單片機在測量系統(tǒng)中的運用【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p><b>　　通信工程</b></p><p>　　單片機在測量系統(tǒng)中的運用</p><p>　　摘 要：本文介紹了一種利用單片機技術(shù)來實現(xiàn)測量系統(tǒng)的方法，它可以進行溫度、速度、角度等方面的測量，而且利用單片機進行的測量具有測量準確度高，采樣速度快，測

2、量范圍寬等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機；溫度測量系統(tǒng)；轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)；頻率測量系統(tǒng)</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，它是現(xiàn)代電子技術(shù)的新興領(lǐng)域，它的

3、出現(xiàn)極大地推動了電子工業(yè)的發(fā)展，已成為電子系統(tǒng)設(shè)計中最為普遍的應(yīng)用手段，具有體積小、重量輕、價格便宜、功耗低、控制功能及運算速度快等特點。目前單片機已滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。它主要運用于控制領(lǐng)域，以單片機為主的嵌入式系統(tǒng)，以控制功能為目的[]。</p><p>　　本文主要介紹了單片機在儀器儀表中的廣泛運用，它結(jié)合不同類型的傳感器，則可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、

4、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。而且采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。例如精密的測量設(shè)備（功率計，示波器，各種分析儀）等等。</p><p>　　2 單片機在幾種測量系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　2.1 單片機在轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　在工程實踐中,經(jīng)常會遇

5、到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合,例如在發(fā)動機、電動機、機床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗運轉(zhuǎn)和控制中,常需要分時或連續(xù)測量、顯示其轉(zhuǎn)速瞬時速度。為了能精確地測量轉(zhuǎn)速，還要保證測量的實時性,要求能測得瞬時轉(zhuǎn)速。而傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量一般采用機械式或模擬量系統(tǒng)，體積大、成本高、且精度不高。隨著微型計算機的廣泛應(yīng)用， 特別是高性能價格比的單片機的涌現(xiàn)， 轉(zhuǎn)速測量普遍采用了以單片機為核心的數(shù)字化、智能化微電腦式結(jié)構(gòu)代替了一般的機械式或模擬量結(jié)構(gòu)[1,10]。<

6、/p><p>　　這種轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)據(jù)具有測量準確度高，采樣速度快，測量范圍廣等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　a)單片機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)</p><p>　　該系統(tǒng)包括傳感器、處理器、計數(shù)器和顯示4個部分。如圖所示：</p><p>　　圖1 單片機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)</p><p>　　b)在

7、測量電機轉(zhuǎn)速時我們通常采用電磁感應(yīng)式傳感器。 當電機轉(zhuǎn)動時， 帶動傳感器， 這種傳感器可將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成一個對應(yīng)頻率的脈沖信號輸出， 經(jīng)過信號處理后輸出到計數(shù)器。脈沖信號的頻率與電機的轉(zhuǎn)速是一種線性的正比關(guān)系， 因此對電機轉(zhuǎn)速的測量， 實質(zhì)上是對脈沖信號的頻率的測量。所以測量電機轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機地轉(zhuǎn)速表示為單片機可以識別的脈沖信號,從而進行脈沖計數(shù)。然后，單片機對得到的脈沖信號進行處理，主要有兩種方法：片內(nèi)計數(shù)和片外計數(shù)[2]。

8、</p><p>　　片外計數(shù)器的方案是指采用8253等片外的專用計數(shù)芯片進行脈沖計數(shù)，單片機控制8253的計數(shù)過程，并在計數(shù)完畢后讀取計數(shù)值。最后是計數(shù)值的讀取。該方法對于轉(zhuǎn)速較高的電機信號而言，在指定的時間內(nèi)測量脈沖數(shù)量的方法更加符合實際需要。使用片外計數(shù)器的優(yōu)點在于：節(jié)約單片機內(nèi)部資源、功能模塊性強、單片機可以同時處理多個事件。使用片外計數(shù)器的方法進行電機轉(zhuǎn)速測量需要經(jīng)過4個步驟:首先是控制方式,第二是確定

9、計數(shù)方式,第三是信號輸入方式，最后是計數(shù)值的讀取。</p><p>　　片內(nèi)計數(shù)方案是指采用單片機的內(nèi)部計數(shù)器完成對脈沖的計數(shù)過程。使用片內(nèi)的計數(shù)器的優(yōu)點在于：節(jié)約外部空間、降低單片機系統(tǒng)的成本。其基本的原理和片外計數(shù)器的方法類似，區(qū)別在于使用了內(nèi)部的T1作為外部脈沖的計數(shù)器，并且，為了避免計數(shù)器的溢出，將T1的處置設(shè)為0，每到一個脈沖將會產(chǎn)生一個T1的計數(shù)，在T0產(chǎn)生的100ms中斷完成后，T1的中斷溢出次數(shù)

10、就是所需要計數(shù)的脈沖數(shù)。</p><p>　　c) 在以單片機為核心的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中，我們還可以引入多個任務(wù)的嵌入系統(tǒng)合作式調(diào)度器，來解決電機轉(zhuǎn)速測量及多種附加功能的實現(xiàn)。其不僅可以測量轉(zhuǎn)速，而且可以統(tǒng)計機器運行的累計時間。當電機超速時，還可發(fā)出報警信號，并切斷電路，保護機器不發(fā)生飛車事故。 </p><p>　　2.2 單片機的溫度測量系統(tǒng)</p><p&g

11、t;　　溫度是一個非常重要的物理量、因為它直接影響燃燒、化學反應(yīng)、 發(fā)酵 烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形、結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學過程 。在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。各個環(huán)節(jié)都與溫度緊密相聯(lián)，溫度的測量及控制占據(jù)著極其重要地位。溫度已成為大多數(shù)儀器正常工作的前提，而且對溫度的要求也越來越嚴格。因此，溫度檢測與控制方法的研究越來越受到人們的重視。而隨著人們生活水平的不斷提高,單片機控制無疑是人們追求的目標之一。因為單片機體小、價格便

12、宜、 具有通用性和靈活性,利用單片機設(shè)計溫度測量系統(tǒng),既滿足功能要求,又經(jīng)濟實惠。他不但面向控制,可靠性高,抗干擾能力強,且具有掉電保護功能。另外,他的 I/ O 接口功能很強,便于系統(tǒng)擴展,應(yīng)用研制周期短,開發(fā)效率高[4,5]。</p><p>　　a)單片機溫度測量系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)</p><p>　　單片機測量系統(tǒng)一般由溫度測量，數(shù)據(jù)處理顯示，輸出控制三部分組成，</p>

13、<p>　　圖2 單片機溫度測量系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)</p><p>　　b)系統(tǒng)的工作原理是: 由溫度傳感器來檢測生產(chǎn)環(huán)境溫度，然而在工業(yè)控制中,被控對象的參數(shù)通常是非電物理量(如溫度、 濕度、 壓力等) , 因此需要一個轉(zhuǎn)換器把送來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給單片機。單片機將得到的數(shù)據(jù)分別放入指定的內(nèi)存單元，再進行一定的處理之后，就可以將所得到的溫度進行顯示。使用單片機進行處理,可以在不改變系統(tǒng)硬件

14、的情況下，只需要改變內(nèi)存中的數(shù)據(jù),就可以對傳感器的互換性,穩(wěn)定性引起的誤差進行修正,為溫度的快速測量提供方便[3]。</p><p>　　c)上述的系統(tǒng)設(shè)計已能良好的完成穩(wěn)定的測量，但是不足之處是沒有設(shè)計異常處理電路,即當被測實體的溫度超過或低于系統(tǒng)所允許的量程時沒有警告信息,這在一定程度上造成系統(tǒng)測量結(jié)果的不可靠性。所以可以在此基礎(chǔ)上再添加一個異常處理電路，當檢測溫度超過設(shè)定溫度上下限值時， 啟動電機工作， 使

15、生產(chǎn)環(huán)境的實際溫度向著給定溫度變化并最終達到給定溫度。系統(tǒng)隨時監(jiān)測溫度值， 出現(xiàn)異常時啟動蜂鳴器報警[3,5]。</p><p>　　2.3 單片機在頻率測量系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　目前實現(xiàn)測量的數(shù)字化、 自動化、 智能化已成為各類儀器儀表設(shè)計的方向。在設(shè)計單片機和數(shù)字電路時經(jīng)常需要測量脈沖個數(shù)、 脈沖寬度、 脈沖周期、 脈沖頻率等參數(shù)，雖然使用邏輯分析儀可以很好地測量這些參數(shù)

16、， 但其價格昂貴。相比之下用單片機控制的、全自動的、數(shù)字顯示的測量方法顯得更為經(jīng)濟，具有較大的實用價值[6]。</p><p>　　a)采用單片機測量頻率的關(guān)鍵是巧妙使用單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器 T0, T1, 頻率測量一般是對信號進行放大限幅, 在整形成脈沖后用計數(shù)器計脈沖來測量, 用1s 的時基信號作為計數(shù)門的控制信號, 在 1 s 內(nèi)對被測信號脈沖的計數(shù)值即是頻率值[7]。</p><p

17、>　　b)系統(tǒng)的工作原理：</p><p>　　據(jù)單片機AT89C2051計數(shù)器T1方式1結(jié)構(gòu)圖(如圖)可知，T1計數(shù)脈沖控制電路中,有一個方式電子開關(guān)，當C/T=0時，方式電子開關(guān)打在上面， 以振蕩器的十二分頻信號作為T1的計數(shù)信號，此時作為定時器用；C/T=1時 ，方式電子開關(guān)打在下面， 此時以T1(P3.5)引腳上的輸入脈沖作為T1的計數(shù)脈沖， 此時可對外界脈沖進行計數(shù)。 C/T的狀態(tài)可由T1的方式寄

18、存器TMOD進行設(shè)置。故對頻率信號測量有兩種方法[6]：</p><p>　?。?）計數(shù)一定門限時間內(nèi)的頻率信號脈沖數(shù)：此法以時基信號為基準,去卡被測頻率信號,時間值(即時基脈沖數(shù))沒有誤差,而所計被測頻率信號脈沖個數(shù)存在±1的誤差。T0 定時器/計數(shù)器用來設(shè)置閘門時間Tg , T1 定時器/計數(shù)器采用16位計數(shù)工作方式(初值為0) ,內(nèi)部控制啟停,若此時讀取TL1、TH1 的數(shù)據(jù)為N。則待測信號的頻率

19、值為：fx =N / Tg[9]。</p><p>　　（2）計時一定數(shù)量的被測頻率信號脈沖所經(jīng)歷的時間：此法以被測頻率信號為基準,去卡時間(即時基脈沖信號) ,被測頻率信號脈沖個數(shù)沒有誤差,而所計時間(即時基脈沖個數(shù))數(shù)值存在±1的誤差。T1 定時器/計數(shù)器采用16位計時工作方式(初值為0) ,內(nèi)部控制啟停。根據(jù)測量原理, 在兩次中斷期間對Fosc /12計數(shù)。設(shè)T1 計數(shù)器的計數(shù)值為M,則待測信號的

20、頻率值為：fx = Fosc / (12M ) [9]。</p><p>　　c)值得注意的是：測量脈沖頻率的方法是在實際的產(chǎn)品 / 超聲波硬度儀0的研制過程中開發(fā)的。因此具有很強的針對性, 在實際應(yīng)用中應(yīng)視具體情況注意其測量范圍。此外選定總計數(shù)脈沖來測量時間的方法要比采用選定時間來測量脈沖數(shù)所產(chǎn)生的誤差要小[8]。</p><p><b>　　3 結(jié)束語</b>&

21、lt;/p><p>　　我們都知道近年來隨著計算機在社會領(lǐng)域的滲透，單片機的應(yīng)用也在不斷走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益。單片機在運用方面具有體積小，可靠性高，功能強，使用方便，性能價格比高，易產(chǎn)品化的優(yōu)點，這使得它的應(yīng)用量大面廣，這次是對單片機在測量系統(tǒng)方面的運用給予了講述，在實時測量的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，將所得的脈沖信號進行計數(shù)處理，得到我們想要的結(jié)果。由上述的測量系統(tǒng)可以

22、看出，在單片機的基礎(chǔ)上如果再引入一些嵌入系統(tǒng)的話，那我相信單片機可以將它的功能發(fā)揮的更大。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王會青,賈 策. 基于單片機的轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)[M].重慶：科技論壇出版社.</p><p>　　[2] 龔錦紅,王海霞. 基于單片機測量電機轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[M]. 科技廣場，2

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