级语言与使用汇编语言相比具有如下优点:

1. 不需要了解处理器的指令集，也不必了解存储器结构。
2. 寄存器分配和寻址方式由编译器进行管理，编程时不需要考虑存储器的地址和数据类型等细节。
3. 指定操作的变量选择组合提高了程序的可读性。
4. 可使用与人的思维更相近的关键字和操作函数。
5. 与使用汇编语言相比，程序的开发和调试时间大大缩短。
6. C语言的库文件提供了许多标准的例程。
7. 通过C语言可实现模块化编程技术，从而可将已编制好的程序加到 新程序中。
8. C语言可移植性好且非常普及，C语言编译器几乎适用于所有的目标系统，己完成的项目可以