基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计.doc 78页

'基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计I 第1章绪论第1章绪论1.1课题背景随着2003年非典的袭击，在我国迅速诞生了一支专门抗击非典的医疗仪器队伍，特别是在红外体温检测仪的研发方面取得了突出的成就。国家相关部门也在重点强调非接触式体温计的研发[1]。随着现代科技的发展，新材料、新工艺的运用，各式各样的体温计陆续出现，探测方式不断改进[2]。国内外体温计的发展大致分为三个阶段。第一阶段是常见的玻璃水银体温计，第二阶段是电子体温计，如今应用最为广泛的是非接触式红外体温计。水银体温计虽然价格便宜但是有诸多弊端：首先，水银体温计遇热或安置不当，体温计容易破裂。其次，人体接触水银后会中毒，中毒症状是恶心、头痛、腹泻、脱发等，严重者会造成血液凝固。因为水银有剧毒，一旦它污染了水源或食物，可以对人的肾脏、肺等造成极大的伤害，水银也能加速人神经系统退变。最后，采用水银体温计测温需要相当长的时间(5min～10min)，使用不便。电子体温计是采用热敏电阻测量温度的，电子体温计能快速准确地测量人体温度，与传统的水银玻璃体温计相比，具有读数方便、测量精度高、能记忆并有蜂鸣提示的优点，尤其是电子体温计不含水银，对人体及周围环境无害，特别适合于家庭、医院等场合使用。但采用电子体温计测温也需要较长的时间，同样使用不便。非接触式红外体温计是根据黑体辐射原理通过测量人体辐射的红外线而测量温度的。它用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线而不向人体发射任何射线，它采用的是被动式且非接触式的测量方式，因此红外体温计不会对人体产生辐射伤害且价格低，体积小，实现了体温的快速准确测量，具有稳定性好，精度高，测量安全，使用方便等特点。35 第1章绪论非接触式人体体温测试仪的设计技术目前已经达到成熟，本文详细的介绍在国内外已有技术的基础上，此设计开发的全过程。此设计涉及单片机，传感器等诸多方面的知识[3]，主攻方向在于温度的采集和处理，达到体温能够准确显示的预期效果。1.2课题的目的及意义体温计是人们日常生活中的必备品。传统的水银体温计存在测量温度时间长、读数不便等特点。红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。近20年来，非接触红外体温计在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。比起传统的测温方法，红外体温计有着响应时间快、使用安全及使用寿命长等优点。红外体温计包括便携式红外体温计、在线式红外体温计和扫描式红外体温计三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。在不同规格的各种型号红外体温计中，正确选择红外体温计型号[4]对用户来说是十分重要的。红外温度检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目，红外温度检测是一种在线监测(不停电)式高科技检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，具有准确、实时、快速等优点。任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况[5]。目前应用红外诊技术的测试设备比较多，如红外体温计、红外热电视、红外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效[6~8]。1.3国内外研究现状国外红外线技术在1935 第1章绪论世纪并发展至今，已经有很多专利项目和大量科研成果。美国和日本几乎垄断了红外线技术产品的专利。由于红外线技术我国起步比较晚，而且相关部件比较昂贵，对我们在生产生活中普及还有很长的一段路要走。所以我们要把红外检测技术利用到我们实际生活当中去，利用我们能利用的知识去改进我们的生活[9]。红外线是近年来兴起的高端技术，对红外线设备的设计和研究，对今后生产生活有积极的影响。体温计是人们日常生活中的必备用品，尤其在SARS和H1N1流行期间，体温计几乎成成为了衡量感染者与未感染者的测量仪器。所以在本文以下内容中我要结合单片机，运用红外线原理去设计一个基于单片机的红外体温仪器的方案[10~12]。通过方案论证，选择出最佳的方案并进行设计和制作[13~15]。随着现代科学技术的发展，传统的接触式测温方式以不能满足现代一些领域的测温需求，对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。本红外测温系统设计的出发点也正是基于此[16~18]。1.4本文主要内容及结构安排全文主要阐述了非接触式人体体温测试仪的硬件设计和软件设计。硬件方面首先谈到了系统的总体设计，然后分别从红外线传感器，运算放大器，A/D转换，数据处理，显示部分等功能模块进行了论述并详细介绍了各个芯片的结构和功能，使系统具有稳定性好，精度高，测量安全，使用方便等特点。在软件方面，此设计使用汇编语言来编写程序代码，具有编译速度快，运行效率高等特点，设计的软件部分采用模块化结构，每个模块作为一个子程序，根据系统功能划分，程序由模块组成，所以整个程序的编制、调试和维护都比较方便，结构清晰，提高了可靠性和修改性，并给出了针对各个应用模块的设计思路和设计框架，对各部分程序进行解释说明，从而实现非接触式人体体温的显示。对非接触式测温仪的设计是以功能性为基础，以创新性为指导，以实践性为依托，具有大好的发展前景和广泛的应用场合。通过本次设计，希望可以为今后拓展体温监测应用领域提供新的思路和方法，在医学、体育、消防、军事训练、等领域得到更广泛的应用。最后，文章对本次设计做出了详细的总结。本论文的具体结构安排如下：35 第1章绪论第1章为绪论，涵盖了课题背景、课题目的及意义、国内外研究现状以及论文的主要内容及结构安排。第2章为系统硬件设计的介绍，主要介绍了各个主要模块的作用和工作性能。第3章为系统软件设计的介绍，主要介绍了软件所使用环境，主程序以及各个子程序设计流程。第4章为系统调试和性能分析，主要介绍了此设计软硬件调试过程的方法以及在调试过程中出现的各种问题。35 第2章系统硬件设计第2章系统硬件设计2.1主从单片机处理模块超低功耗是本设计选用MSP430单片机最主要的原因。MSP430单片机有多种工作模式，各种工作模式都相当省电，RAM数据保持只有0.1μA，这时也能响应中断。我们一般使用低功耗模式3和活动模式，低功耗模式3只有0.8μA，这时还能进行时钟计时[19]。MSP430F24X单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗设计理念，其设计结构完全以系统低功耗运行为核心。2.1.1主控MSP430单片机功能简介该红外测温系统是以MSP430单片机为核心器件，此单片机模块的工作原理是：加载相应程序的MSP430单片机把红外测温模块传来的模拟数据通过内部AD转换成数字数据并通过计算得出具体的温度数值，然后送液晶显示。德州仪器1996年到2000年初，先后推出了31x、32x、33x等几个系列，这些系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。每一系列有ROM型(C)、OTP型(P)、和EPROM型(E)等芯片。EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。这也表明了这几个系列的开发模式，即：用户可以用EPROM型开发样机；用OTP型进行小批量生产；而ROM型适应大批量生产的产品。2000年推出了11x/11x1系列。这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。这个时期的MPS430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。它的许多重要特性如：片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等，只有33x系列才具备。33x系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时，33x并不一定是最适合的。而片内高精度A/D转换器又只有32x系列才有。2000年7月推出了F13x/F14x系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41x、F43x、F44x。这些全部是Flash型单片机。35 第2章系统硬件设计F41x系列单片机有48个I/O口，96段LCD驱动。F43x、F44x系列是在13x、14x的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动LCD的段数由3xx系列的最多120段增加到160段。并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间。MSP430系列的部分产品具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。TI公司推出具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。这种以Flash技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。2001年TI公司又公布了BOOTSTRAPLOADER技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序。这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可达到32个字节的长度。TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15x和F16x系列的产品。在这一新的系列中，有了两个方面的发展。一是从存储器方面来说，将RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块。2.1.2MSP430单片机的特点2.1.2.1处理能力强MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。2.1.2.2运算速度快MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加运算)相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。2.1.2.3超低功耗MSP43035 第2章系统硬件设计单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。其次，MSP430系列单片机独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环(FLL和FLL+)时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器(32768Hz)，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0~LPM4)。在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。2.1.2.4片内资源丰富MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A0(Timer_A0)、定时器A1(Timer_A1)、定时器B0(Timer_B0)、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位ADC、DMA、I/O端口、基本定时器(BasicTimer)、实时时钟(RTC)和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器(Timer_A和Timer_B)具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。主控单片机引脚及部分外围电路如图2-1所示：35 第2章系统硬件设计图2-1主控芯35 第2章系统硬件设计2.1.3内部AD模块简介2.1.3.1MSP430模数转换模块ADC12MSP430单片机的ADC12模块是一个12位精度的A/D转换模块，他具有高速度，通用性等特点。大部分都内置了ADC模块.而有些不带ADC模块的片子，也可通过利用内置的模拟比较器来实现AD的转换。在系列产品中，我们可以通过以列表2-1来简单地认识他们的ADC功能实现。表2-1各型号ADC比较系列型号ADC功能实现精度转换MSP430X1XX2比较器实现10位MSP430F13XADC模块12位MSP430F14XADC模块12位MSP430F43XADC模块12位MSP430F44XADC模块12位MSP430X32XADC模块14位ADC12模块中是由以下部分组成：输入的16路模拟开关，ADC内部电压参考源，ADC12内核，ADC时钟源部分，采集与保持/触发源部分，ADC数据输出部分，ADC控制寄存器等组成。2.1.3.2输入的16路模拟开关16路模拟开关分别是由IC外部的8路模拟信号输入和内部4路参考电源输入及1路内部温度传感器源及AVCC-AVSS/2电压源输入。外部8路从A0-A7输入，主要是外部测量时的模拟变量信号。内部4路分别是Veref+ADC内部参考电源的输出正端，Vref-/Veref-ADC内部参考电源负端(内部/外部)。1路AVCC-AVSS/2电压源和1路内部温度传感器源。片内温度传感器可以用于测量芯片上的温度，可以在设计时做一些有用的控制，在实际应用时用得较多。而其他电源参考源输入可以用作ADC12的校验之用，在设计时可作自身校准。2.1.3.3ADC内部电压参考源ADC电压参考源是用于给ADC12内核作为一个基准信号之用的，这是ADC必不可少的一部分。在ADC12模块中基准电压源可以通过软件来设置6种不同的组合。35 第2章系统硬件设计2.1.3.4ADC12内核ADC12的模块内核是共用的，通过前端的模拟开关来分别来完成采集输入。ADC12是一个精度为12位的ADC内核，1位非线性微分误差，1位非线性积分误差。内核在转换时会参用到两个参考基准电压，一个是参考相对的最大输入最大值，当模拟开关输出的模拟变量大于或等于最大值时ADC内核的输出数字量为满量程，也就是0xfff；另一个则是最小值，当模拟开关输出的模拟变量大小或等于最大值时ADC内核的输出数字量为最低量程，也就是0x00。而这两个参考电压是可以通过软件来编程设置的。2.1.3.5ADC时钟源部分ADC12的时钟源分有ADC12OSC，ACLK，MCLK，SMCLK。通过编程可以选择其中之一时钟源，同时还可以适当的分频。2.1.3.6采集与保持触发源部分ADC12模块中有着较好的采集与保持电路，采用不的设置有着灵活的应用。2.1.3.7ADC数据输出部分ADC内核在每次完成转换时都会将相应通道上的输出结果存贮到相应用通道缓冲区单元中，共有16个通道缓冲单元。同时16个通道的缓冲单元有着相对应的控制寄存器，以实现更灵活的控制。如表2-2所示：表2-2控制寄存器ADC12CTL0转换控制寄存器0ADC12CTL1转换控制寄存器1ADC12IE中断使能寄存器ADC12IFG中断标志寄存器ADC12IV中断向量寄存器ADC12MEM0-15存储控制寄存器0-15ADC12MCTL0-15存储控制寄存器0-152.2信号放大部分由于信号传感器传出来的信号为微弱是毫安级别的，所以应该应用放大器将采集到的信号放大到单片机AD转换能准确分辨的电压范围，故选用了35 第2章系统硬件设计INA126U信号放大器，简单只需简单加一电阻就能将增益计算出来35 第2章系统硬件设计2.2.1信号放大器INA126U芯片简介INA126U是精密低噪声差分信号采集仪表放大器，内部采用两个运放设计，使之具有非常低的静态电流(175μA)和有很宽电源供电范围(±1.35～±18V)，可用于便携式仪表和数据采集系统。此元件采用8引脚封装方式，增益可以设置从5V/V到10000V/V的外部电阻。微调输入电路提供低失调电压(250μV最大值)，低失调电压漂移(3μV/℃max)和出色的共模抑制。电源电压范围-36V~+36V，输入信号电压范围-0.7V~+0.7V。增益是由连接外部电阻RG来计算的。2.2.2信号放大电路采用INA126对温度传感器传回来的电压值进行放大，然后送到MSP430单片机的AD接口，放大电路如图2-2所示：图2-2信号放大部分电路此电路中，RG=10K，由此可知放大倍数为8005倍。电容C1用来滤波，电容CA7是为了防止电压有大的毛刺，也起到滤波作用，这样可以使外部环境干扰降到最低。2.3电源部分35 第2章系统硬件设计直流稳压电源是电子系统中的关键部分，其作用是为电子系统提供稳定的电能。稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调节范围；另一类是质量指标，反应一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻、纹波电压及温度系数等。对稳压电源的性能，主要有以下四个方面的要求：稳定性好、输出电阻小、电压温度系数小、输出电压波纹小。此系统需要+5V电压为主机、传感器、运放等提供电能。稳定直流电源设计的一般思路是让输入电压先通过电压变压器，再通过整流网络，然后经过滤波网络最后经过稳压网络。2.3.1稳压芯片MCP1701介绍以及电路设计MCP1701系列CMOS低压差(lowdropout，LDO)正电压稳压器，可以提供最高250mA的电流，而其静态电流只有2.0μA(典型值)。输入工作电压范围最高为10V，因此特别适合锂离子(一节或两节)或9V碱性电池以及两节或三节干电池供电的应用。在输入输出电压差为650mV的情况下，MCP1701能够提供250mA的电流。低的压差可以延长电池使用寿命，同时允许器件工作在最小VIN–VOUT电压差时，采用很小的封装也能够提供高的输出电流。MCP1701的输出电压的波动范围极小，其具有±0.5%(典型值)的输出电压稳定度和±0.2%的线路稳定度。只需要使用1μF的钽电容或铝电解电容作为输出电容，LDO就能稳定输出。MCP1701LDO也提供短路保护，以保证最大的可靠性。以下是相关引脚描述：2.3.1.1接地端(GND)稳压器接地引脚。将输出的负端和输入电容的负端连接到GND。只有LDO的偏置电流(典型值为2μA)从这个引脚流出，没有大电流从该引脚流出。LDO输出稳定度以这个引脚为基准。应最大限度地减小这个引脚和负载负端之间的压差。2.3.1.2稳压输出引脚(VOUT)将负载的正端及输出电容的正端连接到VOUT。输出电容正端的位置应该尽量靠近LDO的VOUT引脚。从这个引脚流出的电流和直流负载电流相等。2.3.1.3未稳压电源输入引脚(VIN)VIN与输入电压和输入电容的正端相连。像所有的低压差线性稳压器一样，LDO的稳定工作要求电压源的阻抗低。确保低电压源阻抗所需要的电容值取决于输入电容值的接近程度或电池类型。输入电容的位置应尽可能靠近VIN引脚。对于绝大多数应用，用1μ35 第2章系统硬件设计F的电容就可以确保LDO电路稳定工作。对负载电流低于100mA的应用，输入电容的要求可以更低。可以使用的电容有陶瓷电容、钽电容和铝电解电容。在高频情况下，陶瓷电容的低等效串联阻抗特性会使其抗噪声性能和PSRR性能更佳。流进该引脚的电流等于直流负载电流加上LDO偏置电流。2.3.2升压芯片L6920介绍以及电路设计L6920D可以将电压升高到+5V以便给放大器提供稳压，升压电路如图2-3所示：图2-3升压电路由于电池的电压随着电量的变化而变化，为了给电路一个稳定的电压参考，采用L6920芯片将电压稳定到+5V。为了尽量不让电路出现电压毛刺，设计中在电压初始端全部加入电容或极性电容来，以防止电压反向倒流击穿电路中的器件。2.3.3负电转换芯片TPS6040介绍以及电路设计芯片TPS6040可以将正电压转换为其对应的负电压，此设计主要是为放大器供负电，理论上INA126地线引脚接地即可，但是由于此接法不成功，不能实现电压的放大，故将接地端接入负电，正常工作。电路如图2-4所示：35 第2章系统硬件设计图2-4负电转换电路此电路的设计是根据芯片资料中的经典电路设计而成，考虑到的依然是电压的稳定性能。2.3.4充电芯片LM3658介绍以及电路设计LM3658一款双输入通用串行总线(USB)、交流电电池充电及电源管理二合一集成电路。该芯片可为单颗锂电池和锂聚合物电池安全充电。LM3658二合一芯片的终止充电差不超过1.5%，这有助延长电池寿命，因此适用于多种不同的便携式电子产品，包括PDA、MP3播放机、数码相机、上网设备、仪表和智能电话。LM3658芯片在利用USB或交流电插座为锂电池或锂聚合物电池充电时，若这两种电源都处于开启状态，则充电器芯片便会自动选用预先设定的交流电模式。LM3658芯片只需几颗外接元件为其提供支持，而且它还内置了功率场效应晶体管(FET)、电流传感器、反向保护和热能调节等电路，使电池获得更可靠的保护。LM3658芯片在利用墙上插座的交流电为电池充电时，充电电流介于50mA与1000mA35 第2章系统硬件设计之间，电流大小可以通过外置电阻加以设定。若利用USB电源为电池充电，用户可通过引脚选择100mA或500mA的充电电流。这款芯片会不断控制终止充电电压，确保误差不会超过4.2V的1.5%。LM3658芯片若利用2.5V至6V之间的输入电压，输出电流可以高达1A，电流的实际大小可以通过外置电阻加以调节。此外，内置的功率FET可以根据环境温度自行调节操作速率，以确保芯片无论在任何温度之下也能以最高的效率进行充电。LM3658芯片设有5种操作模式，分别是预先设限模式、恒流模式、恒压模式、充满即停止模式和维持模式。这款芯片还设有热能调节与电池温度测量等功能，以及多个安全计时器。此外，它也设有两个漏极开路输出，以便启动LED状态指示灯或与通用输入/输出建立联系。这款电池充电和电源管理二合一芯片设有多个防护装置，其中包括LED状态指示灯、安全计时器，以及不间断监测电池温度的监控电路。LM3658电池充电IC采用10引脚LLP封装，充电电路如图2-5所示：图2-5充电电路为了方便使用者的使用设计了标准USB充电端口如图2-6所示：图2-6USB充电接口电路35 第2章系统硬件设计2.4显示部分常用显示器件有LED数码管显示器，CRT显示器以及LCD液晶显示器等。常用的数码管显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管控制七个笔画(段)的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的形式有些失真，但控制简单，使用方便。点阵式的发光显示器，发光二极管排成一个N×M(例如5×7)的矩阵，一个发光二极管控制点阵中的一个点，这种显示器显示的字形逼真，能显示的字符比较多，但控制比较复杂。液晶显示器(LCD)已被广泛应用于计算机、电视及智能仪表中，它的主要优点是功耗低、控制电压低、集成电路容易控制。通过编程，可以清晰地显示各种字符和汉字。LCD显示器的缺点也是明显的：其一，由于有机大分子有一定的厚度，人眼从不同的角度观察光线的反射效果是不一样的；其二，有机大分子在紫外线照射下容易失效；其三，温度高低对有机大分子也有明显影响。本文的研究，黑白屏显示即可满足要求。系统采用STN液晶屏幕显示，其外部电路及引脚连接如图2-6所示：图2-7液晶屏部分电路35 第2章系统硬件设计此显示屏和一般显示屏引脚功能相似，数据以一字节为单位传送，显示清晰，并且有单独的背光控制引脚。背光有单独的引脚连接，如图2-8所示：图2-8液晶屏背光电路2.5红外温度采集OTP-538U本文研究很关键的一部分是温度采集部分，因此，温度的采集模块的设计很重要，涉及到整个系统数据的准确性。选好温度传感器是系统成功的关键。温度传感器大致可以分为热电阻传感器、模拟温度传感器、数字式温度传感器。热敏电阻的工作原理是导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就就可以当做温度传感器，热敏电阻缺点是由于自身发热导致阻值随温度变化成非线性。但它有其自己的优点：电阻温度系数要大而且稳定，在温度不高的情况下电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。电阻率高，热容量小，反应速度快。材料的复现性和工艺性好，价格低。35 第2章系统硬件设计模拟式温度传感器具有测量转换速度快，温度测量范围宽的优点。但是模拟传感器的模拟信号需要先经过取样、放大和模数转换电路处理，再将转换得到的表示温湿度值的数字信号交由微处理器或DSP处理。被测信号从敏感元件接收的非电物理量开始，到转换为微处理器可处理的数字信号之间，设计者须考虑的线路环节较多，相应测试装置中元器件数量难以下降，随之影响产品的可靠性及小型化。而且模拟信号在长距离传输过程中，容易受到电磁干扰而导致误差产生。在多点温湿度检测的场合，各被测点到测试装置之间引线距离往往不同，各敏感元件参数的不一致性，都将会导致误差的产生，并且难以完全清除。数字式温度传感器能把被测模拟量直接换成数字量输出，可以直接与数字设备(计算机，计数器，数字显示系统等)相联，用微控制器、DSP或计算机进行信号的处理、滤波、压缩。它的信号原则上不受放大器和信号处理系统的温度漂移的影响，具有极高的抗干扰能力。数字式传感器具有高的测量精度和分辨率，稳定性好，信号易于处理、传送和自动控制，便于动态及多路测量，读数直观，安装方便，维护简单，工作可靠性高。但存在反应速度较慢，温度测量的范围不宽的缺点。另一方面，数字式温度传感器在编程方面必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。考虑系统的经济性和温湿度传感器的优缺点及发展状况，确定温度传感器为热敏电阻传感器。虽然它在温度较高的情况下由于自身发热导致阻值随温度变化成非线性。但是，在此研究系统中，所涉及的温度不高，完全能保证阻值随温度的线性变化。通过前面的介绍，采用红外线温度传感器比较适合此系统的温度采集，本文选择了OTP-538U作为温度传感器，因为在30℃~40℃之间非常接近线性关系。2.5.1红外温度传感器原理自然界一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体，由于分子的热运动都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克(Plank)定律。红外测温的原理是一样的，都是根据普朗克原理。一般理解红外测量的是物体的温度，其实测的是目标物与传感器或者说是物体与环境温度之间的差值。物体辐射能量的大小直接与该物体的温度有关，具体地说，是与该物体热力学温度的4次方成正比．用公式可表达为：35 第2章系统硬件设计(2-1)式中E—辐射出射度，单位是W/m3；   δ—斯蒂芬一波尔兹曼常数，5.67x10-8W/(m2·K4)；   ε—物体的辐射率；   T—物体的温度(K)；   To—物体周围的环境温度(K)；人体主要辐射波长为9μm～10μm的红外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而也可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。红外温度传感器利用热电偶原理，测量目标物与传感器或者物体与环境温度之间的差值。热电偶的原理是二种不同的金属A和B构成一个闭合回路，当二个接触端温度不同时(T>To)，回路中产生热电势E，其中T称为热端、工作端或测量端，To称为冷端、自由端或参比端。A和B称为热电极。热电势的大小由接触电势(也叫伯尔贴电势)和温差电势(也叫汤姆逊电势)决定。2.5.2OTP-538U工作原理和性能OTP-538U是一个典型的TO-46热电堆传感器。该传感器是由浮动微膜元件具有积极直径的系列热电偶微米和涂黑表面吸收的热红外辐射组成，诱使其在输出端电压的响应。该传感器芯片的制作是一个独特的前表面微细加工技术，从而导致更小的尺寸和更快的反应环境温度变化。OTP-538U热电堆传感器提供接近约翰逊噪声性能，它可以通过计算其串联的热敏电阻来反应温度值。OTP-538U有四个引脚，分别为VCC、GND、V+、V-，VCC为供电电压，稳压为5V电压，V+、V-分别为输出，由于此系统只要是测试人体温度，人体温度大于35度，故我们不需要负电压显示，因此将V-接地，引脚特性为地，即与GND相连，只需将V+电压放大即可。OTP-538U是一个热电堆传感器，具11635 第2章系统硬件设计种热电偶元素，传感器芯片经由微细加工，可快速反应环境里的温度改变，导致输出端电压响应。传感器的特性如表2-3所示：表2-3传感器特性参数特性最小适中最大单位输出0.77---1.44mV灵敏度7085100V/W相对敏感度0.100.110.12%/K敏感区域---545---μm热敏电阻506580KΩ相对电阻---0.09---%/K响应时间---16---ms噪声283236nW/Hz1/2噪声功率0.280.360.48nW/Hz1/2温度特性曲线在25℃~40℃线性关系相当好，这也是次设计选用此元件的一个重要原因。2.6按键部分人机交互对话最通用的方法就是通过键盘和LCD显示进行的，操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。键盘模块设计的好坏，直接关系到系统的可靠性和稳定性。按键接门可分为独立式按键接口、行列式按键接口和专用芯片式等。行列式按键接口适应于按键数量较多，这种方式的按键接口由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。这种方式的优点就是相对于独立接口方式可以节省很多I/O资源；专用键盘处理芯片一般功能比较完善，芯片本身能完成对按键的编码、扫描、消抖和重键等问题的处理，但成本较高；考虑到本设计中需要的按键不多，我采用了独立式的接法，通过程序处理消抖，完成键盘的权值设置。按键连接单片机的P1.0口，采用电平拉高方式，当有按键按下时有低电平送到单片机引脚。35 第2章系统硬件设计2.7本章小结本章主要介绍了系统硬件所用到得主要元器件重要引脚的电器特性，以及部分重要电路。介绍了热释电红外传感器原理，并详细介绍了个部分重要电路的连接情况。35 第3章系统软件设计35 第3章系统软件设计第3章系统软件设计3.1使用环境简介IARSystems是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。公司成立于1983年，迄今已有27年，提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括：带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境(IDE)、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。国内普及的MSP430开发软件种内不多，主要有IAR公司的EmbeddedWorkbenchforMSP430(简称为EW430)和AQ430。目前IAR的用户居多。IAREW430软件提供了工程管理，程序编辑，代码下载，调试等所有功能。并且软件界面和操作方法与IAREWforARM等开发软件一致。因此，学会了IAREW430，就可以很顺利地过渡到另一种新处理器的开发工作。一般工程创建步骤为：1、选择主菜单的File>New>Workspace命令，然后开启一个空白工作区窗口，选择主菜单Project>CreateNewProject，弹出生成新项目窗口中我们选择Emptyproject，点击OK，选择保存路径后，点击保存，至此新工程建立完毕。2、加入文件，可以建立一个空白的文件，写好代码后，选择主菜单的File>Save命，文件名自己起，但后面一定要加“.C”，保存为.C文件。右击工程名，将写好的程序添加进去Add>AddFiles，对于刚存好的程序，例如例子中的main.c，也可以用Add>Add“main.c”添加入工程。如果工程很庞大，需要添加的文件很多。可以用Add>AddGroup，加入新的组，将加入的文件分组管理。3.2编程语言的选择常用的编程语言有两种：一种是汇编语言，另一种是C语言。和多数单片机一样。MSP430除了能支持汇编语言，MSP430的开发环境还支持C语言，提供了C函数库，并支持C和汇编函数的相互调用。极大的方便的开发者对开发环境的使用。汇编语言的机器代码生成效率很高，但是可读性并不强，复杂一点的程序就更是难读懂，而C35 第3章系统软件设计语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植性却远远超过了汇编语言，而且C语言还可以嵌入汇编来解决高实效性的代码编写问题。对于开发周期来说，C语言的开发周期通常小于汇编语言很多。C语言是一种结构化语言。它层次清晰，便于按模块化方式组织程序，易于调试和维护，这种语言的表现能力和处理能力极强，它不仅具有丰富的运算符和数据类型，便于实现各类复杂的数据结构。它还可以直接访问内存的物理地址，进行位一级的操作。C语言的模块化开发方式使开发出来的程序模块可不经修改，直接被其他项目所用，这样可以最大程度的实现资源共享。由于C语言实现了对硬件的编程操作，因此C语言集高级语言和低级语言的功能为一体，具有高效性，可移植性强等特点。综合以上C语言的优点，本文的设计选择C语言对MSP430单片机进行软件编程。由于在大学期间主要学习的编程也是在C语言的环境下编写的，所以选用此语言能更快上手，给自己的的编程带来方便。3.3主程序设计系统的主程序设计主要完成系统初始化、中断优先级设定以及判断调用各模块程序，即主要实现各程序模块的连接。系统初始化主要包括单片机中寄存器、存储单元的配置、单片机的I/O口设置、子系统初始化。程序的编写必须有一个好的流程图，这样才能在编程的时候使思想清晰明了，因此在编写程序之前制定了流程图，如图3-1所示，开始程序跳转到主程序入口，检测开机键，长按开机，后IO口初始化，显示开机画面，开机画面显示课题名称，显示作者，显示开机画面过程中打开AD采集，经过延时后跳转到测试温度画面，经过算法的计算，最终将温度显示到画面中，短按关机键，暂停当前画面，停止AD采集，再次短按关机键恢复温度采集和显示。长按关键，关机出现关机画面。在设计过程中，由于看门口经常性的忘记关闭，由此造成的各种死机错误给我留下了深刻的印象，还有就是程序的飞跑，在程序初始化的编写完成后，多次对程序进行测试总有飞跑现象，或者死机状态。后来在组长的帮助下，在程序初始化过程中加入的防止程序飞跑的程序，才使得程序在多次运行中准确无误。35 第3章系统软件设计图3-1整体流程图3.4AD转换子程序设计系统上电后，进行系统AD初始化，经过一段时间延时然后打开AD采集，短按按键，暂停画面，停止AD采集，再次短按按键，打开AD采集开始转换，屏幕显示实时采集的温度。AD部分流程图如图3-2所示，AD采集端口5ms采集一次外部数据，将采集到的数据放入数组中，等待100次采集完成后，求和再平均，放入函数中转换成实时温度。35 第3章系统软件设计图3-2AD部分流程图另外也对电池电量进行了采集，能在屏幕上显示电池电量，同样5ms采集一次电池电量，但是每6秒在显示屏上刷新一次电池电量。当采集的电压小于3.5V是屏幕电量闪烁，当电压小于3.4V时，调用关机子函数，出现关机画面，系统进入低功耗模式3.5显示子序设计系统上电后，屏幕初始化，然后清屏，显示开机画面，流程图如图3-3所示：图3-3显示部分流程图35 第3章系统软件设计开机画面显示毕业设计题目和作者，经过一段时间的延时，进入实时显示画面，显示实时温度，短按按键暂停画面，再次短按画面，继续显示实时温度。3.4本章小结本章主要介绍了程序的流程，并画出了主程序流程图，对程序流程图做了说明，并且分别说明了AD采集程序设计和显示子程序设计。35 第3章系统软件设计35 第4章系统调试和性能分析第4章系统调试和性能分析4.1系统调试在硬件焊接与软件编程完成后，需要对其进行调试，以保证硬件与软件连接成系统后能够达到设计要求。系统调节是系统开发最重要的环节之一，系统成型后能否正常工作，主要取决于系统调试是否成功。4.1.1系统硬件调试绘制完成原理图之后，根据原理图焊接电路板。焊接完成后，首先目测焊点是有虚焊或漏焊现象，再用万用表测量各个芯片间连接和电源与地间的连接是否正确，由于本次设计需要用排线将主板和副版连接起来，这就涉及到引脚连接的问题，所以要把主板芯片引脚与副版芯片引脚直接用万用表测量，观察是否接通，然后上电测量，要十分注意芯片是否发热。系统硬件调试方法有：1.检查各个元器件是否有错焊与漏焊的问题；2.检查电容两端是否短路，测试电源部分是否正常工作；3.采用万用表、示波器、信号发生器等一般调试工具和测试软件对硬件电路电气性能测试，看是否能正常工作。4.1.2系统软件调试软件调试采用模块化调试方法，每一模块逐一调试，然后再将所有模块组合一起，进行整体调试。软件的调试主要有语法错误和逻辑错误两类。语法错误可直接修改，逻辑错误则需进行单步调试，看程序是否按逻辑顺序进行，然后写入到芯片内，查看程序运行效果，反复调试。系统软件调试方法有：1.软件在各个子程序模块调试都正确后，再将相互有关系的模块逐块组合起来加以调试，以解决在程序模块连接中可能出现的逻辑错误；2.对所有程序模块的整体组合调试是在与系统联机后进行的。4.2调试中出现的问题硬件调试过程中发现，无论输入为多少，显示屏35 第4章系统调试和性能分析显示数据均不变。经多次测量各芯片管脚的输入值发现，A/D采集并未实现，即有输入电压但并没输出，经测量研究发现供电电源没有采用稳压电源接入，稳压电源连入其中，测试即正确。虽然电路中放大部分是将采集到得微弱信号放大8000倍才接入单片机，编程后发现放大电路并未准确放大8000倍，精度有很大的下降，后来用示波器测试放大前后电压值，才确定知识放大倍数，但是与传感器资料不符，后来经过多次与水银温度计对比才将精度有所提高。4.3实验结果分析硬件调试成功的现象就是当有物体在传感器周围移动时候，放大器输出端有电压值变化。而且是成线性变化。软件调试成功的现象就是采集外接电压，能在显示屏上显示出相应的电压值。经过硬件调试和软件调试无误后，将两者结合进行最终调试，经过多次修改后，成功显示温度值。经过编写程序实现温度转换后，做了一些列的对比与校正，起初按照理论放大倍数编程以后显示温度不是很正常，在一定距离内偏低，后来多次经过与水银体温计的对比，最终将温度调试正常，与水银温度计精确度相差无几。4.4实验误差分析从实验数据中可以看出，测量温度值与理论温度值并不是完全吻合，即存在一定的误差，误差的存在有时是不可避免的，而有时却是可以通过一些方法来减少误差的存在，要使测量准确可靠，必须减少误差。此设计采取了小数点后第二位四舍五入的方法来减小一定的误差，但并没有完全消除，此系统误差主要来源于以下几个方面：1.由于实验理论在计算上存在着近似性，方法上难以完善，因此理论温度值并不是真实温度值，而只是非常接近于真实温度的值，故存在一定的误差；2.实验仪器灵敏度和分辨能力有局限性，而且芯片本身存在非线性化误差；3.基准电源不稳，造成输入输出的误差；4.周围环境不稳定，每次测量时限不统一都会造成测量误差。在这些误差中有的是不可避免的，有的可以使其降低。为了使系统达到最佳稳定状态，在此设计编程过程中与水银体温计做了多次比较，来写算法，最终将误差达到最小，表4-1为实验测量数据。35 第4章系统调试和性能分析表4-1实验测量数据显示温度值(℃)理论温度值(℃)误差(℃)35.2135.130.0836.1135.910.2036.5036.350.1536.7236.550.1736.9336.870.0737.2537.110.1437.5737.360.2137.8837.670.2138.1937.920.2738.4138.270.1438.7838.560.2239.0538.840.2139.3339.170.1639.6839.490.1940.2240.000.2240.8940.510.3841.4041.200.2042.0341.700.3342.2742.000.274.5本章小结本章主要介绍了系统调试过程以及系统的性能分析，分别对硬件调试和软件调试做了详细的说明。对实验结果以及误差做出了分析。35 结论结论本次设计的主要内容是利用单片机和传感器完成人体体温的非接触式测量。该系统主要应用在人们的日常生活中，对人们了解自身的健康状况至关重要。整个系统的设计简洁，准确，快速，方便。设计的核心部分选用MSP430单片机芯片和OTP-538U红外温度传感器。另外，软件程序的设计包括数据采集程序，A/D转换程序，显示程序等。目前，整个程序设计已完成并调试成功，整个装置基本达到预期效果。但还有不足之处，LED显示不是很稳定，精度也不是很高，需要进一步的调试。本设计采用耳道为测量部位，由于探头对准内耳道，测量的影响因素较少，而且耳道温度最接近人体温度。其突出优点是：控制简单，显示直观，运用显示屏显示，合理的利用了传感器的特性进行了一次实践，但由于试验条件和个人能力的限制，本系统还有待进一步的完善，如：无测量值的存储，无根据时间、年龄、性别等不同来设定发热温度函数转换等。35 参考文献参考文献1梁森，王侃夫，黄杭美．自动检测与转换技术．北京：机械工业出版社，2008，88~952邓重一．数据采集与处理系统中的干扰及解决方法．电工技术杂志，2009，7(14)：34~353高晓蓉．传感器技术．四川：西南交通大学出版社，2003，78~874黄继昌．传感器工作原理及应用实例．北京：人民邮电出版社，1998，98~1095陈杰．传感器与检测技术．北京：高等教育出版社，2007，99~1006金发庆．传感器技术与应用．北京：机械工业出版社，2006，17~197沙占友，马洪涛，安国臣，孟志永．新型智能温度传感器的原理及应用．电子测量与仪器学报，2008，10(16)：4~68沙占友．智能化温度测试系统的优化设计．电子测量与仪器学报，2002，12(17)：125~1279高吉祥．数字电子技术．北京：电子工业出版社，2003，34~20010沈任元，吴勇．数字电子技术．北京：机械工业出版社，2005，77~21511IasemidisL,WitteH.SpecialIssueonEpilepticSeizurePrediction.IEEETransactiononBiomedicalEngineering.2007,50(3):537-53912卜益民．模拟电子技术．北京：邮电大学出版社，2005，107~25113王港元．电工电子实践指导．南昌：江西科学技术出版社，2005，19~2414谢自美．电子线路设计．武汉：华中科技大学出版社，2007，77~20115霍孟友．单片机原理与应用．北京：机械工业出版社，2004，34~7716许泳龙．单片机原理与应用．北京：机械工业出版社，2005，107~23317C.W.Mahnke.ProgressinacousticemissiontechnologyPetroleumandChemicalEquipment.Controlanddecision.2010,5(7):17~1918Mudau.AE.Ensuringvalidityofradiometrictemperaturemeasurementsobtainedinthefieldusinginfraredimagers.2010,10(2):78~8919利尔达．MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用．北京：清华大学出版社，2004，17~21335 致谢致谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起学习的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。这次毕业论文能够得以顺利完成，是所有指导过我的老师，帮助过我的同学和一直关心支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！感谢我的指导老师——老师，感谢李老师对本论文从选题、构思、资料收集到最后定稿的各个环节给予细心的指引和教导，使我对本次设计有了深刻的认识，并最终得以完成毕业论文，同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多关于单片机和传感器方面的知识，实验技能有了很大的提高。其次要感谢我所在公司的组长，她在本次设计给予我很大的帮助，克服了许多困难来完成此次毕业设计。因为有了她的指导，此次设计的完成才会如此顺利。感谢我身边所有的朋友与同学们，谢谢你们四年来的关照与宽容，与你们一起走过的缤纷时代，将会是我一生最珍贵的回忆。这里，对关心、帮助过我的老师和同学们表示衷心地感谢！最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢！35 附录1附录1燕山大学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计学院（系）：年级专业：07电子信息工程3班学生姓名：指导教师：完成日期：2011.03.25 附录1一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1、选题的依据和意义体温计是人们日常生活中的必备品。传统的水银体温计存在测量温度时间长、读数不便等特点。红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。近20年来，非接触红外体温计在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。比起传统的测温方法，红外体温计有着响应时间快、使用安全及使用寿命长等优点。红外体温计包括便携式红外体温计、在线式红外体温计和扫描式红外体温计三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。在不同规格的各种型号红外体温计中，正确选择红外体温计型号对用户来说是十分重要的。红外温度检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目，红外温度检测是一种在线监测(不停电)式高科技检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，具有准确、实时、快速等优点。任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况。目前应用红外诊技术的测试设备比较多，如红外体温计、红外热电视、红外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。2、国内外动态41 附录1国外红外线技术在19世纪并发展至今，已经有很多专利项目和大量科研成果。美国和日本几乎垄断了红外线技术产品的专利。由于红外线技术我国起步比较晚，而且相关部件比较昂贵，对我们在生产生活中普及还有很长的一段路要走。所以我们要把红外检测技术利用到我们实际生活当中去，利用我们能利用的知识去改进我们的生活。红外线是近年来兴起的高端技术，对红外线设备的设计和研究，对今后生产生活有积极的影响。体温计是人们日常生活中的必备用品，尤其在SARS和H1N1流行期间，体温计几乎成成为了衡量感染者与未感染者的测量仪器。所以在本文以下内容中我要结合单片机，运用红外线原理去设计一个基于单片机的红外体温仪器的方案。通过方案论证，选择出最佳的方案并进行设计和制作随着现代科学技术的发展，传统的接触式测温方式以不能满足现代一些领域的测温需求，对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。本红外测温系统设计的出发点也正是基于此。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题随着现代科学技术的发展，传统的接触式测温方式以不能满足现代一些领域的测温需求，对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。本红外测温系统设计的出发点也正是基于此。主要由温度传感器，数字显示器，MSP430单片机等结构组成，系统结构图如图1-1所示：图1-1系统结构图41 附录1三、研究步骤、方法及措施1、基于本课题的研究，首先了解红外线研究背景，发展趋势和现在存在的主要问题，对研究课题的基本内容、目的、和意义有所了解。2、学习红外线体温传感原理。一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红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关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。黑体辐射定律：黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。物体发射率对辐射测温的影响：自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因纱在：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度，用公式可表达为：(1-1)式中E—辐射出射度，单位是W/m3；   δ—斯蒂芬一波尔兹曼常数，5.67x10-8W/(m2·K4)；   ε—41 附录1物体的辐射率；   T—物体的温度(K)；   To—物体周围的环境温度(K)；人体主要辐射波长在9~10μm的红外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度，便能准确地测定人体表面温度。红外温度测量技术的最大优点是测试速度快，1秒钟以内可测试完毕。由于它只接收人体对外发射的红外辐射，没有任何其它物理和化学因素作用于人体，所以对人体无任何害。3、学习MSP430单片机的原理与应用，并上机编试程序。4、通过软硬件来实现红外体温测试。5、通过长时间的更改与测试，得出最终精确的结果与结论。四、研究工作进度第1～3周：收集资料，通过学习相应书籍和查阅资料，了解课题研究的基本内容、目的和意义，对课题目前的发展和较为常见红外体温传感器算法以及MSP430单片机原理有所了解和掌握，确定设计思路。第4～7周：学习MSP430单片机原理与应用。第8～11周：针对设计中的方案，制作硬件电路，编制处理程序，并上机进行软件程序调试和优化，对板子进行在线调试。第12～14周：根据在线调试结果最终实现红外体温传感的正确性。第15～18周：整理实验结果，进行课题总结，撰写论文，准备答辩。五、主要参考文献[1]利尔达．MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用．北京：清华大学出版社，2004[2]康华光主编．电子技术基础(模拟部分)第五版．北京：高等教育出版社，2005[3]阎石主编．数字电子技术基础．北京：高等教育出版社，2005[4]何政．单片机原理与应用．上海：上海科学技术出版社，1992[5]刘文秀．单片机应用系统仿真的研究现代电子技术．上41 附录1海：复旦大学出版社，2005[6]张友德．单片微型机原理、应用与实验．上海：复旦大学出版社，2003[7]李光飞．单片机设计实例指导．北京：北京航空航天大学出版社，2004[8]胡汉才．单片机原理及其接口技术．北京：清华大学出版社，1996[9]杨立民．单片机技术及应用．西安：西安电子科技大学出版社，1997[10]童诗白，华成英，模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2001[11]阎石．数字电子技术基础．北京：高等教育出版社，1998[12]胡汉才．单片机原理及其接口技术．北京：清华大学出版社，2006[13]赵负图，李思，吴学孟．现代传感器集成电路．北京：人民邮电出版社，2005[14]姚福安.电子电路设计与实践.山东：山东科技出版社，2001.[15]沈精虎．电路设计与制版Protel99入门与提高．北京：人民邮电出版社，2004[16]何希才，伊兵，杜煜．实用电子电路设计．北京：电子工业出版社，1998.[17]肖金球．单片机原理与接口技术．北京：清华大学出版社，2002.[18]陈杰，黄鸿．传感器与检测技术．北京：高等教育出版社，2004，[19]沈红卫．基于单片机的智能系统设计与实现．北京：电子工业出版社，200541 附录1六、指导教师意见：指导教师签字：年月日七、系级教学单位审核意见：开题考核分数：负责人签字：年月日41 附录141 附录2附录2燕山大学本科毕业设计（论文）文献综述课题名称：基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计学院（系）：年级专业：07电子信息工程3班学生姓名：指导教师：完成日期：2011.03.25 附录2一、课题国内外现状。目前，全球至少有25家较具规模的红外传感器生产商，其中居首位的是Raytek公司，1999年Raytek公司的产品全球市场的20%，其中很大一部分产品是手持产品；Raytek还生产在线辐射温度表和高性能的传感器以适用于像冶金行业这样温度要求极高的环境。排行第二位的是Ircon，其市场占有率为17%，其产品主要面向高端用户市场。排行第三位的是LandInfrared，其市场占有率为15%，其主要产品是手持式及在线测量产品。对于红外传感器的全球市场，第三世界国家将比欧美更加看好。虽然欧美很多工业国家加工业广泛，但其市场以趋向饱和；而在中国以及拉美一些新兴国家和地区，随着其经济的复苏与发展，各国各地区纷纷加强工业化建设，加工厂不断增多，红外传感器在该区域的销量每年以2％～5％的速度增长，并且其市场销量还处于增长趋势。国外红外线技术在19世纪并发展至今，已经有很多专利项目和大量科研成果。美国和日本几乎垄断了红外线技术产品的专利。由于红外线技术我国起步比较晚，而且相关部件比较昂贵，对我们在生产生活中普及还有很长的一段路要走。所以我们要把红外检测技术利用到我们实际生活当中去，利用我们能利用的知识去改进我们的生活。红外温度感应技术在国内外技术已经成熟，但是由于国内成本太高，不利于大家所接受，本着成本低的方案，本着最小系统来实现所需功能，采购成本低廉的元器件，最终以实用价格低廉将此仪器做出来。二、研究主要成果体温计又称“医用温度计”。体温计的工作物质是水银。它的液泡容积比上面细管的容积大的多。泡里的水银由于受到体温的影响，产生微小的变化，水银体积的膨胀，使管内水银柱的长度发生明显的变化。人体温度的变化一般在35℃到42℃之间，所以体温计的刻度通常是35℃到42℃，而且每度的范围又分成为10份，因此体温计可精确到1/10度。体温计是一种最高温度计，它可以记录这温度计所曾测定的最高温度。用后的体温计应“回表”47 附录2，即拿着体温计的上部用力往下猛甩，可使已升入管内的水银，重新回到液泡里。其它温度计绝对不能甩动，这是体温计与其他液体温度计的一个主要区别。第一个体温计是伽利略在16世纪时发明的。但直到300年后才设计出使用方便、性能可靠的体温计。水银储存在末端的水银球内。当水银被加热时，它会发生膨胀，沿着非常狭窄的玻璃管上升。所以，体温的小小变化就会导致玻璃管内水银的大幅度上升。量完体温后，得用力甩动体温计，使水银回到水银球内。体温计是在温度计的基础上研制成功的。1714年，德国物理学家华伦海特研制了在水的冰点和人的体温范围内设定刻度的水银体温计。1742年又发明了0～100°的摄氏温标，从此实现了体温计的刻度标准化。1714年，加布里埃尔•华伦海特1868年，文德利希这位德国教授出版了《疾病与体温》一书，书中记载了2.5万例病人的体温变化，而他所使用的体温计的大小是奥尔伯特体温计的两倍，每次要花20分钟的时间来记录体温！1980年前后，发明了会说话的体温计。膜状液晶体温计在体温正常时呈现绿色，低烧呈现黄色，高烧呈现红色。1865年，英国的阿尔伯特发明了一种很有特色的体温计，特点是储存水银的细管里有一狭道，当体温计接触人体后，水银很快升到人体实际体温处，取出后水银柱不下降，而是在狭道处断开，使狭道以上部分始终保持体温度数。这种温度计受到了临床的欢迎和普及应用。1988年，出现了电子呼吸脉搏体温计，可以进行遥测。到了现代，开始流行使用电子体温计。电子体温计分为实测式电子温度计和预测式电子体温计两种，可通过数字观看，比较方便。红外线体温计在“非典”流行期间曾广泛使用，分为耳式红外线体温计和红外线前额测温仪，测定时间为1-3秒，快速、安全。液晶体温计是21世纪新产品，利用液晶制成的温度计，测腋窝仅用4-5秒，准确、安全，但价位高。三、发展趋势普通温度测量技术经过相当长时间的发展已近于成熟。目前，随着经济发展人们日益需要，在国外医院已经很流行。47 附录2非接触式红外测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件。此温度测量系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是被测物体上某一点的温度测量；可以是便携式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工艺简单，成本较低，测温时不接触被测物体，具有响应时间短、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点，但利用红外辐射测量温度，也必然受到物体发射率、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。在这种温度测量技术中红外温度传感器的选择是非常重要的，而且不仅在点温度测量中要使用红外温度传感器，大面积温度测量也可使用红外温度传感器。本设计正是采用红外温度传感器这种温度测量技术，它具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点；另外红外温度传感器的种类较多，发展非常快，技术比较成熟，这也是本设计采用红外温度传感器设计非接触温度测量系统的主要原因之一。四、存在问题由于红外测量系统是非接触性的测量，同样也会存在着各种误差。测温范围越窄，精度就越高，测温范围过宽，会降低精度，尤其在低端测温，影响红外测温的因素如下：(1)辐射率，辐射率是描述一个物体相对于黑体辐射能力大小的物理量，红外测温系统从物体上接收到的辐射能量大小与该物体的辐射率成正比，不同物质的辐射率是不同的。(2)距离，测温系统到目标的距离对精确度有很大的影响。(3)传感器本身也会对测温结果造成影响。五、主要参考文献[1]利尔达．MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用．北京：清华大学出版社，2004[2]康华光主编．电子技术基础(模拟部分)第五版．北京：高等教育出版社，2005[3]阎石主编．数字电子技术基础．北京：高等教育出版社，2005[4]何政．单片机原理与应用．上海：上海科学技术出版社，1992[5]刘文秀．单片机应用系统仿真的研究现代电子技术．上47 附录2海：复旦大学出版社，2005[6]张友德．单片微型机原理、应用与实验．上海：复旦大学出版社，2003[7]李光飞．单片机设计实例指导．北京：北京航空航天大学出版社，2004[8]胡汉才．单片机原理及其接口技术．北京：清华大学出版社，1996[9]杨立民．单片机技术及应用．西安：西安电子科技大学出版社，1997[10]童诗白，华成英，模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2001[11]阎石．数字电子技术基础．北京：高等教育出版社，1998[12]胡汉才．单片机原理及其接口技术．北京：清华大学出版社，2006[13]赵负图，李思，吴学孟．现代传感器集成电路．北京：人民邮电出版社，2005[14]姚福安.电子电路设计与实践.山东：山东科技出版社，2001.[15]沈精虎．电路设计与制版Protel99入门与提高．北京：人民邮电出版社，2004[16]何希才，伊兵，杜煜．实用电子电路设计．北京：电子工业出版社，1998[17]肖金球．单片机原理与接口技术．北京：清华大学出版社，2002.[18]陈杰，黄鸿．传感器与检测技术．北京：高等教育出版社，2004，[19]沈红卫．基于单片机的智能系统设计与实现．北京：电子工业出版社，2005指导教师审阅签字：年月日47 附录3附录3燕山大学本科毕业设计（论文）中期报告课题名称：基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计学院（系）：年级专业：07电子信息工程3班学生姓名：指导教师：完成日期：2011.05.07 附录3一、任务书中本阶段工作目标与任务要求本阶段主要任务是针对设计中的方案，制作硬件电路，编制处理程序，并上机进行软件程序调试和优化，对板子进行在线调试1、硬件电路相关介绍主控芯片MSP430如图1-1所示：图1-1单片机引脚55 附录3MSP430单片机的特点：处理能力强　MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。运算速度快　　MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加运算)相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。超低功耗　　MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。　　首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。　　其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环(FLL和FLL+)时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器(32768Hz)，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0~LPM4)。在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。片内资源丰富55 附录3MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A0(Timer_A0)、定时器A1(Timer_A1)、定时器B0(Timer_B0)、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定时器(BasicTimer)、实时时钟(RTC)和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器(Timer_A和Timer_B)具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。2、红外传感器OTP-538UOTP-538U是一个热电堆传感器，具116种热电偶元素，传感器芯片经由微细加工，可快速反应环境里的温度改变，导致输出端电压响应。OTP-538外观如图1-1所示：图1-2OTP-538U外观55 附录3OTP-538的电器特性如表1-3所示：表1-3传感器特性参数ParameterMinTypMaxUnitOutput0.771.44mVSensitivity7085100V/WTCofsensitivity0.100.110.12%/KSensitivityareaindiameter---545---μmResistanceofthermopile506580KΩTCofresistance---0.09%/KTimeconstant---16---msNoisevoltage283236nW/Hz1/2NEP0.280.360.48nW/Hz1/23、充电电路芯片LM3658采用常用的USB充电，使用充电芯片LM3658，标准充电电流为254mA如图所示：55 附录3图1-4充电电路4、信号放大部分使用INA126U放大器，信号稳定可靠，如图1-5所示：图1-5信号放大部分电路5、电源供电部分MCP1701降压芯片可以使电压稳定到+3.3V，TSP6040可以将正电压转换为负电，升压芯片L6920D可以将电压稳压到+5.0V。如图1-6所示：55 附录3图1-6信号放大部分电路为了让元器件正常工作电源供电设计为是+3.3V、+5V、-5V二、目前已完成任务情况目前已将硬件电路部分调试焊接出来，分别为模拟信号放大电路。元器件供电电路，充电电路，以及和单片机的连接电路。三、存在的问题和拟解决方法1、使用元器件INA126U过程中将第4引脚接地不能正常放大，经过多次模拟修改，发现只有供电为负值时放大器才能正常使用，故电源部分增加了产生-5V电的电路。55 附录32、由于MSP430单片机自带AD转换电路，一般AD转换采用中断模式，经过反复查阅手册和相关程序的读写，最终将单片机中断信号采集试验成功并应用到此次课程设计。3、在编写程序AD转换过程中由于厂家提供的关于OTP-538U资料不是很全面，故目前在AD转换程序中没有可以依靠的函数或者公式，目前不能精确显示温度。之后继续向厂家要关于OTP-538红外温度传感器芯片的详细资料，通过编程使温度显示精确。4、在焊接过程中，由于使用贴片电阻，电阻两边焊接处有毛刺，从而出现比较大的干扰信号，所以在焊接过程中，尽量减少毛刺产生，让器件两端尽可能圆滑。指导教师签字：年月日四、系级教学单位审核意见：中期考核分数：考核组长签字：年月日55 附录4附录4燕山大学本科毕业设计（论文）英文翻译课题名称：基于MSP430单片机的非接触式红外体温测试仪的设计学院（系）：年级专业：07电子信息工程3班学生姓名：指导教师：完成日期：2011.06.10 附录4ElectricityandElectricalCircuitsJMcAllisterGMadamaIEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems.2002ElectrostaticForcesandtheStructureofMatterIn1785Coulombcarriedoutaseriesofexperimentsonsmallchargedbodies.Heobservedthattwospheres,eachwithanelectriccharge,attracteachotherwhenthetwochargesareofoppositesign,andrepeleachotherwhenthechargesareofthesamesign.Coulombmeasuredtheamountoftheseforces-calledelectrostaticforces-andheproposedthelawnowknownasCoulomb"slaw.Thisstatesthattheforceactingbetweentwochargedbodiesinairisproportionaltotheproductofthecharges,andinverselyproportionaltothesquareofthedistancebetweenthem.Aknowledgeofthepropertiesofelectrostaticforcesisfundamentalwhenwebegintostudytheproblemsofelectricity,andwecannotintroducethesubjectwithoutconsideringthestructureofmatter".Infact,toexplainmacroscopicelectricalphenomenaandtheiroriginwemustexaminethearrangement,electriccharge,mass,motionandenergyofthesmallestparticlesofmatter.Theatomisthesmallestamountofachemicalelement.Thetheoryofatomicstructureisstillinevolution,buttointerpretelectricalphenomenawecanrefertothemodeldescribedbyBohrandRutherford.Thismodelisonlyanapproximateonebutitiseasytounderstand.Itrepresentsanatomasaloosestructureofelectronswhichsurroundsaheavycore-thenucleus.Thenucleusiscomposedofparticleswithapositivechargecalledprotons,andotherparticlesofaboutthesamemassbutwithnoresultantelectriccharge.Thesearecalledneutrons.Thenucleusandtheelectronsarearrangedintheatomlikeaverysmallplanetarysystem.Theelectronsrevolvearoundthenucleusinfixedorbits.Thenucleushasapositiveelectricchargethatisalwaysamultipleofthenegativeelectricchargeoftheelectron.Thismeansthatthechargeofa"protonisnumericallyequalto73 附录4thechargeofanelectron.Almostallthemassofanatomisinthenucleus.Infact,themassoftheprotonis1836timesthemassoftheelectron.Sincetheneutronhasnoresultantelectriccharge,itexertsnoelectrostaticforceoneitherprotonsorelectrons.Thereis,however,averystrongmechanicalforceexertedbytheneutronsontheprotonsinanatom,becauseoftheextremelyshortdistancesbetweenthem.Thismechanicalforceissostrongthatachemicalreactioncanneverchangethenumberofprotonsinanatom.Infact,weneedanelectricalapparatusofthepowerofacyclotrontoovercomethisforce.Normally,atomsareelectricallyneutralsystemsbecausethenumberoftheirelectronsisequaltothenumberofprotonsinthenucleus.Underparticularconditions,however,anatomcanloseone,two,threeorfourelectrons,andthenthesystemhasapositiveelectricchargerespectivelyequaltoone,two,threeorfourtimestheelectroncharge.Inthiscasewecallitapositiveionorcationandwesayitismonovalent,bivalent,trivalentortetravalentaccordingtothenumberofelectronsithaslost".Inthesameway,ifoneormoreelectronsareaddedtoaneutralatom,thenthisacquiresanegativechargeequaltooneormoretimestheelectroncharge.Thenwecallitanegativeionoranion.Thepropertyofdifferentatomstoloseoracquireelectronsdependsonthearrangementoftheelectronsintheirorbits,accordingtothetheoriesofSommerfeldandPauli.Differentamountsofenergyarenecessarytoremoveanelectronfromanatom,accordingtotheorbitalarrangementoftheelectronsintheatom.Wecallthisenergyionizationenergy.Forexample,theraregasesarechemicallyveryinertandthisshowstheyhaveverystableatomicstructures.Thisstabilityisalsoshownbythefactthattheionizationenergyisgreaterfortheraregasesthanforotherelements.Ontheotherhand,theionizationenergyofthehalogenelementsissmall.Ifwehaveanionsandcationstogether,theyattractneighboringionsof73 附录4oppositesignbecauseoftheelectrostaticforcesamongthem.Wecalltheforceofattractionbetweenionsofoppositechargetheionicvalenceforce.Whentheseionsunitebecauseoftheseelectrostaticforces,theyformelectricallyneutralmolecules.Amoleculeisthesmallestparticleofanysubstancewhichstillhastheoriginalchemicalpropertiesofthesubstance.Therefore,amoleculeconsistsofoneormoreatoms;forexamplemoleculesofhelium,neonandargoncontainoneatomeachandarethereforecalledmonatomicmolecules.Moleculesofhydrogen,oxygenandnitrogenconsistoftwoatomseachandarethereforecalleddiatomic.Amoleculecanalsobeagroupofatomsofdifferentelements,forexamplesulphuricacid(H2SO4).ElectricCurrent—ElectromotiveForce—PotentialDifference—c-onductorsandInsulators—andOhm"sLawInthosesubstancescalledconductors,electronsintheouterorbitsoftheatomsarefreetomoveatrandomfromoneatomtoanotherneighboringatom.Thisisbecausetheatomsaresoclosethattheirouterelectronorbitstouchandtheelectronsintheseorbitsoccupyaneutralzonewheretheyareequallyattractedbytheothernuclei.Theseelectronsarecalledfreeelectrons.Inconductors,sincethenumberoffreeelectronsisenormousandtheymoveatrandom,wecanconsiderthenumberofelectronsmovinginonedirectionequaltothenumbermovingintheoppositedirection.Thereforethereisnoapparentmovementofelectrons.Now,if,owingtoanexternalcause,thereisanexcessofelectronsatoneendofaconductorandadeficiencyofelectronsattheotherend,thenthefreeelectronsintheconductorwillbesubjectedtotwoelectrostaticforces;aforceofattractiontowardsthepositiveend(theonewithadeficiencyofelectrons)andaforceofrepulsionfromthenegativeend(theonewithanexcessofelectrons).Therandommovementsofthefreeelectronswillcontinue,butinthiscasetherewillbeanetmovementorflowofelectronstowardsthepositiveend.Thisflowofelectronsistheelectriccurrent.Anelectriccurrentisexpressedquantitativelyastheaverageamountofnegative73 附录4electriccharges(electrons)flowinginaconductorinaunitoftime.Anexcessofelectronsatoneendofaconductorandadeficiencyattheotherendcanbeobtainedbyconnectingtheendsoftheconductortotheterminalsofabatteryoragenerator.Infact,thepropertyofbatteriesorgeneratorsistodrivethefreeelectronsthattheyhaveinsidethemcontinuouslyfromoneterminaltotheotheragainsttheelectrostaticforces.Thispropertyofgeneratorsorbatteriestotendtomakeanelectriccurrentflowisindicatedbysayingthattheyhaveanelectromotiveforce(e.m.f.).Ontheotherhand,foranelectriccurrenttoflowinaconductorthatisconnectedbetweentheterminalsofageneratororabattery,theremustbeapotentialdifferenceorvoltagebetweenthetwoterminals.Inotherwordswecansaythatthee.m.f.ofabatteryorageneratormaintainsapotentialdifferencebetweentheterminals.Thepotentialdifferenceisexpressedbytheworkdoneperunitchargewhenitpassesbetweenthetwoterminals".Theworktodisplaceelectricchargesisdonebyabatterywhichtransformschemicalenergyintoelectricalenergy,andbyageneratorwhichtransformsmechanicalenergyintoelectricalenergy.Wehaveseenthattheelectriccurrentinaconductorisactuallyaflowofnegativecharges;butbytraditionanelectriccurrentisconsideredasaflowofpositivechargesfromthepositivetothenegativeterminal.Althoughthistraditionalideaiswrong,itisconvenientforeverydayuse.Electriccurrentscannotfloweasilyinallsubstances.Therearemanysubstancesinwhichtheelectronsmovefromatomtoatomonlywithdifficulty.Thesesubstancesarecalledinsulators.Allsubstances,however,offersomeoppositiontotheflowofelectrons,andthereisnoverycleardividinglinebetweenconductingmaterialsandinsulatingmaterials.Furthermore,thereisnoperfectconductorandnoperfectinsulator.Inpractice,however,thedistinctionbetweenconductorsandinsulatorsisveryuseful.Conductorsincludeallmetalsandalloys,carbonandgraphite;typicalinsulatorsarerubber,plastic,dryair,oil,glass,paper,cottonandebonite.73 附录4Theoppositiontoelectriccurrentflowinabodywhenthereisapotentialdifferencebetweentheendsofthebodyisexpressedbyitselectricalresistance.Inordertocomparetheresistanceofdifferentsubstances,itisnecessarytoconsidertheresistanceofferedbyasampleoffixeddimensions.Itisusualtochooseacubeasthesamplebody,andthedimensionsofthecubewilldependonthesystemofunitsweemploy.Theresistancebetweenoppositefacesofthissamplecubeiscalledresistivity.Whentheresistivityofasubstanceisknown,theresistanceofanybodycomposedofthatsubstancecanbecalculated.Inparticular,wemustbearinmindthattheresistanceofawireisdirectlyproportionaltoitslength,inverselyproportionaltoitscross-section,anddirectlyproportionaltotheresistivityofthesubstanceformingthewire.Now,wecansaythatwhenagivenpotentialdifference(avoltage)isappliedacrosstheendsofthewire,anelectriccurrentalwaysflowsalongit,andthevalueofthiscurrentdependsontheresistanceofthewire.Ohm"slawstatesthattheratioofthepotentialdifferencebetweentheendsofawireandthecurrentflowinginitisequaltotheresistanceofthewire.ElectricalEnergyandPower—ElectricCircuitsEnergyiscommonlydefinedasthecapacityofasystemtodowork.Itisknownthatenergycanbetransformedortransmittedfromonesystemtoanotherbutthetotalvalueoftheenergybeforeandafterthetransformationisalwaysthesame(theprincipleoftheconservationofenergy).Energycanhaveseveraldifferentforms,butthesecanbereducedtotwofundamentalstates:kineticenergyandpotentialenergy.Kineticenergyistheenergypossessedbyamassbyvirtueofitsmotion,andinthisformwecanalsoincludeheatgeneratedbyatomicormoleculartranslation,rotationorvibration.Potentialenergyisthatenergywhichasystempossessesbyvirtueoftherelativepositionofitspartsoritsconfiguration.Electricalenergyisofthiskind.Infactitisdefinedasthepotentialenergypossessedbyseparateelectricchargesofoppositesigninasystem,actingagainsttheelectrostaticforcesinthesamesystemthattendto73 附录4bringthesystembacktoanelectricallyneutralstate.Whenwehaveatransformationoratransmissionofenergy,theamountofenergytransformedortransmittedperunitoftimeisknownasthepower(andmeasuredinwatts).Electriccircuitsandnetworksarepathsforthetransmissionofelectriccurrentandthereforeofelectricalpower.IfVisthedifferenceofpotentialinvoltsappliedtotheterminalsofacircuitandIisthecurrentinamperesabsorbedbythiscircuit,thepowerP,expressedinwattsabsorbed,isgivenbyP=VI.Wecansaythatwherewehaveacurrentinacircuit,wehaveapotentialenergythatcanbetransformedintoheat,mechanicalwork,orotherkindsofenergy.Theproductionofheatisthemostfamiliareffectofanelectriccurrent.Whenacurrentisflowingthroughamaterial,whichalwayshasanelectricalresistance,theelectricforcesactingontheelectronsarebalancedonlybytheforcesanalogoustofriction".Theseforcesopposethepassageofelectronsthroughtheatomsofthematerial,sotheelectricenergydeliveredtotheseelectronsisallchangedintoheat.WehaveseenthatpowercanbeexpressedalgebraicallyasP=VI.MoreoveraresistorfulfilstheconditionsforapplyingOhm"slaw,soV=RIwhereRistheresistanceinohmsoftheresistor.CombiningthetwoequationswefindP=RI2.ThisrelationisknownasJoule"slawanditcanalsobeexpressedasfollows:theheatenergyproducedinaunitoftimeisproportionaltotheresistanceandtothesquareofthecurrent.Forexample,doublingthecurrentinacircuitwiththeresistanceunchangedquadruplestheheat.Inawirethroughwhichanelectriccurrentflow,theelectricalpowerthatischangedintoheatiscommonlycalledthepowerlossinthewire,andthedifferenceofpotentialacrosstheterminalsofthewireiscalledthevoltagedropinthewire.Howelectricalenergycanhetransformedintomechanicalenergyorintootherkindsofenergyisdiscussedlaterinthebook.Inacircuitwecanhavemanyresistors.Theycanbeconnectedinseriesorinparallel.Whenseveralresistorsareconnectedinseries,theequivalentresistanceofthecombinationisequaltothesumoftheresistancesoftheindividual73 附录4resistors.Whenseveralresistorsareconnectedinparallel,therelationbetweentheequivalentresistanceandthecomponentresistancesiseasilyobtainedbytransformingeachresistanceintoitsreciprocal.Inthiscasethereciprocaloftheequivalentresistanceisthesumofthereciprocalsoftheindividualresistances.Thereciprocalofresistanceisknownasconductance.WhennetworksarecomplicatedtheycannotbeeasilysolvedbythesimpleapplicationofOhm"slaw.InthesecasesitisveryhelpfultoemployKirchhoff"stwolaws.Thefirststates:inanelectricnetwork,thealgebraicsumofthecurrentsthatmeetatajunctionpointiszero.Thesecondstates:Thesum(takingintoaccount+and-signs)oftheproductsofcurrentandresistancesineachpartofanyclosedloopinanetworkisequaltothealgebraicsumoftheelectromotiveforcesinthatloop.Thefirstlawisobvious.Itsimplymeansthatthetotalcurrentleavingajunctionisequaltothetotalcurrententeringthejunction.ThesecondlawismerelyanextensionofOhm"slaw.Thebasisofthelawisevident.Ifwestartatacertainpointinacircuitandfollowthepathsofthecircuituntilthestartingpointisreached,wemustbeatthesamepotentialatwhichwestarted.Thereforetheelectromotiveforcesofthesourcesmetinthispassagemustbeequaltothevoltagedropintheresistanceswitheveryvoltagegivenitspropersign.Electrostatics—ElectricFields—Capacitance—CapacitorsElectrostaticsisthestudyofthebehaviorofelectricitywhenitisstatic.Inunit10wesawthatCoulomb"slawstatestheamountoftheforceactingbetweentwochargedbodies.Thuswearenowabletosaythatifwehaveanelectricchargeatapointinaspace,anyadjacentelectricchargewillbesubjecttoaforce.Aspaceinthisstressedconditioniscalledanelectricfield.Inotherwords,anelectricfieldisaregioninwhichatanypointwehaveanelectrostaticforcethattendstodisplaceanelectricchargepresentatthatpoint".Obviouslyanelectricfieldcanbeproducedbyseveralchargespresentinthatspace.Inthiscasetheelectrostaticforceatanypointisequaltotheresultantofthevariousforcesexertedatthat73 附录4pointbythevariouscharges.Ofcoursetheforceexertedbyanelectricfieldonanelectricchargewillgenerallyvaryfrompointtopointbothinstrengthanddirection.Thisvariationisduetothevalueofthechargeonwhichtheforceacts,anditspositioninrelationtothechargesthatgiverisetotheelectricfield.Atanypoint,anelectricfieldisquantitativelydefinedbyitselectricfieldstrength.Thisistheforceexertedbythefieldonaunitpositivechargeatthatpoint.Thefieldstrengthisusuallyindicatedbyit;andsinceithasadirection,Eisavector.Becauseoftheproportionalityofachargeandtheforceactingonitduetoothercharges(Coulomb"slaw),wecanalsosaythatthefieldstrengthatapointisequaltotheratioF/Q,whereFistheforcethatthefieldexertsonachargeQatthatpoint.Howevertomeasurethefieldstrengthofanelectricfieldwemustnotintroduceadisproportionatecharge,becausethischargewouldmodifythefieldwearetryingtomeasure.Anidealtestchargewouldbeasingleelectron,butinthatcasetheforceactingonitwouldbetoosmalltomeasure.Inconclusion,wecansaythatthefieldstrengthisgivenbytheratioF/QforanyvalueofQthatissmallenoughtoallowustoneglectitselectrostaticinfluenceonthefield.Understaticconditionsthepotentialdifferencebetweentwopointsofanelectricfieldismeasuredbytheworkdoneperunitpositivechargecarriedormovedfromthepointatthelowerpotentialtothepointatthehigherpotential.Inordertocalculatethiswork,letussupposewegivetoaunitpositivechargeadisplacementwhichissmallenoughtoallowustoconsiderasconstanttheforcealongthelineofthedisplacement.Thisfieldforcewilldoworkequaltotheproductofthedisplacementandthecomponentofthefieldstrengthinthedirectionofthedisplacement.Summingtheworkdoneineverysmalldisplacementalongthepathbetweenthetwopoints,weobtainthepotentialdifferencebetweenthetwopoints.Itispossibletoshowthatthisworkisindependentofthepathfollowedbetweenthetwopoints,andthatinfactitonlydependsonthepositionofthetwopoints.73 附录4Theworknecessarytomoveachargefromonepointtoanotherdefinesonlyapotentialdifference,andinmakingcalculationswecanarbitrarilyconsideranyconvenientpointashavingzeropotential.Sometimesitisconvenienttoconsiderapointinfinitelyfarawayasthathavingzeropotential,i.e.wherethestrengthofthefieldispracticallyzero.Incalculationsthatinvolvetheearthasaconductor,itisgenerallymostconvenienttoassumetheearthtobeatzeropotential.Letusnowconsiderwhathappenswhenweplaceaperfectlyinsulatedconductingbody,whichisinitiallywithoutcharge,inanelectricfield.Theforcesofthefieldactonthefreeelectronsoftheconductoranddisplacethem.Itisclearthatthisdisplacementcontinuesuntilthefieldinsidetheconductingbodyisnullified.Thismeansthatonthesurfaceofthebodywehavenegativeandpositivechargesgivenrespectivelybyanexcessandbyadeficiencyofelectrons,whicharedistributedsoastogiverisetoanelectricfieldinsidethebody.Thisfieldisequalandcontrarytothefieldpreexistingintheportionofspaceinwhichwehaveplacedthebody.Naturallyintheseconditionsthereisnopotentialdifferencebetweenanytwopointsofthisconductingbody,andsuchabodyisreferredtoasequipotent.Letusnowexaminethesituationwhenweplaceaninsulatororadielectricbodyinanelectricfield.Inthiscase,noelectronsorchargedatomscanleavethemoleculesinwhichtheyaresituated,sotheirdisplacementsareverylimited.Nevertheless,sincethesedisplacementsaresystematicintheirdirections,theycreateanexcessofelectronsononesurfaceoftheinsulatorandadeficiencyontheoppositesurface.Chargesofthiskindonthesurfacesofaninsulatorarecalledpolarizationcharges.Ofcourse,thesechargesmodifythepre-existingfield.Nowletussupposethatinaspacewehavetwoseparateconductorsthat,forthesakeofsimplicity,weshallimaginetobeflat,parallelandopposite.If,bymeansofabattery,weapplyapotentialdifferenceVbetweenthesetwoplates,wewillhaveadisplacementofelectronsfromoneplatetotheother.Thisdisplacementwillcontinueuntil,intheplates,wehavetwochargesofthesame73 附录4magnitudeQ,apositivechargeononeplateandanegativechargeontheother.ThesechargesQwillhavesuchavalueastorestoretheelectrostaticequilibriumofthesystem.Inotherwords,theelectricfieldgeneratedbetweentheplatesbythechargesQwillhaveadifferenceofpotentialontheplates,equalandoppositetothatofthebattery.QisproportionaltothevoltageV,i.e.Q=CVwherethecoefficientofproportionalityCrepresentsthecapacitanceofthetwoplates.WhenVrepresentsavalueinvoltsandQincoulombs,Cisinfarads.Ifwefillthespacebetweentheplateswithadielectricmaterial,wewillhavepolarizationchargesonthedielectricsurfacesfacingthemetalplates.Obviously,thesepolarizationchargeswillbeofoppositesigntothechargeofthenearbyplate-Thepolarizationchargestendtooffsetthechargesonthemetalplatesinallelectrostaticeffects.Theseincludethepotentialdifferencebetweentheplateswhich,forthesamechargesonthemetalplates,islesswithpolarizationchargespresentthanitwouldbewithoutthem.Converselywecansaythatwiththesamepotentialdifferenceappliedacrossthemetalplates,theelectricchargesdisplacedonthemetalplatesarebigger,ifwehavedielectricmaterialbetweenthem.Butifthechargeisgreaterwiththesamepotentialdifference,itmeansthatthecapacitanceisgreater,becausecapacitanceistheratiobetweenchargeandpotentialdifference,i.e.C=Q/V.IfweindicatebyCothecapacitanceofthetwoplateswiththespacebetweenthemavacuum,andCthecapacitanceofthesameplateswiththespacefilledwithdielectricmaterial,theratioC/C0istherelativepermittivityordielectricconstantofthematerial.Itsvaluedependsonthecharacteristicsofthematerialusedasadielectric.Capacitorsaredeviceswhoseprincipalcharacteristiciscapacitance.Theyconsistoftwoconductingsurfacesseparatedbydielectricmaterial.Inpracticethedielectriccanbeimpregnatedpaper,mica,variousplasticsorair.Therearemanytypesofcapacitors,butherespacedoesnotallowadetaileddescription.电与电路73 附录4静电力与物质结构库仑于1785年对一些微小的带电体做了一系列的实验。他观察到两个带电的球体，当它们带有不同的电荷时就相互吸引，而当它们带有相同的电荷时就相互排斥。库仑测量了这些力，取名为静电力，并提出了今天众所周知的库仑定律。这条定律阐明了在空气中两个带电体间的作用力与它们电量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。我们开始研究静电力的时候，对它的认知是最基本的，如果不考虑物质的结构，我们不能引进这个课题。其实，要理解宏观电现象及其起源，我们必须深入研究有关最小颗粒的电荷排列，质量，运动和能量。原子是最小的化学单位，这种原子结构理论仍处于演化中，但我们可以参考玻尔和卢瑟福的描述模式。这仅是一种近似的描述方式，但它很容易理解。它代表原子是一个有电子围绕原子核的松散的结构。原子核是由带有正电核的粒子(质子)和与质子同质量不带电荷的粒子组成。这些不带电的粒子被称为中子。原子核和电子的排列像一个小的行星系，电子围绕原子核在固定的轨道上运动，核中有多少带正电荷的质子就有多少带负电的电子，也就是说质子的数量等于电子数。原子核的质量近似等于原子的质量。实际上，一个质子的质量是一个电子的1836倍。由于中子不带电，因此它与质子或电子之间不存在静电力，但是在一个原子中由于中子与质子之间的距离非常短，因此它们之间有非常大的机械力。机械力不像化学反应，它不能改变原子中的质子数。73 附录4事实上，我们需要一个以回旋加速器作为电源的电器设备去克服这种力量。一般情况下，由于质子数和电子数相等，所以原子不显电性。在特定的条件下，原子能失去一个，两个，三个或四个电子而带有同等数量的正电。此时，我们把这个原子叫做正离子或阳离子。同样的，如果中性的原子得到一个或一个以上的电子，它被称为负离子或阴离子。原子是失去还是得到电子由电子在其轨道上的排列决定。由于电子在原子中的排列不同电子脱离原子所需要的能量也不同，我们把这种能量叫做电离能量。比如说，稀有气体的化学性质非常稳定，这表明它有非常稳定的原子结构，这种稳定性还表现在稀有气体比其他元素的电离能量大。另一方面，卤素的电离能非常小。如果我们把阴离子和阳离子放在一起，由于它们之间的静电力作用会吸引彼此，我们称这种吸引异种离子的力为介电力。当这些离子由于静电力结合在一起时形成中性的分子。分子是组成一切物质的具有原来化学性质的最小粒子，因此，一个分子包含一个或多个原子。例：如，氦气，氖气和氩气的分子都各包含一个原子，被称为单原子分子；氢气，氧气和氮气的分子由两个原子组成被称为双原子分子。不同元素的原子也能组成分子，如硫酸(H2SO4)。电流—电动势—电势差—导体和绝缘体—欧姆定律在导体中，在原子最外层轨道上的电子是自由电子，它们能不规则的从一个原子移动到另一个相邻的原子。这是由于原子排列紧密而使它们的最外层轨道有所接触，处于这些轨道上的电子也被其他原子核吸引，这种电子是自由电子。在导体中，由于自由电子的数目多，并且移动不规则，我们可以认为向一个方向移动的电子数和向其反方向移动的电子数相等，因此不存在明显的电子运动。现在，由于某些外部原因，使导体的一端电子多，另一端电子少，这样在这个导体中的电子将受到两个静电力的作用。一部分引力指向正级(电子少的一端)，另一部分斥力来自负极端(电子多的一端)。自由电子不规则的运动将持续下去，此时出现电子的净迁移或朝向正级的电子流。这种电子流就是电流。电流被定量的表示为单位时间内流过导体的平均电荷数(电子)。把导体接到发电机或电池上，电池或发电机的作用是反抗静电力而把电子从导体的一端推向另一端。电池或发动机使电流产生的这一特性被认为它们有一个电动势。另一方面接到电池或发电机上的导体中要有电流流动还需要一个电势差或电压。换句话说，我们可以说电池或发电机的电势导致了导体两端的电势差。电势差可以被描述为单位电荷从一端移动到另一端做功的多少。电池移动电荷做功使化学能转换为机械能，而发电机使机械能转化成电能。我们了解到导体中的电流是流动的负电荷，但由于传统的电流被认为是从正极流向负极的正电核。虽然这个传统观点是错误的，但它方便且常使用。73 附录4电流并不能很容易的在所有的物质中移动。在很多物质中电子在原子中移动是很难的，这些物质被称为绝缘体。所有的物质中都存在电流，因此导体和绝缘体之间没有明显的界限。此外，没有决对的绝缘体，也没有绝对的导体。然而，在实际中，区分导体和绝缘体是非常有用的。导体包括所有的金属和合金，碳和石墨；典型的绝缘体是橡胶制品，塑料制品，干燥的空气，玻璃，纸张和棉花。当导体两端存在电势差时，它内部的电流用它的电阻描述。为了比较不同物质之间的电阻，参考同一个固定的标准是非常重要的。我们通常选择一个立方体作为样本，并且样本的尺寸取决于我们规定的单位体系。单位电阻的倒数被称为电阻率。当知道电阻率时，这种物质构成的各种形状的物体的电阻都能被计算出来。必须紧记电线的电阻与它的长度成正比，与它的横截面积成反比，与形成电线的物质的电阻率成反比。现在，我们可以说当某一电位差(电压)加在电线的两端时，在电线中就会有电流流动，而这条电路的电压值就取决于电线的电阻。欧姆定律表明一根电线两端电势差与在电线中流动的电流之比等于这根电线的电阻。电能和功率—电路能源被定义为一个系统工作的能力。据了解，能量可以从一个系统向另一个系统转化或转移，但转移前后能量总和不变(能量守恒定率)。能量可以有几种不同的形式，但可以归结为两种基本的形式：动能和势能。动能是物体运动产生的能量。我们也把因原子或分子的平移，旋转或振动产生的能量叫做动能。势能是系统中由于物体的相对位置产生的能量。电能是势能的一种。在系统中，势能抑制电荷之间的排斥，克服静电力使系统保持电中性。我们进行能量转换或传递时，单位时间内传递或转换的能量叫功率(单位是瓦特)。电路和网络是电流传输的路径，其中包含电源。如果电路的电势差用V表示，单位是伏特，电流用I表示，单位是安培，功率P的单位是瓦特，那么P=VI。我们可以说在一个有电流的电路中，势能可以转换成热能，机械能可以转换成其它形式的能量。73 附录4电路中由于电流的作用而产生热量是最常见的。当电流流过有电阻的材料时，作用于电子的电动力仅靠类似于摩擦力的力保持平衡。这些反作用力通过原子作用于电子，因此，电能通过电子全部转换成热量。我们可以知道功率用代数式P=UI表示。电阻器符合运用欧姆定律的条件，因此V=RI，其中R表示电阻器的阻值。把两个方程结合起来得到P=RI2，这就是焦耳定律。它可以表示为：单位时间内产生的热能与电阻及电流的平方值成正比。如电流增加一倍，电阻值不变，热能变为原来的4倍。电流流经导线时，电功率被转变成热能，称为功率消耗。导线两端的电势差被称为压降。电能如何转换成其它形式的能量稍候再讨论。在电路中，可以有多个电阻。它们能被串联或并联在电路中。当电阻被串联在电路中时，等效电阻等于各电阻之和。当电阻被并联在电路中时，等效电阻与各电阻的关系是很容易得到的。此时，等效电阻的倒数是各电阻倒数之和。电阻的倒数称为电导。当网络很复杂时，不能简单的运用欧姆定律来求解电路之间的关系。在这种情况下，应用基尔霍夫两定律是非常有用的。第一：在一个电网中，流入节点的电流的代数和为零。第二：网络中，任一回路内的电阻和其电流乘积之和(考虑到极性)等于该回路内电源的代数和。第一定律是显而易见的。简单说，它表示流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。第二定律是一个扩展的欧姆定律。这个定律的基础是显而易见的。如果我们在电路中的某一点开始沿电路路径又回到出发点，此时的势能和开始时相同。在一段电路中，电源的压降反应在电阻上。静电学—电场—电容—电容器静电学是研究当电子静止时的受力。我们观察到库仑定律在两个物体之间的作用。因此，可以说，如果在空间内的某一点有一个电荷，任何相邻电荷都受到力的作用。在此强调一下，空间是指一个电场。换句话说，一个电场就是无论任何时候都有静电力的区域，而这个区域取代了在某一点的电荷。显然空间中的几个电荷可以产生磁场，在这种情况下，任何一点的静电力是有各个电荷产生的力施加在这一点上的。当然由电场由不同方向上施加在电荷上的力无论是在大小和方向上都是不同的。这种变化是由受力电荷的值的大小和产生电场的电荷的位置产生的。73 附录4在任何点，一个电场是由它的电场强度定量确定的。这个作用力是由电场外的一个电荷施加到这一点上的。场强的大小通常用它来显示，场强是一个有方向的量，用E表示。由于施加到电荷上的力和电荷是相对应的(库仑定律)，也可以认为场强等于F/Q，其中F是施加在电场中某点上的电荷Q上的力。为了测量场强的大小，我们不能引入一个不成比例的电荷，因为这种电荷将影响场强的大小。理想的测试电荷是一个单一的电子，在这种情况下，施加在电子上的作用力非常小，不能被测出。最后，可以用F/Q算出场强，其中Q的值小到足以让我们在电场中忽略它对静电力的影响。在静态条件下，电场中两点间的电势差等于单位正电荷从低电位到高电位所做的功。为了计算电势差，我们假设让一个单位正电核产生一个小位移，此位移小到足以让我们认为作用力是沿一条直线的一个常量的位移。电场力所做的功等于位移与位移方向上电场强度分量的乘积。把沿两点间的路径的每一小段上的功加起来的和，就是我们要的两点间的电势差。电场力所做的功仅由两点间的位置决定，与两点间的路径无关。移动电荷从一点到另一点所做的功仅是一个电势差，为了计算方便可以选任一点作为电势零点。有时，为了考虑方便，把无限远处作为电电势零点。在计算时，涉及地球作为一个导体时，把地面作为零势点。73 附录4现在，让我们考虑将会发生什么，当我们把一个完全绝缘的导体放入一个电场中，起初这个导体中没有电荷。电场力作用于导体的自由电子，并移动它们。很明显，这移动直到导体的内电场抵消外电场的作用才停止。这表明，由于导体表面的电子分布不均，使其表面形成了正、负电荷区，内部产生电场。此导体内部电场的大小等于原电场，方向与原电场相反。此时，在导体的表面任意两点间的电势差为零，这样的导体叫等势体。现在我们研究把绝缘体或介质物放在电场中的情况。在这种情况下，没有电子或原子能脱离它们的分子。因此，它们的位移是有限的。不过，由于位移在它们的方向上存在，使得绝缘体的一面电子多，而对应面电子少。在绝缘体表面的电荷被称为极化电荷。当然，这些电荷的存在影响了原来的电场。现在，我们假设在一个空间中有两个独立的导体，为简洁起见，我们假设导体是平面板，并且两板平行且对面放置。如果我们用电池给这两板之间加一个电动势V，电子将从一个板向另一个板移动，直到两板上具有相同数目的电荷时，移动才停止。两板上的电荷虽然数目相等，但极性相反。这些电荷Q将使系统恢复到静电平衡状态。换句话说，两板间由于电荷产生的电动势与电池的电动势大小相等，方向相反。电荷Q与电势V成正比。i.e.Q=CV，其中，C是两板间的电容，电压V的单位是伏特，电荷Q的单位是库仑，电容C的单位是法拉利。如果我们用绝缘材料来填充两板间的空间，在介质与两金属板的表面产生极化电荷。显然，这些极化电荷的极性与与它们相邻的金属板上的电荷极性相反。在所有的静电效应中，极化电荷抵消了金属板上的电荷。两极板间的电荷同样多时，中间填充介质的电势差比不填充的大。反过来，我们可以说同样填充的两极板，电荷多的电势大。但是，电荷数目大，电势差不变，电容将会很大，电容是电荷和电势差的比值。如果我们用C。表示极板间是真空状态时的电容，而用c表示同样的极板在有电介质存在的条件下的电容，c/C。的比值是材料的相对电容率或介电常数。它的值取决于所用电介质材料的特性。电容是储存能量的元件，它由被电介质材料分离的两个导体表面组成，实际上电介质材料可以是纸，云母，各种塑料，空气。电容器的类型很多，由于篇幅有限，这里就不一一介绍了。73 附录4答辩成绩一、指导教师意见（满分10分）分数：指导教师签字：年月日二、评阅人意见（满分10分）分数：评阅人签字：年月日三、答辩组意见（满分40分）分数：答辩组长签字：年月日毕业设计成绩评定开题考核成绩（满分20分）中期考核成绩（满分20分）答辩总成绩（满分60分）毕业设计总成绩（满分100分）系级单位意见：成绩属实签字：73 附录473'