牛奶雜質(zhì)濃度測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 題目： 牛奶雜質(zhì)濃度測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 起迄日期： 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 2 By GU Xudong Supervised by Engineer PAN Songqi Department of Automation Engineering Nanjing Institute of Technology June, 2007 I 摘 要 牛奶雜質(zhì)濃度測(cè)試儀是通過(guò)測(cè)試牛奶的冰點(diǎn)溫度，和標(biāo)準(zhǔn)冰點(diǎn)溫度進(jìn)行比較，從而判斷牛奶雜質(zhì)濃度是否超標(biāo)，它并不能測(cè)出牛奶中具體含有什么雜質(zhì)。 本儀器采用 LC 切割型石英晶體溫度變送器，把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，在溫度變送器和計(jì)數(shù)器之間加入 1 個(gè)電子閘門(mén)，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生寬度為 1s 的門(mén)控信號(hào)。采樣數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)經(jīng) 8 位計(jì)數(shù)器 256 分頻后送至 AT89C52單片機(jī)，為減少硬件用量，結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的 16 位計(jì)數(shù)器和外部 8 位計(jì) 數(shù)器組成 24 位計(jì)數(shù)器。 溫度誤差的補(bǔ)償用一個(gè) 8 位撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩片 74LS244三態(tài)門(mén)作為測(cè)試采樣輸入和溫度補(bǔ)償輸入的選擇端。 儀器設(shè)定了 3 個(gè)獨(dú)立式功能鍵 “ START”、 “STOP”和 “RST” 分別進(jìn)行開(kāi)始采樣、停止采樣和復(fù)位操作，由單片機(jī) P1.3、 P1.4 和 P1.5 口控制。數(shù)據(jù)顯示部分段選部分的信號(hào)由 74LS164串行輸入并行輸出， 5 位共陰極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示， LED 數(shù)碼管的位選由單片機(jī)的 P2 口控制 。牛奶冰點(diǎn)溫度達(dá)到時(shí)，數(shù)碼管顯示冰點(diǎn)溫度，通過(guò)一個(gè)由單片機(jī)直接控制的蜂鳴器鳴叫來(lái)進(jìn)行提示。 關(guān)鍵詞： 溫度變送器 、計(jì)數(shù)器、單片機(jī)、三態(tài)門(mén)、數(shù)碼管 II ABSTRACT Impurity concentration of milk tester milk is tested Freezing temperatures and freezing temperature standards, thus judged whether the impurity concentration of milk utilization, it does not detect milk containing what specific impurities. The equipment used LC-cutting quartz crystal temperature transmitter, temperature signal into a frequency signal. the temperature between the transmitter and counter to an electronic gate. SCM internal timers have a width of the doors control signals. Sample data on eight counts counter after 256 minutes Frequency sent to the AT89C52, in order to minimize the amount of hardware. MCU with internal 16-bit counter and counter external component 8 24 counters. Temperature error compensation using a dial-8 Switch to achieve, 2 74 LS244 doors as a three-state input sampling tests and temperature compensation-input selection. Equipment set three separate function keys START STOP and RST were started sampling, sampling and reset stop operation, exhaust from the microcontroller, P1.4 and P1.5 export control. Some of the data showed that the election of the signal from 74 LS164 serial input parallel output A total of five digital cathode tube dynamic display, LED digital control by the EC MCU P2 export control. Freezing temperatures reach milk, Digital Display freezing temperature, through a direct control of the microcontroller buzzer hoot to suggest. Keywords : Temperature Transmitter, counter, microcontroller, three-state doors, digital control III 目 錄 第一章 緒論 . 1 1.1 凝固點(diǎn)與冰點(diǎn)的概念 . 1 1.1.1 凝固點(diǎn)與冰點(diǎn) . 1 1.1.2 凝固點(diǎn)的變化 . 1 1.1.3 牛奶的凝固點(diǎn) . 1 1.2 檢測(cè)牛奶冰點(diǎn)的方法及表示單位 . 2 1.2.1 儀器與方法 . 2 1.2.2 牛奶冰點(diǎn)的測(cè)定單位與表示方法 . 2 1.2.3 FPD（牛奶冰點(diǎn)下降）表示法 . 2 1.3 牛奶冰點(diǎn)與摻水摻雜 . 2 1.4 影響牛奶冰點(diǎn)的若干因素 . 3 1.5 生產(chǎn)實(shí)踐中如何避免生奶中無(wú)意摻水 . 4 1.6 本文的結(jié)構(gòu) . 4 第二章 牛奶雜質(zhì)濃度測(cè)試儀硬件電路設(shè)計(jì) . 5 2.1 電路原理圖的設(shè)計(jì) . 6 2.1.1 溫度變送器 . 6 2.1.2 計(jì)數(shù)器 . 9 2.1.3 補(bǔ)償電路 . 13 2.1.4 數(shù)據(jù)選擇器 . 14 2.1.5 單片機(jī) . 15 2.1.6 時(shí)鐘振蕩電路 . 18 2.1.7 復(fù)位電路 . 18 2.1.8 控制電路 . 19 2.1.9 顯示電路 . 20 2.1.10 冰點(diǎn)提示電路 . 22 2.2 電路板的繪制 . 23 2.2.1 Protel 99SE 的使用 . 23 2.2.2 電路圖的繪制 . 23 第三章 系統(tǒng)調(diào)試 . 26 3.1 MPLAB 微機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 26 IV 3.2 硬件的檢測(cè)與調(diào)試 . 26 3.2.1 脫機(jī)檢查 . 26 3.2.2 聯(lián)機(jī)調(diào)試 . 27 3.3.3 軟件調(diào)試 . 28 第四章 主程序流程圖 . 29 4.1 主程序注釋 . 29 第五章 結(jié) 論 . 31 5.1 論文總結(jié) . 31 5.2 感想 . 31 致 謝 . 32 參 考 文 獻(xiàn) . 33 附錄 A： 原理圖 . 34 附錄 B： PCB 圖 . 35 1 第一章 緒論 1.1 凝固點(diǎn)與冰點(diǎn)的概念 1.1.1 凝固點(diǎn)與冰點(diǎn) 經(jīng)典物理學(xué)的定義為：原子、離子或分子按一定空間次序排列，具有規(guī)則幾何形狀的固體稱為晶體，例如：冰雪、食鹽、石英等；反之則稱為非晶體，或稱無(wú)定形物，例如：玻璃、樹(shù)脂等。某種純晶體物質(zhì)受熱變?yōu)橐后w時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)；某種液態(tài)晶體物質(zhì)凝固時(shí)的溫度稱為凝固點(diǎn)；凝固點(diǎn)即該物質(zhì)的液態(tài)與固態(tài)可以平衡共存的溫度。在一定的壓強(qiáng)下，任何晶體的凝固點(diǎn)與其熔點(diǎn)相同。對(duì)于非晶體來(lái)說(shuō)，并無(wú)固定的凝固點(diǎn)。 水的凝固點(diǎn)也稱為冰點(diǎn)。 在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣飽和的純水與純冰混合物處于平衡時(shí)的溫度是水的真冰點(diǎn)，其值為 0.000 。 1.1.2 凝固點(diǎn)的變化 一切純晶體物質(zhì)處于一定的壓力下，皆有其固定的凝固點(diǎn)?；瘜W(xué)上把兩種或兩種以上物質(zhì)組成的均勻體系叫做分散系或溶液。當(dāng)某物質(zhì)以微小顆粒分散到另一物質(zhì)中去時(shí)，被分散的物質(zhì)稱為分散質(zhì)或溶質(zhì)；把接納分散質(zhì)或溶質(zhì)的物質(zhì)稱為分散劑或溶劑。實(shí)踐證明，當(dāng)溶質(zhì)加入純?nèi)軇┖?，溶液的凝固點(diǎn)就比純?nèi)軇┑汀Ｈ芤旱哪厅c(diǎn)降低幅度與溶液的質(zhì)量摩爾濃度近似成正比。溶液的濃度越大其凝固點(diǎn)的下降程度就越大。 1.1.3 牛 奶的凝固點(diǎn) 牛奶是由許多物質(zhì)、數(shù)種分散系及其過(guò)渡態(tài)所組成的混合物。組成牛奶的多級(jí)分散體系為 （ 1） 真溶液：無(wú)機(jī)鹽、乳糖和維生素 B 族等呈分子態(tài)或離子態(tài)分散于乳中，粒子直徑常小于 1nm；（ 2） 高分子溶液：白蛋白和球蛋白等呈大分子態(tài)分散于乳中，粒子直徑約 250nm;（ 3） 膠體溶液或細(xì)分散系：如酪蛋白磷肽結(jié)合鈣形成的膠粒等，粒子直徑約 30100nm;（ 4） 粗分散系：如某些蛋白質(zhì)復(fù)合體等固體微粒構(gòu)成的懸濁液和脂肪球液滴等構(gòu)成的乳濁液，粒子直徑約 5010000nm。 牛奶中水分約占 85.5%88.7%。 牛奶的凝固點(diǎn)習(xí)慣上叫冰點(diǎn)。牛奶冰點(diǎn)隨水分及其他成分含量變化而變化。正常情況下，生鮮牛奶冰點(diǎn)僅變動(dòng)于一個(gè)狹小的范圍內(nèi)；如牛奶中摻入水或其他雜質(zhì)，其冰點(diǎn)就會(huì)發(fā)生明顯變化。因此，檢測(cè)生鮮牛奶冰點(diǎn)可作為其中是否摻水摻雜的一種手段；并且，通過(guò)牛奶冰點(diǎn)檢測(cè)可大致判別其加水量。 2 1.2 檢測(cè)牛奶冰點(diǎn)的方法及表示單位 1.2.1 儀器與方法 當(dāng)今流行的檢測(cè)牛奶冰點(diǎn)的方法是應(yīng)用冰點(diǎn)測(cè)定器（ cryoscopy）。在該測(cè)定器的樣品管中有一套珠形熱敏電阻和攪棒裝置。檢測(cè)時(shí)，將少量的牛奶試樣放入樣品管內(nèi)，立即置于 -7的冰浴中，樣品 的溫度由插入其中的熱敏電阻來(lái)測(cè)知，樣品經(jīng)快速冰卻與緩慢冷卻，直至 -3，振動(dòng)著的攪拌棒將能量脈波傳向樣品測(cè)試管壁，形成冰晶，從而產(chǎn)生一個(gè)“冰凍脈波”；隨著被超冷的牛奶樣品結(jié)成冰，此時(shí)釋出潛在的熔化熱，樣品的溫度升至冰點(diǎn)平臺(tái)；過(guò)后溫度又繼續(xù)下降。平臺(tái)的溫度就是牛奶的冰點(diǎn) 。 目前，世界上有多家專門(mén)研發(fā)、制造牛奶與乳品分析檢測(cè)儀器的企業(yè)，如丹麥的福斯（ Foss）公司、荷蘭的 Delta Instruments 公司等，在這些廠商出產(chǎn)的各種乳制品成份分析儀都可以加裝冰點(diǎn)測(cè)定儀。其操作相當(dāng)準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便。 上海近年研制成功 的 CHL-100 型鮮奶冰點(diǎn)測(cè)定儀，單機(jī)尺寸 40 3024cm，重量 14kg，用 220VAC 電源，功耗 100W ，工作環(huán)境溫度 1030。每次測(cè)試用奶樣 2.5mL，檢測(cè)時(shí)間 24min，測(cè) 溫 范 圍 0.0000-1.0000， 測(cè)溫 分 辨 率 0.0001，冰點(diǎn)測(cè)定精密度 4m。該儀器通過(guò)校準(zhǔn)后可測(cè)出牛奶樣品的冰點(diǎn)值，并根據(jù)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)冰點(diǎn)計(jì)算出相對(duì)含水量。兩項(xiàng)數(shù)據(jù)可在顯示器上讀出，也可打印出檢驗(yàn)結(jié)果。 1.2.2 牛奶冰點(diǎn)的測(cè)定單位與表示方法 牛奶冰點(diǎn)測(cè)試的原始工作由賀特文氏（ Hortvet） 完成，他使用的是裝有水銀的玻璃溫度計(jì)。更現(xiàn)代化的工作表明， Hortvet 所用的器具并不精密，但許多早期的資料用 Hortvet 氏裝置測(cè)定。所以，迄今仍有一些國(guó)家和地區(qū)應(yīng)用 Hortve氏刻度來(lái)表示牛奶的冰點(diǎn)。牛奶冰點(diǎn)的賀氏（ H）與的換算公式為： =0.96418H+0.00085 1.2.3 FPD（牛奶冰點(diǎn)下降）表示法 因?yàn)榕Ｄ痰谋c(diǎn)都是負(fù)數(shù)，且在攝氏千分之幾度范圍內(nèi)波動(dòng)，所以有業(yè)內(nèi)人士提出，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，在某些場(chǎng)合下，牛奶冰點(diǎn)下降（ Freezing point depression of milk） FPD 的單位用 m表示：取冰點(diǎn)的絕對(duì)值乘以 1000 就是 FPD 值。如：-0.508 =508m。 1.3 牛奶冰點(diǎn)與摻水摻雜 牛奶是否被摻水摻雜，可用多項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判，常用的方法之一，就是檢測(cè)其冰點(diǎn)。如果純真牛奶的冰點(diǎn)設(shè)定為 -0.540，據(jù)測(cè)定，牛奶中每加入 3 1%的水，其冰點(diǎn)約上升 0.0054。如牛奶中加入 10%的水，其冰點(diǎn)約為 -0.540（ 100%-10%） =-0.486。通常認(rèn)為，用公式（ 1.1）可計(jì)算牛奶中 3%以上的加水量： X（ %） =（ T-T） 100/T （ 1.1） 式中， X：原料奶加水量， T：生鮮牛奶真實(shí)冰點(diǎn)或參照冰點(diǎn)， T：被檢牛奶的冰點(diǎn)。公式（ 1.2）可計(jì)算以重量百分率表示的加水量： W（ %） =（ C-D）（ 100-S） /C （ 1.2） 式中， W：生鮮牛奶的摻水量， C：正常牛奶的真實(shí)冰點(diǎn)或參照冰點(diǎn)， D：被檢牛奶的冰點(diǎn)， S：被檢牛奶的總固形物百分?jǐn)?shù) 。 倘若在牛奶中摻入淀粉、豆?jié){或羧甲基纖維素等物質(zhì)，可使其冰點(diǎn)上升；若摻入尿素、電解質(zhì)等可溶性物質(zhì)，則 使其冰點(diǎn)下降。 1.4 影響牛奶冰點(diǎn)的若干因素 乳汁是動(dòng)物乳腺組織生理活動(dòng)的分泌物，其各種成分皆直接或間接來(lái)源于血液。據(jù)研究，牛奶滲透壓或鹽類平衡與泌乳母牛的血液滲透壓相匹配。母牛的血液滲透壓受生理調(diào)節(jié)，僅局限于很小的范圍內(nèi)，所以它所產(chǎn)牛奶的鹽類平衡也被約束于很范圍。正常牛奶的冰點(diǎn)比純水的冰點(diǎn)低 0.520.53左右。 大量測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，水牛奶與乳用品種黃牛所產(chǎn)的奶冰點(diǎn)十分接近；山羊奶或綿羊奶的冰點(diǎn)比牛奶稍低。不同品種的奶牛所分泌乳汁的冰點(diǎn)僅有千分之幾攝氏度的差異。同一個(gè)體在同一泌乳期內(nèi)不同階段所分泌奶 的冰點(diǎn)基本無(wú)差異。同一地區(qū)全年各月之間所產(chǎn)奶的冰點(diǎn)幾乎無(wú)差異 。 在奶牛飼養(yǎng)過(guò)程中，如果飲水不正常，則會(huì)影響其所產(chǎn)奶的冰點(diǎn)。假如某牛在擠奶前有一段時(shí)間被剝奪飲水，其冰點(diǎn)就會(huì)異常地升至 -0.500H 或更高。此外，嚴(yán)重背離奶牛飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的低差飼喂，不僅產(chǎn)奶量下降，其所產(chǎn)奶冰點(diǎn)也上升。 牛奶成分中，乳脂肪含量變化，與其冰點(diǎn)升降幾乎無(wú)關(guān)，乳中蛋白質(zhì)含量對(duì)牛奶冰點(diǎn)的影響甚微。牛奶中乳糖和可溶性鹽含量增加，則使其冰點(diǎn)下降 。 當(dāng)奶?；技毙匀橄傺讜r(shí)，其所產(chǎn)奶中乳糖含量減少。為使血乳滲透壓平衡，就會(huì)在乳汁中稍微多分泌一些鹽類 ，這就是為什么急性乳腺炎患牛所產(chǎn)生的奶稍帶咸味的原因。 如果生鮮牛奶的測(cè)定樣品不能保持新鮮，牛奶中的細(xì)菌就會(huì)將乳糖逐步分解為乳酸，一個(gè)分子乳糖可轉(zhuǎn)化為 個(gè)分子乳酸，從而使牛奶的冰點(diǎn)下降；這種情況可掩飾牛奶的摻水現(xiàn)象。 我們面臨的問(wèn)題是，用作冰點(diǎn)檢測(cè)的牛奶樣品，既不能添加任何防腐劑， 4 又不能使其中的細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖。因此，務(wù)必在嚴(yán)格冷藏的條件下謹(jǐn)慎儲(chǔ)運(yùn)。在測(cè)定牛奶冰點(diǎn)時(shí)，往往同時(shí)檢測(cè)其可滴定酸度，數(shù)項(xiàng)數(shù)據(jù)可相互印證，以判別是否有摻假行為。檢測(cè)報(bào)告牛奶的正常冰點(diǎn)，要求其酸度在 20T 以內(nèi)。 1.5 生產(chǎn)實(shí)踐中如何避免 生奶中無(wú)意摻水 在生產(chǎn)實(shí)際中，不論是手工擠奶、桶式機(jī)器擠奶或是管道式機(jī)器擠奶，都應(yīng)該周密考慮牛奶生產(chǎn)、擠榨、儲(chǔ)運(yùn)、加工過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，制定并認(rèn)真執(zhí)行嚴(yán)格的操作規(guī)程，謹(jǐn)防額外水分進(jìn)入原料奶中，以保證牛奶的純凈、優(yōu)質(zhì)。 1.6 本文的結(jié)構(gòu) 本文以牛奶雜質(zhì)濃度測(cè)試儀的研發(fā)工程項(xiàng)目作為應(yīng)用背景，對(duì)技術(shù)進(jìn)行了研究。全文共分為五章，各章的主要內(nèi)容如下： 第一章扼要地介紹了牛奶冰點(diǎn)的概念和相關(guān)研究背景； 第二章對(duì)牛奶冰點(diǎn)溫度進(jìn)行了研究，給出了如何利用單片機(jī)各個(gè)功能 I/O 進(jìn)行控制的控制方案，并討論了牛奶雜質(zhì)濃度測(cè)試儀硬 件電路的設(shè)計(jì)方法，給出了具體的硬件電路圖和電路板電路。 第三章詳細(xì)地說(shuō)明了對(duì)硬件電路檢測(cè)和調(diào)試的步驟。 第四章給出了主程序的流程圖并作了簡(jiǎn)要說(shuō)明。 第五章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問(wèn)題和進(jìn)一步研究的方向。 5 第二章 牛奶雜質(zhì)濃度測(cè)試儀硬件電路設(shè)計(jì) 這次設(shè)計(jì)的是牛奶雜質(zhì)濃度測(cè)試儀，其本質(zhì)測(cè)試的是牛奶的冰點(diǎn)溫度。液體在降溫過(guò)程中，由液體轉(zhuǎn)化成固體時(shí)所維持的溫度叫做冰點(diǎn)溫度。利用這一點(diǎn)也可 用于噴氣燃料油冰點(diǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液冰點(diǎn)的測(cè)定 ，來(lái)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。牛奶的冰點(diǎn)溫度一般是 -0.54，如圖 2.1，在標(biāo) 準(zhǔn)大氣壓下牛奶在降溫過(guò)程中它的溫度會(huì)急劇下降，但下降到一定溫度時(shí)溫度會(huì)出現(xiàn)小幅度的反彈，然后溫度基本維持在一定溫度，一般持續(xù)幾十秒到幾分鐘，這一溫度即為牛奶的冰點(diǎn)溫度。 牛奶 中摻水，常用的比較準(zhǔn)確而經(jīng)典的方法就是測(cè)得其冰點(diǎn) 溫度 增高來(lái)檢出。牛奶中摻水 1，冰點(diǎn)可升高 0.0054 ，牛奶中摻入 淀 粉、豆?jié){等使其冰點(diǎn)上升，摻入電解質(zhì)尿素等可溶性有機(jī)物，則使其冰點(diǎn)下降 。 圖 2.1 牛奶 溫度和時(shí)間之間的關(guān)系曲線圖 本次設(shè)計(jì)利用單片機(jī) AT89C52 作為系統(tǒng)控制和數(shù) 據(jù)處理的核心，在保證一定的精度條件下，盡量減少了硬件的使用量，例如利用單片機(jī)內(nèi)部的 16 位 T0計(jì)數(shù)器結(jié)合外部的 8 位計(jì)數(shù)器組成 24 位計(jì)數(shù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行紀(jì)錄。對(duì)于采樣時(shí)間也沒(méi)用外部秒發(fā)生器，而是利用單片機(jī) T1 定時(shí)器中斷方式來(lái)獲取采樣時(shí)間。這樣就很大程度上簡(jiǎn)化了硬件電路，保證了系統(tǒng)的測(cè)試精度，大大縮小了儀器的體積，更加利于攜帶，實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。 如圖 2.2 為此次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖，利用 LC 切割型石英晶體溫度變送器對(duì)t/s T/ 0 45-120s 冰點(diǎn)溫度 6 牛奶的溫度進(jìn)行采樣，單片機(jī) AT89C52 作為電路控制和數(shù)據(jù)處理的核心，通過(guò)共陰極 LED 數(shù)碼管對(duì)溫度進(jìn)行顯示 。 圖 2.2 牛奶雜質(zhì)濃度測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖 2.1 電路原理圖的設(shè)計(jì) 2.1.1 溫度變送器 溫度變送器的核心部分是一個(gè)以 LC 切割法制作工藝的石英晶體， 以石英晶體諧振器作為敏感元件的諧振式傳感器。石英晶體諧振器是用石英晶體經(jīng)過(guò)適當(dāng)切割后制成，當(dāng)被測(cè)參量發(fā)生變化時(shí)，它的固有振動(dòng)頻率隨之改變，用基于壓電效應(yīng)的激勵(lì)和測(cè)量方法就可獲得與被測(cè)參量成一定關(guān)系的頻率信號(hào)。 石英晶體傳感器以高分辨力、高準(zhǔn)確度、熱響應(yīng)時(shí)間小、頻率輸出、便于遠(yuǎn)傳、便于測(cè)量等特點(diǎn)著稱，主要用于高準(zhǔn)確度、高分辨力的溫度測(cè)量和作 為量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)中。 早期的石英晶體溫度 -頻率傳感器采用具有非線性溫度頻率特性的石英晶體諧振器制作。在發(fā)現(xiàn)具有線性溫度頻率特性的石英晶體切型后，這種溫度傳感器的諧振器采用 LC 切型的平凸透鏡石英晶體塊制成，其直徑約為數(shù)毫米，凸面曲率半徑約為 100 毫米以上。 作為頻率基準(zhǔn)的石英振子的共振頻率不能隨溫度變化，但若改變切割方向，其共振頻率就會(huì)在很寬的溫度范圍按直線變化。 本次設(shè)計(jì)采用的即是這種 LC 切割型石英晶體傳感器， 25時(shí)頻率為 7 16.8MHz，溫度每變化 1 度，頻率變化 1KHZ，則溫度在 0和 -0.54 時(shí)，頻率分別為則溫度為 0時(shí)，頻率為 0f =16.8 610 -25 1000=16775000 Hz 溫度 -0.54時(shí)，頻率為 1f =16.8 610 -(25+0.54) 1000=16774460 Hz 在設(shè)計(jì)牛奶雜質(zhì)濃度測(cè)試儀時(shí)，其基本原理等同于設(shè)計(jì)一個(gè)頻率計(jì)。如圖2.3 為頻率計(jì)的工作原理圖，輸入一個(gè)待測(cè) 頻率 f，待測(cè)頻率經(jīng)過(guò)電子閘門(mén)后就進(jìn)行計(jì)數(shù)，電子閘門(mén)采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生秒信號(hào)，這個(gè)秒信號(hào)為 1s 寬的門(mén)控信號(hào)。在電子閘門(mén)打開(kāi)時(shí)就可以對(duì)待測(cè)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)。應(yīng)當(dāng)選取最大計(jì)數(shù)值比待測(cè)頻率估計(jì)值相對(duì)較大的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)后需要對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值和補(bǔ)償電路的數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)的二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制。最后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)就可以通過(guò) LED 進(jìn)行顯示出來(lái)，顯示的數(shù)值即為當(dāng)前待測(cè)頻率 f 的值。 圖 2.3 頻率計(jì)的工作原理圖 石英晶體傳感器本 質(zhì)上是一種特殊的晶體震蕩器，所以它典型的測(cè)量電路就是晶體震蕩電路，如圖 2.4 所示。該電路的主要作用是將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。考慮到測(cè)溫的精度要求甚高，所以震蕩器的元件溫度性能要好，石英晶體與電路的線路要短，并要求震蕩電路的震蕩幅度要大。 f 電子閘門(mén) 計(jì)數(shù)器 數(shù)據(jù)處理 補(bǔ)償電路 顯示 秒 信號(hào) 8 圖 2.4 晶體震蕩電路 在電路設(shè)計(jì)時(shí)，在溫度變送器之后接入一個(gè)或門(mén)，型號(hào)為“ HC32”，其作用相當(dāng)于一個(gè)電子閘門(mén)?；蜷T(mén)輸入端一個(gè)接溫度變送器，另一個(gè)接單片機(jī) P2.6口，輸出接計(jì)數(shù)器輸入端。由單片機(jī) P2.6 輸出寬度為 1s 的門(mén)控信號(hào)，門(mén)控信號(hào)低電平時(shí)電子閘門(mén)“ HC32”打開(kāi)，此時(shí)就可以對(duì)溫度變送器送出的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)了。 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)模式下工作時(shí)必須給計(jì)數(shù)器選送計(jì)數(shù)器初值，并能在計(jì)數(shù)器從全“ 1”變?yōu)椤?0”時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生定時(shí)溢出中斷請(qǐng)求。因此，我們可以把計(jì)數(shù)器計(jì)滿為“ 0”所需要的計(jì)數(shù)值設(shè)定為 C 和計(jì)數(shù)初值設(shè)定為 TC，由此便可以得到如下的計(jì)算通式： TC=M-C 式中， M 為計(jì)數(shù)器模式，該值和計(jì)數(shù)器工作方式有關(guān)。在方式 0 時(shí) M 為213 ；在方式 1 時(shí) M 為 216 ；在方式 2 和方式 3 時(shí) M 為 28 。在定時(shí)器模式下，計(jì)數(shù)器由單片機(jī)主脈沖經(jīng) 12 分頻后計(jì)數(shù)。因此，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間 T 的計(jì)算公式為： T=（ M-TC） 計(jì)數(shù)T 若設(shè) TC=0，則定時(shí)器定時(shí)時(shí)間為最大。由于 M 的值和定時(shí)器工作方式有關(guān)，因此不同工作方式下定時(shí)器的最大定時(shí)時(shí)間也不一樣。若設(shè)單片機(jī)的主脈沖頻率 CLK 為 12MHZ，則最大定時(shí)時(shí)間為： 方式 0 時(shí) maxT =213 1s=8.192ms 方式 1 時(shí) maxT =216 1s=65.536ms 方式 2 時(shí) maxT =28 1s=0.256ms 溫度采樣過(guò)程中，需要用計(jì)數(shù)器精確記錄石英晶體傳感器 1s 輸出的脈沖 9 值，利用定時(shí)器工作在方式 1 時(shí)，定時(shí) 50ms 產(chǎn)生 1 次 中斷，調(diào)用 20 中斷就可以實(shí)現(xiàn)定時(shí) 1s 的功能。 2.1.2 計(jì)數(shù)器 系統(tǒng)測(cè)量的精度為 0.01，溫度變送器的每個(gè)脈沖都要記錄，并通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理。溫度變送器的頻率在 25為 16.8MHz，溫度變小時(shí)頻率也會(huì)線性地變小，測(cè)試牛奶冰點(diǎn)溫度時(shí)溫度要下降到冰點(diǎn)溫度，一般液體的冰點(diǎn)溫度在0左右，牛奶的為 -0.54。 AT89C52 單片機(jī)內(nèi)部提供了兩個(gè) 16 位的可編程的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，其中一個(gè)最為定時(shí)器使用。在單片機(jī)中，當(dāng)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器工作在計(jì)數(shù)方式時(shí)，外部輸入信號(hào)是加到 T0（ P3.4）端。外部輸入信號(hào)的下降沿將觸發(fā) 計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2 期間采樣外部輸入信號(hào)，若一個(gè)周期的采樣值為“ 1”，下一個(gè)周期的采樣值為“ 0”，則計(jì)數(shù)器加“ 1”，故識(shí)別一個(gè)從“ 1”到“ 0”的跳變需要 2 個(gè)機(jī)器周期，所以，對(duì)外部輸入信號(hào)最高的計(jì)數(shù)速率是晶振頻率的 1/24。AT89C52 的晶振頻率為 12MHz，則 T0 計(jì)數(shù)器所能計(jì)數(shù)的最大頻率為單片機(jī)晶振頻率的 1/24 即內(nèi)部計(jì)數(shù)器 T0 計(jì)數(shù)頻率為 0.5MHz,而設(shè)計(jì)采用的溫度變送器在 0的頻率為 16.775MHZ， -0.54時(shí)為 16.77446MHz,所以在單片機(jī)外部有必要加兩個(gè) 4 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 組成 8 位計(jì)數(shù)器，這樣最大計(jì)數(shù)頻率就能達(dá)到 MAXf =0.5MHz 82 =128MHz 這樣結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的 16 位計(jì)數(shù)器就組成了 24 位的計(jì)數(shù)器，就最大程度減少了硬件的使用量，也保證了系統(tǒng)的精度。 74LS161 是一個(gè) 4 位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器芯片，邏輯功能表如表 2.1。 表 2.1 74LS161 功能表 輸 入 輸 出 工作模式 CP CTp CTt D3 D2 D1 D0 nQ3 nQ2 nQ1 nQ0 L L L L L 異步清零 H L d3 d2 d1 d0 d3 d2 d1 d0 同步預(yù)置 H H L 13nQ 12nQ 11nQ 10nQ 保持 H H L 13nQ 12nQ 11nQ 10nQ H H H H 加法計(jì)數(shù) 加法計(jì)數(shù) 74LS161 具有如下功能： 1) 異步清零 為低電平（ =0），不管其他輸入端（包括 CP）狀態(tài)如何，各觸發(fā)器均被清零，計(jì)數(shù)器的輸出 Q3Q2Q1Q0=0000；同樣，不清零時(shí)應(yīng)使 為高電平 10 （ =1）。 2) 同步置數(shù) LD 為預(yù)置數(shù)控制端。在 =1（不處于清零狀態(tài)）的條件下，只要在 LD為低電平（ LD =0）的同時(shí)，加入 CP 脈沖的上升沿，計(jì)數(shù)器被置數(shù)，輸入數(shù)據(jù)d3d2d1d0 被置入各相應(yīng)的觸發(fā)器，即計(jì)數(shù)器輸出 Q3Q2Q1Q0 等于數(shù)據(jù)輸入端D3D2D1D0 輸入的二進(jìn)制數(shù)（ Q3Q2Q1Q0=d3d2d1d0）。這就可以使計(jì)數(shù)器從預(yù)置數(shù)開(kāi)始進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。不預(yù)置數(shù)時(shí)應(yīng)使 LD 為高電平（ LD =1）。 3) 計(jì)數(shù) PCT 和 TCT 為計(jì)數(shù)控制端。在 =1（不清零）和 LD =1（不送數(shù)）的條件下，若控制端 PCT 、 TCT 均為高電平（ PCT = TCT =1）時(shí)，計(jì)數(shù)器處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，此時(shí)為一種典型的 4 位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到 Q3Q2Q1Q0=1111時(shí)，進(jìn)位輸出 CO=1；再輸入一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖 ，計(jì)數(shù)器輸出從 1111 返回到 0000狀態(tài)， CO 由 1 變 0，作為進(jìn)位輸出信號(hào)。 4) 保持 在 =1（不清零）和 LD =1（不送數(shù)）的條件下，當(dāng)控制端 PCT 與 TCT 中只要有一個(gè)為低電平，則計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)，各觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，其進(jìn)位輸出在 PCT =0、 TCT =1 時(shí)，狀態(tài)不 變；而在 PCT =1、 TCT =0 時(shí)，進(jìn)位輸出CO=0。 在設(shè)計(jì)時(shí)，需要兩片 4 位 74LS161 芯片組成 8 位計(jì)數(shù)器。由于設(shè)計(jì)只要計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和清零兩個(gè)狀態(tài)，所以計(jì)數(shù)控制端 PCT 和 TCT 、置數(shù)端 LD 都接高電平，計(jì)數(shù)允許由電子閘門(mén)接 P2.6 進(jìn)行控制，計(jì)數(shù)器清零端由 P1.0 控制， 當(dāng)P1.0 為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。如圖 2.5，溫度變送器時(shí)鐘頻率送至計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，在兩個(gè) 74LS161 芯片之間加入一個(gè)與非門(mén)實(shí)現(xiàn)異步級(jí)聯(lián)組成 8 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，作為數(shù)據(jù)的低 8 位地址； 8 位計(jì)數(shù)器輸出接單片機(jī) AT89C52 的 P3.4 端， P3.4為單片機(jī) 16 位內(nèi)部計(jì)數(shù)器接口，單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器作為高 16 位地址。這樣就組成了 24 位計(jì)數(shù)器，可以對(duì)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)。 11 圖 2.5 74LS161 級(jí)聯(lián)組成 8 位計(jì)數(shù)器 AT89C52 單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器：定時(shí)器 0（ T0）和定時(shí)器 1（ T1）。定時(shí) 器 /計(jì)數(shù)器是一種可編程部件，在其工作之前必須將控制字寫(xiě)入工作方式和控制寄存器，用以確定工作方式，這個(gè)過(guò)程稱為定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的初始化。直接與 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0、 T1 有關(guān)的特殊功能寄存器有以下幾個(gè)： TH0、 TL0、 TH1、 TL1、 TMOD、 TCON，另外還有中斷控制寄存器 IE、IP。 TH0、 TL0 為 T0 的 16 位計(jì)數(shù)器的高 8 位和低 8 位， TH1、 TL1 為 T1 的 16位計(jì)數(shù)器的高 8 位和低 8 位， TCON 為 T0、 T1 的狀態(tài)和控制寄存器，存放 T0、T1 的運(yùn)行控制位和溢出中斷標(biāo)志。 通過(guò)對(duì) TH0、 TL0HE TH1、 TL1 的初始化來(lái)設(shè)置 T0、 T1 計(jì)數(shù)器初值，通過(guò)對(duì) TCON 和 TMON 的編程來(lái)選擇 T0、 T1 的工作方式和控制 T0、 T1 的運(yùn)行。 特殊功能寄存器 TMOD 為 T0、 T1 的工作方式寄存器，其格式所示： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 TMOD 的所有位復(fù)位后清零。 TMOD 不能位尋址，只能用字節(jié)方式設(shè)置。各位功能如下。 M1、 M0：工作方式控制位 M1、 M0 可構(gòu)成如下表所示的 4 種工作方式 P 3 .4D03D14D25D36Q014Q113Q212Q311CO15C T P7C T T10CP2CR9LD17 4 LS 1 6 1D03D14D25D36Q014Q113Q212Q311CO15C T P7C T T10CP2CR9LD17 4 LS 1 6 1V C CP 1 .0溫度變送器 12 表 2.2 定時(shí)器的方式選擇 M1 M0 工作方式 功能說(shuō)明 0 0 0 為 13 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 1 1 為 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 0 2 為常數(shù)自動(dòng)重新裝入的 8 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 1 3 僅適用于 T0，分為兩個(gè) 8 位計(jì)數(shù)器， T1 停止計(jì)數(shù) C/T ：定時(shí)器 /外部事件 計(jì)數(shù)方式選擇位 如前所述，定時(shí)器方式和外部事件計(jì)數(shù)的方式的差別是計(jì)數(shù)脈沖源和用途的不同， C/T 實(shí)際上是選擇計(jì)數(shù)脈沖源。 C/T =0 為定時(shí)方式，在定時(shí)方式中，以振蕩器輸出時(shí)鐘脈沖的 12 分頻信號(hào)作為信號(hào)，也就是每一個(gè)機(jī)器周期定時(shí)器加“ 1”。若晶振為 12MHZ，則定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率為 1MHZ，計(jì)數(shù)的脈沖周期為 1 s。定時(shí)器從初值開(kāi)始加“ 1”計(jì)數(shù)，直至定時(shí)器溢出所需的時(shí)間是固定的，所以稱為定時(shí)方式。 C/T =1 為外部事件計(jì)數(shù)方式。這種方式采用外部引腳（ T0 為 P3.4， T1 為P3.5）上的輸入脈沖作為計(jì)數(shù)脈沖。對(duì)外部輸入脈沖計(jì)數(shù)的目的通常是為了測(cè)試脈沖的周期、頻率或?qū)斎氲拿}沖數(shù)進(jìn)行累加。此次設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)即為這種方式。 GATE：門(mén)控位 GATE 為“ 1”時(shí)，定時(shí)器的計(jì)數(shù)受外部引腳輸入電平的控制，只有 0INT 引腳為“ 1”，且用軟件對(duì) TR0 置“ 1”，才能啟動(dòng)定時(shí)器； GATE 為“ 0”時(shí)，定時(shí)器計(jì)數(shù)不受外部引腳輸入電平的控制。只要用軟件對(duì) TR0置數(shù)就能啟動(dòng)定時(shí)器 。 特殊功能寄存器 TCON 的高 4 位為定時(shí)器的運(yùn)行控制位和溢出標(biāo)志位，低4 位為外部中斷的觸發(fā)方式控制位和鎖存外部中斷請(qǐng)求源。 TCON 格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 定時(shí)器 T0 運(yùn)行控制位 TR0 TR0 由軟件置位和清零。門(mén)控位 GATE 為“ 0”時(shí)， T0 的計(jì)數(shù)僅由 TR0 控制， TR0 為“ 1”時(shí)允許 T0 計(jì)數(shù)；門(mén)控位 GATE 為“ 1”時(shí)，僅當(dāng) TR0 等于“ 1”且 0INT 輸入為高電平時(shí) T0 才計(jì)數(shù)， TR0 為“ 0”或 0INT 輸入低電平時(shí)都禁止T0 計(jì)數(shù)。 定時(shí)器 T0 溢出標(biāo)志位 TF0 當(dāng) T0 被允許計(jì)數(shù)后， T0 從初值開(kāi)始加“ 1”計(jì)數(shù)，最高位產(chǎn)生溢出時(shí)， TF0置“ 1”。 TF0 可以由程序查詢和清零。 TF0 也是中斷請(qǐng)求源，當(dāng) CPU 響應(yīng) T0 13 中斷時(shí)，由硬件清零。 定時(shí)器 T1 運(yùn)行控制位 TR1 TR1 由軟件置位和清零。門(mén)控位 GATE 為“ 0”時(shí)， T1 的計(jì)數(shù)僅由 TR1 控制， TR1 為“ 1”時(shí)允許 T1 計(jì)數(shù)， TR1 為“ 0”時(shí)禁止 T1 計(jì)數(shù)；門(mén)控位 GATE為“ 1”時(shí)，僅當(dāng) TR1 為“ 1”且 1INT 輸入為高電平時(shí) T1 才計(jì)數(shù)， TR1 為“ 0”或 1INT 輸入低電平時(shí)都將禁止 T1 計(jì)數(shù)。 定時(shí)器 T1 溢出標(biāo)志位 TF1 當(dāng) T1 被允許計(jì)數(shù)以后， T1 從初值開(kāi)始加“ 1”計(jì)數(shù)，最高位產(chǎn)生溢出時(shí)，TF1 置“ 1”。 TF1 可以由程序查詢和清零， TF1 也是中斷請(qǐng)求源，當(dāng) CPU 響應(yīng)T1 中斷時(shí)，由硬件清零。 2.1.3 補(bǔ)償電路 所購(gòu)買的石英晶體傳感器在測(cè)量牛奶冰點(diǎn)溫度時(shí)， 25不一定會(huì)達(dá) 到16.8MHz 的要求，所以必然會(huì)引起一定的誤差。因此設(shè)計(jì)中加入了一個(gè)八位手動(dòng)撥碼開(kāi)關(guān)，可以手動(dòng)地對(duì)系統(tǒng)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，使系統(tǒng)精度得到很大程度的提高，一旦 8 位撥碼開(kāi)關(guān)補(bǔ)償值調(diào)整完， 8 位撥碼開(kāi)關(guān)的 8 個(gè)開(kāi)關(guān)就不能再有變化了。在溫度變送器損壞或者老化后，需要更換新的溫度變送器，此時(shí)必須再一次手動(dòng)調(diào)整 8 位撥碼開(kāi)關(guān)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)定溫度補(bǔ)償值時(shí)，一般利用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純凈的水的冰點(diǎn)溫度為 0.000進(jìn)行補(bǔ)償，此時(shí)查看數(shù)碼管顯示溫度，計(jì)算出純凈的水的冰點(diǎn)溫度和數(shù)碼管顯示溫度的差值。下面就可以對(duì)數(shù)據(jù)手動(dòng)地補(bǔ)償了。 8 位 撥碼開(kāi)關(guān)輸出的數(shù)據(jù)為原碼，開(kāi)關(guān) S1 控制補(bǔ)償電路數(shù)據(jù)的符號(hào)位，當(dāng)S1 斷開(kāi)時(shí)，單片機(jī)最高位接地為“ 0”，輸出數(shù)據(jù)為正，當(dāng) S1 按下時(shí)，最高位為“ 1”，輸出數(shù)據(jù)為負(fù)。補(bǔ)償電路采用的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其他開(kāi)關(guān) S2-S8 控制補(bǔ)償電路的 7 位數(shù)據(jù)值，所以 8 位撥碼開(kāi)關(guān)所能校正的差值范圍為 0.128。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純凈的水的溫度，當(dāng)水變?yōu)楸衔飼r(shí)，此時(shí)水的溫度理論上是冰點(diǎn)溫度 0.000。假如當(dāng)前 5 個(gè)數(shù)碼管顯示溫度為 -00.03時(shí)，補(bǔ)償值為 +0.030 ,此時(shí)， 8 位撥碼開(kāi) 關(guān)的二進(jìn)制值為 00011110，所以把 S4、 S5、 S6、S7 閉合，其他開(kāi)關(guān)打開(kāi)。 計(jì)數(shù)器 14 補(bǔ)償電路 圖 2.6 補(bǔ)償電路 2.1.4 數(shù)據(jù)選擇器 三態(tài)輸出門(mén)與一般的門(mén)電路不同，它的輸出端除出現(xiàn)高電平、低電平兩種狀態(tài)之外，還可以出現(xiàn)第三種狀態(tài) 高阻狀態(tài)（或稱禁止?fàn)顟B(tài)、開(kāi)路狀態(tài)）。 三態(tài)門(mén)最重要的一個(gè)用途是可以實(shí)現(xiàn)用同一根導(dǎo)線輪流傳送幾組不同的數(shù)據(jù)。通常把接受三個(gè)或三個(gè)以上門(mén)的輸出信號(hào)的線叫做總線，總線是具