牛奶雜質(zhì)濃度測試儀的硬件設計

本科畢業(yè)設計外文翻譯 題目： 牛奶雜質(zhì)濃度測試儀硬件設計 專 業(yè)： 測控技術與儀器 班 級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 起迄日期： 設計地點： 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)濃度測試儀是通過測試牛奶的冰點溫度，和標準冰點溫度進行比較，從而判斷牛奶雜質(zhì)濃度是否超標，它并不能測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，把溫度信號轉化為頻率信號，在溫度變送器和計數(shù)器之間加入 1 個電子閘門，利用單片機內(nèi)部的定時器產(chǎn)生寬度為 1s 的門控信號。采樣數(shù)據(jù)計數(shù)經(jīng) 8 位計數(shù)器 256 分頻后送至 AT89C52單片機，為減少硬件用量，結合單片機內(nèi)部的 16 位計數(shù)器和外部 8 位計 數(shù)器組成 24 位計數(shù)器。 溫度誤差的補償用一個 8 位撥碼開關來實現(xiàn)，兩片 74LS244三態(tài)門作為測試采樣輸入和溫度補償輸入的選擇端。 儀器設定了 3 個獨立式功能鍵 “ START”、 “STOP”和 “RST” 分別進行開始采樣、停止采樣和復位操作，由單片機 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由 74LS164串行輸入并行輸出， 5 位共陰極數(shù)碼管動態(tài)顯示， LED 數(shù)碼管的位選由單片機的 P2 口控制 。牛奶冰點溫度達到時，數(shù)碼管顯示冰點溫度，通過一個由單片機直接控制的蜂鳴器鳴叫來進行提示。 關鍵詞： 溫度變送器 、計數(shù)器、單片機、三態(tài)門、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 凝固點與冰點的概念 . 1 1.1.1 凝固點與冰點 . 1 1.1.2 凝固點的變化 . 1 1.1.3 牛奶的凝固點 . 1 1.2 檢測牛奶冰點的方法及表示單位 . 2 1.2.1 儀器與方法 . 2 1.2.2 牛奶冰點的測定單位與表示方法 . 2 1.2.3 FPD（牛奶冰點下降）表示法 . 2 1.3 牛奶冰點與摻水摻雜 . 2 1.4 影響牛奶冰點的若干因素 . 3 1.5 生產(chǎn)實踐中如何避免生奶中無意摻水 . 4 1.6 本文的結構 . 4 第二章 牛奶雜質(zhì)濃度測試儀硬件電路設計 . 5 2.1 電路原理圖的設計 . 6 2.1.1 溫度變送器 . 6 2.1.2 計數(shù)器 . 9 2.1.3 補償電路 . 13 2.1.4 數(shù)據(jù)選擇器 . 14 2.1.5 單片機 . 15 2.1.6 時鐘振蕩電路 . 18 2.1.7 復位電路 . 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 微機實驗系統(tǒng) . 26 IV 3.2 硬件的檢測與調(diào)試 . 26 3.2.1 脫機檢查 . 26 3.2.2 聯(lián)機調(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 論 . 31 5.1 論文總結 . 31 5.2 感想 . 31 致 謝 . 32 參 考 文 獻 . 33 附錄 A： 原理圖 . 34 附錄 B： PCB 圖 . 35 1 第一章 緒論 1.1 凝固點與冰點的概念 1.1.1 凝固點與冰點 經(jīng)典物理學的定義為：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，或稱無定形物，例如：玻璃、樹脂等。某種純晶體物質(zhì)受熱變?yōu)橐后w時的溫度稱為熔點；某種液態(tài)晶體物質(zhì)凝固時的溫度稱為凝固點；凝固點即該物質(zhì)的液態(tài)與固態(tài)可以平衡共存的溫度。在一定的壓強下，任何晶體的凝固點與其熔點相同。對于非晶體來說，并無固定的凝固點。 水的凝固點也稱為冰點。 在一個標準大氣壓下，空氣飽和的純水與純冰混合物處于平衡時的溫度是水的真冰點，其值為 0.000 。 1.1.2 凝固點的變化 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?；瘜W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。當某物質(zhì)以微小顆粒分散到另一物質(zhì)中去時，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。實踐證明，當溶質(zhì)加入純?nèi)軇┖螅芤旱哪厅c就比純?nèi)軇┑?。溶液的凝固點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的下降程度就越大。 1.1.3 牛 奶的凝固點 牛奶是由許多物質(zhì)、數(shù)種分散系及其過渡態(tài)所組成的混合物。組成牛奶的多級分散體系為 （ 1） 真溶液：無機鹽、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） 膠體溶液或細分散系：如酪蛋白磷肽結合鈣形成的膠粒等，粒子直徑約 30100nm;（ 4） 粗分散系：如某些蛋白質(zhì)復合體等固體微粒構成的懸濁液和脂肪球液滴等構成的乳濁液，粒子直徑約 5010000nm。 牛奶中水分約占 85.5%88.7%。 牛奶的凝固點習慣上叫冰點。牛奶冰點隨水分及其他成分含量變化而變化。正常情況下，生鮮牛奶冰點僅變動于一個狹小的范圍內(nèi)；如牛奶中摻入水或其他雜質(zhì)，其冰點就會發(fā)生明顯變化。因此，檢測生鮮牛奶冰點可作為其中是否摻水摻雜的一種手段；并且，通過牛奶冰點檢測可大致判別其加水量。 2 1.2 檢測牛奶冰點的方法及表示單位 1.2.1 儀器與方法 當今流行的檢測牛奶冰點的方法是應用冰點測定器（ cryoscopy）。在該測定器的樣品管中有一套珠形熱敏電阻和攪棒裝置。檢測時，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測知，樣品經(jīng)快速冰卻與緩慢冷卻，直至 -3，振動著的攪拌棒將能量脈波傳向樣品測試管壁，形成冰晶，從而產(chǎn)生一個“冰凍脈波”；隨著被超冷的牛奶樣品結成冰，此時釋出潛在的熔化熱，樣品的溫度升至冰點平臺；過后溫度又繼續(xù)下降。平臺的溫度就是牛奶的冰點 。 目前，世界上有多家專門研發(fā)、制造牛奶與乳品分析檢測儀器的企業(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測定儀。其操作相當準確、簡便。 上海近年研制成功 的 CHL-100 型鮮奶冰點測定儀，單機尺寸 40 3024cm，重量 14kg，用 220VAC 電源，功耗 100W ，工作環(huán)境溫度 1030。每次測試用奶樣 2.5mL，檢測時間 24min，測 溫 范 圍 0.0000-1.0000， 測溫 分 辨 率 0.0001，冰點測定精密度 4m。該儀器通過校準后可測出牛奶樣品的冰點值，并根據(jù)設置標準冰點計算出相對含水量。兩項數(shù)據(jù)可在顯示器上讀出，也可打印出檢驗結果。 1.2.2 牛奶冰點的測定單位與表示方法 牛奶冰點測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。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 氏裝置測定。所以，迄今仍有一些國家和地區(qū)應用 Hortve氏刻度來表示牛奶的冰點。牛奶冰點的賀氏（ H）與的換算公式為： =0.96418H+0.00085 1.2.3 FPD（牛奶冰點下降）表示法 因為牛奶的冰點都是負數(shù)，且在攝氏千分之幾度范圍內(nèi)波動，所以有業(yè)內(nèi)人士提出，為簡化起見，在某些場合下，牛奶冰點下降（ Freezing point depression of milk） FPD 的單位用 m表示：取冰點的絕對值乘以 1000 就是 FPD 值。如：-0.508 =508m。 1.3 牛奶冰點與摻水摻雜 牛奶是否被摻水摻雜，可用多項檢測指標進行綜合評判，常用的方法之一，就是檢測其冰點。如果純真牛奶的冰點設定為 -0.540，據(jù)測定，牛奶中每加入 3 1%的水，其冰點約上升 0.0054。如牛奶中加入 10%的水，其冰點約為 -0.540（ 100%-10%） =-0.486。通常認為，用公式（ 1.1）可計算牛奶中 3%以上的加水量： X（ %） =（ T-T） 100/T （ 1.1） 式中， X：原料奶加水量， T：生鮮牛奶真實冰點或參照冰點， T：被檢牛奶的冰點。公式（ 1.2）可計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：正常牛奶的真實冰點或參照冰點， D：被檢牛奶的冰點， S：被檢牛奶的總固形物百分數(shù) 。 倘若在牛奶中摻入淀粉、豆?jié){或羧甲基纖維素等物質(zhì)，可使其冰點上升；若摻入尿素、電解質(zhì)等可溶性物質(zhì)，則 使其冰點下降。 1.4 影響牛奶冰點的若干因素 乳汁是動物乳腺組織生理活動的分泌物，其各種成分皆直接或間接來源于血液。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。正常牛奶的冰點比純水的冰點低 0.520.53左右。 大量測試數(shù)據(jù)顯示，水牛奶與乳用品種黃牛所產(chǎn)的奶冰點十分接近；山羊奶或綿羊奶的冰點比牛奶稍低。不同品種的奶牛所分泌乳汁的冰點僅有千分之幾攝氏度的差異。同一個體在同一泌乳期內(nèi)不同階段所分泌奶 的冰點基本無差異。同一地區(qū)全年各月之間所產(chǎn)奶的冰點幾乎無差異 。 在奶牛飼養(yǎng)過程中，如果飲水不正常，則會影響其所產(chǎn)奶的冰點。假如某牛在擠奶前有一段時間被剝奪飲水，其冰點就會異常地升至 -0.500H 或更高。此外，嚴重背離奶牛飼養(yǎng)標準的低差飼喂，不僅產(chǎn)奶量下降，其所產(chǎn)奶冰點也上升。 牛奶成分中，乳脂肪含量變化，與其冰點升降幾乎無關，乳中蛋白質(zhì)含量對牛奶冰點的影響甚微。牛奶中乳糖和可溶性鹽含量增加，則使其冰點下降 。 當奶?；技毙匀橄傺讜r，其所產(chǎn)奶中乳糖含量減少。為使血乳滲透壓平衡，就會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。 如果生鮮牛奶的測定樣品不能保持新鮮，牛奶中的細菌就會將乳糖逐步分解為乳酸，一個分子乳糖可轉化為 個分子乳酸，從而使牛奶的冰點下降；這種情況可掩飾牛奶的摻水現(xiàn)象。 我們面臨的問題是，用作冰點檢測的牛奶樣品，既不能添加任何防腐劑， 4 又不能使其中的細菌生長繁殖。因此，務必在嚴格冷藏的條件下謹慎儲運。在測定牛奶冰點時，往往同時檢測其可滴定酸度，數(shù)項數(shù)據(jù)可相互印證，以判別是否有摻假行為。檢測報告牛奶的正常冰點，要求其酸度在 20T 以內(nèi)。 1.5 生產(chǎn)實踐中如何避免 生奶中無意摻水 在生產(chǎn)實際中，不論是手工擠奶、桶式機器擠奶或是管道式機器擠奶，都應該周密考慮牛奶生產(chǎn)、擠榨、儲運、加工過程中的各個環(huán)節(jié)，制定并認真執(zhí)行嚴格的操作規(guī)程，謹防額外水分進入原料奶中，以保證牛奶的純凈、優(yōu)質(zhì)。 1.6 本文的結構 本文以牛奶雜質(zhì)濃度測試儀的研發(fā)工程項目作為應用背景，對技術進行了研究。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的概念和相關研究背景； 第二章對牛奶冰點溫度進行了研究，給出了如何利用單片機各個功能 I/O 進行控制的控制方案，并討論了牛奶雜質(zhì)濃度測試儀硬 件電路的設計方法，給出了具體的硬件電路圖和電路板電路。 第三章詳細地說明了對硬件電路檢測和調(diào)試的步驟。 第四章給出了主程序的流程圖并作了簡要說明。 第五章總結了全文的研究工作，給出了存在的問題和進一步研究的方向。 5 第二章 牛奶雜質(zhì)濃度測試儀硬件電路設計 這次設計的是牛奶雜質(zhì)濃度測試儀，其本質(zhì)測試的是牛奶的冰點溫度。液體在降溫過程中，由液體轉化成固體時所維持的溫度叫做冰點溫度。利用這一點也可 用于噴氣燃料油冰點和發(fā)動機冷卻液冰點的測定 ，來對產(chǎn)品質(zhì)量進行評定。牛奶的冰點溫度一般是 -0.54，如圖 2.1，在標 準大氣壓下牛奶在降溫過程中它的溫度會急劇下降，但下降到一定溫度時溫度會出現(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溫度。 牛奶 中摻水，常用的比較準確而經(jīng)典的方法就是測得其冰點 溫度 增高來檢出。牛奶中摻水 1，冰點可升高 0.0054 ，牛奶中摻入 淀 粉、豆?jié){等使其冰點上升，摻入電解質(zhì)尿素等可溶性有機物，則使其冰點下降 。 圖 2.1 牛奶 溫度和時間之間的關系曲線圖 本次設計利用單片機 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，例如利用單片機內(nèi)部的 16 位 T0計數(shù)器結合外部的 8 位計數(shù)器組成 24 位計數(shù)器對數(shù)據(jù)進行紀錄。對于采樣時間也沒用外部秒發(fā)生器，而是利用單片機 T1 定時器中斷方式來獲取采樣時間。這樣就很大程度上簡化了硬件電路，保證了系統(tǒng)的測試精度，大大縮小了儀器的體積，更加利于攜帶，實現(xiàn)快速測量。 如圖 2.2 為此次設計的結構原理圖，利用 LC 切割型石英晶體溫度變送器對t/s T/ 0 45-120s 冰點溫度 6 牛奶的溫度進行采樣，單片機 AT89C52 作為電路控制和數(shù)據(jù)處理的核心，通過共陰極 LED 數(shù)碼管對溫度進行顯示 。 圖 2.2 牛奶雜質(zhì)濃度測試儀的硬件設計結構原理圖 2.1 電路原理圖的設計 2.1.1 溫度變送器 溫度變送器的核心部分是一個以 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)過適當切割后制成，當被測參量發(fā)生變化時，它的固有振動頻率隨之改變，用基于壓電效應的激勵和測量方法就可獲得與被測參量成一定關系的頻率信號。 石英晶體傳感器以高分辨力、高準確度、熱響應時間小、頻率輸出、便于遠傳、便于測量等特點著稱，主要用于高準確度、高分辨力的溫度測量和作 為量值傳遞的標準溫度計中。 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，其共振頻率就會在很寬的溫度范圍按直線變化。 本次設計采用的即是這種 LC 切割型石英晶體傳感器， 25時頻率為 7 16.8MHz，溫度每變化 1 度，頻率變化 1KHZ，則溫度在 0和 -0.54 時，頻率分別為則溫度為 0時，頻率為 0f =16.8 610 -25 1000=16775000 Hz 溫度 -0.54時，頻率為 1f =16.8 610 -(25+0.54) 1000=16774460 Hz 在設計牛奶雜質(zhì)濃度測試儀時，其基本原理等同于設計一個頻率計。如圖2.3 為頻率計的工作原理圖，輸入一個待測 頻率 f，待測頻率經(jīng)過電子閘門后就進行計數(shù)，電子閘門采用信號發(fā)生器產(chǎn)生秒信號，這個秒信號為 1s 寬的門控信號。在電子閘門打開時就可以對待測頻率進行計數(shù)。應當選取最大計數(shù)值比待測頻率估計值相對較大的計數(shù)器進行計數(shù)。計數(shù)后需要對計數(shù)值進行數(shù)據(jù)處理，包括計數(shù)器計數(shù)值和補償電路的數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)的二進制轉化為十進制。最后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)就可以通過 LED 進行顯示出來，顯示的數(shù)值即為當前待測頻率 f 的值。 圖 2.3 頻率計的工作原理圖 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溫度轉換成頻率信號?？紤]到測溫的精度要求甚高，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 計數(shù)器 數(shù)據(jù)處理 補償電路 顯示 秒 信號 8 圖 2.4 晶體震蕩電路 在電路設計時，在溫度變送器之后接入一個或門，型號為“ HC32”，其作用相當于一個電子閘門?；蜷T輸入端一個接溫度變送器，另一個接單片機 P2.6口，輸出接計數(shù)器輸入端。由單片機 P2.6 輸出寬度為 1s 的門控信號，門控信號低電平時電子閘門“ HC32”打開，此時就可以對溫度變送器送出的頻率進行計數(shù)了。 定時器 /計數(shù)器在計數(shù)模式下工作時必須給計數(shù)器選送計數(shù)器初值，并能在計數(shù)器從全“ 1”變?yōu)椤?0”時自動產(chǎn)生定時溢出中斷請求。因此，我們可以把計數(shù)器計滿為“ 0”所需要的計數(shù)值設定為 C 和計數(shù)初值設定為 TC，由此便可以得到如下的計算通式： TC=M-C 式中， M 為計數(shù)器模式，該值和計數(shù)器工作方式有關。在方式 0 時 M 為213 ；在方式 1 時 M 為 216 ；在方式 2 和方式 3 時 M 為 28 。在定時器模式下，計數(shù)器由單片機主脈沖經(jīng) 12 分頻后計數(shù)。因此，定時器定時時間 T 的計算公式為： T=（ M-TC） 計數(shù)T 若設 TC=0，則定時器定時時間為最大。由于 M 的值和定時器工作方式有關，因此不同工作方式下定時器的最大定時時間也不一樣。若設單片機的主脈沖頻率 CLK 為 12MHZ，則最大定時時間為： 方式 0 時 maxT =213 1s=8.192ms 方式 1 時 maxT =216 1s=65.536ms 方式 2 時 maxT =28 1s=0.256ms 溫度采樣過程中，需要用計數(shù)器精確記錄石英晶體傳感器 1s 輸出的脈沖 9 值，利用定時器工作在方式 1 時，定時 50ms 產(chǎn)生 1 次 中斷，調(diào)用 20 中斷就可以實現(xiàn)定時 1s 的功能。 2.1.2 計數(shù)器 系統(tǒng)測量的精度為 0.01，溫度變送器的每個脈沖都要記錄，并通過單片機進行處理。溫度變送器的頻率在 25為 16.8MHz，溫度變小時頻率也會線性地變小，測試牛奶冰點溫度時溫度要下降到冰點溫度，一般液體的冰點溫度在0左右，牛奶的為 -0.54。 AT89C52 單片機內(nèi)部提供了兩個 16 位的可編程的定時器 /計數(shù)器，其中一個最為定時器使用。在單片機中，當定時器 /計數(shù)器工作在計數(shù)方式時，外部輸入信號是加到 T0（ P3.4）端。外部輸入信號的下降沿將觸發(fā) 計數(shù)，計數(shù)器在每個機器周期的 S5P2 期間采樣外部輸入信號，若一個周期的采樣值為“ 1”，下一個周期的采樣值為“ 0”，則計數(shù)器加“ 1”，故識別一個從“ 1”到“ 0”的跳變需要 2 個機器周期，所以，對外部輸入信號最高的計數(shù)速率是晶振頻率的 1/24。AT89C52 的晶振頻率為 12MHz，則 T0 計數(shù)器所能計數(shù)的最大頻率為單片機晶振頻率的 1/24 即內(nèi)部計數(shù)器 T0 計數(shù)頻率為 0.5MHz,而設計采用的溫度變送器在 0的頻率為 16.775MHZ， -0.54時為 16.77446MHz,所以在單片機外部有必要加兩個 4 位二進制計數(shù)器 組成 8 位計數(shù)器，這樣最大計數(shù)頻率就能達到 MAXf =0.5MHz 82 =128MHz 這樣結合單片機內(nèi)部的 16 位計數(shù)器就組成了 24 位的計數(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 4 位二進制同步加法計數(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 同步預置 H H L 13nQ 12nQ 11nQ 10nQ 保持 H H L 13nQ 12nQ 11nQ 10nQ H H H H 加法計數(shù) 加法計數(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，計數(shù)器的輸出 Q3Q2Q1Q0=0000；同樣，不清零時應使 為高電平 10 （ =1）。 2) 同步置數(shù) LD 為預置數(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，加入 CP 脈沖的上升沿，計數(shù)器被置數(shù)，輸入數(shù)據(jù)d3d2d1d0 被置入各相應的觸發(fā)器，即計數(shù)器輸出 Q3Q2Q1Q0 等于數(shù)據(jù)輸入端D3D2D1D0 輸入的二進制數(shù)（ Q3Q2Q1Q0=d3d2d1d0）。這就可以使計數(shù)器從預置數(shù)開始進行加法計數(shù)。不預置數(shù)時應使 LD 為高電平（ LD =1）。 3) 計數(shù) PCT 和 TCT 為計數(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，計數(shù)器處于計數(shù)狀態(tài)，此時為一種典型的 4 位二進制加法計數(shù)器。當計數(shù)器計數(shù)到 Q3Q2Q1Q0=1111時，進位輸出 CO=1；再輸入一個計數(shù)脈沖 ，計數(shù)器輸出從 1111 返回到 0000狀態(tài)， CO 由 1 變 0，作為進位輸出信號。 4) 保持 在 =1（不清零）和 LD =1（不送數(shù)）的條件下，當控制端 PCT 與 TCT 中只要有一個為低電平，則計數(shù)器處于保持狀態(tài)，各觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，其進位輸出在 PCT =0、 TCT =1 時，狀態(tài)不 變；而在 PCT =1、 TCT =0 時，進位輸出CO=0。 在設計時，需要兩片 4 位 74LS161 芯片組成 8 位計數(shù)器。由于設計只要計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)和清零兩個狀態(tài)，所以計數(shù)控制端 PCT 和 TCT 、置數(shù)端 LD 都接高電平，計數(shù)允許由電子閘門接 P2.6 進行控制，計數(shù)器清零端由 P1.0 控制， 當P1.0 為低電平時，計數(shù)器清零。如圖 2.5，溫度變送器時鐘頻率送至計數(shù)器計數(shù)，在兩個 74LS161 芯片之間加入一個與非門實現(xiàn)異步級聯(lián)組成 8 位二進制計數(shù)器，作為數(shù)據(jù)的低 8 位地址； 8 位計數(shù)器輸出接單片機 AT89C52 的 P3.4 端， P3.4為單片機 16 位內(nèi)部計數(shù)器接口，單片機的內(nèi)部計數(shù)器作為高 16 位地址。這樣就組成了 24 位計數(shù)器，可以對頻率進行計數(shù)。 11 圖 2.5 74LS161 級聯(lián)組成 8 位計數(shù)器 AT89C52 單片機內(nèi)部有兩個 16 位的定時器 /計數(shù)器：定時器 0（ T0）和定時器 1（ T1）。定時 器 /計數(shù)器是一種可編程部件，在其工作之前必須將控制字寫入工作方式和控制寄存器，用以確定工作方式，這個過程稱為定時器 /計數(shù)器的初始化。直接與 16 位定時器 /計數(shù)器 T0、 T1 有關的特殊功能寄存器有以下幾個： 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 位計數(shù)器的高 8 位和低 8 位， TH1、 TL1 為 T1 的 16位計數(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 的運行控制位和溢出中斷標志。 通過對 TH0、 TL0HE TH1、 TL1 的初始化來設置 T0、 T1 計數(shù)器初值，通過對 TCON 和 TMON 的編程來選擇 T0、 T1 的工作方式和控制 T0、 T1 的運行。 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 的所有位復位后清零。 TMOD 不能位尋址，只能用字節(jié)方式設置。各位功能如下。 M1、 M0：工作方式控制位 M1、 M0 可構成如下表所示的 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 定時器的方式選擇 M1 M0 工作方式 功能說明 0 0 0 為 13 位的定時器 /計數(shù)器 0 1 1 為 16 位的定時器 /計數(shù)器 1 0 2 為常數(shù)自動重新裝入的 8 位定時器 /計數(shù)器 1 1 3 僅適用于 T0，分為兩個 8 位計數(shù)器， T1 停止計數(shù) C/T ：定時器 /外部事件 計數(shù)方式選擇位 如前所述，定時器方式和外部事件計數(shù)的方式的差別是計數(shù)脈沖源和用途的不同， C/T 實際上是選擇計數(shù)脈沖源。 C/T =0 為定時方式，在定時方式中，以振蕩器輸出時鐘脈沖的 12 分頻信號作為信號，也就是每一個機器周期定時器加“ 1”。若晶振為 12MHZ，則定時器計數(shù)頻率為 1MHZ，計數(shù)的脈沖周期為 1 s。定時器從初值開始加“ 1”計數(shù)，直至定時器溢出所需的時間是固定的，所以稱為定時方式。 C/T =1 為外部事件計數(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數(shù)脈沖。對外部輸入脈沖計數(shù)的目的通常是為了測試脈沖的周期、頻率或對輸入的脈沖數(shù)進行累加。此次設計計數(shù)器計數(shù)即為這種方式。 GATE：門控位 GATE 為“ 1”時，定時器的計數(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 TR0 置“ 1”，才能啟動定時器； GATE 為“ 0”時，定時器計數(shù)不受外部引腳輸入電平的控制。只要用軟件對 TR0置數(shù)就能啟動定時器 。 特殊功能寄存器 TCON 的高 4 位為定時器的運行控制位和溢出標志位，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 定時器 T0 運行控制位 TR0 TR0 由軟件置位和清零。門控位 GATE 為“ 0”時， T0 的計數(shù)僅由 TR0 控制， TR0 為“ 1”時允許 T0 計數(shù)；門控位 GATE 為“ 1”時，僅當 TR0 等于“ 1”且 0INT 輸入為高電平時 T0 才計數(shù)， TR0 為“ 0”或 0INT 輸入低電平時都禁止T0 計數(shù)。 定時器 T0 溢出標志位 TF0 當 T0 被允許計數(shù)后， T0 從初值開始加“ 1”計數(shù)，最高位產(chǎn)生溢出時， TF0置“ 1”。 TF0 可以由程序查詢和清零。 TF0 也是中斷請求源，當 CPU 響應 T0 13 中斷時，由硬件清零。 定時器 T1 運行控制位 TR1 TR1 由軟件置位和清零。門控位 GATE 為“ 0”時， T1 的計數(shù)僅由 TR1 控制， TR1 為“ 1”時允許 T1 計數(shù)， TR1 為“ 0”時禁止 T1 計數(shù)；門控位 GATE為“ 1”時，僅當 TR1 為“ 1”且 1INT 輸入為高電平時 T1 才計數(shù)， TR1 為“ 0”或 1INT 輸入低電平時都將禁止 T1 計數(shù)。 定時器 T1 溢出標志位 TF1 當 T1 被允許計數(shù)以后， T1 從初值開始加“ 1”計數(shù)，最高位產(chǎn)生溢出時，TF1 置“ 1”。 TF1 可以由程序查詢和清零， TF1 也是中斷請求源，當 CPU 響應T1 中斷時，由硬件清零。 2.1.3 補償電路 所購買的石英晶體傳感器在測量牛奶冰點溫度時， 25不一定會達 到16.8MHz 的要求，所以必然會引起一定的誤差。因此設計中加入了一個八位手動撥碼開關，可以手動地對系統(tǒng)的誤差進行補償，使系統(tǒng)精度得到很大程度的提高，一旦 8 位撥碼開關補償值調(diào)整完， 8 位撥碼開關的 8 個開關就不能再有變化了。在溫度變送器損壞或者老化后，需要更換新的溫度變送器，此時必須再一次手動調(diào)整 8 位撥碼開關，對系統(tǒng)進行補償。設定溫度補償值時，一般利用標準大氣壓下純凈的水的冰點溫度為 0.000進行補償，此時查看數(shù)碼管顯示溫度，計算出純凈的水的冰點溫度和數(shù)碼管顯示溫度的差值。下面就可以對數(shù)據(jù)手動地補償了。 8 位 撥碼開關輸出的數(shù)據(jù)為原碼，開關 S1 控制補償電路數(shù)據(jù)的符號位，當S1 斷開時，單片機最高位接地為“ 0”，輸出數(shù)據(jù)為正，當 S1 按下時，最高位為“ 1”，輸出數(shù)據(jù)為負。補償電路采用的是二進制數(shù)據(jù)，其他開關 S2-S8 控制補償電路的 7 位數(shù)據(jù)值，所以 8 位撥碼開關所能校正的差值范圍為 0.128。測量標準大氣壓下純凈的水的溫度，當水變?yōu)楸衔飼r，此時水的溫度理論上是冰點溫度 0.000。假如當前 5 個數(shù)碼管顯示溫度為 -00.03時，補償值為 +0.030 ,此時， 8 位撥碼開 關的二進制值為 00011110，所以把 S4、 S5、 S6、S7 閉合，其他開關打開。 計數(shù)器 14 補償電路 圖 2.6 補償電路 2.1.4 數(shù)據(jù)選擇器 三態(tài)輸出門與一般的門電路不同，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)（或稱禁止狀態(tài)、開路狀態(tài)）。 三態(tài)門最重要的一個用途是可以實現(xiàn)用同一根導線輪流傳送幾組不同的數(shù)據(jù)。通常把接受三個或三個以上門的輸出信號的線叫做總線，總線是具