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1、摘摘 要要 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片机的出现和发展， 使传统的电子测量仪器在原功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大变化， 形成一种完全突破传统概念的新的测量系统。 针对本课题的基本要求，本文设计出一种以传感器和单片机相结合的系统。 核心技术是频率测量，可以使用测频和测周两种方式。并根据系统标定参数将 频率直接换算为流量值。本文利用单片机内部集成的定时器、计数器等所须电 路，在电子计数器测频原理的基础上进行改进并完成了流量的测量、显示及控 制工作。 采用单片机系统提高了测量的精度和测量的速度，并能在需要的情况下完 成多种自动控制功能。 关键词：传感器关键词：传感器 单
2、片机单片机 频率测量频率测量 ABSTRACT Along with the quick development of microelectronics technical and computer technology, especially development and the appearance of single flat machine, make traditional electronic measure instrument have occured huge change in the aspects such as original function, precisio
3、n and automation level , form the new measure system of a kind of complete breakthrough traditional concept. Aim at the basic requirement of program, this paper devises a kind of system that wants to combine with sensor and single flat machine. Key technology is frequency measure, can use to measure
4、 frequency and measure week two waies. And according to system, marked parameter worths frequency direct conversion for rate of flow. This paper uses the integrated timer of single flat machine inside , the places such as counter must circuit, improve and complete the measure of rate of flow on elec
5、tronic counter measures the foundation of frequency principle , show and control work. With only flat machine, system has raised the speed of measure and the precision of measure , and can complete various voluntarily control function under the condition of needs. Keyword: Sensor ,Single flat machin
6、e ,Frequency measured 目目 录录 第一章第一章 前言前言1 第二章第二章 总体设计方案总体设计方案2 第三章第三章 测频方案的选取测频方案的选取3 3.1 电子计数法测频.3 3.2 频率的模拟测量.5 3.3 单片机测量法.6 第四章第四章 硬件电路的设计硬件电路的设计8 4.1 传感器的选择.8 4.2 信号处理电路.9 4.3 单片机内部定时/计数器的工作原理10 第五章第五章 显示部分显示部分12 5.1 LED 数码显示器的结构12 5.2 LED 数码显示器的显示段码12 5.3 LED 数码显示器与 MCS-51 单片机接口电路13 第六章第六章 测量误差分
7、析测量误差分析15 6.1 测频与测周的原理概述.15 6.2 测频误差分析.15 6.3 测周误差分析.16 第七章第七章 软件设计软件设计18 7.1 测频子程序18 7.2 测周子程序19 第八章第八章 结论结论20 致致 谢谢21 参考文献参考文献22 附录：测周子程序附录：测周子程序23 第一章第一章 前言前言 流体在单位时间内通过垂直于流速的横截面积的数量称为流量，通过的数 量按体积计算的称为体积流量（或容积流量） ，用符号 Q 表示；按质量计算的称 为质量流量，用符号 G 表示。目前流量是人们生活和生产实践中经常需要测量 的参数之一。在测量中常将流量转换成其他非电量，如：差压、转
8、速、位移、 频率，在自动化检测仪表中再转换为电量。 非电量早期多用非电的方法测量，例如用尺测量长度，用水银温度计测量 温度。但随着科学技术的发展，对测量精确度、速度都提出了新的要求，尤其 对动态变化的物理过程进行测量，以及对物理量的远距离测量，用非电的方法 已经不能满足要求了，必须采用电测法。 电测法就是将各种非电量（如温度、压力、速 度、位移、应变、流量、液 位等）变换为电量，而后进 行测量的方法。非电量的电测仪器，主要由下列几 个主要部分组成 : 1传感器： 将被测非电量变换为与其成一定比例关系的电量。 2测量电路： 将传感器输出的电信号进行处理，使之适合于显示、记录 及和微型计算机的联接
9、。 3测录装置： 各种电工测量仪表、示波器、自动记录仪、数据处理器及 控制电机等。 同非电的方法相比，电测法具有无可比拟的优越性： 1便于采用电子技术，用放大和衰减的方法灵活地改变测量仪器的灵敏度， 从而大大扩展仪器的量程。 2电子测量仪器具有极小的惯性，既能测量缓慢变化的量，也可以测量快 速变化的量。因此采用电测技术将具有很宽的测量频率范围。 3把非电量变成电信号后，便于远距离传送和控制，这样就可实现远距离 的自动测量。 4把非电量转换成数字电信号，不仅能实现测量结果的数字显示，而且更 重要的是能与计算机技术相结合，便于用计算机对测量数据进行处理，实现测 量的微机化和智能化。 非电量电测法涉
10、及两个基本问题：一是怎样用传感器将非电量转换为电量， 二是怎样对电量进行测量。因此非电量电测法同传感器技术和电子测量技术是 紧密联系不可分割的。 第二章第二章 总体设计方案总体设计方案 在生产和生活中，流量是经常碰到的需要测量的非电物理量物理量，我们 可以通过各种传感器将流量转换为电信号，该电信号的频率与流量之间有线形 关系： f=kQ (2-1) 式中 Q 为体积流量，k 为传感器的转换灵敏度，k 是需要专门标定的常量参 数。 本系统选用磁电式涡轮流量计将流量转换成电量，该电量通过处理电路形 成电脉冲，然后利用单片机系统测量出该电脉冲的频率，在知道有关参数时还 可以直接显示出流量值 采用单片
11、机系统提高了测量的精度和测量的速度，并能在需要的情况下完 成多种自动控制功能。 系统基本原理框图如下： 图 2-1 系统基本原理框图 第三章第三章 测频方案的选取测频方案的选取 频率测量方法通常可以分为计数法和模拟法两类。计数法具有测量精度高， 速度快，操作简便，直接显示数字，便于与微机结合实现测量过程自动化等一 系列突出优点，是目前最好的测频方法。模拟法因为简便经济有些场合还在使 用。可以完成测频任务的方案有如下几种。 3.13.1 电子计数法测频电子计数法测频 传统的测频方法是采用电子计数器进行测频和测周。这一过程采用硬件电 路完成。 （一） 电子计数器的测频原理 假设在一定时间间隔 T
12、内，计得某一周期信号的重复信号的次数 N，则该 信号的频率可表达为： = (3-1) x f T N 电子计数器可以严格按照上式所表达的频率定义进行测频。其原理框图如 图 3-1 所示。 图 3-1 电子计数器原理框图 首先，把被测信号（以正弦波为例）通过脉冲形成电路转换成脉冲信号 （实际上转换成方波信号即可） ，其重复频率等于被测信号频率，然后将脉冲 信号加到闸门的一个输入端。闸门由门控信号来控制其开闭时间，只有在 闸门开通时间 T 内，被计数的脉冲才能通过闸门，被送到十进制电子计数器 进行计数，门控信号的作用时间 T 是非常准确的，以它作为时间基准（时基） ， 它由时基信号发生器提供。时基
13、信号发生器由一个高稳定的石英晶体振荡器和 一系列数字分频器提供，由它输出标准时间脉冲（时标）去控制门控电路形成 门控信号。 例如：时标信号的重复周期是 1s，则加到闸门的门控制信号作用时间 T “闸门时间”亦准确地等于 1s，即闸门开通时间是 1s，如果这时共计得 100000 个数，则由 fx = N / T 可知被测频率 f=100000Hz，若显示单位是 “KHz”则 f=100K Hz，不难设想，若 T=0.1s，则计数值 10000 乘以 10 就等于 1s 的计数值。即 f=10000 10=100000Hz。实际上，当改变闸门时间 T 时显示器 上的小数点向右移一位。 由以上讨论
14、可知，电子计数器测频的原理实质上是以比较法为基础的，它 将被测频率 f 和时基信号频率相比，两者相比的结果以数字形式显示出来。 （二）电子计数器的测周原理 计数器测周原理框图如图 3-2 所示， 图 3-2 计数器测周原理框图 计数器测周原理：被测信号（以正弦波为例）从输入端 B 输入，经脉冲形 成电路变为方波加到门控电路，比如 Tx=10ms，则主门打开 10ms，在此期间， 时标脉冲通过主门计数，若选时时标为 Ts=1us，则计得脉冲数 N = Tx / Ts = 10000 个，如以 ms 为单位，从计数器显示器上可显示 10ms。 由以上讨论可知，计数器测周的基本原理与测频原理相反，即
15、由被测信号 控制主门开门，而用时标脉冲计数，其实质上也是比较法测量。 实际上，计数器测频与测周分别在低频和高频段存在较大误差，故用计数 器测频时，往往将二者结合起来使用。在高频段采用测频法；在低频段采用测 周法，测出被测信号的周期，再进行换算可得到所测频率值。 采用计数法测频，是完全通过硬件电路完成的，它测量精度高，测量速度 快，但要实现自动量程转换和直接频率显示却比较困难。另外，其硬件电路组 成也比较复杂。 为了改善电路性能，往往可采用倒数计数器测周，通过数字电路完成倒数 计算，并可直接显示频率值。 倒数计数器的基本原理框图如图 3-3 所示 图 3-3 倒数计数器原理框图 主门 1 和计数
16、器 1 工作在测周模式，即输入频率 f 经触发器加工，形成门 控信号 T，在 T 时间内主门 1 开启，时钟 s 通过主门 1 计数，计得 N = Tx / Tc （Tx 是被测信号的周期，Tc 是时钟信号的周期） 。N 作为定标器的预置值， 即将 定标器预置到（100000-N） 。定标器实际起分频 作用，时钟通过门 3 时由 定标器计数，计满 N 个时钟后，计数器溢出并输出进位脉冲。每计完 N 个时钟 输出一个脉冲，故定标器输出频率为 fc / N（周期为 TcN ） ，后者通过主门 2 计数，主门 2 的闸门时间为 T。 测周模式计数值： (3-2) c x T T N 由以上两式可知，计数器 2 计数值正比于 N 的倒数，从而完成倒数运算， 也就是说可从计数器 2 直接得到被测频率。其显示的位数由分频系数而定。 3.23.2 频率的模拟测量频率的模拟测量 （一）电桥法测频 电桥法测频是利用交流电桥的平衡条件和电桥电源频率有关这一特性来测 频。这种电桥测频的
