智能仪器原理与设计- (8)

1、什么是智能仪器？它有什么特点？内含微型计算机并带有GP-IB等通信接口的电子仪器成为智能仪器。

特点：1）、智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关开实施对仪器的控制从而使仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连。

2)、微处理器的运用极大的提高了仪器的性能。

3)、智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便的实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自动诊断等功能，有力的改善了仪器的自动化测量水平。

4)、智能仪器具有友好的人机对话能力。

5)、智能仪器一般都配有GP-IB或RS-232等通信接口，是智能仪器具有可程控操作的能力2、描述设计、研制智能仪器的一般过程？1.确定设计任务：首先根据仪器最终要实现的设计目标，编写设计任务说明书，明确仪器应具备的功能和应达到的技术指标。

2.拟制总体设计方案：设计者应首先一句设计的要求和一些约束条件，提出几种可能的方案。

3.确定仪器工作总框图：当仪器总体方案和选用的微处理器的种类确定后，就应采用自上而下的方法，把仪器划分成若干个便于实现的功能模块，并分别绘制出相应的硬件和软件工作框图。

4.硬件电路和软件的设计与调试：一旦仪器工作总框图确定后，硬件电路和软件的设计工作就可以齐头并进。

5.整机联调：硬件、软件分别装配调试合格后，就要对硬件、软件进行联合调试。

3、画出智能仪器通用结构框图，简述每一部分作用。

主机电路用来存储程序数据并进行一系列的运算和处理；模拟量输入/输出通道用来输入/输出模拟信号；人机接口电路的作用是沟通操作者和仪器之间的联系；通信接口电路用于实现仪器与计算机的联系，以便使仪器可以接收计算机的程序命令。

4、智能仪器的数据采集系统包括哪几部分？每一部分的主要功能是什么？（框图）1.数据采集被测信号经过放大、滤波、A/D转换，并将转换后的数字量送入计算机。

2.数据处理由计算机系统根据不同的要求对采集的原始数据进行各种数学运算。

常用元件封装1）电阻：最为常见的有0805、0603两类，不同的是，它可以以排阻的身份出现，四位、八位都有，具体封装样式可参照MD16仿真版，也可以到设计所内部PCB库查询。

注：ABCD四类型的封装形式则为其具体尺寸,标注形式为L X S X H1210具体尺寸与电解电容B类3528类型相同0805具体尺寸：2.0 X 1.25 X 0.5（公制表示法）1206具体尺寸：3.0 X 1.5 0X 0.5（公制表示法）3）电容：可分为无极性和有极性两类: 无极性电容下述两类封装最为常见，即0805、0603；有极性电容也就是我们平时所称的电解电容，一般我们平时用的最多的为铝电解电容，由于其电解质为铝，所以其温度稳定性以及精度都不是很高，而贴片元件由于其紧贴电路版，所以要求温度稳定性要高，所以贴片电容以钽电容为多，根据其耐压不同，贴片电容又可分为A、B、C、D四个系列，具体分类如下：类型封装形式耐压A 3216 10VB 3528 16VC 6032 25VD 7343 35V贴片钽电容的封装是分为A型（3216），B型（3528），C型（6032），D型（7343），E型（7845）。

有斜角的是表示正极1、标准电阻：RES1、RES2；封装：AXIAL-0.3到AXIAL-1.0两端口可变电阻：RES3、RES4；封装：AXIAL-0.3到AXIAL-1.0三端口可变电阻：RESISTOR TAPPED，POT1，POT2；封装：VR1-VR52、电容：CAP（无极性电容）、ELECTRO1或ELECTRO2（极性电容）、可变电容CAPVAR封装：无极性电容为RAD-0.1到RAD-0.4，有极性电容为RB.2/.4到RB.5/1.0.3、双列直插元件原理图中常用的名称为根据功能的不同而不同，引脚封装形式DIP系列，不如40管脚的单片机封装为DIP40。

谐波电流的测试，需要专业的测试仪器来完成，一般的电流表是不具备这个功能的。

智能仪器的设计与实现技术研究在当今科技飞速发展的时代，智能仪器已经成为了各个领域不可或缺的重要工具。

从工业生产中的质量检测，到医疗领域的疾病诊断，再到科研实验中的数据采集与分析，智能仪器以其高效、精确和智能化的特点，为人们的工作和生活带来了极大的便利。

那么，智能仪器是如何设计与实现的呢？这背后涉及到一系列复杂的技术和原理。

智能仪器的设计首先要明确其应用场景和功能需求。

例如，在工业自动化领域，可能需要一款能够实时监测生产线上温度、压力、流量等参数的智能仪器，并且能够在参数异常时及时发出警报；而在医疗领域，可能需要一款便携式的智能血糖仪，能够快速、准确地测量血糖值，并将数据传输到手机 APP 上供患者和医生查看。

因此，在设计之前，必须对用户的需求进行深入的调研和分析，以确定智能仪器的性能指标、测量范围、精度要求、操作方式等。

确定了需求之后，接下来就是硬件设计。

硬件是智能仪器的物理基础，其性能直接影响着仪器的稳定性和可靠性。

传感器是智能仪器获取外界信息的“眼睛”，它负责将各种物理量（如温度、压力、光强等）转换为电信号。

例如，温度传感器可以采用热电偶、热电阻或半导体温度传感器，根据测量范围和精度要求进行选择。

信号调理电路则对传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、线性化等处理，使其能够被后续的 ADC（模数转换器）准确转换为数字信号。

微控制器（MCU）是智能仪器的“大脑”，它负责控制整个仪器的运行。

常见的微控制器有单片机、ARM 处理器等。

在选择微控制器时，需要考虑其运算速度、存储容量、接口资源等因素。

此外，还需要为智能仪器配备合适的电源电路、通信接口（如USB、蓝牙、WiFi 等）、显示模块（如液晶显示屏、LED 数码管等）以及按键等输入设备。

软件设计是智能仪器实现智能化的关键。

软件通常包括底层驱动程序、操作系统（如果需要）和应用程序。

底层驱动程序负责与硬件进行通信，实现对传感器、ADC、通信接口等的控制和数据读取。

智能仪器原理与设计教学大纲《智能仪器原理与设计》教学大纲课程代码：31040180学位课程/非学位课程：非学位课程学时/学分：46/3（其中实验8学时）先修课程：《电子技术基础》、《传感器原理与应用》、《微机原理与接口技术》适用专业：电子信息工程专业课程简介：本课程是电子信息工程专业的主干专业课。

本课程介绍智能仪器的特点、技术标准、发展概况、基本构成和先进控制技术。

本课程还着重介绍了智能仪器的设计思想和设计方法。

一、教学目标1、知识水平教学目标掌握智能仪器的输入输出通道及接口技术、常用组件的原理及性能指标；理解智能控制系统误差的形成原理及自动校准和自诊断技术、基本抗干扰技术；2、能力培养目标在学习电子技术基础，传感器原理及微机原理等技术基础课程的基础上，了解智能仪器的概念及其设计内容，学会利用单片机设计智能仪器的各种功能模块，了解每个环节上的抗干扰措施。

以便今后能从事智能仪器的设计、研发工作。

3、素质培养目标（1）求实精神：通过本课程教学，培养学生追求真理的勇气、严谨求实的科学态度和刻苦钻研的作风。

（2）创新意识：通过学习，引导学生树立科学的世界观，激发学生的求知热情、探索精神、创新欲望，以及敢于向旧观念挑战的精神。

二、教学重点与难点1、教学重点：掌握智能仪器的输入输出通道及接口技术、常用组件的原理及性能指标；理解智能控制系统误差的形成原理及自动校准和自诊断技术、基本抗干扰技术；了解智能仪器设计的基本原则、步骤；了解智能控制系统的控制软件的基本结构及设计方法、硬件的基本构成及设计方法以及系统的调试方法。

2、教学难点：智能仪器中的抗干扰技术以及智能仪器系统的设计思想。

三、教学方法与手段四、教学内容、学习目标与学时分配教学内容教学目标课时分配（38学时）1导论了解22智能仪器模拟量输入/输出通道82.1模拟量输入通道掌握22.2高速模拟量输入通道掌握22.3模拟量输出通道掌握22.4数据采集系统掌握23智能仪器人机接口83.1键盘与接口掌握23.2LED显示及接口掌握23.3键盘/LED显示器接口设计掌握23.4CRT显示及接口了解13.5微型打印机及接口掌握14智能仪器通信接口84.1GPIB通用接口总线掌握24.2GPIB接口电路的设计掌握24.3串行通信总线掌握24.4串行通信接口电路的设计掌握25智能仪器典型处理功能65.1硬件故障的自检掌握25.2自动测量功能掌握25.3仪器测量精度的提高掌握15.4干扰与数字滤波掌握16电压测量为主的智能仪器66.1智能化DVM原理掌握26.2智能化DMM原理掌握26.3智能化RLC测量仪原理掌握2实验项目与学时分配表注：实验类型代码为1—演示性；2—验证性；3—综合性；4—设计研究；5—其它五、作业要求1、课外作业：布置与授课知识点相关课后习题2、阅读与自学：自学各种智能仪器的实用电路六、考核方式与考试范围1、考核方式：考试2、考试范围：全部教学内容1、教材。

智能仪器原理与设计课后答案【篇一：《智能仪器设计》复习题及答案】>答：智能仪器有以下特点：（1）自动校正零点、满度和切换量程（2）多点快速检测（3）自动修正各类测量误差（4）数字滤波（5）数据处理（6）各种控制规律（7）多种输出形式（8）数据通信（9）自诊断（10）掉电保护。

2、简述智能仪表的设计思想和研制步骤。

答：智能仪表的设计思想是根据仪表的功能要求和技术经济指标，自顶向下（由大到小、由粗到细）地按仪表功能层次把硬件和软件分成若干个模块，分别进行设计和调试，然后把它们连接起来，进行总调。

智能仪表的研制步骤大致上可以分为三个阶段：确定任务、拟定设计方案阶段；硬件、软件研制及仪表结构设计阶段；仪表总调、性能测试阶段。

3、在mcs-51系列单片机中扩展外部存储器用哪几个i/o端口？答：在mcs-51系列单片机中扩展外部存储器用p0和p2口。

4、在8031扩展系统中，片外程序存储器和片外数据存储器共处一个地址空间，为什么不会发生总线冲突？答：因为片外程序存储器和片外数据存储器虽然共处一个地址空间，但它们的控制信号是不同的，其中8031的为片外程序存储器的读选通信号，而和为片外数据存储器的读和写选通信号。

5、mcs-51有哪些中断源？它们各自的中断服务程序入口地址是什么？答：mcs-51有5个中断源，它们分别是外部中断0、定时器0、外部中断1、定时器1和串行口。

它们各自的中断服务程序入口地址见下表。

6、当使用一个定时器时，如何通过软硬件结合的方法来实现较长时间的定时？答：首先用定时器定时一个时间，然后在数据存储器中设置一个计数器，通过计数器对定时器的溢出次数的累计即可实现较长时间的定时。

7、试述模拟量输入通道的结构形式及其使用场合。

答：模拟量输入通道有单通道和多通道之分。

多通道的结构通常又可以分为两种：（1）每个通道有独自的放大器、s/h和a/d，这种形式通常用于高速数据采集系统。

（2）多路通道共享放大器、s/h和a/d，这种形式通常用于对速度要求不高的数据采集系统。

智能仪器课程设计课程设计名称3位半数字电压表学生姓名、学号谭彩铭（0501170118）指导教师牛国柱2009-1-16课程设计要求设计一3位半直流数字电压表，满足下列要求1、量程为20mV，200mV，2V，20V，200V，测量精度要求0.1%2、3位半数码显示3、工作状态显示4、开机自检5、配简单键盘，如量程切换6、配微型打印机接口由实际操作中遇到的问题找解决方案实际搭建的数字电压表的量程为20mV，200mV，2V和8V，能完成量程的自动切换，并有各种量程状态以及超、欠量程的指示灯显示。

原理图附录一所示。

对应的完整汇编程序见附录三。

1 原理图总体思路由于采用3位半AD转换器TC14433，提供的基准电压为2V，可测电压量程为2V，故大于2V的待测电压衰减后输入，小于2V的待测电压放大后输入。

衰减和放大由51单片机控制控制模拟开关4051，4052来完成。

调试当中，发现若输入电压为负时，比例放大就不准确了，且相差较大，故又用运放和模拟开关搭建了一反相控制电路。

原理图当中，U15为用OP07搭建的电压跟随器，用于增大输入阻抗，减小输出阻抗，以减少对待测电压的影响。

U16为用OP07搭建的一反相器。

U1用于若发现待测电压为负，让待测电压反相后进入后续电路。

U6作用同U15。

U1用于控制是否将待测电压衰减1/4后进入后续电路。

U4和U7用于控制是否对电压进行衰减以及衰减多少。

U17作用同U15。

U2为用MC1403搭建的2V电压源，用于输出较准确的电压源给TC14433作为基准电压。

2 AD转换部分TC14433中，EOC与DU端相连，选择连续工作方式。

EOC与51单片机的中端口0相连，由中断方式采集数据。

中断0采集数据服务子程序如图2所示。

3 升降量程及量程状态指示灯显示程序控制升降量程即控制模拟开关4051和4052，是否对待测电压进行放大或衰减。

如何有效的控制量程的自动转换是一较难点，尤其是保证程序的健壮性。

智能仪器考试试题一、选择题（每题 3 分，共 30 分）1、智能仪器的核心部件是（）A 传感器B 微处理器C 显示器D 执行机构2、以下哪种通信方式常用于智能仪器的数据传输（）A 并行通信B 串行通信C 蓝牙通信D 以上都是3、智能仪器中的模拟信号转换成数字信号通常使用（）A ADC 转换器B DAC 转换器 C 计数器D 定时器4、以下哪项不是智能仪器的特点（）A 高精度B 高可靠性C 高成本D 多功能5、智能仪器的软件通常包括（）A 系统软件B 应用软件C 驱动软件D 以上都是6、在智能仪器的误差处理中，常用的方法不包括（）A 软件滤波B 硬件滤波C 校准D 忽略误差7、智能仪器的人机交互界面不包括（）A 键盘B 触摸屏C 指示灯D 电源开关8、以下哪种编程语言常用于智能仪器的软件开发（）A C 语言B Java 语言C Python 语言D 以上都是9、智能仪器的自诊断功能主要是为了检测（）A 硬件故障B 软件故障C 人为操作错误D 以上都是10、以下关于智能仪器的发展趋势，说法错误的是（）A 小型化B 单一功能化C 智能化D 网络化二、填空题（每题 3 分，共 30 分）1、智能仪器通常由_____、＿____和_____三大部分组成。

2、传感器的作用是将_____转换成_____。

3、微处理器在智能仪器中的主要作用是进行_____和_____。

4、智能仪器的显示方式有_____、＿____和_____等。

5、数据采集系统中，采样保持器的作用是_____。

6、智能仪器的抗干扰技术包括_____、＿____和_____等。

7、智能仪器的通信接口常见的有_____、＿____和_____。

8、智能仪器的软件设计原则包括_____、＿____和_____。

9、智能仪器的可靠性指标通常用_____和_____来衡量。

10、智能仪器的校准方法有_____和_____。

三、简答题（每题 10 分，共 20 分）1、简述智能仪器的工作原理。