基于C8051F350和藍(lán)牙技術(shù)的紅外測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種以低功耗C8051F350單片機(jī)為控制核心，并結(jié)合TS118-3紅外測(cè)溫傳感器及無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)的紅外測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了非接觸紅外溫度測(cè)量電路、LCD顯示電路和無(wú)線藍(lán)牙數(shù)據(jù)通訊接口等硬件電路與上位機(jī)信息管理程序的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)功能強(qiáng)大，測(cè)溫精度高，響應(yīng)速度快，運(yùn)行可靠。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/248896.htm

關(guān)鍵詞：C8051F350；藍(lán)牙技術(shù)；紅外測(cè)溫

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.6.011

引言

傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫儀表如水銀溫度計(jì)、熱電偶等，因要與被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行充分的熱交換，需經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后才能達(dá)到熱平衡，存在著測(cè)溫的延遲現(xiàn)象，故在連續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量檢驗(yàn)中存在一定的使用局限。非接觸式紅外測(cè)溫設(shè)備是根據(jù)黑體輻射原理[1]，不需要與被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行接觸，而是通過(guò)測(cè)量物體輻射的紅外線來(lái)測(cè)量溫度的。紅外溫度測(cè)量設(shè)備因具有使用方便，反應(yīng)速度快，靈敏度高，測(cè)溫范圍廣，可實(shí)現(xiàn)在線非接觸連續(xù)測(cè)量等眾多優(yōu)點(diǎn)[2]，在電子設(shè)備故障的檢測(cè)和診斷、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、安檢等諸多領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

基于目前市場(chǎng)上一些紅外測(cè)溫設(shè)備功能不完善、價(jià)格高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種測(cè)溫精度高、功耗低、功能完善的非接觸紅外測(cè)溫系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 整體框架設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為上、下位機(jī)兩部分，兩部分之間通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

下位機(jī)部分以低功耗C8051F350單片機(jī)為控制核心，該單片機(jī)集多功能于一身，設(shè)計(jì)中可進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路，從而減少?gòu)?fù)雜電路中各種元件之間的干擾。外圍電路包括紅外測(cè)溫電路、信號(hào)放大電路、濾波電路、LCD液晶顯示電路、藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電路等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)溫度的采集、處理和傳送功能；上位機(jī)部分通過(guò)藍(lán)牙模塊與串口通信傳輸將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)信息管理系統(tǒng)的對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)接收、顯示、處理、存儲(chǔ)和查詢等功能。

1.2 紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)采集處理電路

本電路采用TS118-3型非接觸式紅外溫度傳感器。TS118-3是一種熱電堆傳感器，它將物體紅外輻射量成比例地轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)[3]。傳感器引腳1、3分別為被測(cè)物體測(cè)量信號(hào)的正負(fù)輸出端，被測(cè)物體輻射能量被熱電堆接收轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。2引腳為環(huán)境溫度信號(hào)輸出端，環(huán)境溫度的大小根據(jù)RTD 電阻溫度探測(cè)器的阻值確定。

由于傳感器輸出的測(cè)溫電壓信號(hào)為mV級(jí)，而單片機(jī)A/D模塊的信號(hào)輸入須為V級(jí)，電路中采用儀器放大器AD620對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大。其放大倍數(shù)由一個(gè)精密可調(diào)電阻（R2）進(jìn)行調(diào)節(jié)，本電路放大倍數(shù)設(shè)為600。

環(huán)境溫度信號(hào)處理電路主要是實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度檢測(cè)電阻RTD到輸出電壓V0的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換原理是由LM358運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器跟蹤RTD的分壓電壓值變化，RTD的分壓電壓值隨RTD阻值的變化而變化。信號(hào)采集電路的電路圖如圖2所示。

其中V1為放大后的熱電堆電壓信號(hào)，也就是將要處理的體溫信號(hào)，V0為環(huán)境溫度信號(hào)。其中，V0由單片機(jī)ADC0中的AIN0.2輸入通道進(jìn)行A/D處理；V1作為下級(jí)濾波器的輸入信號(hào)完成進(jìn)一步的濾波。

1.3 噪聲濾波電路

整個(gè)放大電路的噪聲來(lái)源主要是共模輸入信號(hào)，盡管前端的AD620儀器放大器能夠抑制一部分噪聲信號(hào)，為得到穩(wěn)定、高精度的數(shù)據(jù)，以及考慮到各電路部分相互干擾和實(shí)際環(huán)境，并針對(duì)溫度信號(hào)為一直流電壓小信號(hào)這一特點(diǎn)，在紅外測(cè)溫信號(hào)放大之后再加一巴特沃茲低通濾波器，濾除其他噪聲。然后由單片機(jī)ADC0中的AIN0.0輸入通道進(jìn)行A/D處理。低通濾波電路如圖3所示。

1.4 LCD液晶顯示電路

該電路采用一塊LCD12864中文漢顯液晶作為顯示部分，當(dāng)前測(cè)量目標(biāo)溫度和周圍環(huán)境溫度在屏幕上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。該液晶模塊與單片機(jī)采用8位并行傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具體連接為P1.0～P1.7連接LCD12864的DB0～DB7，P2.0～P2.2分別接RS、RPW和E。

1.5 功能按鍵電路

下位機(jī)電路中，單片機(jī)P2.4口和P2.5口在I/O初始化中配置為上拉使能，與兩個(gè)按鍵S1和S2相連。有按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)I/O電平為低。按鍵S1的主要功能是測(cè)溫，當(dāng)按下此鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入開始測(cè)溫模式；按鍵S2的主要功能是關(guān)閉報(bào)警器，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定上限值時(shí)，報(bào)警器鳴叫時(shí)，按下此鍵，則報(bào)警器停止鳴叫。

1.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的報(bào)警功能由一個(gè)蜂鳴器和一個(gè)三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)測(cè)得的溫度值超過(guò)設(shè)定值（根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定）時(shí)，單片機(jī)會(huì)給P2.7口一個(gè)低電平，使三極管導(dǎo)通，從而引起蜂鳴器的鳴叫。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到S2鍵按下后，則將P2.7口置高電位，此時(shí)蜂鳴器因三極管的截止而停止報(bào)警。

1.7 主從一體藍(lán)牙模塊串口通信設(shè)計(jì)

上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信采用自帶電壓轉(zhuǎn)接板的HC-05主從一體藍(lán)牙模塊。連接前，對(duì)兩個(gè)藍(lán)牙模塊通過(guò)AT指令分別進(jìn)行主機(jī)和從機(jī)配置，并通過(guò)輸入配對(duì)密碼進(jìn)行配對(duì)，通信波特率配置為9600bps。下位機(jī)中單片機(jī)UART0中的P0.4、P0.5引腳分別與從機(jī)藍(lán)牙模塊的通信線RXD、TXD連接。上位機(jī)中PC機(jī)通過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換模塊與主機(jī)藍(lán)牙模塊相連。測(cè)試證明，該藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)可靠傳輸范圍在10米以內(nèi)。

2.2 測(cè)溫結(jié)果比較

用傳統(tǒng)式的水銀溫度計(jì)和本紅外測(cè)溫系統(tǒng)分別對(duì)5杯不同溫度的熱水進(jìn)行溫度測(cè)量，5杯熱水分別標(biāo)號(hào)為1#～5#，其測(cè)量結(jié)果如表1所示。

通過(guò)表1數(shù)據(jù)對(duì)比表明，本紅外測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫精度很高，與水銀體溫計(jì)測(cè)量的結(jié)果幾乎沒(méi)有差別，而且不會(huì)因?yàn)椴僮髡卟煌霈F(xiàn)讀數(shù)誤差較大的現(xiàn)象發(fā)生。另外，在測(cè)試中紅外測(cè)溫速度快的優(yōu)點(diǎn)非常明顯。

上位機(jī)信息管理程序是紅外測(cè)溫系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，擔(dān)負(fù)著對(duì)測(cè)量溫度數(shù)據(jù)管理、分析、存儲(chǔ)和用戶界面操作等任務(wù)。下位機(jī)電路將所測(cè)溫度數(shù)據(jù)由藍(lán)牙模塊傳至PC機(jī)，上位機(jī)對(duì)溫度信息進(jìn)行一系列的處理，實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、刪除等功能。本系統(tǒng)上位機(jī)信息管理系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)信息管理系統(tǒng)顯示界面如圖5所示。

4 結(jié)論

本非接觸紅外測(cè)溫系統(tǒng)集測(cè)溫、顯示、超限報(bào)警和數(shù)據(jù)管理等功能為一體，具有測(cè)溫精度高、性價(jià)比高、快捷方便和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

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