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牛奶
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硬件
设计
电路图
牛奶杂质浓度测试仪
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牛奶杂质浓度测试仪的硬件设计【带电路图】,牛奶,杂质,浓度,测试仪,硬件,设计,电路图,牛奶杂质浓度测试仪
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毕业设计任务书南京工程学院毕业设计开任务书 自动化 系 测控 专业设计题目： 牛奶杂质浓度测试仪的硬件设计 学 生 姓 名 顾旭东 班 级 测控031 起 止 日 期 2006年2月20日6月15日设 计 地 点 自动化系 指 导 教 师 潘松奇 教研室主任 温秀兰 发任务书日期 2006年2月18日1.毕业设计的原始数据： 温度传感器采用：LC切割型石英晶体温度变送器，控制器采用AT89C52单片机 2.毕业设计（论文）的内容和要求（包括技术要求、图表要求以及工作要求等）：硬件电路由计数器电路、补偿电路、控制电路、数据选择电路和显示电路等 3.毕业设计应完成的技术条件： 毕业论文，其中包括： 原理图设计 PCB文件 4.主要参考文献： 单片机应用系统设计 5.毕业设计（论文）进度计划（以周为单位）：起止日期工作内容备注第一周第二周第三周第四周第五周第六周第七周第八周第九周第十周第十一周第十二周第十三周第十四周第十五周第十六周熟悉课题，查找相关资料熟悉AT89C52单片机，包括电路组成方法熟悉相关传感器和Protel电路设计电路设计电路设计电路设计电路设计电路设计电路设计电路设计画原理图画PCB图做毕业设计论文做毕业设计论文做毕业设计论文，完成答辩教研室审查意见： 室主任 年 月 日系部审查意见： 系主任 年 月 日2 本科毕业设计（论文）开题报告 题目： 牛奶杂质浓度测试仪硬件设计 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 本科毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名 学 号 专 业 测控技术与仪器 指导教师 职 称 工程师 所在院系 自动化学院 课题来源 自拟课题 课题性质 工程技术研究 课题名称 牛奶杂质浓度测试仪硬件设计 毕业设计的内容和意义 采用 传感器将 温度值转变成石英晶体震荡频率值，再通过 89片机来实现温度值的记录、修正和显示， 进行 牛奶 冰点温度采样 来检验液体杂质浓度是否超标 的研究。 毕业设计的具体内容： 1、 熟悉课题，查询收集资料，熟悉单片机 ，数字逻辑， 相关知识； 2、 硬件电路设计： 主要包括 补偿电路、采样电路、数据选择电路、硬件与显示电路等； 3、 电路仿真与调试； 4、 用 件画出原理图和 件； 5、 编写设计说明书、完成答辩。 本课题研究的意义： 本课题 对 牛奶杂质浓度测试仪的硬件 进行设计 ，其研究意义如 下： 1、 可以利用 牛奶杂质浓度测试仪 准确 地 检测出牛奶中掺水的情况 。另外也可 用于喷气燃料油冰点和发动机冷却液冰点的测定 ，来对产品质量进行评定； 2、 毕业设计是大学四年对我们所学知识的一次应用和总结，是一次难得的锻炼学习机会 ，为我们踏上社会，踏上工作岗位做好准备。另外，设计中也能反映出我们的错误和不足，通过不断的改正 来充实自我。 文 献 综 述 针对本次毕业设计，我查找和收集了些相关文献，这些文献在我的设计过程中给我提供了很大的帮助。 设计刚开始，首先就是先彻底地 熟悉单片机，在文献中我选用了文献 4 和 文献 5 作为我学习和熟悉单片机的资料。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器。单片机具有集成度高，功能强，结构简单，易于掌握，应用灵活，可靠性高，价格低廉等优点，广泛应用在工业控制、机电一体化、 通讯终端、 智能仪表 家用电器 等诸多领域中 ，已成为传统急电设备升级为智能化机电设备的重要手段 。文献 4 全面系统地讲述了 列单片机的发展概况和基本结构、工作原理、基本系统、指令系统、汇编语言程序设计、并行扩展和串行扩张方法、人机接口，以及单片机的开发应用等方面内容 ，重点查阅了单片机定时器 /计数器 结构和工作原理，工作于定时方式和计数方式下的情况。了解了定时器 /计数器 初始化，通过对 初始化编程来设置 数器初 值，通过对 编程来选择 工作方式和控制 运行；文献 5 主要介绍利用 片机设计和开发，针对大多数场合，讨论单片机应用系统的研制过程，并介绍单片机系统设计的例子。 在查阅资料和熟悉单片机后，构思出此次硬件设计的基本框图，然后需要选取相关的元器件，首先先查阅了文献 1，对大部分的元器件有一定的了解，文献1 讲述了电子电路常用的元器件，并列出了各个元器件的型号，性能和应用场合，结合文献 2 和文献 3，帮助我选取相关元件。文献 2 和文献 3 通过对 成电路门的分析，了解 电路的结构特点及外部特性。 电路的结构特点可以把 非门典型电路分解成三个组成部分：输入级，中间级和输出级。 此次牛奶杂质浓度测试仪硬件设计采用了 747474元器件。参阅文献 1 和 2，了解了 7474芯片的引脚排列、集成电路功能表、引出端符号表。还知道了包括三态门 74功能和应用，同时也介绍了如何通过 2 片 74步级联形成 8 位二进制计数器。 此次牛奶杂质浓度测试仪硬件设计采用的是 割型石英温度变送器。 石英晶体传感器以高分辨力、高准确度、热响应时间小、频率输出、便于远传、便于测量等特点著称，主要用于高准确度、高分辨力的温度测量和作为量值传递的标准温度计中。文献 7 讲述了石英晶体传感器本质上是一种特殊的晶体震荡器，所以它典型的测量电路就是晶体震荡电路 石英晶体的固有振荡频率是随着温度的变化而变化，当切割角度不同时，温度系数也有明显不同。用于温度测量控制领域做温度传感器的石英晶体应选择温度系数较大，频率对温度很敏感的切割方向。因此我们要选用到的石英晶体 是 式切割的。 设计所用的石英晶体温度变送器，其相关参数如下：变送器所处环境温度在25 摄氏度时，输出信号频率为 时，温度每变化 1 摄氏度，频率相应升高或降低 1 文献 6 讲述了 段数码显示器接口基本结构和工作原理。具体的 括静态驱动和动态驱动 。此次牛奶杂质浓度测 试仪硬件设计 根据 牛奶杂质浓度测试仪 温度测试所需要的显示精度，显示电路采用了五个动态共阴极八段数码管显示。动态显示的原理是单片机依次发出段选控制字和对应哪一位示器的位选控制信号，显示器逐个循环点亮，适当选择扫描速度，利用人眼“留光”效应，使得看上去像几位显示器同时在显示一样。 设计中的八段数码管为共阴型，段码采用同相驱动，由移位寄存器输出。位码加反相驱动器，输入端高电平选中，由单片机端口直接驱动。 文献 8 主要介绍了 件的使用，利用软件画出电路原理图，生成 参考文献： 1. 电子 技术常用器件应用手册 2001 2. 郭永贞主编，龚克西副主编 东南大学出版 . 王益久译 成电路电气特性及应用 . 赵德安等编著 机械工业出版 . 张有得，杨胜球编 片机实验指导 2002 6. 朱欣华等编著 中国计量出版社 . 朱蕴璞等编 国防工业出版社 . 夏路易等 北京希望电子出版社 . 杨吉祥等编 东南大学出版社 0. 张靖主编 中国电力出版社 1. 孙传友等编 北京航空航天大学出版社 究 内 容 本次毕业设计的内容为牛奶杂质浓度测试仪的硬件设计， 液体降温到一定 程度转化成固态时 所保持的温度称为冰点 ，冰点温度可持续 20 秒到 1 分钟左右。利用这一特性，设计 8 位单片机为控制和数据处理核心，通过 石英晶体传感器的温度变送器获取牛奶的冰点温度值， 5 位共阴极 8 段数码管对获取的温度值进行显示 。把显示的温度和正常牛奶的冰点温度（ 通常为 ）进行比较，超出标准范围即说明 牛奶杂质浓度超标。 在电路设计中，利用数据选择电路让采样电路和补偿电路分时工作， 再经过单片机处理后进行对温度的 示。 研 究 计 划 第一周 熟悉课题 ,查询相关资料 第二周 熟悉 片机，包括电路组成方法 第三周 熟悉 片机 第四周 熟悉 片机 第五周 电路设计 第六周 电路设计 第七 周 电路设计 第八周 电路设计 第九周 电路设计 第十周 电路设计 第十一周 电路设计 第十二周 熟悉 第十三周 熟悉 第十四周 做毕业设计论文 第十五周 做毕业设计论文 第十六周 做毕业设计论文，准备答辩 特 色 与 创 新 本论文特色与创新如下： 本次牛奶浓度杂质测试仪的硬件设计以单片机的控制和数据处理为核心 ， 尽量减少硬件的用量，利用单片机内部 数器 减少了外部计数器的使用量 ； 对于采样时间的选择没有选用外部秒信号发生器，而是利用单片机内部 时间，这样在保证采样精度满足要求的前提下，可以使硬件电路得到简化 ，缩小 仪器的体积，实现便携式快速测量 。 指导教师 意 见 指导教师签名： 年 月 日 教研室意见 主任签名： 年 月 日 系部意见 教学主任签名： 年 月 日 本科毕业设计外文翻译 题目： 牛奶杂质浓度测试仪硬件设计 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 设计地点： 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） I 摘 要 牛奶杂质浓度测试仪是通过测试牛奶的冰点温度，和标准冰点温度进行比较，从而判断牛奶杂质浓度是否超标，它并不能测出牛奶中具体含有什么杂质。 本仪器采用 割型石英晶体温度变送器，把温度 信号转化为频率信号，在温度变送器和计数器之间加入 1 个电子闸门，利用单片机内部的定时器产生宽度为 1s 的门控信号。采样数据计数经 8 位计数器 256 分频后送至 减少硬件用量，结合单片机内部的 16 位计数器和外部 8 位计数器组成 24 位计数器。 温度误差的补偿用一个 8 位拨码开关来实现，两片 74仪器设定了 3 个独立式功能键 “ “ “分别进行开始采样、停止采样和复位操作，由单片机 控制。数据显示部 分段选部分的信号由 745 位共阴极数码管动态显示， 码管的位选由单片机的 控制 。牛奶冰点温度达到时，数码管显示冰点温度，通过一个由单片机直接控制的蜂鸣器鸣叫来进行提示。 关键词： 温度变送器、计数器、单片机、三态门、数码管 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） of is of it a to an a of s on 56 to in to of 6 24 a to 2 74 as a 1.5 of of 4 of by C 2 a of to 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 录 第一章 绪论 . 1 固点与冰点的概念 . 1 固点与冰点 . 1 固点的变化 . 1 奶的凝固点 . 1 测牛奶冰点的方法及表示单位 . 2 器与方法 . 2 奶冰点的测定单位与表示方法 . 2 奶冰点下降）表示法 . 2 奶冰点与掺水掺杂 . 2 响牛奶冰点的若干因素 . 3 产实践中如何避免生奶中无意掺水 . 4 文的结构 . 4 第二章 牛奶杂质浓度测试仪硬件电路设计 . 5 路原理图的设计 . 6 度变送器 . 6 数器 . 9 偿电路 . 13 据选择器 . 14 片机 . 15 钟振荡电路 . 18 位电路 . 18 制电路 . 19 示电路 . 20 点提示电路 . 22 路板的绘制 . 23 9使用 . 23 路图的绘制 . 23 第三章 系统调试 . 26 机实验系统 . 26 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 件的检测与调试 . 26 机检查 . 26 机调试 . 27 件调试 . 28 第四章 主程序流程图 . 29 程序注释 . 29 第五章 结 论 . 31 文总结 . 31 想 . 31 致 谢 . 32 参 考 文 献 . 33 附录 A： 原理图 . 34 附录 B： . 35 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 固点与冰点的概念 固点与冰点 经典物理学的定义为：原子、离子或分子按一定空间次序排列，具有规则几何形状的固体称为晶体，例如：冰雪、食盐、石英等；反之则称为非晶体，或称无定形物，例如：玻璃、树脂等。某种纯晶体物质受热变为液体时的温度称为熔点；某种液态晶体物质凝固时的温度称为凝固点；凝固点即该物质的液态与固态可以平衡共存的温度。在一定的压强下，任何晶体的凝固点与其熔点相同。对于非晶体来说，并无固定的凝固点。 水的凝固点也称为冰点。 在一个标准大气压下，空气饱和的纯水与纯冰混合物处于平衡时的温度是水的真冰点，其值为 。 固点的变化 一切纯晶体物质处于一定的压力下，皆有其固定的凝固点。化学上把两种或两种以上物质组成的均匀体系叫做分散系或溶液。当某物质以微小颗粒分散到另一物质中去时，被分散的物质称为分散质或溶质；把接纳分散质或溶质的物质称为分散剂或溶剂。实践证明，当溶质加入纯溶剂后，溶液的凝固点就比纯溶剂低。溶液的凝固点降低幅度与溶液的质量摩尔浓度近似成正比。溶液的浓度越大其凝固点的下降程度就越大。 奶的凝固点 牛奶是由许多物质、数种分散系及其过渡态所组成的混合物。组成牛奶的多级分散体系为 （ 1） 真溶液：无机盐、乳糖和维生素 B 族等呈分子态或离子态分散于乳中，粒子直径常小于 1 2） 高分子溶液：白蛋白和球蛋白等呈大分子态分散于乳中，粒子直径约 250 3） 胶体溶液或细分散系：如酪蛋白磷肽结合钙形成的胶粒等，粒子直径约 30100 4） 粗分散系：如某些蛋白质复合体等固体微粒构成的悬浊液和脂肪球液滴等构成的乳浊液，粒子直径约 5010000 牛奶中水分约占 牛奶的凝固点习惯上叫冰点。牛奶冰点随水分及其他成分含量变化而变化。正常情况下，生鲜牛奶冰点仅变动于一个狭小的范围内；如牛奶中掺入水或其他杂质，其冰点就会发生明显变化。因此，检测生鲜牛奶冰点可作为其中是否掺水掺杂的一种手段；并且，通过牛奶冰点检测可大致判别其加水量。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 2 测牛奶冰点的方法及表示单位 器与方法 当今流行的检测牛奶冰点的方法是应用冰点测定器（ 在该测定器的样品管中有一套珠形热敏电阻和搅棒装置。检测时，将少量的牛奶试样放入样品管内，立即置于 冰浴中，样品 的温度由插入其中的热敏电阻来测知，样品经快速冰却与缓慢冷却，直至 振动着的搅拌棒将能量脉波传向样品测试管壁，形成冰晶，从而产生一个“冰冻脉波”；随着被超冷的牛奶样品结成冰，此时释出潜在的熔化热，样品的温度升至冰点平台；过后温度又继续下降。平台的温度就是牛奶的冰点 。 目前，世界上有多家专门研发、制造牛奶与乳品分析检测仪器的企业，如丹麦的福斯（ 司、荷兰的 司等，在这些厂商出产的各种乳制品成份分析仪都可以加装冰点测定仪。其操作相当准确、简便。 上海近年研制成功 的 鲜奶冰点测定仪，单机尺寸 40 3024量 14 220源，功耗 100W ，工作环境温度 1030。每次测试用奶样 测时间 24 温 范 围 测温 分 辨 率 冰点测定精密度 4m。该仪器通过校准后可测出牛奶样品的冰点值，并根据设置标准冰点计算出相对含水量。两项数据可在显示器上读出，也可打印出检验结果。 奶冰点的测定单位与表示方法 牛奶冰点测试的原始工作由贺特文氏（ 完成，他使用的是装有水银的玻璃温度计。更现代化的工作表明， 用的器具并不精密，但许多早期的资料用 装置测定。所以，迄今仍有一些国家和地区应用 奶冰点的贺氏（ H）与的换算公式为： = 奶冰点下降）表示法 因为牛奶的冰点都是负数，且在摄氏千分之几度范围内波动，所以有业内人士提出，为简化起见，在某些场合下，牛奶冰点下降（ of 单位用 m表示：取冰点的绝对值乘以 1000 就是 。如：=508m。 奶冰点与掺水掺杂 牛奶是否被掺水掺杂，可用多项检测指标进行综合评判，常用的方法之一，就是检测其冰点。如果纯真牛奶的冰点设定为 据测定，牛奶中每加入南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 3 1%的水，其冰点约上升 如牛奶中加入 10%的水，其冰点约为 100% =通常认为，用公式（ 计算牛奶中 3%以上的加水量： X（ %） =（ 100/T （ 式中， X：原料奶加水量， T：生鲜牛奶真实冰点或参照冰点， T：被检牛奶的冰点。公式（ 计算以重量百分率表示的加水量： W（ %） =（ （ 100（ 式中， W：生鲜牛奶的掺水量， C：正常牛奶的真实冰点或参照冰点， D：被检牛奶的冰点， S：被检牛奶的总固形物百分数 。 倘若在牛奶中掺入淀粉、豆浆或羧甲基纤维素等物质，可使其冰点上升；若掺入尿素、电解质等可溶性物质，则 使其冰点下降。 响牛奶冰点的若干因素 乳汁是动物乳腺组织生理活动的分泌物，其各种成分皆直接或间接来源于血液。据研究，牛奶渗透压或盐类平衡与泌乳母牛的血液渗透压相匹配。母牛的血液渗透压受生理调节，仅局限于很小的范围内，所以它所产牛奶的盐类平衡也被约束于很范围。正常牛奶的冰点比纯水的冰点低 右。 大量测试数据显示，水牛奶与乳用品种黄牛所产的奶冰点十分接近；山羊奶或绵羊奶的冰点比牛奶稍低。不同品种的奶牛所分泌乳汁的冰点仅有千分之几摄氏度的差异。同一个体在同一泌乳期内不同阶段所分泌奶 的冰点基本无差异。同一地区全年各月之间所产奶的冰点几乎无差异 。 在奶牛饲养过程中，如果饮水不正常，则会影响其所产奶的冰点。假如某牛在挤奶前有一段时间被剥夺饮水，其冰点就会异常地升至 更高。此外，严重背离奶牛饲养标准的低差饲喂，不仅产奶量下降，其所产奶冰点也上升。 牛奶成分中，乳脂肪含量变化，与其冰点升降几乎无关，乳中蛋白质含量对牛奶冰点的影响甚微。牛奶中乳糖和可溶性盐含量增加，则使其冰点下降 。 当奶牛患急性乳腺炎时，其所产奶中乳糖含量减少。为使血乳渗透压平衡，就会在乳汁中稍微多分泌一些盐类 ，这就是为什么急性乳腺炎患牛所产生的奶稍带咸味的原因。 如果生鲜牛奶的测定样品不能保持新鲜，牛奶中的细菌就会将乳糖逐步分解为乳酸，一个分子乳糖可转化为 个分子乳酸，从而使牛奶的冰点下降；这种情况可掩饰牛奶的掺水现象。 我们面临的问题是，用作冰点检测的牛奶样品，既不能添加任何防腐剂，南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 4 又不能使其中的细菌生长繁殖。因此，务必在严格冷藏的条件下谨慎储运。在测定牛奶冰点时，往往同时检测其可滴定酸度，数项数据可相互印证，以判别是否有掺假行为。检测报告牛奶的正常冰点，要求其酸度在 20T 以内。 产实践中如何避免 生奶中无意掺水 在生产实际中，不论是手工挤奶、桶式机器挤奶或是管道式机器挤奶，都应该周密考虑牛奶生产、挤榨、储运、加工过程中的各个环节，制定并认真执行严格的操作规程，谨防额外水分进入原料奶中，以保证牛奶的纯净、优质。 文的结构 本文以牛奶杂质浓度测试仪的研发工程项目作为应用背景，对技术进行了研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下： 第一章扼要地介绍了牛奶冰点的概念和相关研究背景； 第二章对牛奶冰点温度进行了研究，给出了如何利用单片机各个功能 I/O 进行控制的控制方案，并讨论了牛奶杂质浓度测试仪硬 件电路的设计方法，给出了具体的硬件电路图和电路板电路。 第三章详细地说明了对硬件电路检测和调试的步骤。 第四章给出了主程序的流程图并作了简要说明。 第五章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 5 第二章 牛奶杂质浓度测试仪硬件电路设计 这次设计的是牛奶杂质浓度测试仪，其本质测试的是牛奶的冰点温度。液体在降温过程中，由液体转化成固体时所维持的温度叫做冰点温度。利用这一点也可 用于喷气燃料油冰点和发动机冷却液冰点的测定 ，来对产品质量进行评定。牛奶的冰点温度一般是 如图 标 准大气压下牛奶在降温过程中它的温度会急剧下降，但下降到一定温度时温度会出现小幅度的反弹，然后温度基本维持在一定温度，一般持续几十秒到几分钟，这一温度即为牛奶的冰点温度。 牛奶 中掺水，常用的比较准确而经典的方法就是测得其冰点 温度 增高来检出。牛奶中掺水 1，冰点可升高 ，牛奶中掺入 淀 粉、豆浆等使其冰点上升，掺入电解质尿素等可溶性有机物，则使其冰点下降 。 图 牛奶 温度和时间之间的关系曲线图 本次设计利用单片机 为系统控制和数 据处理的核心，在保证一定的精度条件下，尽量减少了硬件的使用量，例如利用单片机内部的 16 位 位计数器组成 24 位计数器对数据进行纪录。对于采样时间也没用外部秒发生器，而是利用单片机 时器中断方式来获取采样时间。这样就很大程度上简化了硬件电路，保证了系统的测试精度，大大缩小了仪器的体积，更加利于携带，实现快速测量。 如图 此次设计的结构原理图，利用 割型石英晶体温度变送器对t/s T/ 0 45点温度 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 6 牛奶的温度进行采样，单片机 为电路控制和数据处理的核心，通过共阴极 码管对温度进行显示 。 图 牛奶杂质浓度测试仪的硬件设计结构原理图 路原理图的设计 度变送器 温度变送器的核心部分是一个以 割法制作工艺的石英晶体， 以石英晶体谐振器作为敏感元件的谐振式传感器。石英晶体谐振器是用石英晶体经过适当切割后制成，当被测参量发生变化时，它的固有振动频率随之改变，用基于压电效应的激励和测量方法就可获得与被测参量成一定关系的频率信号。 石英晶体传感器以高分辨力、高准确度、热响应时间小、频率输出、便于远传、便于测量等特点著称，主要用于高准确度、高分辨力的温度测量和作 为量值传递的标准温度计中。 早期的石英晶体温度 率特性的石英晶体谐振器制作。在发现具有线性温度频率特性的石英晶体切型后，这种温度传感器的谐振器采用 型的平凸透镜石英晶体块制成，其直径约为数毫米，凸面曲率半径约为 100 毫米以上。 作为频率基准的石英振子的共振频率不能随温度变化，但若改变切割方向，其共振频率就会在很宽的温度范围按直线变化。 本次设计采用的即是这种 割型石英晶体传感器， 25时频率为南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 7 度每变化 1 度，频率变化 1温度在 0和 时，频率分别为则温度为 0时，频率为 0f =610 1000=16775000 度 ，频率为 1f =610 -(25+ 1000=16774460 设计牛奶杂质浓度测试仪时，其基本原理等同于设计一个频率计。频率计的工作原理图，输入一个待测 频率 f，待测频率经过电子闸门后就进行计数，电子闸门采用信号发生器产生秒信号，这个秒信号为 1s 宽的门控信号。在电子闸门打开时就可以对待测频率进行计数。应当选取最大计数值比待测频率估计值相对较大的计数器进行计数。计数后需要对计数值进行数据处理，包括计数器计数值和补偿电路的数据的处理，数据的二进制转化为十进制。最后，经过数据处理的数据就可以通过 行显示出来，显示的数值即为当前待测频率 f 的值。 图 频率计的工作原理图 石英晶体传感器本 质上是一种特殊的晶体震荡器，所以它典型的测量电路就是晶体震荡电路，如图 示。该电路的主要作用是将被测温度转换成频率信号。考虑到测温的精度要求甚高，所以震荡器的元件温度性能要好，石英晶体与电路的线路要短，并要求震荡电路的震荡幅度要大。 f 电子闸门 计数器 数据处理 补偿电路 显示 秒信号 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 8 图 晶体震荡电路 在电路设计时，在温度变送器之后接入一个或门，型号为“ 其作用相当于一个电子闸门。或门输入端一个接温度变送器，另一个接单片机 出接计数器输入端。由单片机 出宽度为 1s 的门控信号，门控信号低电平时电子闸门“ 开，此时就可以对温度变送器送出的频率进行计数了。 定时器 /计数器在计数模式下工作时必须给计数器选送计数器初值，并能在计数器从全“ 1”变为“ 0”时自动产生定时溢出中断请求。因此，我们可以把计数器计满为“ 0”所需要的计数值设定为 C 和计数初值设定为 此便可以得到如下的计算通式： 中， M 为计数器模式，该值和计数器工作方式有关。在方式 0 时 M 为213 ；在方式 1 时 M 为 216 ；在方式 2 和方式 3 时 M 为 28 。在定时器模式下，计数器由单片机主脉冲经 12 分频后计数。因此，定时器定时时间 T 的计算公式为： T=（ 计数T 若设 ，则定时器定时时间为最大。由于 M 的值和定时器工作方式有关，因此不同工作方式下定时器的最大定时时间也不一样。若设单片机的主脉冲频率 12最大定时时间为： 方式 0 时 213 1s=式 1 时 216 1s=式 2 时 28 1s=度采样过程中，需要用计数器精确记录石英晶体传感器 1s 输出的脉冲南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 9 值，利用定时器工作在方式 1 时，定时 50生 1 次 中断，调用 20 中断就可以实现定时 1s 的功能。 数器 系统测量的精度为 温度变送器的每个脉冲都要记录，并通过单片机进行处理。温度变送器的频率在 25为 度变小时频率也会线性地变小，测试牛奶冰点温度时温度要下降到冰点温度，一般液体的冰点温度在0左右，牛奶的为 片机内部提供了两个 16 位的可编程的定时器 /计数器，其中一个最为定时器使用。在单片机中，当定时器 /计数器工作在计数方式时，外部输入信号是加到 。外部输入信号的下降沿将触发 计数，计数器在每个机器周期的 间采样外部输入信号，若一个周期的采样值为“ 1”，下一个周期的采样值为“ 0”，则计数器加“ 1”，故识别一个从“ 1”到“ 0”的跳变需要 2 个机器周期，所以，对外部输入信号最高的计数速率是晶振频率的 1/24。晶振频率为 12 数器所能计数的最大频率为单片机晶振频率的 1/24 即内部计数器 数频率为 设计采用的温度变送器在 0的频率为 为 以在单片机外部有必要加两个 4 位二进制计数器 组成 8 位计数器，这样最大计数频率就能达到 82 =128样结合单片机内部的 16 位计数器就组成了 24 位的计数器，就最大程度减少了硬件的使用量，也保证了系统的精度。 74一个 4 位二进制同步加法计数器芯片，逻辑功能表如表 表 74能表 输 入 输 出 工作模式 3 D0 L L L L L 异步清零 H L d0 步预置 H H L 1321110保持 H H L 1321110 H H H H 加法计数 加法计数 74有如下功能： 1) 异步清零 为低电平（ =0），不管其他输入端（包括 态如何，各触发器均被清零，计数器的输出 000；同样，不清零时应使 为高电平南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 10 （ =1）。 2) 同步置数 预置数控制端。在 =1（不处于清零状态）的条件下，只要在 0）的同时，加入 冲的上升沿，计数器被置数，输入数据置入各相应的触发器，即计数器输出 于数据输入端入的二进制数（ 这就可以使计数器从预置数开始进行加法计数。不预置数时应使 高电平（ 1）。 3) 计数 计数控制端。在 =1（不清零）和 1（不送数）的条件下，若控制端 为高电平（ 1）时，计数器处于计数状态，此时为一种典型的 4 位二进制加法计数器。当计数器计数到 111时，进位输出 ；再输入一个计数脉冲 ，计数器输出从 1111 返回到 0000状态， 1 变 0，作为进位输出信号。 4) 保持 在 =1（不清零）和 1（不送数）的条件下，当控制端 只要有一个为低电平，则计数器处于保持状态，各触发器保持原状态不变，其进位输出在 0、 1 时，状态不 变；而在 1、 0 时，进位输出。 在设计时，需要两片 4 位 74片组成 8 位计数器。由于设计只要计数器实现计数和清零两个状态，所以计数控制端 置数端 接高电平，计数允许由电子闸门接 行控制，计数器清零端由 制， 低电平时，计数器清零。如图 度变送器时钟频率送至计数器计数，在两个 74片之间加入一个与非门实现异步级联组成 8 位二进制计数器，作为数据的低 8 位地址； 8 位计数器输出接单片机 ， 6 位内部计数器接口，单片机的内部计数器作为高 16 位地址。这样就组成了 24 位计数器，可以对频率进行计数。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 11 图 74联组成 8 位计数器 片机内部有两个 16 位的定时器 /计数器：定时器 0（ 定时器 1（ 定时 器 /计数器是一种可编程部件，在其工作之前必须将控制字写入工作方式和控制寄存器，用以确定工作方式，这个过程称为定时器 /计数器的初始化。直接与 16 位定时器 /计数器 关的特殊功能寄存器有以下几个： 外还有中断控制寄存器 P。 16 位计数器的高 8 位和低 8 位， 16位计数器的高 8 位和低 8 位， 状态和控制寄存器，存放 1 的运行控制位和溢出中断标志。 通过对 初始化来设置 数器初值，通过对 编程来选择 工作方式和控制 运行。 特殊功能寄存器 工作方式寄存器，其格式所示： 。 能位寻址，只能用字节方式设置。各位功能如下。 作方式控制位 构成如下表所示的 4 种工作方式 P 3 6 1 6 1V C 文） 12 表 时器的方式选择 作方式 功能说明 0 0 0 为 13 位的定时器 /计数器 0 1 1 为 16 位的定时器 /计数器 1 0 2 为常数自动重新装入的 8 位定时器 /计数器 1 1 3 仅适用于 为两个 8 位计数器， 止计数 C/T ：定时器 /外部事件计数方式选择位 如前所述，定时器方式和外部事件计数的方式的差别是计数脉冲源和用途的不同， C/T 实际上是选择计数脉冲源。 C/T =0 为定时方式，在定时方式中，以振荡器输出时钟脉冲的 12 分频信号作为信号，也就是每一个机器周期定时器加“ 1”。若晶振为 12定时器计数频率为 1数的脉冲周期为 1 s。定时器从初值开始加“ 1”计数，直至定时器溢出所需的时间是固定的，所以称为定时方式。 C/T =1 为外部事件计数方式。这种方式采用外部引脚（ 的输入脉冲作为计数脉冲。对外部输入脉冲计数的目的通常是为了测试脉冲的周期、频率或对输入的脉冲数进行累加。此次设计计数器计数即为这种方式。 控位 “ 1”时，定时器的计数受外部引脚输入电平的控制，只有 0脚为“ 1”，且用软件对 “ 1”，才能启动定时器； “ 0”时，定时器计数不受外部引脚输入电平的控制。只要用软件对 特殊功能寄存器 高 4 位为定时器的运行控制位和溢出标志位，低4 位为外部中断的触发方式控制位和锁存外部中断请求源。 式如下： 时器 行控制位 软件置位和清零。门控位 “ 0”时， 计数仅由 制， “ 1”时允许 数；门控位 “ 1”时，仅当 于“ 1”且 0入为高电平时 计数， “ 0”或 0入低电平时都禁止数。 定时器 出标志位 允许计数后， 初值开始加“ 1”计数，最高位产生溢出时， 1”。 以由程序查询和清零。 是中断请求源，当 应 文） 13 中断时，由硬件清零。 定时器 行控制位 软件置位和清零。门控位 “ 0”时， 计数仅由 制， “ 1”时允许 数， “ 0”时禁止 数；门控位 1”时，仅当 “ 1”且 1入为高电平时 计数， “ 0”或 1入低电平时都将禁止 数。 定时器 出标志位 允许计数以后， 初值开始加“ 1”计数，最高位产生溢出时，“ 1”。 以由程序查询和清零， 是中断请求源，当 应断时，由硬件清零。 偿电路 所购买的石英晶体传感器在测量牛奶冰点温度时 ， 25要求，所以必然会引起一定的误差。因此设计中加入了一个八位手动拨码开关，可以手动地对系统的误差进行补偿，使系统精度得到很大程度的提高，一旦 8 位拨码开关补偿值调整完， 8 位拨码开关的 8 个开关就不能再有变化了。在温度变送器损坏或者老化后，需要更换新的温度变送器，此时必须再一次手动调整 8 位拨码开关，对系统进行补偿。设定温度补偿值时，一般利用标准大气压下纯净的水的冰点温度为 行补偿，此时查看数码管显示温度，计算出纯净的水的冰点温度和数码管显示温度的差值。下
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