第8章智能仪器相关设计实例相关设计实例

课程名称：智能仪器原理及应用课程代码： 09280第一部分课程性质与特点一、课程性质与特点1．课程性质《智能仪器》是高等教育自学考试电子工程本科专业必修的专业基础课程之一。

智能仪器在通信、家电、自动控制、仪器仪表中得到了广泛的应用。

通过本课程的学习，使学生掌握利用微处理器系统使电子仪器实现智能化的具体方法，包括硬件和软件两个方面。

2．课程特点智能仪器课程侧重讨论智能仪器实际设计过程中所涉及的具体方法与技巧。

旨在使学生运用所学的微型计算机和电子技术等方面的基础知识，解决现代电子仪器开发过程中的实际问题，逐步具备能够设计以微型计算机为核心的电子系统的能力。

本课程中既有硬件的原理和组成，又有针对硬件的软件编程，软件与硬件必须同时兼顾。

因此本课程具有实用性强、理论和实践结合、软硬件结合等特点二、课程目标与基本要求1．课程目标使学生运用所学的微型计算机和电子技术等方面的基础知识，解决现代电子仪器开发过程中的实际问题，逐步具备能够设计以微型计算机为核心的电子系统的能力。

2．基本要求掌握智能仪器的结构、设计要点，模拟量输入输出通道，人机接口，通信接口，以及典型处理功能，掌握电压测量为主的智能仪器、智能电子计数器和数字存储示波器的工作原理和结构组成，还要掌握个人仪器和虚拟仪器的基本概念、组成原理和设计方法，了解VXI和LabVIEW仪器系统的组成原理。

三、与本专业其他课程的联系1．学习本课程主要涉及模拟电子技术、数字电子技术以及微机原理课程中有关接口和汇编程序、微机控制方法等方面的有关知识。

因此，应当尽可能地在先修《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《微机原理》和《微机接口技术》，《单片机原理与应用》等课程或者学过“电路基础”、“数字电路”、“单片机原理与应用”等课程的基础上进行自学.2．本课程将为有关智能仪器系统设计方面的课题打下必要的基础。

第二部分考核内容与考核目标第一章导论一、学习目的与要求通过本章学习，学生应重点掌握智能仪器的组成及特点、智能仪器及测试系统的发展以及智能仪器设计的要点。

内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书题目：带有实时曲线的温湿度监测系统学生姓名：xx学号：xx专业：测控技术与仪器班级：xx指导教师：xx由于生产及生活的需要，经常需要对环境中的温湿度进行监测及显示。

液晶是现代电子产品中使用越来越多的一种显示器件，液晶不但用来显示各种文字,还可以动态的显示各种图案及画面。

本设计是一个基于单片机STC89C52的温湿度检测及显示装置。

该装置由温湿度检测模块、液晶显示模块、键盘输入模块及声光报警模块四部分组成，本设计检测模块采用技术成熟的DHT11作为测量温湿度的传感器；控制系统芯片采用功能强大、价位低廉的AT89C52单片机；显示系统采用大屏幕的QC12864B液晶显示屏。

整个电路采用模块化设计，由主程序、DHT11温湿度转换的驱动程序、显示子程序等模块组成。

DHT11温湿度传感器数字信号经单片机综合分析处理，实现温湿度显示以及曲线绘图各种功能。

由本设计课题做成的温湿度检测系统结构简单、价格便宜、量程宽，具有较高的可靠性、安全性及实用性。

关键字：温湿度；STC89C51单片机；12864；DHT11第一章绪论1.1 研究背景随着计算机技术的发展,基于微处理器的智能仪表已成为仪表的主体。

越来越多的智能仪表采用图形点阵液晶模块,液晶显示模块提供了丰富灵活的显示内容 ,更符合人性化的特点。

智能仪表的功能是否强大、用户操作性是否方便 ,都必须通过界面友好的外观和可操作性来体现。

可见,人机界面是智能仪表开发中的主要环节,在开发的工作量中占了很大的比例。

目前已有很多文献对液晶显示技术、图形用户界面设计作了研究。

1.2 液晶概述某些固体物质在一定条件下会呈现液态晶体状态,这种状态既不同于各向同性的液体,也不同于在三维空间分子完全规则排列的固体晶体,但又具有液体的流动性、连续性和分子排列的有序性。

这种处于液体和晶体之间过渡相态的物质称为液晶。

液晶分为热致液晶和溶致液晶。

前者是物质在某一温度范围内呈现液晶状态,后者是物质溶于水或有机溶剂而形成的。

智能仪器仪表课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解智能仪器仪表的基本原理，掌握其功能、分类及在工程领域的应用。

2. 学会分析智能仪器仪表的电路结构，了解其主要部件的工作原理及相互关系。

3. 掌握智能仪器仪表使用及维护的基本方法，具备解决实际问题的能力。

技能目标：1. 能够运用所学知识，对智能仪器仪表进行简单的操作与调试。

2. 能够分析并解决智能仪器仪表使用过程中出现的常见故障。

3. 培养学生的动手实践能力，提高团队协作和沟通能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对智能仪器仪表的兴趣，激发他们探索科学技术的热情。

2. 增强学生的责任感，使其认识到智能仪器仪表在工程领域的重要作用。

3. 培养学生严谨、务实的科学态度，提高他们的创新意识和创新能力。

本课程针对高年级学生，结合学科特点和教学要求，旨在使学生掌握智能仪器仪表的基本知识，提高实践操作能力，培养他们的创新精神和团队协作能力。

课程目标具体、可衡量，便于教师进行教学设计和评估。

通过本课程的学习，学生将能够更好地适应未来工程领域的发展需求。

二、教学内容1. 智能仪器仪表概述- 了解智能仪器仪表的发展历程、功能特点及分类。

- 掌握智能仪器仪表在工程领域的应用。

2. 智能仪器仪表的原理与结构- 学习传感器、执行器、微处理器等主要部件的工作原理。

- 分析典型智能仪器仪表的电路结构及其相互关系。

3. 智能仪器仪表的使用与维护- 掌握智能仪器仪表的安装、调试、操作方法。

- 学会智能仪器仪表的日常维护及故障排除。

4. 智能仪器仪表实践操作- 设计并实施简单的智能仪器仪表操作实验。

- 分析实验结果，解决实际问题。

5. 智能仪器仪表案例分析- 研究典型智能仪器仪表在实际工程中的应用案例。

- 分析案例中智能仪器仪表的作用和价值。

教学内容依据课程目标进行选择和组织，确保科学性和系统性。

教学大纲明确教学内容安排和进度，与教材章节相对应。

通过本章节的学习，学生将全面了解智能仪器仪表的相关知识，为实际应用打下坚实基础。

智能仪器课程设计6一、教学目标本章节的教学目标旨在帮助学生掌握智能仪器的基本原理、结构组成及其应用。

通过本章节的学习，学生应能理解并描述智能仪器的各个组成部分，了解其工作原理，并能够运用所学知识解决实际问题。

具体目标如下：1.了解智能仪器的基本概念及其发展历程。

2.掌握智能仪器的结构组成，包括传感器、微处理器、显示器、执行器等。

3.理解智能仪器的工作原理和应用领域。

4.能够分析智能仪器的各个组成部分的功能和相互关系。

5.能够运用所学知识对智能仪器进行简单的故障排查和维修。

6.能够设计简单的智能仪器控制系统。

情感态度价值观目标：1.培养学生对智能仪器技术的兴趣和好奇心，提高学生对新兴科技的关注度。

2.培养学生珍惜科技成就，树立科技创新的意识。

3.培养学生团队协作精神，提高学生解决实际问题的能力。

二、教学内容本章节的教学内容主要包括智能仪器的基本概念、结构组成、工作原理及其应用。

具体内容包括：1.智能仪器的基本概念：介绍智能仪器的定义、特点及其在现代工业中的应用。

2.智能仪器的结构组成：详细讲解传感器、微处理器、显示器、执行器等各个组成部分的功能和作用。

3.智能仪器的工作原理：阐述智能仪器各组成部分之间的工作原理和相互关系。

4.智能仪器的应用领域：介绍智能仪器在工业、农业、医疗等领域的具体应用案例。

三、教学方法为了提高教学效果，本章节将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。

具体方法如下：1.讲授法：通过教师的讲解，使学生了解智能仪器的基本概念、结构组成、工作原理及其应用。

2.案例分析法：通过分析具体案例，使学生更好地理解智能仪器的实际应用。

3.实验法：安排实验室实践活动，使学生亲自动手操作，加深对智能仪器原理的理解。

4.讨论法：学生分组讨论，培养学生的团队协作能力和解决问题的能力。

四、教学资源为了支持本章节的教学，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的教材，为学生提供系统的理论知识。

2.参考书：提供相关领域的参考书籍，丰富学生的知识体系。

第一节 智能仪器的设计实例（一）—智能测速仪转速测量问题实质上是转速传感器输出脉冲信号的频率测量问题，因此，在分析测速仪之前，先介绍测频方法。

一、常用的数字化测频方法智能仪器中常用的数字化测频方法主要有两种：测频法和测周法。

1、测频法（1）原理测频法是按照频率的定义（即f ＝N ／t ）对信号的频率进行测量的一种方法，其原理如图1所示。

图中，在与门的两个输入端分别输入被测信号以及持续时间为t 的高电平信号。

这样，只有在时间间隔t 内，被测的脉冲信号才能通过与门。

如果在这段时间内，计数器的计数值为N ，则被测信号的频率可表达为f ＝N ／t 。

图1 测频法测量信号频率的原理图（2）误差分析由f ＝N ／t 可得f t t f N N f f f /])/()/[(/∆∂∂+∆∂∂=∆由于 2//,/1/,//1t N t f t N f N t f -=∂∂=∂∂=所以 t t N N f f ///∆-∆=∆考虑到极限情况，测频法相对误差的最大值为)//()/(m a x t t N N f f ∆+∆±=∆式中，f f /∆为测量频率时的相对误差；N N /∆为计数值的相对误差；t t /∆为与门开启时间的相对误差。

下面首先分析N N /∆。

在测量过程中，与门开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，即它们在时间轴上的相对位置是随机的。

在图2中，第一次与门的开闭时刻和被测计数脉冲随机配合的结果使计数器读数为N ；第二次与门的开闭时刻和被测计数脉冲配合与第一次不同，结果使计数器为N +1。

即两次读数相差一个脉冲。

图2 两次计数器读数相差一个脉冲 图3 测频法测量频率时的±1误差当与门开闭时间t 与被测脉冲周期的整数倍相接近或相等时，测频法测量频率的最大可能误差为±1，如图3所示。

此误差常被称为“±1个字误差”或 “±1误差”。

±1误差对测量的影响为)/(1/tf N N ±=∆。

智能仪器考试题型：名词解释、简答、简述、综合没有给重点，但是老师说考题都是由课后习题凝练出来的，所以我将大部分课后习题答案整理出来，仅供参考。

难免有错误，望大家谅解并指出。

课后习题参考第一章1-1 你在学习和生活中，接触、使用或了解了哪些仪器仪表？它们分别属于哪种类型？指出他们的共同之处与主要区别。

选择一种仪器，针对其存在的问题或不足，提出改进设想（课堂作业）。

解：就测量仪器而言，按测量各种物理量不同可划分为八种：几何量计量仪器、热工量计量仪器、机械量计量仪器、时间频率计量仪器、电磁计量仪器、无线电参数测量仪器、光学与声学测量仪器、电离辐射计量仪器。

1-2 结合你对智能仪器概念的理解，讨论“智能化”的层次。

解：P2 智能仪器是计算机技术和测量仪器相结合的产物，是含有微型计算机或微处理器的测量（或检测）仪器。

由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用（表现为智能的延伸或加强等），因而被称为智能仪器。

P5- P6 智能仪器的四个层次：聪敏仪器、初级智能仪器、模型化仪器和高级智能仪器。

聪敏仪器类是以电子、传感、测量技术为基础（也可能计算机技术和信号处理技术）。

特点是通过巧妙的设计而获得某一有特色的功能。

初级智能仪器除了应用电子、传感、测量技术外，主要特点是应用了计算机及信号处理技术，这类仪器已具有了拟人的记忆、存储、运算、判断、简单决策等功能。

模型化仪器是在初级智能仪器的基础上应用了建模技术和方法，这类仪器可对被测对象状态或行为作出评估，可以建立对环境、干扰、仪器参数变化作出自适应反映的数学模型，并对测量误差（静态或动态误差）进行补偿。

高级智能仪器是智能仪器的最高级别，这类仪器多运用模糊判断、容错技术、传感融合、人工智能、专家系统等技术。

有较强的自适应、自学习、自组织、自决策、自推理能力。

1-3 仪器仪表的重要性体现在哪些方面？P3-5解：（1）仪器及检测技术已经成为促进当代生产的主流环节，仪器整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一（2）先进的科学仪器设备既是知识创新和技术创新的前提，也是创新研究的主题内容之一和创新成就得重要体现形式，科学仪器的创新是知识创新和及时创新的组成部分。

智能仪器采集系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解智能仪器采集系统的基本原理与构成，掌握数据采集、处理与分析的基本方法。

2. 使学生掌握智能仪器采集系统中传感器的工作原理及应用，了解不同类型传感器的特点。

3. 让学生了解数据传输与通信的基本原理，熟悉相关协议和标准。

技能目标：1. 培养学生运用智能仪器采集系统进行数据采集、处理与分析的能力。

2. 培养学生设计简单的智能仪器采集系统方案，具备初步的系统集成与调试能力。

3. 培养学生利用所学知识解决实际问题的能力，提高创新意识和团队协作能力。

情感态度价值观目标：1. 激发学生对智能仪器采集系统的兴趣，培养其探究精神和动手实践能力。

2. 培养学生严谨的科学态度和良好的学习习惯，提高自我管理和团队合作能力。

3. 增强学生的环保意识和社会责任感，使其认识到智能仪器采集系统在环保、医疗等领域的应用价值。

课程性质：本课程为实践性较强的学科课程，结合理论教学与实验操作，注重培养学生的动手能力和创新能力。

学生特点：学生具备一定的电子技术基础和编程能力，对新技术和新设备充满好奇，喜欢动手实践。

教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，以项目为导向，培养学生的实际操作能力和团队协作能力。

通过课程学习，使学生能够达到上述具体的学习成果。

二、教学内容1. 智能仪器采集系统概述- 介绍智能仪器采集系统的基本概念、发展历程和广泛应用。

- 分析系统组成、工作原理及其在现实生活中的应用案例。

2. 传感器及其应用- 讲解常见传感器的类型、工作原理及性能参数。

- 分析不同传感器在智能仪器采集系统中的应用场景。

3. 数据采集与处理- 介绍数据采集的基本方法、信号处理技术及数据传输协议。

- 通过实例分析，让学生了解数据采集与处理在智能仪器采集系统中的重要性。

4. 数据通信与网络技术- 讲解数据通信的基本原理、网络协议和标准。

- 分析无线通信技术在智能仪器采集系统中的应用。

大学生智能仪器课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解智能仪器的原理、结构与分类，掌握常见智能仪器的功能与应用。

2. 学生能够掌握智能仪器设计的基本流程与方法，具备分析、解决实际问题的能力。

3. 学生能够了解智能仪器在工程领域的应用现状及发展趋势。

技能目标：1. 学生能够运用所学知识，设计简单的智能仪器系统，具备实际操作与调试的能力。

2. 学生能够运用相关软件工具，对智能仪器进行仿真与优化，提高系统性能。

3. 学生能够通过团队协作，完成具有一定难度的智能仪器项目设计，提高沟通与协作能力。

情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到智能仪器在现代科技领域的重要性，激发对相关领域的学习兴趣。

2. 学生能够树立创新意识，勇于尝试新方法，培养解决复杂问题的自信心。

3. 学生能够遵循工程伦理，关注智能仪器在生活中的应用，具备社会责任感。

课程性质：本课程为实践性较强的课程，旨在培养学生的动手能力、创新意识和团队合作精神。

学生特点：大学生具备一定的理论基础，具有较强的学习能力和探索精神，对实际操作和项目设计有较高的兴趣。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力和创新能力。

通过课程学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关课程和实际工作打下坚实基础。

二、教学内容1. 智能仪器原理与结构- 智能仪器的定义、特点与分类- 智能仪器的核心部件及功能- 智能仪器的工作原理与性能指标2. 常见智能仪器及其应用- 数据采集与处理仪器的应用- 控制器与执行器的工作原理及选型- 网络化智能仪器的发展与现状3. 智能仪器设计方法与流程- 系统需求分析- 硬件设计原理与电路图绘制- 软件设计方法与编程实践4. 智能仪器仿真与优化- 常用仿真软件的使用方法- 智能仪器性能指标仿真分析- 系统优化方法与策略5. 智能仪器项目实践- 项目设计与实施流程- 团队协作与沟通技巧- 项目成果展示与评价教学内容安排与进度：1. 第1-2周：智能仪器原理与结构2. 第3-4周：常见智能仪器及其应用3. 第5-6周：智能仪器设计方法与流程4. 第7-8周：智能仪器仿真与优化5. 第9-12周：智能仪器项目实践教材章节关联：1. 第1章：智能仪器概述2. 第2章：智能仪器硬件设计3. 第3章：智能仪器软件设计4. 第4章：智能仪器系统仿真与优化5. 第5章：智能仪器项目实践与案例分析三、教学方法本课程将采用以下多样化的教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：- 对于智能仪器的原理、结构与分类等基础理论知识，采用讲授法进行教学，使学生在短时间内掌握基本概念和原理。