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文 献 综 述课题名称：基于单片机的手持测量仪的设计（硬件部分）课题类型：工程设计 姓 名：余德财 学 号：110800508 学 院：物理与信息工程学院 专 业：电子科学与技术 年 级：2008 级 指导教师：曾益彬 2012年3月3日基于单片机的手持测量仪的设计中文摘要 近年来，随着计算机和通信技术的飞速发展，特别是两络的迅速普及和3C(计算机通信、消费电子)合一的加速，微型化和专业化成为发展的新趋势，单片机产品已经成为了信息产业的重要分支，单片机系统技术也成为目前电子产品设计领域较为热门的技术之一，目前已经广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域。本文主要讨论下单片机在手持测量方面的应用。传统测量系统具有比较复杂、体积大、不便集成等缺点，而基于单片机的手持测量仪具有体积小、功耗低的优点。随着单片机系统的功能不断加强，基于单片机的集成测量系统也得到了广泛应用，手持式测量仪已经在工业、农业和普通个体户等各个不同的领域得到广泛的应用。发展体积小，功耗低的便携式手持测量系统显得非常必要，而且十分迫切。本文通过研究当前一些测量系统的成果和发展趋势来讨论研究该课题的必要性。另外传统单一功能的测量仪已经不能满足人们的需要，人们更加希望多种功能能集成在同一个测量仪上，因此多功能手持式测量仪的设计生产将是今后的主流，而简单、便捷是设计师不断挑战的重要因素。关键词：单片机，测量仪，手持式Based on SCM handheld measuring instrument designAbstract窗体顶端 In recent years, with the computer and communication technology rapidly developing, especially the rapid popularization of two winding and 3 C (computer communication, consumer electronics) one up, the miniaturization and professionalism has become a new trend in the development of, microcontroller products has become an important branch of the information industry, the SCM system technology also become the electronic product design recognition.this one of the technology, has been widely used in military defense, consumer electronics, network communication, industry control, and other fields. This paper mainly discusses the microcomputer in the handheld measurement applications. The traditional measuring system is more complex, big volume, inconvenience shortcomings, such as integration, and the measurement instrument based on single chip with the advantages of small size, low power consumption advantages. With the function of single-chip microcomputer system to strengthen ceaselessly, the integration of the measurement system based on single chip also widely used, portable measuring instrument has been in industry, agriculture and ordinary soho, Development, small size, low power consumption of handheld portable measuring system is very necessary, and very urgent. Another traditional single function of the measuring instrument cant meet the needs of the people, people more hope a variety of functions in the same measurement instrument can integration, so the multi-function handheld of measuring apparatus design production will be the mainstream of the future。Simple and convenient is the important factor to the designer.Key words:MCU,Measuring instrument,handheld一、课题国内外现状 1、单片机的国内外现状 单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），又称微控制器（Micro controller Unit）或嵌入式控制器（Embedded Controller）。通常是将组成计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上而形成的微型计算机，其片内常含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。随着社会的发展、市场的需求以及科技的进步，单片机片内集成的功能模块越来越多，整体功能也越来越强大。 现在虽然单片机的品种繁多，各具特点，但仍以80C51 为核心的单片机占主流， 兼容其结构和指令系统的有PHILIPS 公司的产品，ATMEL 公司的产品和中国台湾的Winbond 系列单片机， 因此以C8051 为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip 公司的PIC 精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头， 中国台湾的HOLTEK 公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额,此外还有MOTOROLA 公司的产品，日本几大公司的专用单片机10。在可预见的时间内，这种情况将将继续延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面， 产品市场走的依然是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。2、温湿度测量的国内外现状国外对温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代6。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展6。我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点4。在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压、温度)的影响。此外，湿度的校准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。今年来，国内外在湿度测量研发领域取得了长足的进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件想基础啊、智能化、多参数检测的法相迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利的条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。3、 超声波测距的国内外现状 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。 4、噪声测量的国内外现状 当今世界科技飞速发展,人类享受着科技发达带来的现代生活的同时,同样也承受着科带来副产品各种各样的污染。其中,环境噪声污染就是现代人所不能回避的现实,尤以生活在城市中的人们为甚。噪声是一种声音，声音是由物体的机械振动而产生的。振动的物体称为声源，它可以是固体、气体或液体。声音可以通过介质（空气、固体或液体）进行传播，形成声波当声波到达人耳，人们就听到声音，声波在传播过程中可能会产生反射、绕射、折射和干涉。声音有强弱之分，并用声压p来表示其大小，单位是Pa (帕)，1 Pa=1N/m2（牛顿/米2），一个大气压等于1.013 105 Pa.。声压可以用峰值、平均值和有效值表示。声压的有效值是瞬时声压平方在一段时间平均数的平方根，又称均方根值（RMS），它直接与声波的能量有关，所以用得最多，以下除非另外说明，所论声压均指有效值。噪声的测量原理：传声器阴极输出器输入衰减器输入放大器计权网络输出衰减器输出放大器RMS检波器表头3。二、国内外研究主要成果 单片机因其体积小、功耗低、功能强、性价比高、易于推广等特点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。纵观我们现在生活的各个领域，从日常生活中广泛应用的各种IC 卡、电子玩具，到各种智能仪表的操作使用； 从计算机的网络通信与数据传输， 到工业自动化过程的实时控制和数据处理，都离不开小小的单片机。据统计，目前全世界单片机（嵌入式处理器）的品种总量已经超过1000 多种，流行体系结构约30个系列，其中8051 体系仍占有半壁江山11。随着时代的发展单片机产品也呈现出各种各样的特色。 1、超长的使用寿命 我们知道，应用单片机开发的产品一般都可以稳定可靠地工作十年、二十年，很少出现产品质量问题。这主要与单片机的应用目的、场合、环境等有关。传统的单片机如8051、68HC05 等问世已经二十多年，产量、市场需求量仍然在不断上升。相信目前成功面市的相对较晚的新型单片机， 也会随着I/O 功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。 2、 高低双向发展 双向发展也即高低两个方向同时发展。这如同计算机向微型机和巨型机两个方向同时发展一样，单片机中的8 位、32 位机齐头并进，这是当前单片机技术发展的一个趋势11。长期以来，因市场需求的原因单片机技术的发展是以8 位机为主的，但随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32 位单片机应用得到了长足、迅猛的发展。 3、速度越来越快 长期以来，为了提高单片机抗干扰能力，降低噪声的影响，不得不降低系统的时钟频率。如何降低频率而又不牺牲运算速度是单片机技术发展必须研究的问题。8051 单片机兼容厂商通过改善单片机的内部时序，在不提高时钟频率的前提下，提高了运算速度；Motorola 单片机则使用了琐相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率，68HC08 单片机使用4.9MHz 外部振荡器而内部时钟达32M； 三星电子新近推出了1.2GHz 的ARM 处理器内核Halla11。4、低电压与低功耗一般单片机都能在3 到6V 范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电源下限已由2.7V 降至2.2V、1.8V。0.9V 供电的单片机已经问世。几乎所有的单片机都提供Wait、Stop 等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也越来越宽。三、研究发展趋势 1、 制作工艺CMOS 化(全盘CMOS 化)出于对低功耗的普遍要求， 目前各大厂商推出的各类单片机产品都采用了CHMOS 工艺。MCS-51 系列的8031 推出时的功耗达630mW，而现在的单片机广泛都在100mW 左右，随着对单片机功耗要求越来越低， 现在的各个单片机制作商基本都采用了CMOS (互补金属氧化物半导体工艺)。80C51 就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)11。CMOS 虽然功耗较低，但由于其物理特点决定其工作速度不够高，而CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点，这些特点，更合适于在要求低功耗，电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时代单片机发展的方向。 2、 尽量实现单片化SOC 尽管我们常说，单片机是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一芯片上的微型计算机， 但由于工艺和其它方面的原因， 很多功能部件并未集成在单片机芯片内部。于是，用户通常的做法是根据系统设计的需要在外围扩展功能芯片。随着集成电路技术的快速发展和“以人为本”思想在单片机设计上的体现，很多单片机生产厂家充分考虑到用户的需求，将一些常用的功能部件，如A/D(模/数转换器)、D/A(数/模转换器)、PWM(脉冲产生器)以及LCD(液晶)驱动器等集成到芯片内部，这样单片机包含的单元电路就更多，功效就更大。集成微型机系统和应用系统于一体的片上系统也是一个发展方向。 3、大容量、高性能 以往单片机内的ROM 为1KB4KB，RAM 为64128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的需求， 须运用新的工艺， 使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM 最大可达64KB，RAM 最大为2KB。另外单片机进一步转变CPU 的性能，加快指令运算的速度和系统的可靠性。采用精简指令集(RISC)结构和流水线技巧，可以大幅度进步运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS，并加强了位处理、中断和定时控制功效1。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10 倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，可以应用软件模仿其I/O功效，由此引入了虚拟外设的新概念。 4、 串行扩大技巧在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩大外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP及各种特别类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”利用结构的发展。特别是I2C、SPI 等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。四、主要存在的问题 虽然单片机技术发展越来越迅速，运用的范围也越来越广，但是目前来说仍然存在一些不足。归纳起来主要有以下几个方面： 1、相对来说单片机的内核处理速度不够快，所以一些对处理速度要求比较高的产品运用单片机技术无法实现。2、单片机的存储容量有限