学位委员会办公室99年学科专业简介—0804仪器科学与技术仪器科学与技术是信息科学与技术的重要组成部分，是信息的源头。仪器科学与技术是对客事物提供检测、计量、监测和控制的重要手段，是为人类社会法制化提供物质技术保障的一门知识密集、技术密集的综合性学科。随着高新技术的研究与发展，各类基础研究与实验工作，国民经济建设中的现代国防、现代工业、现代农业和人类的社会生活，都离不开仪器仪表及其技术，因此，仪器科学与技术在国民经济中起着十分重要的作用。 仪器科学与技术的发展，是和物理学的发展紧密地联系在一起的，它以牛顿力学、热力学、电动力学、量子力量为其理论基础，建立了长度、力学、热工、电磁、光学、声学、电子、时间频率、徽电子、电离辐射等检测仪器为代表的仪器产业。量子力学与电子学的结合，现代科学技术的发展，如原子能、宇航、微电子、计算机、激光和超导技术的应用，不仅使仪器科学与技术进入量子计量学的阶段，而且大大地提高了仪器的精度和测量范围。激光干涉技术、原子频标、光功率的绝对测量、电单位的复现、温度的客观测量以及光电转换、力电转换、磁光效应、量子干涉器件等的发展和电子、计算机技术的应用，促进了许多新的检测方法和仪器的出现。许多新的物理效应，如多普勒效应，超导现象，电子隧道效应和量子化霍尔效应等相继被人们认识后，即被迅速加以利用，发展成为新的测试计量技术和仪器。微电子、航空航天技术的发展与需求推动了微位移、精密瞄准，精密定位、精密导航以及微机械技术的发展，使精密仪器及机械提高到新的技术水平。因此仪器科学与技术巳发展成为以精密机械、电子、光电技术、计算机技术为主，逐步形成为与精密仪器及机械、测试计量技术及仪器、光电工程、电子学、计算机科学、检测技术及自动化等学科相互交叉和相互渗透的综合学科。它包含有许多重要的学科分支，如测控技术及仪器，微型机械与纳米技术，智能仪器与虚拟仪器，测试理论与测试技术，误差理论与数据处理技术，现代传感技术及系统，故障诊断与信号分析和处理，质量工程，惯性测试技术与控制，电磁测量技术与仪器等。 仪器科学与技术包括两个二级学科；即精密仪器及机械和测试计量技术及仪器。两者在培养目标、业务范围和课程设置等方面，既有各自的特色，又有许多相互联系和共同之处。例如，它们都需要掌握精密机械、电子学、光学、计算机技术、自动控制、信息处理技术等方面的专业知识结构和应用技能；但是精密仪器及机械侧重于精密仪器及机械的设计理论与制造技术，微型机电系统的设计理论和制造技术，惯性技术与导航设备，智能仪器与虚拟仪器，智能结构系统等，而测试计量技术及仪器则侧重于测试理论与测试技术，误差理论与数据处理技术，现代传感技术及系统，光电检测技术及系统、信号分析与处理，动态测试、监控与故障诊断技术，质量控制工程和计算机辅助测控技术等。 本学科的相关学科：物理学、光学工程、机械工程、电子科学与技术、信息与通信工程、控制科学与工程、计算机科学与工程等。精密仪器及机械 一、学科概况 本学科是仪器科学与技术学科中的二级学科。随着科学技术的发展，当今社会已进入信息化时代。本学科作为信息的获取、存储、处理、传输和利用的手段和方法，在国防、工农业和科学研究中的应用十分广泛，在国民经济和社会发展中起着重要作用。近年来微机械和微米纳米技术的兴起，也是本学科的重要发展方向和研究内容，将对国国经济的发展具有重要影响。本学科是精密机械、电子技术、光学、自动控制和计算机技术等学科相互交叉的综合学科。 二、培养目标 1．博士学位 应具有精密机械、光学、电子技术、自动控制和计算机技术等方面的知识结构，掌握本学科领域的坚实而宽广的基础理论和系统深入的专门知识，深入了解精密仪器及机械学科的发展方向和国际学术研究前沿；应至少掌握一门外国语，能熟练地阅读本专业的外文资料，具有广定的写作能力和进行国际学术交流的能力；具有较强的独立从事科学研究和专门技术工作的能力，在某一方面取得创造性的研究成果；能胜任本专业及相邻专业的教学、科研、科技开发或管理工作。2硕士学位 应在精密仪器及机械学科领域掌握坚实的基础理论，熟练掌握本学科的专门知识，初步具有本学科的科学研究能力，能熟练地运用计算机和掌握一门外国语，可从事专业及相邻专业的教学、科研、科技开发或管理工作。 三、业务范围 1。科学研究范围 (1)测控技术及仪器 精密仪器及机械的设计理论与制造技术，动态测试、信号分析与故障诊断技术，光电检测技术及系统，无损检测技术，新型传感器技术及其应用，图像处理技术等。(2)微机械与纳米技术 微型机电系统的设计与制造，微执行器、微细工程及纳米技术等。(3)智能结构系统与仪器 智能机器人技术，智能结构系统的设计与制造，测量自动化与智能化，虚拟现实技术与虚拟仪器等。 (4)惯性测试技术与控制 惯性系统与微型陀螺系统，导航定位与测控技术等。 (5)仪器总体技术 仪器工程设计方法，仪器精度、优化及可靠性设计，人机工程和计算辅助设计技术等。2．课程设置(1)博士学位 基础理论课 现代数学基础，非线性分析方法，现代信号处理与分析，测控系统的建模。 专业课 现代测试技术，陀螺仪及惯性导航，振动理论及应用，动态测试技术及应用，数字图象处理，机器视觉，虚拟现实技术与虚拟仪器，微电子机械系统。 (2)硕士学位 基础理论课 工程数学基础，测试信号处理，高等电子学，控制理论，误差理论与数据处理。 专业课 现代传感技术，微机接口原理及应用，计算机网络技术，智能仪器与系统设计，机械系统动态测试与模态分析，微米—纳米技术，惯性导航系统与控制，光电检测技术，仪器CAD技术，人机工程学。 四、主要相关学科 测试计量技术及仪器，光学工程，检测技术与自动化，机械电子工程，生物医学工程。测试计量技术及仪器 一、学科概况 测试计量技术及仪器属仪器科学与技术中的二级学科。在自然科学中；人们是通过测量得到对事物的认识，“没有测量，就没有科学”，而测试仪器为人类认识自然、改造自然的重要手段，在国民经济中起着重要作用。从信息论的观点看，测试计量技术是获取信息的源头，随着科学技术发展，测试技术已逐步发展成为一门涉及数学、物理学、微电子学、精密机械、传感器技术、自动控制技术、计算机技术和通信技术等学科交叉的新型学科，测试仪器制造业也已逐步形成多学科相互渗透、知识高度密集、技术高度综合的新型产业。此外，现代测试计量技术正向两大方向发展，一是测量范围向两端延伸。测量精度进一步提高，二是向动态、实时、在线、遥控、多功能、数字化、智能化方向发展。 二、培养目标1．博士学位 应具有数学、现代光学、微电子学、精密机械、现代传感技术和测试技术、 误差理论与数据处理、控制理论、计算机技术和信号处理等方面的知识结构，掌握本学科领域的坚实而宽广的基础理论和系统深入的专门知识，深入了解测试计量技术及仪器学科的发展方向和国际学术研究前沿。应至少掌握一门外国语；能熟练地阅读本专业的外文资料；具有一定的写作能力和进行国际学术交流的能力。具有较强的独立从事科学研究和专门技术工作的能力，并在某一方面取得创造性的研究成果。能胜任本专业及相邻专业的教学、科研、科技开发或管理工作。2。硕士学位 应在测试计量技术及仪器学科领域掌握坚实的理论基础，熟练掌握本学科系统的专门知识，初步具有本学科的科学研究能力，并能熟练地运用计算机和掌握一门外国语，可从事本专业及相邻专业的教学、科研、科技开发或管理工作。三、业务范围 1．学科研究范围 (1）测试计量理论及其应用 误差理论与数据处理，可靠性理论及其应用，量值标定、传递与校准，仿真测试技术等。 （2）现代传感技术及系统 传感器理论及其应用，现代传感技术及仪器，光学与光电检测技术等。 (3)精密测试与质量工程 现代测试技术及系统，纳米测试技术，智能化仪器仪表，测试信号分析与处理，故障诊断技术，动态与瞬时测试技术，计算机测控技术与质量工程等。(4)电磁测量技术与仪器 电磁测试计量理论，电参数的数字化技术，电测信号的分析与处理，自动测试接口技术与系统等。 2·课程设置 (1)博士学位 基础理论课:现代信号分析与处理，最优控制理论，线性系统，非线性数字分析，现代测控导论，智能材料与结构引论。 专业课 现代测试技术，智能测试系统设计，动态与振动测试与分析，现代时域测量，智能多媒体技术，动态参量计量与测试进展。(2)硕士学位 基础理论课 :工程数学基础，测试信号处理，高等电子学，数字图像处理技术，误差理论与数据处理。 专业课 智能仪器设计，微机接口原理及应用，几何量测控技术，现代传感器原理及应用，激光及光电测试技术，质量工程。四 主要相关学科 精密仪器及机械，机械电子工程，光学工程，检测技术及自动化，计算机应用技术。
室内空气质量检测与传感器的应用 [摘要]室内空气品质对人的影响至关重要,利用传感器检测空气质量是当今流行的一种方法,本文介绍了传感器在空气质量检测方面的原理应用,分析了当前气体传感器的优点和不足,以及气体传感器的发展趋势和前景。 [关键词]空气质量 气体传感器 室内环境污染 一、空气对于人的重要性 人们每时每刻都离不开氧,并通过吸入空气而获得氧。一个成年人每天需要吸入空气达6500升以获得足够的氧气,因此,被污染了的空气对人体健康有直接的影响。人的一生中有90%以上时间在室内度过,可见,室内空气品质对人的影响更是至关重要。 二、室内环境污染背景 当今,人类正面临“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”之后,又出现了“室内空气污染”为主的第三次环境污染。美国专家检测发现,在室内空气中存在500多种挥发性有机物,其中致癌物质就有 20多种,致病病毒 200多种。危害较大的主要有:氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。大量触目惊心的事实证实,室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”,也成为全世界各国共同关注的问题。据统计,全球近一半的人处于室内空气污染中,室内环境污染已经引起7%的呼吸道疾病,22%的慢性肺病和15%的气管炎、支气管炎和肺癌。 三、关于开展室内空气质量服务的几点设想 着手调查国内家庭和办公室内空气质量的基本情况。 了解并着手引进室内空气质量检测设备。 进行规模较大的宣传活动,首先应由气象主管部门与环保主管部门联合建立室内空气质量问题的管理机制。 对国际环保部门有关室内空气质量的法规、技术标准、室内污染测定方法及对测定仪器等问题进行专门的调查和研究。 四、空气检测仪的强力武器——传感器 检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段。而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要工具。下面将介绍六种在空气质量检测方面发挥重要作用的传感器。 金属氧化物半导体式传感器。金属氧化物半导体式传感器利用被测气体的吸附作用,改变半导体的电导率,通过电流变化的比较,激发报警电路。由于半导体式传感器测量时受环境影响较大,输出线形不稳定。金属氧化物半导体式传感器,因其反应十分灵敏,故目前广泛使用的领域为测量气体的微漏现象。 催化燃烧式传感器。催化燃烧式传感器原理是目前最广泛使用的检测可燃气体的原理之一,具有输出信号线形好、指数可靠、价格便宜、无与其他非可燃气体的交叉干扰等特点。催化燃烧式传感器采用惠斯通电桥原理,感应电阻与环境中的可燃气体发生无焰燃烧,是温度使感应电阻的阻值发生变化,打破电桥平衡,使之输出稳定的电流信号,再经过后期电路的放大、稳定和处理最终显示可靠的数值。 定电位电解式传感器。定电位电解式传感器是目前测毒类现场最广泛使用的一种技术,在此方面国外技术领先,因此此类传感器大都依赖进口。定电位电解式气体传感器的结构:在一个塑料制成的筒状池体内,安装工作电极、对电极和参比电极,在电极之间充满电解液,由多孔四氟乙烯做成的隔膜,在顶部封装。前置放大器与传感器电极的连接,在电极之间施加了一定的电位,使传感器处于工作状态。气体与的电解质内的工作电极发生氧化或还原反应,在对电极发生还原或氧化反应,电极的平衡电位发生变化,变化值与气体浓度成正比。 迦伐尼电池式氧气传感器。迦伐尼电池式氧气传感器的结构:在塑料容器的一面装有对氧气透过性良好的、厚10-30μm的聚四氟乙烯透气膜,在其容器内侧紧粘着贵金属(铂、黄金、银等)阴电极,在容器的另一面内侧或容器的空余部分形成阳极(用铅、镉等离子化倾向大的金属)。用氢氧化钾。氧气在通过电解质时在阴阳极发生氧化还原反应,使阳极金属离子化,释放出电子,电流的大小与氧气的多少成正比,由于整个反应中阳极金属有消耗,所以传感器需要定期更换。目前国内技术已日趋成熟,完全可以国产化此类传感器 红外式传感器。红外式传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理,具有抗中毒性好,反应灵敏,对大多数碳氢化合物都有反应。但结构复杂,成本高。 PID光离子化气体传感器。PID由紫外灯光源和离子室等主要部分构成,在离子室有正负电极,形成电场,待测气体在紫外灯的照射下,离子化,生成正负离子,在电极间形成电流,经放大输出信号。PID具有灵敏度高,无中毒问题,安全可靠等优点。 五、气体检测仪器仪表产业发展现状深度分析 近年来,随着中国经济的高速发展,仪器仪表产业也得到了快速发展,自2004年产销首次突破千亿元大关,行业发展进入了快车道,2006年行业总产值突破两千亿元;2007年仪器仪表行业总产值达3078亿元,增长率高达5%;据仪器仪表行业协会统计,08年上半年仪器仪表行业总产值实现 9亿元,同比增长8%,其中分析仪器、环境监测仪器仪表增长率高达32%。 科学技术的进步为气体检测仪器仪表行业的发展提供了条件,市场和政府政策的推动、人们安全意识的提高、相关法规法律的完善是气体检测行业发展的核心动力,这些推动使气体检测仪器仪表行业处于产业高速增长期。 从技术发展的角度看,根据使用传感器原理的不同,常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域,新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流。 六、对未来空气质量检测的展望 随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视,对各种有毒、有害气体的探测,对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的智能气体传感器将是该领域的重要研究方向。 参考文献: [1]陈艾敏感材料与传感器[M]北京:高等教育出版社 [2]高晓蓉传感器技术[M]成都:西安交通大学出版社 [3]彭军传感器与检测技术[M]北京:高等教育出版社 [4]王元庆新型传感器原理及应用[M]北京:机械工业出版社 [5]赵茂泰智能仪器原理及应用[M]北京:电子工业出版社
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测控技术与仪器专业是信息科学技术的源头，是光学、精密机械、电子、计算机与信息技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。她的专业面广，小到制造车间的检测，大到卫星火箭发射的监控。本专业最令人感兴趣的方向恐怕要数光盘生产了，很多同学认为这属于制造业，实际上由于对精度的严格要求，使她归于测控技术与仪器专业。
一、利用光电传感器测量振动的原理： 振动过程中，需要测量的参数是振幅、频率以及加速度等，图1示出测试方法的一部分。在图1（a）中，重物2悬挂于弹簧1，光源3发出的光线通过光阑4、镜5反射后投至光电器件6。重物2振动时，镜子5也随着振动，因而引起光电器件6上光通量的变化。图1（b）中，光电传感器带有棱镜5与重物2一起振动。若光电器件6上的光通量增大时，另一光电器件6'上的光通量减少，反之亦然。两光电器件接成桥式电路，因而灵敏度和稳定性较好。在图1（c）中的光电传感器有成对的光栅5与5'。光栅5固定不动，光栅5'随着重物2上下振动，因而投射于光电器件6的光通量也随着而变化，它的优点是灵敏度较高，适用于对小位移的测量。 用光电传感器测量振动的原理图 图2（a）示出测量旋转体或旋转轴振动的原理。在轴或旋转体2的旁边安装不动的遮光物3，它的高低可以用螺丝上下移动。旋转体2不动时，它的母线与遮光物3间形成宽为 的缝隙。若旋转体不对称或者偏心，则转动时缝隙的宽度 要变化，因而由光源1发出照射于光电器件4的光通量以及由它产生的光电流也变化，经过放大后由记录器记录或者示波器显示，这样就可以测试出旋转体振动的频率和振幅。 利用缝隙大小变化测量旋转体的振动 为了提高仪器的灵敏度，可以采用两个光电器件。当旋转体振动时使一个光电器件上的电流增大，另一个光电器件上的电流减小，其原理如图 当旋转体4不振动时，光源1发出的光线经过镜2、3反射后至光电器件5、6上的光通量相等。由于电桥这时被调整成平衡，放大器7中无输入信号。当旋转体垂直方向振动时，轴上面的缝隙增大时，下面的缝隙减小（或反之），因此光电器件5、6上的光通量不同，电桥失去平衡，有电压输出，经过放大器7放大后可以由计量器8记录下来。 激光测量高层建筑振动的示意图 图 所示的是用激光束来测定高层建筑风振位移和频率的示意图，整套装置由发射和接收两大部分组成。激光发射部分1放置在建筑物旁的静止地基上，功率为4~1毫瓦，由单模氦氖激光器发出发射角为 弧度的光束，经内调焦发射望远镜2、直角棱镜3反射到建筑物顶部的接收靶4上。接收部分安装在建筑物的顶部，由接收靶4、放大和运算器5、记录和示波器6、等部分组成。接收靶由四块或两块光电池的中间，差动放大无输出。当建筑物因风力等原因振动时，光斑在靶中的位置改变，经放大和运算后就可以由记录器或者示波器显示出它的波形来。 二、利用光栅和示波器测量微小的振动 利用光栅和示波器测量微小振动 图 示出利用光栅和示波器测量微小振动的原理。由光源1发出的光线通过透镜2平行射向光栅3和4，光栅3和4上每一毫米有100条刻线。光栅3固定不动，动光栅4随被测振动体而振动，安装时使光栅3的刻线相对于光栅4的刻线倾斜一微小的角度，它们在平行光照射下形成莫尔条纹。当动光栅4相对于定光栅3垂直于刻线反向移动时，莫尔条纹将向平行于光栅刻线的方向移动。光栅每移动一个光栅节距，莫尔条纹就随着移动一个条纹的宽度。 莫尔条纹的变化由光电器件接收，借助于棱镜和透镜的组合5把各自的视场分别投射于光电器件6、7、8、9，光电器件的布置使它们得到的信号各相差90度，这些信号再经过各自的放大器10、11、12、13放大后加于电子射线管14的垂直偏转板和水平偏转板。设光电器件6、8的信号相位相反，经过放大后，加于水平偏转板；光电器件7、9的信号相位相反，经放大后加于垂直偏转板。当可动光栅4随着被测对象振动时，莫尔条纹的明暗区域不断变化，光电器件得到的照度不断变化，根据示波器李萨如图形的原理，经过放大后，在电子射线管14的屏上呈现出圆弧，圆弧的弧长正比于振动的幅度。当圆弧闭合形成一个圆时，振动的振幅等于光栅的节距。因此如果在射线管的屏幕上预先标出圆弧角，则可以从弧长测知振动幅度的大小。 三、干涉测振法 测量机械振动的干涉装置，可以选用迈克尔逊干涉仪。干涉条纹的光强 可以参考光束和测量光束的光强 和 的合成求得（设不计反射等损耗）： 式子中： ψ--参考光束和测量光束之间的相位差； λ--单色光波长； --固定的参考镜和分光棱镜之间的距离； --可动的测量镜与分光棱镜之间的距离； χ--测量物随波测物振动而移动的距离。 若被测物作谐振动，即 代入 得 ，再把 代入 得到干涉条纹光强的变化部分为 。 设光电器件工作在线性区，则输出交变的光电信号为： x与u波形之间的关系 X与u的波形见上图，光电信号u是一个以 为周期的调制波。这是由于光电信号的频率等于干涉条纹明暗变化的频率，有就是说与振动位移的速度成正比。在振动位移的上极限位置 、 …和下极限位置 、 …处，移动速度最小，干涉条纹移动也最慢，瞬时频率最小，光电信号的密度最疏；在振动位移的平衡位置 、 …处，移动速度最快，干涉条纹移动也最快，瞬时频率最高，光电信号的密度最大。 若可动测量镜移动 ，光束来回往返就变化了 ，干涉光亮暗变化一次，即可得一个脉冲。 与 之间的时间为振动周期，振动一个周期相当于 变化 ，因此振动一个周期对应的计数脉冲数 可以如下求出： ，或者由计数器计得的脉冲数 可以求出振动的振幅 ： 由于激光的单色性、相干性和波长的稳定性好，所以激光干涉测振仪已经作为各国振动计量的较高基准。 利用激光测振，由于其波长误差很小（＜ ），所以可以忽略不计。所以测量的精度取决于计数精度。计数精度决定于光电信号的信噪比（是误计的主要因素）和振幅不能被 除尽时的小数部分记数精度。对于后者可以采用若干周期平均的方法来提高。 当振动频率为 时，计数器记取的条纹频率 为： ， 令记数频率 与被测振动频率 之比为"频率比 "： ， 因此，可以得到被测振幅 与 之间的关系： ， 实际测量中，用计数器记取条纹变化频率 时，是由被测振动频率 控制的计数器门电路记取的，所以计数器的显示数便是频率比 ，由已知光源波长 ，便可以求出 。 图（a）为测振仪的原理图，图（b）为测振仪计数器的方框图。 计数器的控制逻辑是：被测谐振动由拾振器转换成电信号，经过放大以及整形器（2）形成振动脉冲，送到受触发器（2）控制的门（2）。当采样脉冲发生器发来一个采样脉冲使触发器（2）翻转而将门（2）分成两路：一路使触发器（1）翻转而将门（1）打开，让干涉条纹光电信号经过放大以及整形器（1），通过门（1）进入计数器，开始计数；另一路到分频器，分频器是根据所要求平均的振动周期数进行动作的。例如采用8个振动周期，就采用9个分频。当第一个振动脉冲将门（1）打开开始计数后，直到第9个振动脉冲进入分频器时，分频器才有一个脉冲输出。这个分频脉冲分别加到触发器（1）和（2），使它们翻转，而将门（1）和（2）同时关掉，是使连续而来的振动脉冲不能再打开门（1），起到了自锁作用。此时，数码管显示一次Rf读数值。当采样脉冲发生器输出下一个脉冲时，一方面使计数器和分频器复零，同时又使门（2）打开，重复上述测量过程。
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[1]夏永明;孔凡花;王洋;索志民;杨鹏举;船用智能同步检测、指示、控制仪表[J]上海海事大学学报,2010,(04):40- 摘要：为适应船舶自动化电站向总线—智能控制方向发展的需要,针对非数字船用同步仪表的缺陷,采用嵌入式微控制器对仪表进行智能控制,并根据船舶机舱工作环境对微控制器进行电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)设计,实现总线—嵌入控制的现场总线接口设计,使同步仪表成为总线—智能同步检测、指示、控制仪表,上位机和其他智能仪表通过CAN接口连成总线网试验表明,基于现场总线的智能仪表系统抗干扰性强、性能可靠,与传统仪表相比,在测量速度、精确度、自动化程度以及性价比等方面都有很大提高 [2]陈立军;黄学武;郑华耀;SMSC船用智能仪表的研究[J]自动化与仪表,2007,(04):21- 摘要：计算机和微电子技术的发展为仪器仪表提供了良好的发展前景,船用仪器仪表正朝着数字化、智能化和网络化的方向更新。该文研究了一种适合于船舶管理和维护的智能数字式显示仪表,阐述了该智能数显仪表硬件设计、软件开发以及主要特点。仪表样品成功地在江苏海事职业技术学院新研制的综合轮机模拟器中得到推广运用。 [3]李振宇;郑为民;吴涛;船用蓄电池智能检测仪的设计[J]集美大学学报(自然科学版)网络版(预印本),2010,(02):48- 摘要：为了提高船用蓄电池参数的测量速度和精度,保障测量人员的身体健康,设计了基于单片机的蓄电池智能检测仪系统采用凌阳SPCE061A单片机作为数据处理核心,包括蓄电池温度、电压和电流采集及处理模块,键盘、显示以及语音报警模块介绍了船用蓄电池的测量原理,系统的设计原理以及软、硬件设计实现了船用蓄电池参数的快速测量和显示、电池电量不足时的语音报警功能 [4]李振宇;郑为民;吴涛;船用蓄电池智能检测仪的设计[J]集美大学学报(自然科学版),2010,(02):128- 摘要：为了提高船用蓄电池参数的测量速度和精度,保障测量人员的身体健康,设计了基于单片机的蓄电池智能检测仪系统采用凌阳SPCE061A单片机作为数据处理核心,包括蓄电池温度、电压和电流采集及处理模块,键盘、显示以及语音报警模块介绍了船用蓄电池的测量原理,系统的设计原理以及软、硬件设计实现了船用蓄电池参数的快速测量和显示,电池电量不足时的语音报警功能 [5]李永波;关海龙;胡旭东;基于Small RTOS51的船用智能巡检仪的设计[J]浙江理工大学学报,2008,(02):174- 摘要：讨论了基于嵌入式实时操作系统Small RTOS51的船用智能巡检仪的设计过程。对系统软、硬件设计和嵌入式实时操作系统Small RTOS51的移植作了较详细论述。船用智能巡检仪可巡回检测16路4~20 mA信号,具有液晶显示、报警和485通讯等功能,可集中远程监测被测舱的温度、液位、压力等参数,符合船舶自动化的发展趋势,具有实用性强,可靠性高等特点。 [6]船用智能仪表的非编码键盘:,CN201327580[P]2009-10-14摘要:本实用新型公开了船用智能仪表的非编码键盘,该键盘主要有霍尔器件组 成,所述霍尔器件按磁性原理组成键盘,将接收到的键信号经处理后传输至智 能仪表的MCU进行进一步处理。本实用新型克服由通常按键或薄膜开关组成 的现场控制仪表键盘的缺点,其具有以下优点：使用方便、密封性好、实用性 广、工作可靠,这对于要求密封的智能仪表非常有用。
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目录第一章 前言…………………………………………………………………………3第二章 单片机概述………………………………………………………………1单片机的定义……………………………………………………………………2单片机的发展方向…………………………………………………………3 单片机的应用……………………………………………………………………4 MCS-51简介………………………………………………………………………6第三章 单片机交通灯控制……………………………………………………………1 硬件电路……………………………………………………………………………1芯片选用……………………………………………………………………………1．2硬件电路图……………………………………………………73．1．3系统工作原理………………………………………………………………………2软件设计………………………………………………………………2．1 每秒钟的设定………………………………………………………2．2 计数器初值计算………………………………………………………2．3 综合计算………………………………………………………2．4 设定一秒的方法………………………………………………………2．5 程序设计………………………………………………………3 软件延时………………………………………………………4 时间及信号灯显示………………………………………………………5 程序………………………………………………………13第四章 总结……………………………………………………………………………12参考文献………………………………………………………………………………13致谢………………………………………………………………………………14第一章 前言城市交通是保持城市活力最主要的基础设施，是城市生活的动脉，制约着城市经济的发展。展望21世纪的城市交通事业，给我们提出了更高要求。发展多层次、立体化、智能化的交通体系，将是城市建设发展中普遍追求的目标。而发展大、中、低客运量相互匹配的多种形式相结合的客运交通工具，将是实现上述远景目标的一项重大技术决策措施。自改革开放以来，我国的城市规模和经济建设都有了飞速的发展7城市化进程在逐步加快，城市人口在急剧增加，大量流动人口涌进城市，人员出行和物资交流频繁，使城市交通面临着严峻的局势。当前，全国大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象。如何解决城市交通问题已成为全社会关注的焦点和大众的迫切呼声。当今，红绿灯安装在各个交通要道上已经成为了缓解交通问题最常见、最根本、最有效的方法。交通灯的出现使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显的效果。单片机是一种集成的微型计算机，与微处理器相比，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，它有唯一的、专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统。红绿灯的控制有PLC控制，单片机控制等方法，随着近年来单片机控制交通灯技术的成熟，单片机给交通带来了很大的便利。第二章 单片机概述二十世纪七十年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段。1974年，美国研制出了世界第一台单片微型计算机F8，深受家用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视，从此拉开了研制单片机的序幕。1单片机的定义所谓单片机，即把组成微型计算机的各个功能部件，如中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出接口电路（I/O口）、定时/计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。与微处理器相比，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，它有唯一的、专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统这是单片机最大的特征。现代单片机加上了中端单元、定时单元及A/D转换电路等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。因此可以把单片机理解为一个单芯片形态的微控制器。单片机是单芯片形态作为嵌入式应用的计算机，它有唯一的、专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，加上它的芯片级体积的优点和在现场环境下可高速可靠地运行的特点，因此单片机又称为嵌入式微控制器。2单片机的发展方向单片机的发展趋势将是向着高性能化，大容量，小容量、低价格化及外围电路内装化等几个方面发展。（1）单片机的高性能化：主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性，并加强了位处理功能、中断和定时控制功能；采用流水线结构，指令以队列形式出现在CPU中，从而有很高的运算速度。（2）片内存储器大容量化：以往单片机的片内ROM为1到4KB，RAM为64到128B。因此在一些较复杂的应用系统中，存储器容量就显得不够，不得不外扩存储器。为了适应这种领域的要求，利用新工艺，将片内存储器的容量大幅度增加，不得不外扩存储器。为了适应这种领域的要求，利用新工艺，将片内存储器的容量大幅度增加，片内ROM可以达到12KB。（3）小容量、低价格化：与上述相反，小容量、低价格化的4位、8位单片机也是发展方向之一。这类单片机主要用于儿童玩具等较小规模的控制系统。（4）外围电路内装化：随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种外围功能器件集成在片内。除了一般必须具备的CPU、RAM、ROM、定时/计数器等之外，片内集成的部件还有A/D、D/A转换器，DMA控制器，声音发生器，监视定时器，液晶显示驱动器，彩色电视机和录像机用的锁相电路等。（5）增强I/O接口功能：为了减少外部驱动芯片，进一步增加单片机并行口的驱动能力，现在有些单片机可直接输入大电流和高电压，以便直接驱动显示器。（6）加快I/O接口的传输速度：有些单片机设置了高速I/O接口，以便能以更快的速度触发外围设备，以更快的速度读取数据。3单片机的应用单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分为如下几个：在计算机网络和通信领域中的应用；在工业控制中的营运；在家用电器中的应用；在智能仪器仪表上的应用；在医用设备领域的应用；4 MCS-51简介MCS-51系列单片机在结构上基本相同，只是在个别模块和功能上有些区别。MCS-51单片机是在一块芯片中集成了一个8位CPU、128B RAM、4KB ROM、两个16位定时/计数器、32个可编程I/O口和一个可编程的全双工串行接口、五个中断源、一个片内振荡器等。中央处理器（CPU）：中央处理器是单片机的核心部分，是一个8位的中央处理单元，它对数据的处理是以字节为单位进行的，CPU主要由运算器、控制器和寄存器阵列组成。数据存储器（片内RAM）：数据存储器用于存放变化的数据。在8051单片机中，通常把控制与管理寄存器（简称为“专用寄存器”）在逻辑上划分在片内RAM中，因为其地址与RAM是连续的。8051单片机数据存储器的地址空间为256个RAM单元，但其中能作为数据存储器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。程序存储器（片内ROM）：程序存储器用于存放程序和固定不变的常数、表格等。通常采用只读存储器，且其有多种类型。定时/计数器：定时/计数器用于实现定时和计数功能。8051单片机共有两个16位定时/计数器，8052单片机共有三个16位定时/计数器。并行I/O口：8051单片机共有四个8位的并行I/O(P0、P1、P2、P3)，每个口都由一个锁存器和一个驱动器组成。并行I/O口主要是用于实现与外部设备中数据的并行输入/输出，有些I/O口还具有其他功能。串行口：8051单片机有一个全双工异步串行口，用以实现单片机和其他具有相应接口的设备之间的异步串行数据传送。时钟电路：时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。中断系统：中断系统的主要作用是对外部或内部的中断请求进行管理与处理。8051单片机的中断系统可以满足一般控制应用的需要：共有五个中断源，其中有两个外部中断源INT0和INT1、三个内部中断源（两个定时/计数器中断和一个串行口中断）；此外，8052单片机还增加了一个定时器2的中断源。第三章 交通灯单片机控制1 硬件电路3,1．1芯片选用：选用设备8031单片机一片，8255并行通用接口芯片一片，74LS07，MAX692“看门狗”一片，共阴极的七段数码管两个，双向晶闸管若干，7805三端稳压电源一个，红、黄、绿交通灯各两个，开关键盘、连线若干。1．2 硬件电路图：1．3 系统工作原理：开关键盘输入交通灯初始时间，通过8051单片机P1输入到系统。由8051单片机的定时器每秒钟通过P0口向8255的数据口传送信息，由8255的PA口显示红、绿、黄等的燃亮情况；由8255的PC口显示每个灯的燃亮时间。8051通过设置各个信号等的燃亮时间，通过8031设置，绿、红时间分别为60秒，80秒循环由8051的P0口向8255的数据口输出。通过8051单片机的P0位来控制系统的工作或设置初值，当牌位0就对系统进行初始化，为1系统就开始工作。红灯倒计时时间，当有车辆闯红灯时，启动蜂鸣器进行报警，3S后恢复正常。增加每次绿灯时间车流量检测的功能，并且通过查询P0端口的电平是否为低，开关按下为低电平，双位数码管显示车流量，直到下一次绿灯时间重新记入。绿灯时间倒计时完毕，重新循环。2 软件设计2．1每秒钟的设定：利用MCS-51内部定时器材溢出中断来确定1秒的时间。2．2 计数器初值计算：定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到TH和TL中的，他是以加法计数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。因此，我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为C和计数初值设定为TC，即：TC=M-C；式中，M为计数器模值，该值和计数器工作方式有关，在方式0时M为213；在方式1时M的值为216；在方式2和3时为28。2．3 综合计算：T=（M-TC）T1 或者 TC=M-T/T1 式中T1是单片机时钟周期的12倍；TC为定时初值。这种方法在使用后悔超过计数器的最大定时间，所以再采用定时器和软件相结合的办法。2．4 设定一秒的方法：我们采用在主程序中设定一个初值为20的软件计数器和使T0定时50毫秒，这样每当T0到50毫秒时CPU就响应它的溢出中断请求,进入他的中断服务子程序，在中断子程序中，CPU先使软件计数器减1，然后判断它是否为零，为零表示1秒已到可以返回到输出时间显示程序。2．5 程序设计：主程序：定时器定时50毫秒，故T0工作于方式1，初值：TC=M-T/T1=216-50ms/1us=3CBOHORG 1000HSTART:MOV TMOD, #01H; 令T0为定时器方式1MOV TH0， #3CH; 装入定时器初值MOV TL0， #BOH;MOV IE, #82H; 开T0中断SEBT TR0; 启动T0计数器MOV R0， #14H; 软件计数器赋初值LOOP: SJMP S; 等待中断中断服务子程序：ORG 000BHAJMP BRT0ORG 00BHBRT0：DJNZ R0，NEXT AJMP TIME; 跳转到时间及信号灯显示子程序DJNZ:MOV R0，#14H; 恢复R0值MOV TH0，#3CH; 重装入定时器初值MOV TL0，#BOH;MOV IE, #82HRET1END3 软件延时MCS-51的工作频率为2-12MHZ，我们选用的8051单片机的工作频率为6MHX，机器周期与主频由关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12*（1/6M）=2us，我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间。4时间及信号灯显示当定时器定时为1秒时，程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时一秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后再重新给时间计数器赋初值，重新进入循环。由于发光二极管为共阳极接法，输出端口为低电平，对应的二极管发光，所以可以用复位方法点亮红，绿，黄发光二极管。5 程序实现交通灯的交替控制及特殊情况（如急救车等）通过时 ，通过外中断实现：North_South_Red BIT P0North_South_Yellow BIT P1North_South_Green BIT P2East_West_Red BIT P3East_West_Yellow BIT P4East_West_Green BIT P5Scd EQU 30H ;秒ORG 0000HJMP STARTORG 0003HJMP INIT0ORG 000BHJMP TIME0交通灯交替工作时，红绿黄交替点亮： 红灯亮33秒钟后绿灯亮27秒，然后闪烁3秒，最后黄灯点亮三秒 ，循环。TIME0:MOV TH0,#30HMOV TL0,#0B0HINC 31HMOV A,31HN: CJNE A,#20,EXIT ;判断是否到一秒MOV 31H,#0INC ScdMOV A,ScdCJNE A,#27,NEXT1 ;判断绿灯是否到27sSETB F0JMP EXITNEXT1: MOV A,ScdCJNE A,#30,NEXT2 ;判断绿灯是否亮30sCLR F0MOV P1,#0EEHJMP EXITNEXT2:MOV A,ScdCJNE A,#33,NEXT3MOV P1,#0F3H ;初始化NEXT3:MOV A,ScdCJNE A,#60,NEXT4SETB 00HJMP EXITNEXT4: MOV A,ScdCJNE A,#63,NEXT5CLR 00HMOV P1,#0F5HJMP EXITNEXT5: MOV A,ScdCJNE A,#66,EXITMOV P1,#0DEHMOV Scd,#0EXIT: RETI外中断：东西方向出现特殊情况 时南北红灯亮，东西绿灯亮，延时10s。INIT0:PUSH PSWPUSH ACCCLR EAMOV R2,P1 ;保存数据MOV P1,#0F6HCALL DELLAY10SMOV P1,R2 ;恢复SETB EAPOP ACCPOP PSWRETI主程序：START:MOV Scd, #00HMOV 31H, #00HMOV P1, #0FFHCLR 00HCLR F0MOV TMOD, #01H ;设定定时器1MOV IE, #83H ;设定中断使能 定时器中断0、外部中断0和1MOV SP, #60HMOV TH0, #30HMOV TL0, #0B0HSETB TR0LOOP:JNB F0,N0CPL East_West_Green ;绿灯闪三秒CALL DELAY500MSJMP N1N0:JNB 00H,N1CPL North_South_Green ;绿灯闪三秒CALL DELAY500MSN1:JMP LOOP第四章 总结本系统实现了红、绿灯燃亮时间的功能，红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示。车辆闯红灯报警；绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。系统不足之处不能控制车的左、右转、以及自动根据车流改变红绿灯时间等。这是由于本身地理位子以及车流量情况所定，如果有需要可以设计扩充原系统来实现。通过此次课题的研究，让我更加深入的了解了单片机的一些功能，对于单片机在日常生活中的运用有了更深层次的了解。在研究时也发现了自身对于单片机的不理解之处，并查看相关书籍等资料解决了不懂的问题。结合实际工作中的实践，和这次的毕业论文撰写，了解了很多也学到了很多。同时，对以前所学的专业知识，有了进一步的加深和巩固。参考文献[1] 张国锋单片机原理及应用[J]高等教育研究，8[2] 张毅坤单片微型计算机原理及运用，西安电子科技大学出版社，1998[3] 胡汉才单片机原理及其接口技术[M]北京:清华大学出版社,5[4] 胡乾斌单片机原理与应用[M]华中科技大学出版社2006[5] 张毅刚单片机原理及接口技术[M]哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1990[6] 雷丽文微机原理与接口技术，北京:电子工业出版社，2[7] 余锡存 曹国华单片机原理及接口技术，陕西:西安电子科技大学出版社，7致谢通过这段时间的研究设计学习，我学到了很多以前不知道的知识，并且在学习中培养了一种做事情一丝不苟的态度和耐心，为以后的工作打下了坚实的基础。在此我要向我们论文的指导老师表示衷心的感谢，可以让我通过这次机会系统学习了单片机的有关知识，并能具体结合实践生活完成交通灯的设计，他幽默，风趣，严谨的教学作风将是我学习的榜样。
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对能正常显示的波都能测频率，如果显示的波有周期性，那么相邻两个波峰或者波谷之间的间隔乘上你所选择的扫描周期（单位间隔的时间，通常是横轴）就是波的周期，再取一个倒数就是波的频率。
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