基于单片机的热释电温度测控仪毕业论文

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1、基于单片机的热释电温度测控仪摘要热释电红外测温仪是一种利用物体热释电效应而制成的新型红外测温仪器，它以黑体辐射定律作为理论基础，是光学理论和微电子学综合发展的产物。与传统的测温方式相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。 本文详细介绍了热释电红外测温仪测温的基本原理和实现方法，以热释电红外测温仪现阶段的技术作为参考，提出并研制了一种基于ARM内核的高性能的嵌入式微处理器的热释电红外测温系统。详细介绍了该系统的构成和实现方式，给出了硬件原理图和软件的设计流程图。文中还对影响热释电红外测温仪测温精度的因素和软硬件的相关设计做了详细的分析，并采取了相应措施，本

2、文主要做了以下工作： 阐述了红外测温仪的发展现状和分类，并指出了本文的研究意义；阐述了热释电红外测温仪的原理，并对目前红外测温仪的几种方案的优缺点进行了详细的介绍；对ARM核微处理器作了详细的介绍，并对本文用到的ARM核芯片LPC2132的功能特点和结构做了详细的介绍;详细分析了系统的功能要求，提出了总体设计方案，并在此基础上进行了系统的硬件设计，对每个部分所完成的功能和设计思路作了说明；介绍了系统的软件设计，以流程图的方式介绍了各个功能的具体实现；对影响红外测温仪的测温误差的因素进行了分析，对系统中出现的软硬件干扰问题做了相应的抗干扰措施；为本文研究的主要结论，对系统的进一步的研究工作进行了

3、展望。关键词：热释电传感器，红外测温仪，ARM，LPC2132Microcontroller-based Temperature Measurement and Control Instrument PyroelectricABSTRACTPIR thermometer is a kind of infrared thermometer that makes use of the pyroelectricity effect, it uses the blackbody radiation laws as the theories foundation, it is the outcome t

4、hat the optical theories and micro-electronics learn comprehensive developmentCompared to the way of traditional temperature measurement, it has a series of merits, such as short in response time,non-contact,noninterference to temperature field ,long useful time and convenient operation,etc This pap

5、er introduces the basic principle of PIR and the method of realization in detailWith the technique that the IR thermometers present stage as a referenceIt put forward and develop a kind of measure system according to the embedded microprocessor of high performance ARMThe paper introduces the composi

6、ng and the method of that system in detailand gives the hardware principle diagram and design flow chart of the softwareThe factors that influence PIR thermometers accuracy and the related interference of hardware and software are analyzed in detail, and adopted to corresponded maturesThe following

7、work is done： The present condition and classification of IR thermometer are introduced elaborately, and the meaning of this research is point out; The principle of PIR is introduced；The way to measure IR radiation is presented；The ARM microprocessor is made detailed introduction, and the function c

8、haracteristics and structure of the ARM chip LPC2132 is made a good introduction；The function of the total design project is introduced，The hardware parts base on this system are designed，and made elucidation to the function and the design way of thinking that each part complete;The software parts o

9、f PIR thermometer are proposed, the module of each part is realized in flow chart；the factors that interfere measures error are carried on analysis，the interference of the software and hardware are discussed, and did some ant interference measures；The main research conclusion is summarized, the pros

10、pect of further research of PIR thermometer is proposedKEY WORDS: PIR,Infrared thermometer,ARM，LPC2132目录 基于单片机的热释电温度测控仪1关键词：热释电传感器，红外测温仪，ARM，LPC21321前言5第一章 热释电红外测温仪的原理711辐射测温原理712热释电探测器713几种测温方案9131全辐射测温法9132亮度测温法10133比色测温法10134各种测温方案的特点与适用范围11第二章 ARM核微处理器1221 ARM处理器简介1222 LPC2132主要特性13第三章 系统硬件设计143

11、1系统总体设计1432光学部分的设计15321热释电传感器的选择15322斩波器的设计与控制1633信号处理电路17331信号放大电路17332环境温度检测电路1934 ARM最小系统和外围电路20341电源电路203.4.2键盘电路与液晶显示键盘电路213.4.3显示223.4.4键盘与液晶显示电路23第四章 软件设计2442总体设计2544各子模块的设计26441初始化模块26442中断处理单元29444键盘接口31445LCD显示32448串行通信模块34第六章 结论37谢 辞38参考文献3934 前言温度是确定物质状态的重要参数之一，它的测量与控制在国防、军事、科学研究以及工农业生产中

12、占有十分重要的地位。在工业生产中，我们需要经常对设备的运行状况进行监测来确保设备的安全运行，而对设备的监测通常通过测量其表面的温度来进行现代的工业设备往往是在高电压、大电流以及其它危险情况下运行的，传统依靠人工接触式检测的方法既浪费时间、物力、人力，又带有一定的危险性，同时对测温仪所采用的材质也有严格的限制，在这样的场合下，仪器的使用寿命也成为设计接触式测温仪时的一个重点考虑问题因此有必要去应用一种新的方式去检测目标系统的温度，确保设备的平稳运行。温度的测量方法有两类，一种是利用电气参数随温度变化特性的热电阻、热电偶测温法以及以膨胀式温度计为代表的接触式测温方法，另一种是以热辐射为代表的非接触

13、式测温方法前者的优点在于测得的温度是物体的真实温度，测温简单、可靠，其缺点在于动态性能差，需要接触被测物体，测温元件与被测介质需要一定时间的热交换才能达到热平衡，同时对被测物体的温度场分布有一定的影响，同时由于工业现场的高温、高压、腐蚀性等恶劣条件，影响了测温仪的精度和使用寿命，大大限制了接触式测温仪的使用；非接触式测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件，其与接触式测温相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。但受到物体的发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。本课题研究的主要内容是设计一种可用于工业现场的高性能的

14、红外测温仪，在总结各种红外测温方法的基础上，提出并研制了一种基于ARM内核的高性能的嵌入式微处理器的热释电红外测温仪。课题采用Philips公司的ARM核芯片LPC2132作为主处理芯片，设计的红外测温仪具有配置简单，扩展方便，可靠性高的特点本文主要完成了以下工作：1. 在对整个测温系统的原理和测温方案分析的基础上。对系统的软硬件设计进行了协调优化，并进行了总体部分的设计。2. 硬件部分：采用锁定放大的方式完成微弱信号的提取，完成了光学系统、探测器放大电路单元、带通滤波单元、移相电路、相敏检测电路、低遁滤波单元、环境温度测量单元等部分的电路设计。3. 软件部分：完成了LPC2132的初始化、中

15、断处理单元、电机控制、AD转换、键盘和显示部分的流程图设计和相关部分软件的编写。第一章 热释电红外测温仪的原理本章主要介绍热释电红外测温的原理和测温的方法，并对热探测器的功能特性作了概括说明1.1辐射测温原理红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向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联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强 1.2热释电探测器早在1703年左右人类就发现了热释电效应，在1965年查明这种效应对温度具有极高的灵敏度，在室温附近可以检测出610的温度变化值。但由于种种条件的限制，以及无法

16、克服来源不明的准直流噪声干扰，一直未能成功地把该技术用于非接触式测温热释电器件是一种近十几年发展起来的新型红外传感器，在红外检测领域中占有越来越重要的地位，广泛用于红外测温、红外报警、工业过程自动监控、光谱分析、红外摄像和空间技术等诸多方面。利用热释电效应制成的热探测器件，与其他种类探测器相比，热释电探测器具有以下优点：1. 具有较高的频率响应工作频率接近兆赫兹，一般热释电探测器的时间常数典型值在1001S范围内，而热释电器件的有效时问常数可低至10310s；2. 探测率高,在热探测器中只有气动探测器的探测率比热释电探测率稍高，且这一差距正在不断减小；3. 热释电器件可以有均匀的大面积敏感面，

17、而且工作时可以不必外加偏置电压；4. 受环境温度的变化影响小；5. 热释电探测器件的强度和可靠性比其他多数探测器都要好，且制造比较容易图2-1为典型的热释电传感器结构图1-1热释电传感器热释电红外传感器器件的材料有很多，在具有热释电效应的大量晶体中，热释电系数最大的为铁电晶体材料，因此，我们常见的传感器基本都是利用铁电晶体材料做成的目前最重要的材料有硫酸三甘肽(TGS)晶体、钽酸锂(LiTaO3)晶体、锆钛酸铅(PZT)类陶瓷、聚氟乙烯(PVF)和聚氟乙烯(PZF2)聚合物薄膜等其中TGS热释电是发展最早、工艺最成熟的热辐射探测器件，它在常温下热释电系数较大、介电常数较小，因此在较宽的频率范围

18、内，这类探测器的灵敏度高，从而得到了广泛的应用。热释电传感器的品种较多，可按外形结构和内部构成的不同及性能分类。从封装、外形来分，有塑封式和金属封装(立式和卧式的)等从内部结构分，有单探测元、双探测元、四探测元等。传感器的敏感元为BST薄膜，晶体的上下两面设置电极，通常的热释电器件有面电极和边电极两种结构。面电极结构的电极面积较大，极间距离较短，因而极间电容较大，其不适用于高速应用；边电极的电极间距较大，电极面积较小，因而极间电容较小，因此在高速应用场合一般使用此种电容。由于热释电探测器是微分型的。只能接受到红外辐射能的一小部分，所以它只能检测到变化的温度，所以在测温时需要在探测器前设置一个调

19、制盘，用来提供一个交替变化的光学信号给红外探测器，然后经过探测器的光一电转换后，其传感器的输出电压正比于目标辐射与调制盘温度之差,变成一个交流电压信号供信号处理电路进行处理。1.3 几种测温方案依据测温的原理不同，红外测温仪的设计有三种方法，如果是通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射温度的称为全辐射温度计；如果是通过测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度温度计，也称为单波段温度计；如果测量的是同一被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度交化来定温的则称为比色温度计。1.3.1 全辐射测温法全辐射测温仪测温的理论基础是斯蒂芬一玻耳兹曼定律，即 (1-1)由

20、此可见黑体在整个波长范围内的辐射功率与绝对温度的4次方成正比，是温度的单一函数，它是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的辐射温度。 通常，红外测温仪是以黑体(=1)定标的，此方法所使用的仪表结构简单、读数客观并能连续记录。缺点是温度计示值受环境及发射率影响较大，从而降低了其测温结果的准确度。在实际测量时，需要把辐射温度转换成真实温度，可通过下式进行换算: (1-2)由它引起的真实温度误差为 (1-3)式中：为黑体的温度；为真实温度；为总发射率误差。1.3.2亮度测温法亮度测温法的理论基础是普朗克定律，即 (1-4)其中：为实际物体温度为T时，在波长下的光谱发射率；为实

21、际物体的真实温度；为实际物体的亮度温度；由此式可得出：实际物体的亮度温度永远小于它的真实温度，即T光谱发射率越小，亮度温度偏离真实温度越大。反之，当光谱发射率越接近于l。则亮度温度越接近真实温度。在实际测温中，物体的真实温度总是一定的值，因而，亮度温度成为一个与波长联系的量，因此亮度法测温时必须注明亮度温度的数值与其所取得波长值。1.3.3比色测温法比色测温法又叫做双波段测温法。由于它是利用同一被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化这一特性作为其测温原理的。因此其测温时没必要精确知道被测物体的光谱发射率，而只需要知道两个波长下光谱发射率的比值即可，所以比色测温法可使读出的温度接近于物

22、体的真实温度。由维恩位移定律可知，温度为的黑体，对于波长为和的单色辐射功率之比Z由下式表示： (1-5)式中：表示波长为处的单色辐射功率； 表示波长为处的单色辐射功率；表示第二辐射常数。将（2-9）两边取对数可得： (1-6) 即波长确定后，可根据所测得的Z值计算如黑体的温度Tc实际中的比色测温仪通过滤光片把红外辐射能量分为两个波段，通过每个滤光片的红外辐射被两个独立的红外探测器接收并转换成电信号，然后通过信号处理器来计算两个信号的比值及环境温度补偿后给出测温数据并显示输出。1.3.4各种测温方案的特点与适用范围除去以上三种主要测温方法之外，其它的测温方案还有多波段测温法和最大波长测温法。多波

23、段测温法的测温原理是依次取多个波段，通过计算这些波段辐射功率之问的复杂关系来确定物体的温度，该测温法精度比较高，但测温仪的结构复杂。最大波长测温法的测温原理是依据维恩位移定律中黑体辐射峰值波长与绝对温度之积为一常数，此方法测温结构简单，只适用于极高温度的测量各种测温方案的优缺点如表2-1所示: 表1-1：各类测温方法特点测温方法优点缺点全辐射测温结构简单，成本较低测温精度稍差，受物体辐射率影响大亮度测温法无需环境温度补偿，发射率误差较小，测温精度高工作于短波区，只适合高温测量双波段测温法光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘影响小，测温误差小必须选择适当波段，使波段发射率相差不大多波段测温法测量结果与

24、发射率无关，精度高结构复杂，需选择适当波段最大波长测温法结构简单仅用于测极高温第二章 ARM核微处理器2.1 ARM处理器简介ARM公司是微处理器行业的一家知名企业，ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它是一个设计公司，本身不生产和销售芯片。ARM公司的处理器具有性能高、成本低和能耗小的特点，适用于多种领域，如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM公司将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，包括INTEL、IBM、LG半导体、NEC、SONY、PHILIPS和国家半导体等大公司，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务，从

25、而导致了大量的开发工具和丰富的第三方资源，它们共同保证了基于ARM处理器核的设计可以很快投放市场，使得ARM公司在32位RISC处理器占市场率超过了75以上。与传统的4/8位单片机相比，ARM微处理器的性能和处理能力大大加强，ARM微处理器一般具有以下特点：1. 体积小、低功耗、低成本、高性能2. 支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；3. 大量使用寄存器，指令执行速度更快4. 大多数数据操作都在寄存器中完成5. 寻址方式灵活简单，执行效率高6. 指令长度固定2.2 LPC2132主要特性本系统所选择的ARM微控制器是PHILIPS公司生产的ARM7

26、系列中的LPC2132芯片，LPC2132是基于一个实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-s，并带有64KB嵌入的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码在最大的时钟速率下运行。对代码规模由严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30，而性能的损失却很小。较小的封装和很低的功耗使LPC2132特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口和16kB的片内SRAM，它也非常适合于通信网关、协议转换器、软件modem、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32位定时器、1个或

27、2个10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医疗系统图 2-1 LPC2132管脚配置第三章 系统硬件设计硬件部分是红外测温仪工作的基础，一个优秀的计算机嵌入式系统产品，往往具有良好的硬件系统结构。硬件电路设计不仅需要考虑电路的基本组成结构，也要考虑到嵌入式系统的小型化和低功耗的要求本章主要围绕这两个方面对红外测温仪的硬件设计作了说明3.1系统总体设计由于本系统需要测量的是中低温物体的表面温度，且考虑到成本因素，所以本文采用全辐射测温方案，即通过测量目标发出整波段的辐射功率来测量物体温度，红外测温仪的组成如

28、图41所示，主要由光学系统、光电探测器，信号处理、显示输出等部分组成。光学系统完成视场大小的确定，光电探测器用来将聚焦在光电探测器上的红外能量转换成电信号，经过放大器、滤波器进行信号调理，并送至微控制器进行模数转换及信号处理，最后再经过目标辐射率修正后转换为被测目标的温度值图3-1红外测温仪系统框图3.2光学部分的设计3.2.1热释电传感器的选择热释电红外传感器是最常用的红外探测器之一，系统采用德国海曼公司的LH878热释电传感器作为探测器，LHl878是一种双元探测器，采用双灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性LHI878芯片的主要性能如表31热释电红外测温仪的视

29、场由菲涅耳透镜决定，菲涅耳透镜主要用来提供聚焦作用，本系统设计采用的是反射式红外测温仪。因此菲涅耳透镜在这里面的功能就是把来自多个方向的红外信号有效地集中反射到传感器上，同时滤除一些波长大于红外线的噪声信号，本文采用的菲涅耳透镜为光束式透镜，其有效探测距离达30米，可使测温仪用来探测远距离目标的表面温度。表3-1 LHI878主要性能型号LH1878灵敏元面积21mm灵敏度4000v/W(100,1Hz时)偏置电压0.21.55v (Rs=47K,25)工作电压215v(Rs=47K,25)噪音等效功率7.510 W/Hz (1HzBw,100, 1Hz时)噪音20uVpp,(25,0.310

30、Hz)工作温度-4085储存温度-40853.2.2斩波器的设计与控制热释电型探测器只能检测温度差，它可以直接用来制作自动门的开关、防盗器等，但是对于恒定的温度信号，即使目标物体温度再高，其输出也是零。解决的途径就是使用斩波器，斩波器把接收到的光信号变成交替变化的光信号，再经过热释电探测器后生成交流信号，本系统所使用的斩波装置如图42所示，它分成1O个明区和10个暗区，当它以一定的速度周期转动时，每转动一周，探测器接收到的信号变化10次，探测器发出10个脉冲信号。探测器接收到的是被测物体与斩波器表面的温度差，当被测物体的温度高于斩波器的温度时，输出为正值，反之则为负值，只有两者的温度相同时输出

31、才为零。 图 3-2载波器示意图3.3信号处理电路由于本系统测温仪测温范围在中低温区段，目标信号十分微弱，大多掩埋在强噪声之中，如探测器与周围环境热交换的起伏引起的热噪声、电子器件的复合噪声及其它噪声等。信号处理电路部分主要采用锁定放大的方式对传感器的输出信号进行处理，锁定放大器的基本结构如图所示：包括信号通道、参考通道、相敏检测器(PSD)和低通滤波器等图3-4 锁定放大器原理图信号通道对热释电传感器的信号进行放大，并且滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测器的动态范围；参考通道一般为正弦信号或方波开关信号，通常采用系统内原先用于调制的载波信号或者用于斩波的信号，同时对参考输入信号进行移相处理，

32、以使各种不同的相移信号检测结果达到最佳本系统的信号输入通道包括以下几个部分：前置放大器、带通滤波器、主放大器。参考通道部分主要功能是对斩波信号进行移相，以确保检测结果最佳。3.3.1信号放大电路当光信号经过斩波器和热释电探测器后，就变为交变的脉冲信号，由于热释电探测器接收到的辐射信号很微弱，需要经过放大后才能供后续电路进行处理，前置放大器是引入噪声的主要部件之一，它产生的噪声会被后续的各级放大器进一步放大，所以前置放大器中有源器件的选择是非常重要的。由于大部分红外探测器输出的信号十分微弱，只有微伏或纳微伏数量级，因此前置放大器必须是高增益和低噪声的。高增益是用来把微弱信号放大到一定电平，以便进

33、一步再做处理；低噪声是为了保持尽可能高的信噪比由于前置放大器的放大倍数不能做的太大，所以本系统把信号的放大电路分为前置放大电路和后级放大电路进行处理，前置放大器的噪声系数对整个检测系统的噪声具有决定性作用，本系统所设计的前置放大部分采用低失调精密运算放大芯片AD707，其主要功能参数如下： 1. 偏移电压：0.1Uv/3. 输入偏置电流：130dB5. 电源电压抑制比：120dB6. 转换速率：O3V/us7. 闭环带宽：09MHz本系统的前置放大器的电路图45如下：图 3-5 前置放大电路图中电容C23用于滤除信号中的直流信号，电路的增益为11。主放大器电路采用集成运放OP07，其特点是低失

34、调、低噪声、低漂移，广泛用于精密仪用放大器、传感放大器等场合，电路中R53是阻值为100K的可调电位器，用来对传感器输出信号的增益进行调节图 3-6 主放大器电路3.3.2环境温度检测电路由于探测器测量的是被测物与斩波器的辐射能量差，因此需要在信号处理电路中增加环境温度的检测电路。设被测目标的温度为T，环境温度为T，被测目标辐射率为，斩波器的辐射率为，则传感器的输出信号可表示为:,相应的输出电压：这里面A表示光学系统的光线通过率；表示斯蒂芬一玻耳兹曼常数；S为热释电响应特性及物体表面发射率有关的常数 本系统采用集成温度传感器AD592进行温度补偿。AD592是美国AD公司的一款高性能的集成温度

35、传感器，能线性地将温度转换为电流信号输出，具有测温精度高、非线性误差小、宽范围输入等优点。其主要特性如下：1. 线性度：在0到70时，最大0.152. 测温范围：-251053. 输入电源电压：+4V到+30V4. 输出精度:设计中采用MCl403基准电压源来提供25V的基准电压，其中可调电阻R2用来校准当环境温度为0时输出电压V2的值为OV，R5用来对温度系数进行校准经校准后，输出的电压值V3即为温度系数与环境温度的积，接到LPC2132的AD端口P027实现的电路如图3-7所示：图 3-7 基准电压源电路3.4 ARM最小系统和外围电路3.4.1电源电路电源设计主要包括三个方面，一为电源的

36、选择，二是电源的分配，三是电源的抗干扰设计电源的设计应在保证电源的驱动能力的前提下，尽可能降低系统内部和外部的干扰。 LPC2132微控制器的内核和I/O口使用同一电源电压只需要33V的供电电源，所以系统需要设计为33V应用系统，而一般器件通常为5v供电，系统需要电源转换模块将5V转换为33V电压。系统采用SPXIll7系列LDO芯片(低压差电源芯片)，其输出电流可达800mA，稳压输出33v电压，系统的电源电路如图： 图 3-12 LCP2132系统电源电路图由于本系统采用了LPC2132内置的AD转换器作为数据采集器，图中为了降低噪声和出错几率，使用了10uH电感L3和L4隔离模拟电源和数

37、字电源，同时需要在PCB板大面积敷地来降低噪声除去系统电源外，本系统还需要士12V和+15V电压，为了能够保证有效可靠地供电，本系统分别采用MC78L12、MC79L12和MC78L15电源稳压芯片来为运算放大器和步进电机芯片提供驱动电源3.4.2键盘电路与液晶显示键盘电路常用的键盘接口方法有独立式和矩阵式接法等，独立式接法电路配置简单、软件结构简单，但是占用微处理器口线较多，每个按键需占用一根输入口线；矩阵接法相对电路配置和软件结构相对复杂些，但是占用接口线较少，适用于按键数量较多的场合。LPC2132拥有多达47个通用IO口，由于需要按键较少，因此本系统的键盘设计采用5个独立式按键，每个按

38、键占用一个GPIO引脚，分别为开机键、摄氏与华氏温度转换键、辐射率修正键、激光瞄准键和背光显示键使用时，定义相应的GPl0引脚为输入模式，每个GPIO引脚接有上拉电阻，所以当有键按下时，被按下的GPIO引脚为低电平；当没有按键按下时，GPl0引脚状态为高电平。通过判断GPIO引脚状态的电平就可确定是否有按键被按下。3.4.3显示SDl602是美国ETC公司生产的一种字符型液晶控制器，采用HD77480作为驱动芯片，其内置160个不同的点阵字符图形，这些图形包括阿拉伯数字、大小写英文字母、常用的符号以及日文假名等。可以显示2行16个字符，采用标准的16脚接口，其中D0D8等8个数据总线接口，RS

39、、RW、E三个为控制端口，VSS为电源地，VDD为电源正极。接+5v电源电压。芯片引脚功能如表4-1：表 3-1 SD1062芯片引脚说明编号引脚名称功能说明编号引脚名称功能说明1VSS电源地8DB2数据位32VDD电源正极9DB3数据位43VO液晶显示偏压信号10DB4数据位54RS寄存器选择段11DB5数据位65R/W读写控制引脚12DB6数据位76E使能信号13DB7数据位87DB0数据位115A背光源正极8DB1数据位216K背光源负极其它各个部分的详细功能说明如下：V0为液晶显示器对比度调整端。当接正电源时对比度最高，负电源时对比度最低，对比度的大小通过一个5k电位器来控制。RS为寄

40、存器选择引脚，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器RW为读写控制引脚，高电平时进行读操作，低电平时候进行写操作，当RS与RW都为低电平时就可以完成指令的写操作E为使能端，当其由正电平跳变成低电平时，模块开始工作。A，K端口为背光引脚，当A接正电极、K接负电极时，点亮背光3.4.4键盘与液晶显示电路键盘与液晶显示器接口电路如图4-14所示：SDl602的数据数据总线接口分别与LPC2132微控制器的3641、44、47等引脚相连接，SDl602的使能端E和寄存器选择端口RS分别与微控制器的P016和P029引脚连接，用来控制液晶模块的显示和指令的发送图4-14键盘与液晶显示器接口电路第

41、四章 软件设计红外测温仪测温是通过硬件与软件共同实现的。是硬件与软件相互支持的统一体。一般来说，以硬件为主会使方案成本增加，但处理比较及时，并可减轻微处理器的负担；以软件为主则能降低成本，但需要花费更多的时间和人力投入到软件设计中去。一个性能良好的设计方案往往具有软硬件协调，“备尽其能”的特点。在前一章中己详细介绍了红外测温仪的硬件设计部分，这一章将介绍系统的软件部分。4.1总体设计软件是整个红测温系统的核心，是一个完整的系统不可缺少的一部分。嵌入式系统的软件设计主要是面向相应的计算机硬件开发的，在设计中需要考虑到：系统软件的低功耗设计、软件的运行效率以及软件的开发效率、可维护性及易升级性AR

42、M微处理器软件设计采用前/台系统或超循环系统设计。应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的功能，这部分可看作是后台行为，中断处理模块处理异步事件可看成是前台行为对于红外测温系统，其系统软件主要是完成测温系统的硬件控制功能。当启动红外测温仪时。测温程序无限循环的对探测器的输出信号进行采样，当过一段时间无操作时自动关闭红外测温仪以降低功耗。本系统软件设计所需要完成的功能主要包括：1. 控制步进电机以一定速度转动；2. 对目标温度的循环检测；3. 键盘按键的识别；4. 两路数据采样；5. 辐射率修正；6. 温度的显示输出。整个测温过程的流程如图4-1所示：图 4-1 软件流程图为了提

43、高系统的开发效率和软件的性能，整个红外测温系统的程序采用C语言与汇编语言混合编程的方式，程序在执行过程中，首先通过用汇编语言完成的初始化程序完成系统的初始化过程，然后跳转到由C语言编写完成的应用程序。设计中同时采用ARM公司的ADSl2集成开发环境进行软件部分的程序编写，并使用JTAG口对芯片内部寄存器以及I0口进行调试。4.2各子模块的设计4.2.1初始化模块基于ARM的芯片多数为复杂的片上系统集成(SoC)，这种复杂的系统里多数的硬件模块都是可配置的，需要由软件来设置其需要的工作状态。初始化的代码采用汇编语言实现，这也是目前最常用的做法。当按下红外测温仪的开机键时，首先进入初始化状态，此时

44、系统对LPC2132芯片内部寄存器进行初始化中断向量表、初始化存储器系统、初始化堆栈、初始化有特殊要求的断口和设备、初始化用户程序执行环境、改变处理器模式、呼叫主应用程序等操作。1. 中断向量表ARM要求中断向量表必须放置在从零地址开始的连续8x4字节的空间内，每当一个中断发生后，ARM微处理器强制把PC指针置为向量表中对应中断类型的地址值。因为每个中断只占据向量表中一个字的存储器空间，只能放置1条ARM指令，所以ARM的中断向量表中放的是跳转指令，使程序能从向量表里跳转到专门的中断处理单元里面，再执行中断。初始化中断向量表的代码如下：AREA Boot,CODE,READONLYENTRY

45、;指定编译器保留这段代码B ResetHandlerB UndefHandlerB SWIHandlerB PreAbortHandlerB DataAbortHandlerB ;预留中断B IRQHandlerB FIQHandler其中关键字ENTRY是指定编译器保留这段代码因为编译器可能会认为这是一段冗余代码而加以优化。链接的时候要确保这段代码被链接在0地址处，并且作为整个程序的入口 2. 初始化存储器系统ARM处理器中Flash和SRAM同属于静态存储器类型，可以合用同一个存储器端口；而DRAM因为有动态刷新和地址线复用等特性，通常配有专用的存储器端口。存储器端口的接口时序优化是非常重

46、要的，这会影响到整个系统的性能。因为一般系统运行的速度瓶颈都存在于存储器访问，所以存储器访问时序应尽可能的快；而同时又要考虑到由此带来的稳定性问题。LPC2132通过寄存器控制模块的配置寄存器来初始化存储器系统。在初始化期问要将系统需要读写的数据和变量从ROM拷贝到RAM里；一些要求快速响应的程序，如中断处理程序也要放到RAM里进行。3. 初始化堆栈ARM处理器的7种状态中每一种状态的堆栈指针寄存器SP都是独立的，因此系统需要对用到的每一种模式都要给SP寄存器定义一个堆栈地址，堆栈的大小由实际需要决定。堆栈的部分初始化程序如下: MRS R0,CPSRBIC R0,R0,#MODEMASK ;

47、屏蔽模式位以外的其他位ORR R1,R0,#IRQMODE ;把模式位设置成需要的模式MSR CPSR_cxsf,Rl ;转到IRQ模式LDR SP,=UndefStack ;设置SP-irqORR R1,R0,#FIQMODEMSR CPSR_cxsf,R1LDR SP,=FIQStackORR R1,R0,#SVCMODEMSR CPSR_cxsf,R1LDR SP,=SVCStack4. 初始化有特殊要求的端口设备这由红外测温系统的本身要求决定，一般在系统初始化后进行，比如用来驱动一些简单的设备。比如LED等，来显示系统启动的进程和状态。5. 初始化程序运行环境程序映像一开始总是存储在R

48、OMFlash里面的，其RO部分既可以在ROMFlash里面执行，也可以转移到速度更快的RAM中执行：而RW和ZI这两部分是必须转移到可写的RAM里去。所谓应用程序执行环境的初始化，就是完成必要的从ROM到RAM的数据传输和内容清零。相关程序代码如下：初始化存储器系统，实现了RW数据的拷贝和ZI区域的清零功能IMPORT Image$RO$Limit ;end of ROM code(=start of ROM data) IMPORT Image$RW$Base ;base of RAM to initializeIMPORT Image$ZI$Base ;base and limit of

49、 areaIMPORT Image$ZI$Limit ;to zero initialize；初始化C程序运行环境，实现RW数据的拷贝和ZI区域的清零 LDR r0,=Image$RO$Limit ;得到RW数据源的起始地址 LDR r1,=Image$RW$Base ;RW区在RAM里的执行区起始地址 LDR r3,=Image$ZI$Base ;ZI区在RAM里面的起始地址top of initialized data CMP r0,r1 ;比较两值是否相等 BEQ F1 0 CMP rl，r3 LDRCC r2,r0,#4 STRCC r2,r1,#4 BCC %B01 LDR r1,=

50、Image$ZI$Limit MOV r2,#02 CMP r3,r1 STRCC r2.r3,#4 BCC %B2；呼叫主程序IMPORT main B main ；跳转到主程序END当初始化后，需要让LPC2132切换到用户模式下，并把堆栈指针SP指定到用户堆栈区，就可以进入C代码区运行。4.2.2中断处理单元中断处理模块是计算机系统中必不可少的一部分，它的主要功能是当受到外部或内部中断请求后，正常的程序被暂时中止。处理器进入异常状态，LPC2132保存当前的处理器状态，当处理程序结束时可以恢复执行原来的程序。LPC2132的向量中断控制器具有32个中断请求，包括16个向量IRQ中断和16

51、个优先级可动态分配的中断请求，可以将其编程分为3类：FIQ、向量IRQ和非向量IRQ它的这种可编程分配机制使得不同外设的中断优先级可以动态分配和调整本系统的中断请求的设计思想是当测温过程中，程序需要响应外部辐射率修正、摄氏与华氏温度转换以及背光修正等操作，系统需要暂停测温等操作转去响应外界的中断，同时保护好现场。以及当测温仪的开机键松开后，能自动保存当前的温度值在显示屏上，停止数据的采集等操作，当经过一定的时间后，自动进行关机操作在中断处理时，常常会遇到几个中断源同时向CPU申请中断，这时微控制器LPC2132按照芯片内部的固定优先级决定它们被处理的顺序，LPC2132的中断优先级别为：复位(

52、最高级)数据中止FIQIRQ预取中止未定义指令SWI(软件中断，最低级)。中断程序的流程图如图：4.2.3键盘接口键盘共有5个按键，分别为开机键、摄氏与华氏温度转换键、辐射率修正键、激光瞄准键和背光显示键，当按住开机按键后，首先定义相应的键盘控制引脚为输入模式。当有键按下时，被按下的GPIO弓I脚为低电平；当没有按键按下时，GPIO引脚状态为高电平。通过判断GPIO引脚状态的电平就可确定是否有按键被按下。通常按键所用开关为机械弹性开关，由于机械触点的弹性作用，在按键闭合和断开的瞬间均伴随着有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5-10ms。本系统采用软件方法消抖，当微控制器

53、芯片LPC2132响应键盘中断后。首先进入键延时程序，当有一按键按下时，软件延时一段时间后再判断键状态，本系统设定的延时时间为10ms，由定时器控制。如果仍为有键按下的状态，则确认该按键按下，否则作为按键抖动处理，从而消除了抖动的影响。在确认键按下的情况下，通过扫描的方法判断键对应的值，然后根据对应的值进入功能键处理程序。键盘的扫描程序流程图如下：图 4-4 键盘扫描流程图4.2.4 LCD显示SDl602显示屏可显示2行16个字符，第一行为状态显示符，分别为辐射率显示、摄氏和华氏温度提示符以及背光显示符；第二行为测量得到的数据值，当测温仪正常测温时，显示4位被测数据，可精确到01SDl602

54、的基本操作时序为：1. 读状态：RS=L，RW=H，E=H； /此时输出的D0D7表示状态字2. 写指令：Rs=I，RW=L，D0-D7为指令码，E=高脉冲；3. 读数据：RS=H，RW=H，E=H;/此时输出D0D7表示数据4. 写数据：RS=H。RW=L，D0D7=数据，E=高脉冲；在里面需要注意的是在对控制器每次进行读写操作之前，都必须进行读写检测，以使LCD的读写操作使能值置为0当开机后，系统首先对LCD进行初始化设定SDl602的部分指令功能如下：SDl602液晶显示模块是一个使显示器件，所以在每条指令之前需要确认模块的忙标志，如果其为低电平，则表示不忙，否则实效。另外，由于写入显示

55、地址时要求数据位的最高位恒定为高电平。显示字符的实际地址应为实际地址+(80H)。软件设计中另外一个需要注意的是注意时序的配合，在写操作时，首先应设置RS、RW的状态，然后再设置数据，最后产生E信号的脉冲，读完以后再将E、Rs、R/V信号复位。表 4-4 SD1602操作指令指令名称指令码说明RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0清 屏L L L L L L L L L H清楚屏幕输入方式设置L L L L L L L H I/D S设光标移动方向并指示整体是否运动显示开关控制L L L L L L H D C BD：整体显示开关C：光标开关B：光标位的字

56、符闪烁功能设置L L L L H DL N F X X读接口数据位数 DL，显示行数L及字型F移 位L L L L L H S/C R/L X X移动光标，同时不改变RAM内容SD1602液晶显示的流程图如下：图 4-5 LCD显示流程图 4.2.5串行通信模块串行通信模块的功能是将红外测温仪的每次测温数据通过串行接口完成数据的发送和接收，当红外测温仪需要使用串行通信功能时，首先需要关闭中断以屏蔽低优先级中断的发生，然后进行数据的发送和接收。当接收和发送数据正确完成后打开中断，再恢复现场为保证数据的发送端与接收端之间串行通信的准确性和可靠性，两串行端口的波特率应相同，信息传送的格式也应相同，所

57、以。在设计中规定两者串行通信的波特率为115200，传送信息的格式为：8个数据位,1个停止位。系统设计中采用LPC2132的UART0端口通过MAX232电压转换芯片与RS-232端口相连。当接收信号时，UART0的接收器模块UORx监视串行输入线RxD0的有效输入，UART0 Rx移位寄存器通过RxD0来接收有效字符，当UORSR接收到一个有效字符时，它将该字符发送到UARTORx缓冲寄存器FIFO中，等待LPC2132通过VPB接口进行访问；当发送信号时，UART0发送器模块UOTx接收LPC2132或上位机写入的数据并将数据缓冲到UARTO Tx保持寄存器FIFO中，UART0 Tx移位

58、寄存器读取U0THR中的数据并将数据通过申行输出引脚TxD0发送。串行通信部分的程序如下；/串口初始化void UART0-1ni(void)unitl6 Fdiv：PINSEL0=0x00000005； /设置串口0的相应引脚UOIER=0； /禁止串口0所有中断UOLCR=0x83； /8个数据位，无奇偶校验，1个停止位，DLAB=1用来设置波特率#define UART0-BPS 115200Fdiv=(Fpclk16)UART0-BPS;U0DLM=(Fpclk/16/BitRate)/256;UODLL=(Fpclk16BitRate)256;UOLCR=0x03；/串口发送字节数据

59、void sendByte(uint8 data) /向串口发送1字节数据 while(!(UOLSR 0x20)；/等待发送完毕U0THR=data;/串口接收字节数据int getByte(void) /从串口接收l字节效据while(!(UOLSR 0x01)；return(UORBR)；/发送字符串viod prints(unit*s,unint32 newline) /发送字符串unsigned char I;I=0;while(i=0) /判断字符串是否结束while(!(U0LSR & 020); /等待发送完毕U0THR=si;i+ /移到下字节void print_uint32(uint32 number) /将一整数按十进制形式发送到串口