牛奶雜質(zhì)濃度測試儀的硬件設(shè)計(jì)

牛奶雜質(zhì)濃度測試儀的硬件設(shè)計(jì),牛奶,雜質(zhì),濃度,測試儀,硬件,設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 南京工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)開任務(wù)書 自動(dòng)化 系 測控 專業(yè) 設(shè)計(jì)題目： 牛奶雜質(zhì)濃度測試儀的硬件設(shè)計(jì)　　　　　 學(xué) 生 姓 名　 顧旭東 　 　　 班 級(jí) 測控031 起 止 日 期 2006年2月20日—6月15日 設(shè) 計(jì) 地 點(diǎn) 自動(dòng)化系 指 導(dǎo) 教 師 潘松奇　 　　　 教研室主任 溫秀蘭 發(fā)任務(wù)書日期 2006年2月18日 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)： 溫度傳感器采用：LC切割型石英晶體溫度變送器，控制器采用AT89C52單片機(jī) 2.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容和要求（包括技術(shù)要求、圖表要求以及工作要求等）： 硬件電路由計(jì)數(shù)器電路、補(bǔ)償電路、控制電路、數(shù)據(jù)選擇電路和顯示電路等 3.畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)完成的技術(shù)條件： 畢業(yè)論文，其中包括： 原理圖設(shè)計(jì) PCB文件 4.主要參考文獻(xiàn)： 《單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 5.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度計(jì)劃（以周為單位）： 起止日期 工作內(nèi)容 備注 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 熟悉課題，查找相關(guān)資料 熟悉AT89C52單片機(jī)，包括電路組成方法熟悉相關(guān)傳感器和Protel 電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì) 畫原理圖 畫PCB圖 做畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 做畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 做畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，完成答辯 教研室審查意見： 室主任 年 月 日 系部審查意見： 系主任 年 月 日 2 南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 題目： 牛奶雜質(zhì)濃度測試儀硬件設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 測控技術(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)： Graduation Design (Thesis) Hardware Design for Impurity Concentration of Milk Tester By GU Xudong Supervised by Engineer PAN Songqi Department of Automation Engineering Nanjing Institute of Technology June, 2007 35 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 牛奶雜質(zhì)濃度測試儀是通過測試牛奶的冰點(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，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生寬度為1s的門控信號(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位撥碼開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，兩片74LS244三態(tài)門作為測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，通過一個(gè)由單片機(jī)直接控制的蜂鳴器鳴叫來進(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、數(shù)碼管 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 door's 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 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 3.2 硬件的檢測與調(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 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(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)于非晶體來說，并無固定的凝固點(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┖螅芤旱哪厅c(diǎn)就比純?nèi)軇┑?。溶液的凝固點(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 2~50nm;（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 30~100nm;（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50~10000nm。 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，通過牛奶冰點(diǎn)檢測可大致判別其加水量。 1.2 檢測牛奶冰點(diǎn)的方法及表示單位 1.2.1儀器與方法 當(dāng)今流行的檢測牛奶冰點(diǎn)的方法是應(yīng)用冰點(diǎn)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(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測知，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(diǎn)測定儀。其操作相當(dāng)準(zhǔn)確、簡便。 上海近年研制成功的CHL-100型鮮奶冰點(diǎn)測定儀，單機(jī)尺寸 40×30×24cm，重量14kg，用220VAC電源，功耗100W ，工作環(huán)境溫度10~30℃。每次測試用奶樣2.5mL，檢測時(shí)間2~4min，測 溫 范 圍0.0000~-1.0000℃， 測溫 分 辨 率0.0001℃，冰點(diǎn)測定精密度<±4m℃。該儀器通過校準(zhǔn)后可測出牛奶樣品的冰點(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)的測定單位與表示方法 牛奶冰點(diǎn)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(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氏裝置測定。所以，迄今仍有一些國家和地區(qū)應(yīng)用 Hortve氏刻度來表示牛奶的冰點(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，為簡化起見，在某些場合下，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)檢測指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判，常用的方法之一，就是檢測其冰點(diǎn)。如果純真牛奶的冰點(diǎn)設(shè)定為-0.540℃，據(jù)測定，牛奶中每加入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0.52~0.53℃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(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)基本無差異。同一地區(qū)全年各月之間所產(chǎn)奶的冰點(diǎn)幾乎無差異 。 在奶牛飼養(yǎng)過程中，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。 我們面臨的問題是，用作冰點(diǎn)檢測的牛奶樣品，既不能添加任何防腐劑，又不能使其中的細(xì)菌生長繁殖。因此，務(wù)必在嚴(yán)格冷藏的條件下謹(jǐn)慎儲(chǔ)運(yùn)。在測定牛奶冰點(diǎn)時(shí)，往往同時(shí)檢測其可滴定酸度，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)地說明了對(duì)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(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進(jìn)一步研究的方向。 第二章 牛奶雜質(zhì)濃度測試儀硬件電路設(shè)計(jì) 這次設(shè)計(jì)的是牛奶雜質(zhì)濃度測試儀，其本質(zhì)測試的是牛奶的冰點(diǎn)溫度。液體在降溫過程中，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)的測定，來對(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)典的方法就是測得其冰點(diǎn)溫度增高來檢出。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。 t/s T/℃ 0 45-120s 冰點(diǎn)溫度 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)器中斷方式來獲取采樣時(shí)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(shí)現(xiàn)快速測量。 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)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)過適當(dāng)切割后制成，當(dāng)被測參量發(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)和測量方法就可獲得與被測參量成一定關(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、便于測量等特點(diǎn)著稱，主要用于高準(zhǔn)確度、高分辨力的溫度測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 =16.8×-25×1000=16775000 Hz 溫度-0.54℃時(shí)，頻率為 =16.8×-(25+0.54)×1000=16774460 Hz 在設(shè)計(jì)牛奶雜質(zhì)濃度測試儀時(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)待測頻率f，待測頻率經(jīng)過電子閘門后就進(jìn)行計(jì)數(shù)，電子閘門采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生秒信號(hào)，這個(gè)秒信號(hào)為1s寬的門控信號(hào)。在電子閘門打開時(shí)就可以對(duì)待測頻率進(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)過數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)就可以通過LED進(jìn)行顯示出來，顯示的數(shù)值即為當(dāng)前待測頻率f的值。 f 電子閘門 計(jì)數(shù)器 數(shù)據(jù)處理 補(bǔ)償電路 顯示 秒信號(hào) 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(zhuǎn)換成頻率信號(hào)?？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。 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，型號(hào)為“HC32”，其作用相當(dāng)于一個(gè)電子閘門。或門輸入端一個(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的門控信號(hào)，門控信號(hào)低電平時(shí)電子閘門“HC32”打開，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?”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2；在方式1時(shí)M為2；在方式2和方式3時(shí)M為2。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） 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 Φ為12MHZ，則最大定時(shí)時(shí)間為： 方式0時(shí) =2×1μs=8.192ms 方式1時(shí) =2×1μs=65.536ms 方式2時(shí) =2×1μs=0.256ms 溫度采樣過程中，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 =0.5MHz×=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 × 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 × × × × × 保持 × H H L × × × × × 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（=1）。 2) 同步置數(shù) 為預(yù)置數(shù)控制端。在=1（不處于清零狀態(tài)）的條件下，只要在為低電平（=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)開始進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。不預(yù)置數(shù)時(shí)應(yīng)使為高電平（=1）。 3) 計(jì)數(shù) 和為計(jì)數(shù)控制端。在=1（不清零）和=1（不送數(shù)）的條件下，若控制端、均為高電平（==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=1（不送數(shù)）的條件下，當(dāng)控制端與中只要有一個(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=0、=1時(shí)，狀態(tài)不變；而在=1、=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)控制端和、置數(shù)端都接高電平，計(jì)數(shù)允許由電子閘門接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)。 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入工作方式和控制寄存器，用以確定工作方式，這個(gè)過程稱為定時(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。 通過對(duì)TH0、TL0HE TH1、TL1的初始化來設(shè)置T0、T1計(jì)數(shù)器初值，通過對(duì)TCON和TMON的編程來選擇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/ M1 M0 GATE C/ 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 表2.2 定時(shí)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(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/：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/實(shí)際上是選擇計(jì)數(shù)脈沖源。 C/=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1μs。定時(shí)器從初值開始加“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/=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)；門控位GATE為“1”時(shí)，僅當(dāng)TR0等于“1”且輸入為高電平時(shí)T0才計(jì)數(shù)，TR0為“0”或輸入低電平時(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)；門控位GATE為“1”時(shí)，僅當(dāng)TR1為“1”且輸入為高電平時(shí)T1才計(jì)數(shù)，TR1為“0”或輸入低電平時(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 所購買的石英晶體傳感器在測量牛奶冰點(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位撥碼開關(guān)補(bǔ)償值調(diào)整完，8位撥碼開關(guān)的8個(gè)開關(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位撥碼開關(guān)輸出的數(shù)據(jù)為原碼，開關(guān)S1控制補(bǔ)償電路數(shù)據(jù)的符號(hào)位，當(dāng)S1斷開時(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位撥碼開關(guān)所能校正的差值范圍為0.128℃。測量標(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位撥碼開關(guān)的二進(jìn)制值為00011110，所以把S4、S5、S6、S7閉合，其他開關(guān)打開。 計(jì)數(shù)器 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?fàn)顟B(tài)、開路狀態(tài)）。 三態(tài)門最重要的一個(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)以上門的輸出信號(hào)的線叫做總線，總線是具有控制功能的傳送的公共通道。 圖2.7 74LS244引腳圖 多個(gè)三態(tài)門的輸出端可以直接相連，但與OC門線不同的是，在任何時(shí)候只能有一個(gè)三態(tài)門處于工作狀態(tài)，不允許兩個(gè)或兩個(gè)以上三態(tài)門同時(shí)工作。因此，連在一起的三態(tài)門是分時(shí)工作的。這就需要對(duì)各個(gè)三態(tài)門的使能端EN行適當(dāng)控制。當(dāng)兩個(gè)三態(tài)門同時(shí)改變工作狀態(tài)是，就應(yīng)該保證從工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為高阻狀態(tài)的速度要比從高阻狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)的速度來得快，否則就可能出現(xiàn)兩個(gè)三態(tài)門同時(shí)工作的狀態(tài)，從而使輸送的狀態(tài)不正常。所以可以讓總線上各個(gè)三態(tài)門輪流地接高電平控制信號(hào)，那么由多個(gè)三態(tài)門輸出的多組數(shù)據(jù)，就會(huì)一個(gè)一個(gè)輪流地送到總線上，這樣就實(shí)現(xiàn)了一線多用。 如圖2.7為74LS244引腳圖。74LS244內(nèi)部共有兩個(gè)四位三態(tài)緩沖器，分別以和作為它們的選通工作信號(hào)，當(dāng)和都為低電平時(shí)，輸入端A和輸入Y狀態(tài)相同：當(dāng)和都為高電平時(shí)，輸出呈高阻態(tài)。 在與單片機(jī)連接時(shí)，可以在溫度補(bǔ)償電路部分加個(gè)反相器，通過單片機(jī)P1.1口控制，當(dāng)P1.1為低電平時(shí)，選通計(jì)數(shù)器，這樣就把計(jì)數(shù)頻率輸入到單片機(jī)儲(chǔ)存起來；此時(shí)，通過一個(gè)反相器，溫度補(bǔ)償電路部分的三態(tài)門為高電平，處于高阻狀態(tài)不選通；當(dāng)P1.1為高電平時(shí)，選通8位撥碼開關(guān)，把溫度補(bǔ)償電路的數(shù)據(jù)送至單片機(jī)儲(chǔ)存，計(jì)數(shù)器處于高阻狀態(tài)不選通。 2.1.5 單片機(jī) AT89C52是一個(gè)低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8位的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和256B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可提供許多復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用的場合。 AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合再一起，特別時(shí)可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C52的引腳排列如圖2.8所示: 圖2.8 AT89C52引腳圖 ●VCC：電源。 ●GND：地。 ●P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。再訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，再訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。再Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 ●P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。 ●P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位互準(zhǔn)雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問外部存儲(chǔ)器或16位地址的外部存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口線上的內(nèi)容，在整個(gè)訪問期間不改變。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其他控制信號(hào)。 ●P3口：P3口時(shí)一組帶有內(nèi)部上拉電阻的準(zhǔn)8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫“1”時(shí)，他們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的功能時(shí)它的第二功能，如表2.3所示，P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 表2.3 P3口第2功能表 引腳 第2功能 P3.0 RXD（串行口輸入端） P3.1 TXD（串行口輸出端） P3.2 （外部中斷0請(qǐng)求輸入端，低電平有效） P3.3 （外部中斷1請(qǐng)求輸入端，低電平有效） P3.4 T0（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端） P3.5 T1（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端） P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端，低電平有效） P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效） ●RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ●ALE/：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)，即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元中的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會(huì)被激活，此外，該引腳還會(huì)微弱被拉高。單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無效。 ●：程序存儲(chǔ)允許（）輸出時(shí)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)不出現(xiàn)。 ●/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器，端必須保持低電平。需注意的是如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存端狀態(tài)。如端為高電平CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當(dāng)然這必須時(shí)該器件是使用12V的編程電壓VPP。 ●XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 ●XTAL1：振蕩器反相放大器的輸出端。 本設(shè)計(jì)把P0.0-P0.7作為單片機(jī)的輸入部分，P2.0-P2.5作為單片機(jī)的輸出部分，P3.0,P3.1用于串行接口部分。 2.1.6 時(shí)鐘振蕩電路 時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。此次設(shè)計(jì)采用的AT89C52允許的時(shí)鐘頻率為12MHZ。圖為單片機(jī)的時(shí)鐘電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，由圖可見時(shí)鐘電路是一個(gè)反相放大器，XTAL1、XTAL2分別是反相放大器輸入和輸出端，外接晶振和電容組成振蕩器。振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率主要由晶振的頻率決定，電容C1和C2的作用有兩個(gè)：其一是使振蕩器起振，其二是對(duì)振蕩器的頻率f起微調(diào)作用（C1、C2變大，f變?。?，其值為30pF。振蕩器再加電以后約10ms開始起振，XTAL2輸出3V左右的正弦波。振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。 圖2.9 時(shí)鐘振蕩電路 2.1.7 復(fù)位電路 當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，再RST引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。在此引腳與接地端連接一個(gè)約8.2KΩ的下拉電阻，與接地端之間連接一個(gè)約10μF的電容，以保證可靠復(fù)位。圖2.10為具有手動(dòng)復(fù)位功能的單片機(jī)電路原理圖。 圖2.10 復(fù)位電路 2.1.8 控制電路 控制電路部分如圖2.11所示?？刂齐娐凡糠旨尤肓巳齻€(gè)按鍵：分別是控制采樣開始的“START”鍵，控制讀取數(shù)據(jù)結(jié)果的“STOP”鍵和控制電路復(fù)位的“RST”鍵。每個(gè)按鍵都采用獨(dú)立式按鍵設(shè)計(jì)，它們分別由單片機(jī)P1.3、P1.4和P1.5口直接控制。 獨(dú)立式按鍵的每個(gè)鍵都有一根信號(hào)線與AT89C52相連，所有按鍵有一個(gè)公共地或公共正端，每個(gè)鍵相互獨(dú)立互不影響。當(dāng)按下鍵“START”時(shí)，無論其他鍵是否按下，鍵“START”的信號(hào)線就由1變0，當(dāng)松開鍵“START”時(shí)，無論其他鍵是否按下，鍵“START”的信號(hào)線就由0變1。 圖2.11 控制電路 系統(tǒng)電源打開之后，5個(gè)LED數(shù)碼管顯示“HELLO”字樣，此時(shí)測試儀處于待命狀態(tài)。當(dāng)按下“START”鍵時(shí)，P1.3直接與公共地端相連為低電平。設(shè)定測試儀開始采樣，此時(shí)LED數(shù)碼管顯示為“-----”，當(dāng)系統(tǒng)檢測到牛奶溫度到達(dá)冰點(diǎn)溫度時(shí)，冰點(diǎn)提示電路的蜂鳴器鳴叫，數(shù)碼管顯示冰點(diǎn)溫度。按下“STOP”鍵后，P1.4接地為低電平，測試儀停止采樣，數(shù)碼管仍顯示冰點(diǎn)溫度，便于使用人員記錄數(shù)據(jù)。按下“RST”鍵時(shí)，P1.5接地為低電平，設(shè)定計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)清零，數(shù)碼管回到初始狀態(tài)，顯示“HELLO”，等待下次測量。 2.1.9 顯示電路 此次設(shè)計(jì)的顯示電路采用的是負(fù)極連在一起的共陰極顯示器。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆端段發(fā)光?？刂撇煌M合的筆段，就能顯示數(shù)字、若干字母及符號(hào)。 下表中為七段LED數(shù)碼顯示器顯示內(nèi)容與代碼關(guān)系，顯示內(nèi)容即為數(shù)碼管 的顯示碼，要讓數(shù)碼管顯示其內(nèi)容，就要找到相應(yīng)的段選碼。表2.4中給出了設(shè)計(jì)中所采用的數(shù)碼管可以顯示的內(nèi)容。 表2.4 七段LED數(shù)碼顯示器顯示內(nèi)容與代碼關(guān)系 顯示內(nèi)容 共陰極代碼 顯示內(nèi)容 共陰極代碼 0 3FH 8 7FH 1 06H 9 6FH 2 5BH H 76H 3 4FH E 79H 4 66H L 38H 5 6DH O 3FH 6 7DH 熄滅 00H 7 07H FFH 顯示電路由5位LED數(shù)碼管顯示器組成，采用動(dòng)態(tài)顯示方式，共有5根位選線和8×5根段選線。所有位的段選碼并聯(lián)在一起由一個(gè)八位I/O口控制，而共陰極點(diǎn)由另外的I/O口線控制。這樣，八位LED動(dòng)態(tài)顯示電路只須兩個(gè)八位I/O口，一個(gè)控制段選碼，一個(gè)控制位選碼。由于所有的段選碼皆由一個(gè)八位I/O口控制，因此，要想每位顯示不同的字符，必須采用掃描方式。即在每一瞬間，段選控制I/O口輸出與與顯示字符相對(duì)應(yīng)的段選碼，位選控制I/O口P2.0-P2.4經(jīng)過反相器在該顯示位送出選通電平（P2口送高電平，共陰極送低電平）。通過一位一位地輪流，使每位顯示該位應(yīng)顯示的字符并保持一段時(shí)間，只要對(duì)每個(gè)顯示器來說，選通頻率大于50Hz，就可以造成視覺暫留效果。動(dòng)態(tài)顯示方式的優(yōu)點(diǎn)時(shí)節(jié)約硬件，缺點(diǎn)是CPU須周期性地對(duì)各顯示器進(jìn)行掃描。 圖2.12 位碼控制部分 AT89C52的串行口是一個(gè)全雙工的異步串行通信接口，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。串行口內(nèi)部有數(shù)據(jù)接收緩沖器和發(fā)送緩沖器。數(shù)據(jù)接收緩沖器只能讀出不能寫入，數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出，這兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器都用符號(hào)SBUF來表示，地址都是99H。方式0輸出時(shí)，串行口上外接74LS164串行輸入并行輸出移位寄存器的接口邏輯。TXD端輸出的移位脈沖將RXD端輸出的數(shù)據(jù)移入74LS164，置位TI，串行口停止移位，于是完成一個(gè)字節(jié)的輸入。74LS164的輸出狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的。另外，串行口是從低位開始串行輸出的。 圖2.13 段碼控制部分 2.1.10 冰點(diǎn)提示電路 冰點(diǎn)提示部分采用了一個(gè)蜂鳴器，由單片機(jī)P2.5直接控制，外接5V電源驅(qū)動(dòng)。如圖2.14，當(dāng)系統(tǒng)剛開始檢測沒有到達(dá)冰點(diǎn)溫度時(shí)，AT89C52的P2.5口為低電平，此時(shí)三極管截止，蜂鳴器不發(fā)聲。當(dāng)系統(tǒng)檢測到當(dāng)前狀態(tài)達(dá)到冰點(diǎn)溫度時(shí)，AT89C52的P2.5口變?yōu)楦唠娖?，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器鳴叫，提示牛奶已經(jīng)到達(dá)冰點(diǎn)溫度。此時(shí)，檢測人員按下控制電路的“STOP”鍵，讀取數(shù)碼管顯示溫度并記錄下來，和標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)牛奶雜質(zhì)濃度是否超標(biāo)。 圖2.14 冰點(diǎn)提示電路 2.2 電路板的繪制 2.2.1 Protel 99SE的使用 在具體的牛奶雜質(zhì)濃度測試儀硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用電路原理圖和電路板設(shè)計(jì)軟件—Protel 99SE。Protel 99SE提供了非常強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能，在這個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)境下可以很方便地繪制系統(tǒng)的原理圖。Protel 99SE內(nèi)部包含許多電子元器件庫，用戶要用到什么元件只要加載正確的元件庫就可以找到所需要的元件，然后對(duì)所需要的元件進(jìn)行布局，使它盡量美觀。連線時(shí)將要連接的引腳用工具欄上的導(dǎo)線連起來。此時(shí)可以對(duì)原理圖進(jìn)行電氣規(guī)則檢查，主要檢查元件之間的相互連接，確認(rèn)沒有錯(cuò)誤后原理圖就畫好了。利用Protel 99SE還可以生成PCB圖，在生成PCB圖時(shí)必須先設(shè)置每個(gè)元件的封裝，如果找不到所要的封裝也可以根據(jù)實(shí)物畫一個(gè)封裝圖添加到庫中，然后生成網(wǎng)絡(luò)表，確認(rèn)無誤后就可以在PCB環(huán)境下畫PCB圖了。 由于PCB板有若干個(gè)層面所以必須先定義各個(gè)層面的作用。比如禁止布線層是用來規(guī)劃PCB板的大小的，我們可以先畫一個(gè)矩形框來決定最終生產(chǎn)出來的印制板的形狀和尺寸。此次設(shè)計(jì)采用雙層板設(shè)計(jì)，設(shè)定頂層和底層為布線層，元件裝在頂層為針插式。在原理圖畫完后生成網(wǎng)絡(luò)表，在PCB環(huán)境下加載網(wǎng)絡(luò)表就可以看見板子中間出現(xiàn)了很多相互疊加的元件，把它們一個(gè)個(gè)分開后排列整齊，盡量調(diào)整元件和元件之間的距離，使板子的空間最小，節(jié)約成本。然后設(shè)定布線規(guī)則，比如走線寬度、導(dǎo)線間距等。完成上面的步驟后就可以讓電腦啟動(dòng)自動(dòng)布線，然后等待電腦完成自動(dòng)布線。 2.2.2 電路圖的繪制 電路圖包括原理圖和PCB圖： ①繪制原理圖步驟： 1) 新建文件。運(yùn)行Protel 99SE，新建一個(gè)DDB文件，命名為“MyDesign”。打開這個(gè)文件，在這文件中新建一個(gè)sch文件，命名為“203030612.sch”，這個(gè)文件即是我們繪制電路圖的文件。新建一個(gè)pcb文件，命名為“203030612.pcb”，這個(gè)文件存放電路的PCB圖。 2) 設(shè)置原理圖設(shè)計(jì)環(huán)境。設(shè)計(jì)環(huán)境對(duì)畫原理圖影響很大，在畫原理圖之前，應(yīng)該把設(shè)計(jì)環(huán)境設(shè)置好。工作環(huán)境設(shè)置是使用Design/Options和Tool/Preferences菜單進(jìn)行的。畫原理圖環(huán)境的設(shè)置主要包括圖紙大小、捕捉柵格、電氣柵格、模板設(shè)置等。此次設(shè)計(jì)采用默認(rèn)設(shè)計(jì)環(huán)境。 3) 放置元件。將電氣和電子元件放置到圖紙上。一般情況下元件的原理圖符號(hào)在元件庫中都可以找到，只需將元件庫中的元件從庫中取出，放置在圖上。此次設(shè)計(jì)中有部分電氣和電子元件在Protel 99SE庫中無法找到，如AT89C52、74系列等。為此，我從網(wǎng)上下了一個(gè)電氣和電子元件庫“MYSCH”，基本滿足了設(shè)計(jì)需要。只要把該庫添加到Protel 99SE庫中就可以使用了。 4) 原理圖布線。完成放置元件后，就需要用導(dǎo)線把他們連接起來。連接時(shí)應(yīng)按照電氣規(guī)則連接。對(duì)于8段數(shù)碼管，采用了總線的形式進(jìn)行連接，此時(shí)需要在每個(gè)線上寫上相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)即可。 5) 編輯與調(diào)整。編輯元件的屬性，包括元件名、參數(shù)、封裝圖等。調(diào)整元件和導(dǎo)線的位置等操作。每個(gè)元件都需要設(shè)置，由于在Protel 99SE中無法找到開關(guān)的封裝圖，需要手動(dòng)繪制并添加至Protel 99SE庫中。 6) 檢查原理圖。使用Protel 99SE的電氣規(guī)則檢查功能檢查原理圖