1、摘 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 单片机 频率测量ABSTRACTAlong
2、 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, precision and automation level , form
3、 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 frequency and measure week t
4、wo 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 electronic counter measures the f
5、oundation 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 machine ,Frequency measured目 录第一章 前
6、言1第二章 总体设计方案2第三章 测频方案的选取33.1电子计数法测频.33.2频率的模拟测量.53.3单片机测量法.6第四章 硬件电路的设计84.1传感器的选择.84.2信号处理电路.94.3单片机内部定时/计数器的工作原理.10第五章 显示部分125.1 LED数码显示器的结构.125.2 LED数码显示器的显示段码.125.3 LED数码显示器与MCS-51单片机接口电路.13第六章 测量误差分析156.1测频与测周的原理概述.156.2测频误差分析.156.3测周误差分析.16第七章 软件设计187.1 测频子程序.187.2 测周子程序.19第八章 结论20致 谢21参考文献22附录
7、：测周子程序23I第一章 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
8、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。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
9、。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 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
10、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 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。3.1电子计数法测频传
11、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)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
12、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=1000010=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
13、上讨论可知，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，即由被测信号控制主门开门，而用时标脉冲计数
14、，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
15、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)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。3.2频率的模拟测量（一）电桥法测频 电桥法测频是利用
16、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。这种电桥测频的精度取决于各种元件的精确度，判断电桥平衡的准确度和被测信号的频谱纯度，能达到的测频精度为（0.51）%。高频时，由于寄生参数影响严重，会使测量精度大大下降，所以这种电桥测频法仅适用于10KHz以下的音频范围。（二）谐振法测频谐振法就是利用电感，电容串联谐振回路的谐振特性来实现测频。适当调整表盘刻度可以直接读出被测频率值。这种方法的测量误差主要由以下几方面原因造成：1.实际电感，电容的损耗越大，回路品质因数越低谐振曲线越钝，越不容易找出真正的谐振点。2.通常用改变刻度是在规定的标定条件下刻度的，当环境温度，湿度等因素变化时，将使电
17、感，电容实际值发生变化，从而回路固有频率发生变化，从而造成了测量误差。3.通常用改变电感的办法来改变频段，用改变电容来进行频率细调。由于频率刻度不能分得无限细，人眼读数也常有一定误差。综上所述，谐振方法测频误差大约在（0.251）%范围内，常作为频率粗测或某些仪器的附属测频部件。（三）频率电压转换法考虑到目前的电压测量技术已经成熟，可以将频率信号线形地转换为电压信号，对此电压信号进行测量，换算，直接显示频率值。基本原理框图如图3-4所示图3-4频率电压转换原理图该系统的核心是采用了频率电压转换器将频率信号转换成电压信号，但它有一定的频率范围，故需在适当的频段进行分频或倍频。此电路原理简单，但电
18、路组成复杂，当测量精度要求较高时，电路成本也较高。该电路的附加电路复杂，调试也比较复杂，困难。另外此电路成本也较高，分频器、频率电压转换器以及面板表的成本也较高，整个电路花费太多。3.3单片机测量法如前所述，当采用电子计数器测量时，需要计数器、定时器及一系列的分频和倍频电路，在电路连接上它们彼此无关,这样就降低了电路的可靠性和稳定性。同时，该方案在自动控制应用的扩展方面能力低。当采用单片机测频时，可以改善电路的可靠性和稳定性及扩展能力。对单片机而言，测频或测周所需的定时器、计数器、电路所需的一系列分频和倍频电路等都集成在单片机内部。这样，即能提高系统的可靠性、稳定性，也能降低电路的成本，同时简
19、化了电路，便于调试。系统原理框图如图3-5所示：图3-5单片机测频原理图综上所述，选用单片机系统来完成本任务有以下几点优势：1.本方案可靠性高、稳定性好、精度高、测量速度快、扩展能力强、成本相对较低。2.系统的控制、调试工作比较简单。3.采用单片机时，对不同的频段采用不同的测量方法，可以实现测量的自动量程转换。4.采用单片机时，外围电路比较简单，所用元器件少，成本低廉。第四章 硬件电路的设计4.1传感器的选择（一）涡轮式流量计工作原理：当被测流体流经传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，叶轮即周期性地改变磁电感应系统中的磁电阻，使通过线圈的磁通量周期性地发生变化而产生电脉冲信号，
20、经放大器放大后传送至相应的流量积算仪表，进行流量或总量的测量。（二）涡轮式流量计的结构：传感器的结构如图4-1所示，它主要由壳体、前导向架、叶轮、后导向架、压紧圈和带放大器的磁电感应转换器等组成。图41LWGY涡轮流量传感器结构图（三）传感器技术参数：公称通径： 4200精度： 0.5、1 范围度： 1：10、1：6 公称压力： 1.6、2.5、6.3、25、32Mpa介质温度： -20+120 环境温度： -20+50 输出信号： 电压脉冲，低电平2.0V、高电平9.5V 供电电源： 12V DC 、12V DC信号传输距离：传感器至显示仪表的距离可达500m4.2信号处理电路这种涡轮式流量
21、传感器根据型号的不同输出信号的形式、大小也不同，所以所需要的信号处理电路也不大一样。此类传感器中有一些是可以输出方波脉冲信号，并集成有信号放大器，故只需对信号进行滤波，稳压，整形即可加到单片机上进行频率测量。图42 过零检测及整形电路上图是为保证被测信号的质量，在信号进入单片机之前对信号进行简单再处理。在图中被测信号fx现通过滤波电路被送入过零比较器反项端。比较器的正向端是由电阻网络提供的一个稳定的、标准的零电平，之后通过整形电路即可接入单片机。（一）电压比较器简介：电压比较器是一种常用的模拟信号处理电路。它将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较器的输出只有两种可
22、能的状态：高电平或低电平。在自动控制及自动测量系统中，常常将比较器应用于越限报警、模/数转换以及各种非正弦波的产生和变换等等。比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号是数字量1或0，因此，可以认为比较器是模拟电路和数字电路的“接口”。由于比较器的输出只有高电平和低电平两种状态，所以其中的集成运放常常工作在非线性区。从电路结构看，运放经常处于开环状态，有时为了使输入、输出特性在状态转换时更加快速，以提高比较精度，也在电路中引入正反馈。4.3单片机内部定时/计数器的工作原理MCS-51单片机内有两个可编程的定时/计数器，它们具有两种工作模式及四种工作方式。其控制字均在相应的特殊功能寄存器中，
23、通过对控制寄存器的编程，用户可方便地选择适当的工作方式。（一） 定时/计数器的结构：如下图图4-3定时/计数器结构图如图4-3所示，定时器0由TH0、TL0构成，定时器1由TH1、TL1构成。TMOD用于控制定时器和计数器的功能及工作方式，TCON用于控制定时器和计数器的启动与停止，同时包含了定时器的状态。它们属于特殊功能寄存器，这些寄存器的内部靠软件设置，系统复位时寄存器所有位都被清零。（二）定时/计数器的四种工作方式 M1 M0 工 作 方 式0 0方式0： TLX中低5位与THX的8位构成13位计数器 0 1方式1： TLX与THX构成16位计数器1 0方式2： 常数自动重装载的8位计数
24、器1 1方式3： 仅适用于T0，分成两个8位计数器，T1停止计数（三）定时/计数器对输入信号的要求当单片机内部的定时/计数器被选择为定时器工作方式时，计数输入信号是单片机内部时钟脉冲每个机器周期产生一个脉冲，使计数器增加1。因此，定时器的输入脉冲周期等于机器周期，是振荡周期的1/12。如选用6MHz的晶体震荡器，输入脉冲的周期间隔是2us。当单片机内部定时/计数器工作在计数方式时，计数脉冲来自相应的外部输入引脚T0或T1。当输入信号产生1至0的跳变时，计数器的值增1。每个机器周期的期间，对外部输入采样。若在第一周期中采样值为1，在第二个周期采样值为0，则在紧跟着的第三个周期期间计数器增加1。由
25、于确认一次跳变要花两个机器周期，即24个振荡周期，因此外部输入的脉冲最高频率为振荡频率的1/24，若选用6MHz的晶体振荡器，则允许输入的最高频率为250KHz。对于外部信号的占空比没有限制，但为了保证某一给定的电平在变化前至少被采样一次，这一电平至少要保持一个机器周期。（四） 门控位GATE的功能和使用方法以T1为例，如图4-4，设T1工作在方式1：图4-4 T1工作方式1门控位GATE使定时/计数器T1的启动计数受INT1的控制，当GATE为1，TR1为1时，只有INT1引脚输入高电平时，T1才被允许计数。利用这一功能，可测试INT1引脚上正脉冲的宽度（机器周期数），其方法如图4-3所示。
26、图4-5正脉冲宽度测量原理若选用晶振6MHz，计数值N1，则INT1引脚上信号周期为：T = 2 N1 2us = 4N1（us） (4-1)（五）单片机与输入信号的接口由上述定时/计数器工作原理可知，利用单片机可分别进行测频、测周工作，在这两种测量方式中，只要将整形电路输出的方波信号分别接到T1引脚和INT1引脚即可。第五章 显示部分5.1 LED数码显示器的结构 LED数码显示器是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点，故通常称之为7段(也有称作8段)发光二极管数码显示器。其内部结构如图5-1所示。LED数码显示器有两种连接方法：1共阳极接法 。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极 ，使用时公共阳极接+5V ，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连 。如图5-1所示 2共阴极接法 。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。如图5-1所示 图5-1 LED数码显示器的结构与显示段码5.2 LED数码显示器的显示段码为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码(或称字形代码)，组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的显示段码为1个字节 。各段码位的对应关系如表5-1所示 。表5-1
