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文 獻(xiàn) 綜 述課題名稱：基于單片機(jī)的手持測量儀的設(shè)計（硬件部分）課題類型：工程設(shè)計 姓 名：余德財 學(xué) 號：110800508 學(xué) 院：物理與信息工程學(xué)院 專 業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù) 年 級：2008 級 指導(dǎo)教師：曾益彬 2012年3月3日基于單片機(jī)的手持測量儀的設(shè)計中文摘要 近年來，隨著計算機(jī)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是兩絡(luò)的迅速普及和3C(計算機(jī)通信、消費電子)合一的加速，微型化和專業(yè)化成為發(fā)展的新趨勢，單片機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)成為了信息產(chǎn)業(yè)的重要分支，單片機(jī)系統(tǒng)技術(shù)也成為目前電子產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域較為熱門的技術(shù)之一，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于軍事國防、消費電子、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制等各個領(lǐng)域。本文主要討論下單片機(jī)在手持測量方面的應(yīng)用。傳統(tǒng)測量系統(tǒng)具有比較復(fù)雜、體積大、不便集成等缺點，而基于單片機(jī)的手持測量儀具有體積小、功耗低的優(yōu)點。隨著單片機(jī)系統(tǒng)的功能不斷加強(qiáng)，基于單片機(jī)的集成測量系統(tǒng)也得到了廣泛應(yīng)用，手持式測量儀已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和普通個體戶等各個不同的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。發(fā)展體積小，功耗低的便攜式手持測量系統(tǒng)顯得非常必要，而且十分迫切。本文通過研究當(dāng)前一些測量系統(tǒng)的成果和發(fā)展趨勢來討論研究該課題的必要性。另外傳統(tǒng)單一功能的測量儀已經(jīng)不能滿足人們的需要，人們更加希望多種功能能集成在同一個測量儀上，因此多功能手持式測量儀的設(shè)計生產(chǎn)將是今后的主流，而簡單、便捷是設(shè)計師不斷挑戰(zhàn)的重要因素。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，測量儀，手持式Based on SCM handheld measuring instrument designAbstract窗體頂端 In recent years, with the computer and communication technology rapidly developing, especially the rapid popularization of two winding and 3 C (computer communication, consumer electronics) one up, the miniaturization and professionalism has become a new trend in the development of, microcontroller products has become an important branch of the information industry, the SCM system technology also become the electronic product design recognition.this one of the technology, has been widely used in military defense, consumer electronics, network communication, industry control, and other fields. This paper mainly discusses the microcomputer in the handheld measurement applications. The traditional measuring system is more complex, big volume, inconvenience shortcomings, such as integration, and the measurement instrument based on single chip with the advantages of small size, low power consumption advantages. With the function of single-chip microcomputer system to strengthen ceaselessly, the integration of the measurement system based on single chip also widely used, portable measuring instrument has been in industry, agriculture and ordinary soho, Development, small size, low power consumption of handheld portable measuring system is very necessary, and very urgent. Another traditional single function of the measuring instrument cant meet the needs of the people, people more hope a variety of functions in the same measurement instrument can integration, so the multi-function handheld of measuring apparatus design production will be the mainstream of the future。Simple and convenient is the important factor to the designer.Key words:MCU,Measuring instrument,handheld一、課題國內(nèi)外現(xiàn)狀 1、單片機(jī)的國內(nèi)外現(xiàn)狀 單片微型計算機(jī)（Single Chip Microcomputer），又稱微控制器（Micro controller Unit）或嵌入式控制器（Embedded Controller）。通常是將組成計算機(jī)的基本部件微型化并集成到一塊芯片上而形成的微型計算機(jī)，其片內(nèi)常含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定時器/計數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。隨著社會的發(fā)展、市場的需求以及科技的進(jìn)步，單片機(jī)片內(nèi)集成的功能模塊越來越多，整體功能也越來越強(qiáng)大。 現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特點，但仍以80C51 為核心的單片機(jī)占主流， 兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS 公司的產(chǎn)品，ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國臺灣的Winbond 系列單片機(jī)， 因此以C8051 為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山。而Microchip 公司的PIC 精簡指令集(RISC)也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭， 中國臺灣的HOLTEK 公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增，與其低價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場分額,此外還有MOTOROLA 公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機(jī)10。在可預(yù)見的時間內(nèi)，這種情況將將繼續(xù)延續(xù)，將不存在某個單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面， 產(chǎn)品市場走的依然是依存互補(bǔ)，相輔相成、共同發(fā)展的道路。2、溫濕度測量的國內(nèi)外現(xiàn)狀國外對溫度控制技術(shù)研究較早，始于20世紀(jì)70年代6。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前正開發(fā)和研制計算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)。現(xiàn)在世界各國的溫度測控技術(shù)發(fā)展很快，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展6。我國對于溫度測控技術(shù)的研究較晚，始于20世紀(jì)80年代。我國工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國家溫度測控技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握了溫度室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于對溫度的單項環(huán)境因子的控制。我國溫度測控設(shè)施計算機(jī)應(yīng)用，在總體上正從消化吸收、簡單應(yīng)用階段向?qū)嵱没?、綜合性應(yīng)用階段過渡和發(fā)展。在技術(shù)上，以單片機(jī)控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，尚無真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)，與發(fā)達(dá)國家相比，存在較大差距。我國溫度測量控制現(xiàn)狀還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到工廠化的程度，生產(chǎn)實際中仍然有許多問題困擾著我們，存在著裝備配套能力差，產(chǎn)業(yè)化程度低，環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點4。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進(jìn)行測量及控制。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準(zhǔn)確測量的一個參數(shù)。用干球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復(fù)雜得多，溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受其他因素(大氣壓、溫度)的影響。此外，濕度的校準(zhǔn)也是一個難題。國外生產(chǎn)的濕度標(biāo)定設(shè)備價格十分昂貴。今年來，國內(nèi)外在濕度測量研發(fā)領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件想基礎(chǔ)啊、智能化、多參數(shù)檢測的法相迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度/溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利的條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。3、 超聲波測距的國內(nèi)外現(xiàn)狀 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達(dá)到百米，但測量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達(dá)到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們設(shè)計的高精度超聲波測距儀能達(dá)到毫米級的測量精度。 4、噪聲測量的國內(nèi)外現(xiàn)狀 當(dāng)今世界科技飛速發(fā)展,人類享受著科技發(fā)達(dá)帶來的現(xiàn)代生活的同時,同樣也承受著科帶來副產(chǎn)品各種各樣的污染。其中,環(huán)境噪聲污染就是現(xiàn)代人所不能回避的現(xiàn)實,尤以生活在城市中的人們?yōu)樯?。噪聲是一種聲音，聲音是由物體的機(jī)械振動而產(chǎn)生的。振動的物體稱為聲源，它可以是固體、氣體或液體。聲音可以通過介質(zhì)（空氣、固體或液體）進(jìn)行傳播，形成聲波當(dāng)聲波到達(dá)人耳，人們就聽到聲音，聲波在傳播過程中可能會產(chǎn)生反射、繞射、折射和干涉。聲音有強(qiáng)弱之分，并用聲壓p來表示其大小，單位是Pa (帕)，1 Pa=1N/m2（牛頓/米2），一個大氣壓等于1.013 105 Pa.。聲壓可以用峰值、平均值和有效值表示。聲壓的有效值是瞬時聲壓平方在一段時間平均數(shù)的平方根，又稱均方根值（RMS），它直接與聲波的能量有關(guān)，所以用得最多，以下除非另外說明，所論聲壓均指有效值。噪聲的測量原理：傳聲器陰極輸出器輸入衰減器輸入放大器計權(quán)網(wǎng)絡(luò)輸出衰減器輸出放大器RMS檢波器表頭3。二、國內(nèi)外研究主要成果 單片機(jī)因其體積小、功耗低、功能強(qiáng)、性價比高、易于推廣等特點，在自動化裝置、智能儀器儀表、過程控制、通信、家用電器等許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用?？v觀我們現(xiàn)在生活的各個領(lǐng)域，從日常生活中廣泛應(yīng)用的各種IC 卡、電子玩具，到各種智能儀表的操作使用； 從計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸， 到工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，都離不開小小的單片機(jī)。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界單片機(jī)（嵌入式處理器）的品種總量已經(jīng)超過1000 多種，流行體系結(jié)構(gòu)約30個系列，其中8051 體系仍占有半壁江山11。隨著時代的發(fā)展單片機(jī)產(chǎn)品也呈現(xiàn)出各種各樣的特色。 1、超長的使用壽命 我們知道，應(yīng)用單片機(jī)開發(fā)的產(chǎn)品一般都可以穩(wěn)定可靠地工作十年、二十年，很少出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題。這主要與單片機(jī)的應(yīng)用目的、場合、環(huán)境等有關(guān)。傳統(tǒng)的單片機(jī)如8051、68HC05 等問世已經(jīng)二十多年，產(chǎn)量、市場需求量仍然在不斷上升。相信目前成功面市的相對較晚的新型單片機(jī)， 也會隨著I/O 功能模塊的不斷豐富，有著相當(dāng)長的生存周期。 2、 高低雙向發(fā)展 雙向發(fā)展也即高低兩個方向同時發(fā)展。這如同計算機(jī)向微型機(jī)和巨型機(jī)兩個方向同時發(fā)展一樣，單片機(jī)中的8 位、32 位機(jī)齊頭并進(jìn)，這是當(dāng)前單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個趨勢11。長期以來，因市場需求的原因單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展是以8 位機(jī)為主的，但隨著移動通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭，32 位單片機(jī)應(yīng)用得到了長足、迅猛的發(fā)展。 3、速度越來越快 長期以來，為了提高單片機(jī)抗干擾能力，降低噪聲的影響，不得不降低系統(tǒng)的時鐘頻率。如何降低頻率而又不犧牲運算速度是單片機(jī)技術(shù)發(fā)展必須研究的問題。8051 單片機(jī)兼容廠商通過改善單片機(jī)的內(nèi)部時序，在不提高時鐘頻率的前提下，提高了運算速度；Motorola 單片機(jī)則使用了瑣相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)使內(nèi)部總線速度大大高于時鐘產(chǎn)生器的頻率，68HC08 單片機(jī)使用4.9MHz 外部振蕩器而內(nèi)部時鐘達(dá)32M； 三星電子新近推出了1.2GHz 的ARM 處理器內(nèi)核Halla11。4、低電壓與低功耗一般單片機(jī)都能在3 到6V 范圍內(nèi)工作，對電池供電的單片機(jī)不再需要對電源采取穩(wěn)壓措施。低電壓供電的單片機(jī)電源下限已由2.7V 降至2.2V、1.8V。0.9V 供電的單片機(jī)已經(jīng)問世。幾乎所有的單片機(jī)都提供Wait、Stop 等省電運行方式。允許使用的電源電壓范圍也越來越寬。三、研究發(fā)展趨勢 1、 制作工藝CMOS 化(全盤CMOS 化)出于對低功耗的普遍要求， 目前各大廠商推出的各類單片機(jī)產(chǎn)品都采用了CHMOS 工藝。MCS-51 系列的8031 推出時的功耗達(dá)630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)廣泛都在100mW 左右，隨著對單片機(jī)功耗要求越來越低， 現(xiàn)在的各個單片機(jī)制作商基本都采用了CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。80C51 就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)和CHMOS(互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)11。CMOS 雖然功耗較低，但由于其物理特點決定其工作速度不夠高，而CHMOS 則具備了高速和低功耗的特點，這些特點，更合適于在要求低功耗，電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時代單片機(jī)發(fā)展的方向。 2、 盡量實現(xiàn)單片化SOC 盡管我們常說，單片機(jī)是將中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一芯片上的微型計算機(jī)， 但由于工藝和其它方面的原因， 很多功能部件并未集成在單片機(jī)芯片內(nèi)部。于是，用戶通常的做法是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的需要在外圍擴(kuò)展功能芯片。隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展和“以人為本”思想在單片機(jī)設(shè)計上的體現(xiàn)，很多單片機(jī)生產(chǎn)廠家充分考慮到用戶的需求，將一些常用的功能部件，如A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)、D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)、PWM(脈沖產(chǎn)生器)以及LCD(液晶)驅(qū)動器等集成到芯片內(nèi)部，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功效就更大。集成微型機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)于一體的片上系統(tǒng)也是一個發(fā)展方向。 3、大容量、高性能 以往單片機(jī)內(nèi)的ROM 為1KB4KB，RAM 為64128B。但在需要復(fù)雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進(jìn)行外接擴(kuò)充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的需求， 須運用新的工藝， 使片內(nèi)存儲器大容量化。目前，單片機(jī)內(nèi)ROM 最大可達(dá)64KB，RAM 最大為2KB。另外單片機(jī)進(jìn)一步轉(zhuǎn)變CPU 的性能，加快指令運算的速度和系統(tǒng)的可靠性。采用精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)和流水線技巧，可以大幅度進(jìn)步運行速度?，F(xiàn)指令速度最高者已達(dá)100MIPS，并加強(qiáng)了位處理、中斷和定時控制功效1。這類單片機(jī)的運算速度比標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)高出10 倍以上。由于這類單片機(jī)有極高的指令速度，可以應(yīng)用軟件模仿其I/O功效，由此引入了虛擬外設(shè)的新概念。 4、 串行擴(kuò)大技巧在很長一段時間里，通用型單片機(jī)通過三總線結(jié)構(gòu)擴(kuò)大外圍器件成為單片機(jī)應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。隨著低價位OTP及各種特別類型片內(nèi)程序存儲器的發(fā)展，加之處圍接口不斷進(jìn)入片內(nèi)，推動了單片機(jī)“單片”利用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。特別是I2C、SPI 等串行總線的引入，可以使單片機(jī)的引腳設(shè)計得更少，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。四、主要存在的問題 雖然單片機(jī)技術(shù)發(fā)展越來越迅速，運用的范圍也越來越廣，但是目前來說仍然存在一些不足。歸納起來主要有以下幾個方面： 1、相對來說單片機(jī)的內(nèi)核處理速度不夠快，所以一些對處理速度要求比較高的產(chǎn)品運用單片機(jī)技術(shù)無法實現(xiàn)。2、單片機(jī)的存儲容量有限