智能红外测温计总体电路论文

《智能红外测温计总体电路论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能红外测温计总体电路论文（65页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、摘 要传统的温度计多采用物理原理,根据水银等随温度升降的热胀冷缩的性质,通过读取刻度值来判断温度值,这种方法不太方便,且测量需要的时间较长。本项目提供一种新的温度测量方案,采用具有SPISerial Peripheral Interface 串行外围接口接口的TN系列红外温度传感器来测量温度信号,可同时测量目标温度和环境温度,并将测量的数据送给SPCE061A单片机处理,之后送数码管显示,同时利用SPCE061A单片机的语音功能播报温度值。红外测温打破了传统的测温模式,它响应快、测量精度高、可靠性高、围广,为非接触测量,因而不易损坏。该温度计以其准确快捷的测量功能、清晰易懂的数字化显示方便人们

2、日常生活使用,语音播报功能使其更加智能化、人性化。关键词：红外测温；SPCE061A单片机；语音播报A Design of Intelligent Infrared ThermometerAbstractMost of the traditional thermometers adopts mercury column which has the physical principle that it expands with heat and contracts with cold along with the change of temperature, and we can read th

3、e temperature out according to the infinity. This method is not convenient, and it takes a long time to measure. This paper proposes a new thermometer project to measure the temperature signal by using the TN series infrared temperature sensor which has the SPI . The sensor can measure both the targ

4、et temperature and environment temperature at the same time, meanwhilethe temperature data which have been measured can be transferred to the SPCE061A microcontroller to process.Then, the data will be transferred to data display, and will be reported by using the SPCE061As voice report function in t

5、he meanwhile. Infrared thermometer breaks through traditional temperature measurement pattern. It responses quickly, and has high accuracy and high reliability and measures in large area. It is also a way of non-contact measurement, so it isnt easy to break. This thermometer can measure accurately a

6、nd quickly, and has the clear and easy display. All these offer convenient condition to our daily life. Furthermore, the voice report function makes it more intelligent and human.Key words: infrared thermometry; SPCE061A microcontroller; voice report目 录1 前言11.1 选题的目的和意义11.2 红外测温技术的发展和国外研究概况11.3 设计任务

7、和要求31.3.1 设计任务31.3.2 设计要求32 概述42.1 红外测温概况42.1.1 红外测温的基础理论42.1.2 红外测温的特点72.2 智能化测量仪表概述72.2.1 智能化测量仪表的基本组成及其发展82.2.2 智能化测量仪表的设计方法93 系统方案论证113.1 任务分析113.2 方案选择113.2.1 方案一113.2.2 方案二113.3 系统工作原理124 系统硬件设计144.1 主控模块144.1.1 SPCE061A简介144.1.2 SPCE061A精简开发板154.1.3 主控模块电路164.2 电源和音频输出电路164.2.1 电源电路164.2.2 音频

8、输出电路164.3 红外测温模块164.3.1 红外测温模块的引脚介绍184.3.2 红外测温模块时序图184.3.3 红外测温模块温度值的计算194.4 键盘显示模块204.4.1 键盘显示电路204.4.2 模块功能及接口说明204.5 系统总体硬件电路图215 系统软件设计225.1 主程序225.2 测温程序225.3 播报显示程序225.4 中断服务程序225.5 软件结构226 抗干扰技术296.1 单片机抗干扰技术概述296.1.1 干扰的来源和后果296.1.2 硬件抗干扰技术306.1.3 软件抗干扰技术326.2 本系统采用的抗干扰技术347 结论36致谢37参考文献38附

9、录一智能红外测温计的程序391 主程序392 读测量数据的用户函数413 红外测温模块驱动函数434 显示并播放温度值函数465 共阴数码管显示驱动程序486初始化键盘函数和扫描键盘函数557 中断服务程序57附录二系统总体硬件电路图5961 / 651 前言1.1 选题的目的和意义体温是人体生命活动的基本特征,也是观察人体机能是否正常的重要指标之一。在目前的日常生活中,人们使用最广的水银体温计是根据水银等随温度升降的热胀冷缩的性质,通过读取刻度值来判断温度值,它有着诸多缺点：传统温度计在使用时,要和被测量者接触,往往要等待较长时间,以期让其充分受热,当测量结束后还要将水银重新甩入水银泡中。由

10、于水银泡是由很薄的玻璃制成极易破碎,而且其中的水银蒸汽对人体有着极强的毒害作用,报纸上就曾多次刊登小孩因咬碎水银泡而误吞水银造成中毒的事件,可见普通的水银体温计有着非常严重的安全隐患。红外测温为测量人体温度提供了快速、非接触测量手段,可广泛、有效地用于密集人群的体温测量。非接触红外测温计针对特定人群,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,可以在几秒钟测得结果,且寿命长,是较为理想的测温仪器。智能红外测温计的设

11、计,其容涉及电子技术、检测技术、单片机技术等多方面容。红外测温为测量人体体温提供了快速、非接触测量手段,可广泛、有效地用于密集人群的体温排查,例如20XX非典期间,红外测温得到了广泛的应用。非接触测量计对特定人群,比如儿童或老年人,有很好的效果。红外测温技术也是一门很实用和前沿的技术,以此作为毕业设计,利于理论联系实际,形成个人在这一方面的知识体系,是对本科阶段学习容的升华,特别是对单片机控制、传感器技术知识深入,它对学生自身综合素质与工程能力的培养也有重要意义。1.2 红外测温技术的发展和国外研究概况1800年,英国天文学家威赫谢耳在研究太阳光谱部分的热效应时,发现热效应最大的位置在红光之外

12、,当时称之为不可见光。到1935年,安培称之为红外线,也可称之为红外辐射。之后,人们花了一百多年时间认识红外辐射的电磁本质,并建立了热辐射的基本规律,为红外技术的应用奠定了理论基础。近代红外技术始于二战,推动技术发展的原因主要是由于军事上的迫切需要和航天工程的蓬勃开展。半个世纪以来随着光学技术、半导体技术、电子技术的发展,红外技术也日趋完善,其中红外测温技术也形成了完整的理论并成功的应用于医学、工农业、矿业等领域。我国的红外技术研究起步于60年代,70年代后期开始了红外玻璃测温计的研究,并取得了可喜成果,但至今未形成系列产品,工业应用仅在近几年才开始。国外的红外测温技术发展较早,技术比较成熟,

13、红外测温产品种类繁多,测温精度及分辨率较高。表1.1和表1.2分别是国和国外红外测温产品性能的简单比较。表1.1 国红外测温产品性能生产厂家产品型号测温围距离系数分辨率精度瞄准方式发射率西光仪器厂HCW-III300300:115%单激光0.6-1海达仪表厂HDTJ-2800-140070:110.5%单激光0.1-1XXCEMDT-8818-50-20012:10.12%单激光0.95清华紫光TH-IR101F30-450.10.2 表1.2 国外红外测温产品性能生产厂家产品型号测温围距离系数分辨率精度瞄准方式发射率RayogerLTDL3-30-120075: 111%双激光0.1-1.0

14、LRL3-30-1200120: 111%单激光0.1-1.01ML3600-3000180: 110.5%单激光0.1-1.0美国HAS-201-20- 200300: 10.51%单激光0.1-1.0RaytekST20-32-40012: 10.20.1%单激光0.95ST80-32-76050:10.10.1%环激光0.1-1.0德国826-T1-50-4003: 10.10.2单激光从表中可以看出,国红外测温技术相对来说技术落后,产品种类比较单一,测温精度及测温分辨率也不如国外产品在技术性能上国产品与国外产品相比还有一定差距,但随着红外产品在国应用得更加普及,会有更多厂家和科研机构进

15、行这方面的研究,会推动我国红外测温产品性能的提高,以满足工农业生产的需要。20XX,一场非典疫情袭击我国,要求快速而非接触的体温测量技术,由此红外测温技术得到了广泛的应用,催生出很多红外测温仪器。1.3 设计任务和要求1.3.1 设计任务利用单片机作为控制板,控制红外测温模组实现温度测量,并能实现温度的显示和播放功能,完成一个完整的智能化红外温度计设计：1.3.2 设计要求1.通过I/O口控制启动测温,利用键盘控制温度测量,并能显示温度值,同时语音播报测量值；2.可以测量目标温度和环境温度；3.测量结果表示的精度为小数点后两位。测量结果表示的精度,并非测量精度,测量精度以传感器的性能决定。2

16、概述2.1 红外测温概况2.1.1 红外测温的基础理论红外线是电磁波谱的一个部分,这一波段位于可见光和微波之间。根据普朗克辐射定理,凡是绝对温度大于零度的物体都能辐射电磁能,物体的辐射强度与温度及表面的辐射能力有关,辐射的光谱分布也与物体温度密切相关。在电磁波谱中,我们把人眼可直接感知的0.40.75微米波段称为可见光波段,而把波长从0.75至1000微米的电磁波称为红外波段,红外波段的短波端与可见光红光相邻,长波端与微波相接。可见光辐射主要来自高温辐射源,如太阳、高温燃烧气体、灼热金属等,而任何低温、室温或加热后的物体都有红外辐射。1. 生物波谱生物波谱,又叫生物频谱,是生物自身发出的生物物

17、理信息的光波或频率的综合称谓,它构成生物体周围的生物信息场。科学研究表明,生物体包括人体可产生温度场、电场和磁场等,统称为生物信息场,可以用物理学中的电磁波谱频率或波长、温度等物理因子来表述。生物波谱的波长覆盖围在电磁波谱中的紫外线到弱微波之间,人体的生物波谱则主要在红外线到弱微波区域,尤其集中在红外线波段围。因此它遵循电磁波的一切特性。生物波谱的这种物理信息的存在、变化是与生物体自身功能状态密切相关的,同样可以反映生物体的健康状态。科学实验证实,生物体自身是一个天然的能量和信息辐射源,在其活体状态下,它每时每刻都在向周围环境发射着这种特定的生物波谱信号,只是其能量相对于其它辐射源较弱而已。从

18、医学角度看,人体是一个生物体,从物理学角度看,人体是一个天然的特定生物信息辐射源,中医所谓的气,也就是人体发出的生物信息的特定方式。2. 人体的生物波谱在人体生物信息场已知物理参数的实验测量中,对辐射能量比较集中的波谱分布,取得比较一致的数值结果,JD哈里认为,人体辐射能量与皮肤表面温度及比辐射率有关。活体皮肤光谱围约为3-50m,其中8-14m波段的辐射量占总能量的46%,峰值波长约为9.5m,虽然人体生物波谱分布围较宽,从可见光到微波波段,但在非能量集中区域,信号强度较低,尤其在远端的数值极其微弱。经科学检测,不管人的肤色如何,干燥皮肤的红外辐射率均为0.98,近似为黑体。根据Planck

19、定律,其波长主要分布在2.5-25m红外波段围,根据 Wien 定律mT2898Km,人体皮肤辐射的峰值波长约9.5m 。3. 红外辐射的发射及其规律先简单介绍一下黑体的红外辐射规律。所谓黑体,简单讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体,也就是说全吸收。显然,因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射吸收率不等于1,所以,黑体只是人们抽象出来的一种理想化的物体模型。但黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础,它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系。下面,我着重介绍其中的三个基本定律。 辐射的光谱分布规律-普朗克辐射定律一个绝对温度为T

20、的黑体,单位表面积在波长附近单位波长间隔向整个半球空间发射的辐射功率与波长、温度T满足下列关系： 2-1式中,分别为第一、第二辐射常数。普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。(2) 斯忒藩德玻尔兹曼奥 Stefan-Boltzmann定律：物体的总辐射率,即单位面积发射总功率与黑体温度的四次方及材料表面的发射率成正比。数学表示为： 2-2其中：,为 Stefan-Boltzmann常数,为材料表面发射率。1879年斯特藩从实验上总结而得到该公式,1884年玻耳兹曼从理论上证明了它。 斯蒂芬-玻耳兹曼定律表明,凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射,而且,黑体单位表面积发射

21、的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且,只要当温度有较小变化时,就将会引起物体发射的辐射功率很大变化。那么,我们可以想象一下,如果能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率,不是就能确定黑体的温度了吗？因此,斯蒂芬-玻耳兹曼定律是所有红外测温的基础。(3) 辐射的空间分部规律朗伯余弦定律所谓朗伯余弦定律,就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比： 2-3此定律表明,黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此,实际做红外检测时。应尽可能选择在被测表面法线方向进行,如果在与法线成角方向检测,则接收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的倍。4. 实际物体的红外辐射规

22、律1基尔霍夫辐射定律：德国物理学家基尔霍夫Gustav Robert Kirchhoff,18241887通过实验发现：在相同的温度下,各种物体在同一波长的发射率与吸收率的比值都相等,并等于该温度下黑体在同一波长的发射率。数学表示为： 2-4其中为波长、 T为物体绝对温度,表示黑体在特定温度和波长下的本领,为常数。该定律指出物体发射本领和吸收率之间的普遍关系,通俗地说就是辐射能力越强的物体,其吸收能力也越强。物体的辐射出射度M和吸收本领的比值M/与物体的性质无关,等于同一温度下黑体的辐射出射度M0。其表明,吸收本领大的物体,其发射本领大,如果该物体不能发射某一波长的辐射能,也决不能吸收此波长的

23、辐射能。2发射率实验表明,实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外,还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。这里,我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数,则就可把黑体的基本定律应用于实际物体。这个辐射系数,就是常说的发射率,或称之为比辐射率,其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。2.1.2 红外测温的特点1. 远距离和非接触测量红外测温不需要与被测物体接触,并可远距离测量,它特别适合于对高速运动物体、旋转体、带电体和高温高压下物体的温度测量。2. 响应速度快红外测温不象热电偶、温度计那样,需要与被测量体接触以达到热平衡,只要接到目标的红外辐射即可测量,其响应时间在毫秒甚至微秒数

24、量级。3. 灵敏度高因物体温度的微小变化会引起辐射功率的较大变化,容易被探测器探出,故红外测温的可测温差很小,可达零点几摄氏度。4. 准确度高红外测温是非接触测量,不破坏物体本身的温度分布,因而所测温度真是、准确、误差可达0.1oC以下。5. 测温围广测温围可从负几十摄氏度到正几千摄氏度。2.2 智能化测量仪表概述随着微电子技术的不断发展,微处理器芯片的集成度越来越高,已经可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、甚至A/D转换器等。人们把这种超大规模集成电路称作单片微控制器MCU,Single Chip Microcontroller,简称为单片机。单片机的出现

25、,引起了仪器仪表结构的根本性变革,以单片机为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路,可以很容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起,组成新一代所谓的智能化测量控制仪表。这种新型的智能仪表在测量过程中自动化,测量结果的数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进展。目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时,几乎没有不考虑采用微处理器使之成为智能仪表的,而目前在仪器仪表中使用最多的微处理器就是单片机。在测量控制仪表中采用单片机技术使之成为智能仪表后能解决许多传统仪表不能或不易解决的难题,同时还能简化仪表电路,提高仪表的可靠性,降低仪表的成本以及加快新产品的开发速度。这类仪表的设计重点已经从模

26、拟和逻辑电路设计转向专用的单片机模板或功能部件、接口电路以及输入/输出通道的设计、通用或专用软件程序的开发。随着科学技术的进一步发展,这类仪表的智能程度必将会越来越高。2.2.1 智能化测量仪表的基本组成及其发展图2.1 基本组成控制量被测量片外扩展存储器单片机A/D转换接口键盘输入接口通信接口D/A转换器接口显示器接口打印机接口以单片机为核心的智能化测量仪表的基本组成如图2.1所示。单片机是仪表的主体,对于小型仪表来说,单片机部的存储器已经足够；大型仪表要进行复杂的数据处理,或者要完成复杂的控制功能,其监控程序较大,测量、处理的数据很多,这是需要在单片机外部扩展片外存储器,被测量的模拟信号经

27、过A/D转换之后,通过输入通道进入单片机部；单片机根据由键盘置入的各种命令,或者送往打印机打印,或者经过D/A转换后成为能够完成某种控制的模拟电压。通信接口的功能是通过接口总线与其他仪器仪表甚至计算机作远距离通信,以达到资源共享的目的。现在传感器也正在受着微电子技术的影响,不断发展变化。传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。有许多国家正致力于将微处理器与传感器集成于一体,以构成超小型、廉价的测量仪器的主体。近20年来,由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛,智能化测量控制仪表已经取得了巨大的进展。从技术背景上来说,硬件集成电路的不断发展和创新是一个重要因素,各种集成电路芯片都在

28、朝大规模、全CMOS化的方向发展。CMOS电路具有功耗低、工作温度围宽的特点。一个全CMOS电路系统的功耗只是普通TTL系统功耗的1/10,采用这种CMOS芯片组成的智能化测量控制仪表可以采用干电池供电,从根本上解决了市电干扰的问题。同时还可以使仪器小型化,便于携带。2.2.2 智能化测量仪表的设计方法智能化测量控制仪表设计的主要容通常包含硬件、软件及仪表结构工艺三大部分。设计者应该熟悉要设计仪表的工作原理和技术性能,应能对仪表的硬件部分独立进行设计和计算；能够根据该仪表的各项测量功能独立进行软件设计；还要能够根据所设计的原理电路,综合考虑仪表的性能和技术要求,合理地布置元器件,绘制出仪表的线

29、路图；最后,对所设计的仪表进行总调,发现设计中的错误之处及时修正,直至所设计的智能化测量控制仪表达到预期的要求。在智能化测量控制仪表的设计研制过程中,要按仪表的功能把硬件和软件分成若干个模块,对各个模块采用自顶向下的顺序分别进行设计和调试,最后将各模块连接起来进行总调。首先要对智能化测量控制仪表进行总体设计。按仪表应完成的任务确定其功能。在智能化测量控制仪表中,单片机是核心,因此在硬件设计时首先要考虑单片机的选择,然后再确定与之配套的外围芯片。在选择单片机时,要考虑的因素有字长、寻址能力、指令功能、执行速度、中断能力以及市场对该种单片机的软、硬件支持状况等。在充分考虑上述各种因素正确选择了单片

30、机之后,还要进行输入和输出接口和其他功能组件的设计。输入/输出接口是智能化测量控制仪表与外部设备交换信息的通道,它包括A/D和D/A转换接口、键盘显示器接口、打印机接口以及各种通讯接口等。软件设计也是智能化测量控制仪表的一个主要容。设计者不仅应能熟练地进行各种硬件电路设计,同时还必须掌握软件的设计方法。通常的软件设计方法是先画出程序流程图,然后根据流程图写出程序。常用的程序设计方法有模块法、自顶向下设计法、结构化程序设计三种。3 系统方案论证3.1 任务分析从设计任务及要求来看,整个设计要求我们完成一个智能红外测温计的设计。这个测温计能够通过按键来启动红外测温,之后需要将测温数据送单片机处理,

31、得到温度值；这一温度值又需要显示并且语音播报出来,从而实现其智能化和人性化。从这一分析来看,整个系统需要这样几个功能模块：单片机主控模块、红外测温模块、键盘显示模块以及语音输出模块。其中单片机机型的选择至关重要,因为它的选择关系到整个系统的复杂和难易程度。3.2 方案选择根据前面的任务分析,我们知道方案选择的关键是单片机机型的选择。目前市场上主流单片机是8位和16位的单片机,而且现在主要都是采用带有闪存或其他功能的新型单片机,如8位的有美国Atmel公司的AT89C51、AT89S51等,PHLIPS公司的89C51RD2等等,16位的有凌阳科技研发的SPCE061A等,因而这里主要介绍两种方

32、案。3.2.1 方案一采用MCS-51系列单片机外接数字式红外探头进行温度的数字化采集,并将结果通过LED/LCD模块显示,并需要给其设计相应的键盘电路和语音输出电路。同样也可以采用其它的8位单片机实现,方案结构如图3.1所示。3.2.2 方案二采用SPCE061A单片机外接数字式红外探头进行温度的数字化采集,并通过部语音算法将结果播报出来。方案结构如图3.2所示。比较方案一和方案二：方案一采用8位单片机,资源比较适中,但是如果需要实现语音功能则比较困难,扩展电路比较复杂,而且还需要专用的仿真器；方案二采用SPCE061A单片机,该16位单片机运算能力强,操作简单,而且带有语音功能,可以非常快

33、捷地实现语音输出功能,提高了集成度,并且能实现在线仿真、调试,带来了诸多便利,所以最终选择方SPCE061ALED/LCD模块TN红外测温探头键盘图3.2 基于SPCE061A单片机的红外测温方案语音输出案二。MCS-51LED/LCD模块TN红外测温探头语音输出图3.1 基于MCS-51单片机的红外测温方案键盘系统的显示方案有数码管显示和液晶显示,本设计中我们采用数码管来显示。凌阳公司同时开发了很多功能模块,可供我们选择,为我们完成红外测温计的设计提供了很多便利。本设计中主要采用了其生产的61板、红外测温模块和键盘显示模块。系统结构框图如图3.3所示。3.3 系统工作原理61板作为整个系统的

34、控制中心,负责控制启动温度的测量、接受测量K1数据、计算温度值,并根据取得的键值控制播报显示过程,同时通过音频输出通道播报温度值；红外测温模块负责温度的测量、采集,并将采集数据通过数据端口传送到SPCE061A单片机；键盘显示模块控制按键操作和K3K2按键测量、播放和显示目标温度与环境温度测量、播放和显示目标温度测量、播放和显示环境温度图3.4 功能框图K1电源电源插口SPCE061A音频I/O口温度测量测温启动温度显示数码管显示播报控制键盘扬声器键盘显示模块红外测温模块61板图3.3 系统结构框图温度的显示。通过按键启动红外测温模块,测量结束返回测量结果,待MCU运算处理得出目标温度和环境温

35、度后将温度对结果进行语音播报。利用键盘可以控制测温计的灵活性,按K1键,测量、播报和显示目标温度与环境温度；按K2键,仅测量、播报和显示目标温度；按K3键,仅测量、播报和显示环境温度。系统功能框图如图3.4所示。4 系统硬件设计红外测温模块VDCGAVDDIOA15IOA14GNDIOA13IOA0IOA7IOB0IOB7IOB8IOB15VDDag,dpDIG1DIG8,dpCOL8COL1ROW1SPCE061A键盘显示模块扬声器电源J3J10图4.1 红外温度计硬件连接图888该红外测温系统主要由SPCE061A精简开发板61板、具有SPI接口的TN系列红外测温模块、键盘显示模块以及电源

36、和扬声器组成,系统结构与连接图如图4.1所示。该系统以16位单片机SPCE061A作为控制核心,由于红外测温模块具有SPI接口,故可以直接与单片机的I/O口相连接,不需要信号放大及调理电路。键盘电路可以控制温度的测量,并把测得的温度通过数码管显示出来。扬声器可以实现温度的语言播报,超过设定值会自动报警。电源模块为整个系统提供电源,该电源模块为三节五号电池及电池盒组成。4.1 主控模块4.1.1 SPCE061A简介1 SPCE061A简介SPCE061A 是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是,在存储器资源方面考虑到用户的较

37、少资源的需求以及便于程序调试等功能,SPCE061A里只嵌32K字的闪存FLASH。较高的处理速度使nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此,与SPCE500A相比,以nSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。2部分性能简介工作电压 VDD为2.43.6V VDDH为2.45.5V CPU时钟：0.32MHz49.152MHz ；可编程音频处理； 晶体振荡器; 系统处于备用状态下,耗电仅为2A3.6V； 2个16位可编程定时器/计数器； 2个10位DAC输出通道； 32位通用可编程输入/输出端口； 14个中断源可来自定时器A / B,

38、时基,2个外部时钟源输入,键唤醒； 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码SACM_S240方式,能容纳210秒的语音数据； 锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；7通道10位电压模-数转换器和单通道声音模-数转换器； 声音模-数转换器输入通道置麦克风放大器和自动增益控制功能； 具备串行设备接口； 具有低电压复位功能和低电压监测功能； 置在线仿真电路ICEIn- Circuit Emulator接口；具有能力；具有WatchDog功能。4.1.2 SPCE061A精简开发板SPCE061A精简开发板简称61板,是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发仿真实验板

39、,是凌阳科技大学计划专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作及电子竞赛所设计的,也可作为单片机项目初期研发使用。61板除了具备单片机最小系统电路外,还包括有电源电路、音频电路含MIC输入部分和DAC音频输出部分、复位电路等,采用电池供电,方便随身携带。61板上有调试器接口Probe接口以及下载线EZ_Probe接口,分别可接凌阳科技的在线调试器、简易下载线,配合unSP IDE,可方便地在板上实现程序的下载、在线仿真调试。4.1.3 主控模块电路本系统以SPCE061A单片机为主控机,因而主控模块实际上就是SPCE061A单片机的最小系统。最小系统主要包括SPCE06

40、1A芯片及其外围的基本电路：晶振输入电路OSC、锁相环电路PLL、复位电路RESET、指示灯LED等,这些电路都做在61板中。主控模块电路如图4.2所示。4.2 电源和音频输出电路4.2.1 电源电路SPCE061A的核供电为3.3V,而I/O端口可接3.3V也可以接5V,所以在电源模块61板上有个电源选择跳线J5,本系统需要的端口高电平为3.3V,跳线在1、2上,电源电路如图4.3所示。4.2.2 音频输出电路SPCE061A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报。图4.4是音频输出电路图,可以直接接扬声器输出声音。图中的SPY0030也是凌阳公司的产品,何LM386

41、相比,它还具有下列优势：LM386工作电压需要4V以上,SPY0030仅需2.4V即可工作；LM386输出功率100mW以下,SPY0030约700mW。4.3 红外测温模块红外测温模块采用非接触测温手段,解决了传统测温中需要接触的问题,具有回应速度快、测量精度高、测量围广以及可同时测量目标温度和环境温度的特点。测量回应时间大约为0.5s,而且,它具备SPI接口,可以很方便地与MCU传输数据。红外测温模块参数如表4.1所示。图4.2 系统主控电路图图4.3 电源电路图4.4 音频输出电路表4.1 红外测温模块的参数测量围-33220工作温度-1050精度0.6分辨率0.05响应时间0.5秒距离

42、系数 D:S1:1发射率0.011波长514电源3V5V尺寸351412mm4.3.1 红外测温模块的引脚介绍AGCDVTN红外测温模块图4.5 红外测温模块引脚图红外测温模块的引脚图如图4.5所示,其中： V为电源电压引脚VCC,VCC一般为3V到5V之间的电压,一般取VCC为3.3V；D为数据接收引脚,没有数据接收时D为高电平；C为2KHz Clock输出引脚；G为接地引脚；A为测温启动信号引脚,低电平有效。4.3.2 红外测温模块时序图红外测温模块的时序图如图4.6所示,为SPI数据格式,在CLOCK的下降沿接收数据,一次温度测量需接收5个字节的数据,这五个字节中：Item为0x4c表示

43、测量目标温度,为0x66表示测量环境温度；MSB为接收温度的高八位数据；LSB为接收温度的低八位数据；Sum为验证码,接收正确时Sum=Item+MSB+LSB；CR为结束标志,当CR为0x0dH时表示完成一次温度数据接收。图4.6 红外测温模块时序图接收5个字节的数据,这五个字节中：Item为0x4c表示测量目标温度,为0x66表示测量环境温度；MSB为接收温度的高八位数据；LSB为接收温度的低八位数据；Sum为验证码,接收正确时Sum=Item+MSB+LSB；CR为结束标志,当CR为0x0dH时表示完成一次温度数据接收。一帧数据包括5个Byte,每个Byte代表含义如下：Item： L:

44、 代表此帧为目标温度f:代表此帧为环境温度MSB：8 bit Data Msb LSB：8 bit Data Lsb Sum：Item+MSB+LSB=SUM CR：0DH,结束码4.3.3 红外测温模块温度值的计算无论测量环境温度还是目标温度,只要检测到Item为0x4cH或0x66H同时检测到CR为0x0dH,它们的温度的计算方法都相同。计算公式为： 温度 = Temp/16 273.15 4-1其中Temp为十进制,而测量结果为16进制,把它直接转换为十进制即可。比如MSB为0x14H,LSB为0x2aH,测量结果为0x142aH,十进制表示为5162,则测得温度值为5162/16-27

45、3.15=49.475。4.4 键盘显示模块4.4.1 键盘显示电路本设计中采用6位数码管显示,3个按键控制。整个电路我们采用凌阳图4.7 键盘显示电路 路公司的LED键盘显示模块。设计中用到的硬件电路如图4.7所示。4.4.2 模块功能及接口说明凌阳公司的LED键盘显示模块基本特性和主要功能如下：1. LED键盘模块采用DC5V供电,也可以采用DC3.3V供电；2. 扩展了6位8段数码管,显示围为-99999999999；3. 8个发光二极管,可作为显示状态信息使用；4. 8个按键,可以组成18键盘也可组成24键盘；5.一个电位器,可以提供05V的模拟电压信号或者03.3V的模拟电压,与模组

46、输入的VDD有关。在本设计中只用到了三个按键和六位数码管显示,下面简单介绍一下用到的相关器件：1.ULN2003A其部为三极管阵列,其IN脚相当于三极管的B极,OUT较相当于三极管的C极。若IN脚输入高电平,对应的OUT脚接地；IN脚输入低电平,对应的OUT脚截止输出。图中：IN1IN7为输入信号,OUT1OUT7为输出信号,输入信号高电平有效。2. LG5621CH 共阴极2位数码管。其中adp为数码管的段信号,G1、G2为2位数码管的位信号。段信号高有效,位信号低有效。3.LG5643EH共阴极4位数码管。其中adp为数码管的段信号,d1、d2为时钟冒号的段信号；G1G4为4位数码管的位信

47、号,G5为时钟冒号的位信号。段信号高有效,位信号低有效。设计中按键和显示功能采用LED键盘模组实现,其中按键选择18独立按键,显示采用6位8段数码管动态显示,电路原理如图4.7所示。图中三极管的主要作用是用来放大驱动电流,从而增加显示亮度。在连接时要注意：按键公共端都接VCC,在键盘模块上注意把ROW1和ROW2用跳线短接起来。IOB口高八位连接8个按键的COL8COL1,IOA口低八位控制数码管的段信号,IOB的低八位分别控制数码管的位信号、发光二极管的公共端和第4位数码管后时钟冒号D_DP的位信号,其中IOB的低六位控制位信号DIG1DIG6,IOB6控制发光二极管的公共端本方案中没有用到

48、发光二极管模块,IOB7控制第4位数码管后时钟冒号D_DP的位信号,该信号低电平有效,配合时钟冒号D_DP的段信号就可以点亮或者熄灭时钟冒号。4.5 系统总体硬件电路图系统的总体硬件电路图见附录二。5 系统软件设计根据结构化程序设计的要求,我们编程时采用模块化和结构化编程。根据这一要求以及系统的功能要求,软件结构主要包含以下的程序模块：主程序模块、测温程序模块、播报显示程序模块以及中断程序模块。5.1 主程序主程序流程图如图5.1所示：初始化红外测温模块,初始化键盘；进入主程序循环,调用键盘扫描程序扫描键盘,根据键值散转,进行相应的处理。5.2 测温程序主程序中,调用了测温程序,其流程图如图5

49、.2所示。程序中定义了一个返回变量,根据这个返回变量在主程序中可以根据该变量判断是否测量到正确数据；调用启动测温程序启动测温；调用读测量数据程序读取测量数据；判断第一个字节数据是否为0x4c或0x66,也就是判断是否测量到目标温度或环境温度,是则依次取第二个字节数据和第三个字节数据,如果第五个字节数据为0x0d,则在证明读到正确数据,根据温度计算公式计算温度值,并给返回变量赋0,表明已经读到正确的温度值；否则直接返回。5.3 播报显示程序该系统采用自动播报方式,播报显示程序流程图如图5.3所示,百位显示在第二位数码管,十位显示在第三位数码管,个位显示在第四位数码管,小数点后第一、二分别显示在第

50、五、六位数码管。5.4 中断服务程序该系统中用到了两个中断,一个是FIQ中断,在这个中断里调用F_FIQ_Service_SACM_S480函数进行语音解码播报；另一个是用到的中断是IRQ4_4KHz,用于刷新显示。FIQ中断服务程序流程图和IRQ4中断服务程序流程图分别如图5.4和图5.5所示。5.5 软件结构因为系统的硬件并不复杂,而且集成度较高,因而很多功能都需要软件编程来实现,所以系统中涉及的软件程序较多,需要很多实现独立功能NYYNYNNYK3K2K1初始化键盘扫描键盘取键值判断是哪个键按下测量目标温度测量目标温度测量环境温度是否正确测到目标温度是否正确测到目标温度是否正确测到环境温

51、度播报并显示目标温度播报并显示目标温度播报并显示环境温度测量环境温度是否正确测到环境温度播报并显示环境温度初始化测温模块开始图5.1 主程序流程图的子程序。系统软件结构图如图5.6所示,图中可以看出各文件之间的调用关系。NYNY开始定义返回变量,并赋一个不为0的数启动测温读取测量数据读到第一个字节数据为0x4c或0x66？取第二个字节数据取第三个字节数据读到第五个字节数据为0x0d？计算温度值返回变量赋0延时关闭测量返回图5.2 测温程序流程图 各函数及其功能如下：TNDriverUser.c文件里包含了TN_IR_GetData函数合一个延时函数,TN_IR_GetData函数的功能是读取测

52、量结果并计算温度值。这是一个用户端函数,直接调用TN_IR_GetData函数就可以得到测量数据。TNRFDriver.asm文件是底层驱动文件,包含了红外模块初始化函数TN_InitalIO、红外模块启动函数TN_IRACK_EN和读测量数据函数TN_ReadData；其中TN_InitalIO函数主要进行控制口初始化,TN_IRACKNYNYNYNY开始计算温度值的百位、十位、个位,小数点后第一位和第二位数据温度值为0？百位数为0？显示百位数播报百位数播报百十位数据为0？显示十位数播报十位数播报十显示个位数据个位数据为0？播报个位数播报点显示小数点后第一位数据播报小数点后第一位数据显示小数

53、点后第二位数据播报小数点后第二位数据播报摄氏度返回图5.3 播报显示程序流程图_EN函数用来启动测温,TN_ReadData函数用来读取测量数据。PlayData.c文件里包含PlaySnd_Auto自动播放语音函数和F_TempplayAndShow温度值显示播报函数,在主函数里直接调用F_TempplayAndShow就可以播放并且显示已经计算好的温度值。Key.c是一个键盘底层驱动文件,包含键盘控制端口初始化函数Key_Init和键盘扫描函数KeyScan函数。NYNY寄存器入栈是FIQ_TMA中断？是FIQ_TMB中断？调用F_FIQ_Service_SCAM_S480函数消FIQ_T

54、MA中断标志消FIQ_TMB中断标志消FIQ_fosc/1024中断标志寄存器出栈中断返回图5.4 FIQ中断服务程序流程图Dig.asm是数码管底层驱动文件,包含数码管控制端口初始化函数DIG_Init,设置数码管的某一位的显示容函数DIG_Set,设置所有数码管的显示容函数DIG_SetAll,获取某一位数码管的显示容函数DIG_Get,获取所有数码管显示容函数DIG_GetAll,数码管显示函数DIG_Drive,停止数码管显示函数DIG_Off和恢复数码管显示函数 DIG_On。isr.asm文件里定义了各个中断函数,其中在_FIQ中断服务函数里调PlayData.cTNDriverU

55、ser.cmain.cKey.cTNRFDriver.asmDig.asmisr.asm图5.6 软件结构图NYNY寄存器入栈是IRQ_4KHz中断？是IRQ_2KHz中断？消FIQ_fosc/1024中断标志寄存器出栈中断返回调用显示子程序消IRQ_4KHz中断标志消IRQ_2KHz中断标志图5.5 IRQ4中断服务程序流程图用F_FIQ_Service_SACM_S480函数播放语音,在_IRQ4的4KHz中断里调用数码管显示函数DIG_Drive实现数码管的动态刷新显示。main.c文件里包含了main一个函数,函数调用键盘扫描程序扫描键盘,根据返回的键值,调用TN_IR_GetData

56、得到测量数据,计算成温度值后进行播放并显示。6 抗干扰技术6.1 单片机抗干扰技术概述单片机广泛应用于各种仪器仪表中,构成智能仪器,从而使仪器仪表的性能得到极大改善,但是单片机抗干扰措施不解决,其它工作也是白费劲。要解决单片机抗干扰措施,必须先找出干扰源,然后采用单片机软、硬件技术来解决。6.1.1干扰的来源和后果干扰是以脉冲的形式进入单片机系统,其主要的渠道有三条,即空间干扰,供电系统干扰,过程通道干扰。空间干扰多发生在高电压、大电流、高频电磁场附近,并通过静电感应,电磁感应等方式侵入系统部；供电系统干扰以电源的噪声干扰引起的；过程通道干扰是干扰通过前向通道和后向通道进入系统。干扰源主要来自

57、外部电源、部电源、印制板自身干扰、空中、周围电磁场干扰、外部干扰通过I/O口输入等。干扰一般沿各种线路侵入系统。系统接地装置不可靠,也是产生干扰的重要原因；各类传感器,输入输出线路的绝缘损坏均有可能引入干扰。干扰产生的后果： 1. 数据采集误差的加大 当干扰侵入单片机系统的前向通道叠加在信号上,会使数据采集误差增大,特别是前向通道的传感器接口是小电压信号输入时,此现象会更加严重。 2. 程序运行失常 控制状态失灵 在单片机系统中,由于干扰的加入使输出误差加大,造成逻辑状态改变,最终导致控制失常。 死机在单片机系统受强干扰后,造成程序计数器PC值的改变,破坏程序正常运行。3. 系统被控对象误操作

58、 单片机部程序指针错乱,指向了其它地方,运行了错误的程序； RAM中的某些数据被冲乱或者特殊寄存器的值被改变,使程序计算出错误的结果。 中断误触发,使系统进行错误的中断处理。 4. 被控对象状态不稳定 锁存电路与被控对象间的线路受干扰,从而造成被控对象状态不稳定。 5. 定时不准 单片机部程序指针错乱,使中断程序运行超出定时时间； RAM中计时数据被冲乱,使程序计算出错误的结果。6. 数据发生变化在单片机应用系统中,由于外部RAM是可读写的,在干扰的侵入下,RAM中数据有可能发生改变,虽然ROM能避免干扰破坏,但单片机片RAM以及片各种特殊功能寄存器等状态都有可能受干扰而变化,甚至EEROM中

59、的数据也可能误读写,使程序计算出错误的结果。针对上述干扰源,我们可以从硬件和软件上采取措施来减少干扰。6.1.2 硬件抗干扰技术1. 供电系统 防止从电源系统引入干扰,可采取交流稳压器保证供电的稳定性,防止电源的过压和欠压。使用隔离变压器滤掉高频噪声,低通滤波器滤掉工频干扰。 采用开关电源并提供足够的功率余量,主机部分使用单独的稳压电路,必要时输入,输出供电分别采用DC-DC模块隔离,以避免各个部分相互干扰。2. 注意印制电路板的布线与工艺 尽量采用多层印制电路板,多层板可提供良好的接地网,可防止产生地电位差和元件之间的耦合。 印制电路板要合理分区。模拟电路区、数字电路区、功率驱动区要尽量分开

60、,地线不能相混,分别和电源端的地线相连。 元件面和焊接面应采用相互垂直、斜交、或者弯曲走线,避免相互平行以减小寄生耦合：避免相邻导线平行段过长；加大信号线间距。高频电路互联导线尽量短,使用45或者圆弧折线布线,不要使用90折线,以减小高频信号的发射。 印制电路板要按单点接电、单点心接地的原则送电。三个区域的电源线、地线分三路引出。地线、电源线要尽量粗,噪声元件与非噪声元件要尽量离远一些。时钟振荡电路、特殊高速逻辑电路部分用地线圈起来,让周围电场趋近于零。 使用满足系统要求的最低频率的时钟,时钟产生器要尽量靠近用到该时钟的器件。石英晶体振荡器外壳要接地,时钟线尽量短,时钟线要远离I/O线,在石英晶体振荡器下面要加大接地的面积而不应该走其它信号线。