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智能仪表设计

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清华大学自动化系 1第一章 智能仪表原理与设计基础 Microprocessor-Based Instruments Smart Instruments Intelligent Instruments 1．1 智能仪表与常规仪表对比 一、 常规仪表 传感器：被测量Æ相应电信号（物理、化学方法） 信号变换及运算：放大、滤波、线性化、归一化、远传、各种运算（信号处理、控制算法） 显示器：显示被测量数值 • 模拟指示式（如指针位置）：简单、直观、精度差 • 数码显示式：精度高、不直观 执行器：将控制信号转换为控制动作 二、智能仪表 • 以 MPU实现信号变换及运算； • 以 MPU 为主体，以软件代替硬件，优化功能，提高性能及灵活性，改善人机界面； • 引入一定的人工智能：如专家系统、神经网络等。 • 仪表网络化 智能仪表可实现的功能： 1．自动调整与自校准： 如自调零、自校正、自动变量程、补偿漂移、测量结果校正（如流量的温、压校正）、自检、自诊断等。 2．测量数据处理： 如线性化、数字滤波、误差修正、曲线拟合、变换（如FFT，小波变换）、相关分析与统计处理、预测（如化工产品质量）、参数估计、模式识别（如成分分析）、故障诊断（如旋转机械）等。 3．改善人-机界面： 如CRT显示：可模拟式、数字式、图形式， 可显示多个参数、工艺流程图、历史数据、曲线、直方图、Pie Chart、立体图、动画等。 4．改善控制质量： 控制功能为软件模块、软接线组态。有多种PID、+、-、*、/、√、….可实现参数自整定、自适应控制、模糊控制、多变量控制、神经网络控制等。 5．测量过程的软件控制：功能控制、测量流程控制、人机对话、自动检测等。 传感器 信号变换及运算 显示器

执行器 给定值

清华大学自动化系 26．提高灵活性与可靠性：以软代硬、容错技术、自诊断、软硬件冗余等。 7．通信与网络化：现场总线，ASI总线，I2C，单总线，传感器网络等。 8．虚拟仪器： 用计算机＋接口＋软件实现仪表功能。 1．2 智能仪表设计过程 一、功能需求分析 1．功能要求 测量功能：被测量、传感器情况，输出要求（显示、打印、传输等）； 控制功能：控制对象，对象模型，控制种类（随动控制，恒值控制，变化曲线控制等）； 管理功能：操作要求，数据库要求，报表与决策，统计分析等功能。 2．性能要求 测量范围，测量精度，动态特性，稳定性、可靠性要求等。 3．对象特性 输入输出关系，各变量的幅度与变化规律。 二、设计过程 1．3 硬件结构与机型选择 一、智能仪表硬件结构 二、微型机MPU选择 选择原则：• 位数：8位，16位，32位； • 速度：主频，RISC结构； • 功能考虑：并口、串口、CTC、中断系统、WatchDog、A/D等。 种类：1. 早期用单扳机或系统机 2. Microcontrollor：51系列，196系列，68系列，NEC，PHILIPS等。 带A/D、D/A，HSI/HSO，PWM，WachDog，USB口，CAN接口，以太网口等。 3．标准总线模块机：STD，STE，VME，Q，S-100，MULTIBUS等。 微型机 MPU 通信接口

人机接口 模拟量 开关量 频率量

外部设备 传感器 信号调理 输入接口 输出接口 方案论证 总体设计

软件设计 硬件设计结构设计

统调与性能测试 联机调试 设计文档编写

清华大学自动化系 3 4．ARM处理器——Advanced RISK Machines RISC——Reduced Instruction Set Computer ARM主要有5个产品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore ARM处理器特点： 32位数据， 32位地址， 37个累加器和工作寄存器 取指、译码与执行 ：三级流水线 51系列单片机与ARM处理器对比： 嵌入式系统（Embedded Systems）：将软件产品固化到硬件平台上，完成特定功能。 嵌入式操作系统：Windows CE, Windows XP Embedded, 嵌入式Linux，VxWorks等。 5．ASIC： 带 MPU的专用IC片，例如： • 3051C系列压力变送器： • 温度测量控制仪： 传感器P/C专用IC C数字显示 4～20mA

手操器 （做零点及量程迁移）

mV 热电偶 热电阻 4～20mA 数显 报警 PID调节输出 位式调节输出 专用

IC CPU 输入 输出 外设

P1 P2 C1 C

2 取指 译码执行取指译码执行取指 译码 执行 51系列顺序执行 指令1 指令2 指令3

ARM7三级流水线取指 译码执行取指译码执行取指译码执行取指译码执行指令1 指令2

指令4 指令3

清华大学自动化系 46．DSP： 如TI公司的TMS320：包括乘法器、32位累加器。1024点FFT为ms 量级。 7．自定义的微处理器系统：现场可编程逻辑阵列（FPGA）＋软核处理器。 在FPGA 容量允许范围内, 开发者可自由配置MPU的性能指标： • 高速缓存Cache 大小； • 指令集ROM 大小； • 片内RAM 和ROM 大小； • I/O 引脚数目和类型； • 中断引脚数目； • 定时器数目； • 通用串口数目； • 扩展地址和数据引脚等。 还可以在处理器ALU 中直接加入自行定义的数字逻辑,添加自行定义的处理器指令。 8．基于PC的虚拟仪器： LabVIEW（NI公司），VEE（HP）等 软面板，图形编程方式，自动纠错功能等。 1．4 软件设计 一、软件设计过程 1． 建立数学模型（如频谱分析、线性化、曲线拟合、模糊控制…） 2． 确定算法（如FFT、查表、LS、PID控制 … ） 3． 程序流程图 4. 编程 5. 调试与排错 6. 固化 7．编写文档 （1）技术说明 （2）使用说明 二、编程语言选择 目前常用的语言是C和汇编语言。 基于模型的编程方法和集成开发环境：可使开发和验证自动化，减少费用和降低错误。 自动代码生成可避免各种错误和误解。 三、开发设备 1．计算机 2. 仿真器 3. EPROM写入器（烧录器） 4. 逻辑分析仪 5. 单片机、DSP、ARM开发系统 6. 其他相应开发工具（如FPGA开发系统）

输入 输出

传感器 执行器 数据采集 与输出卡 串行接口 VXI接口 PXI接口 计算机 LabVIEW LabWindows /CVI 开发环境

GPIB接口

清华大学自动化系 5第二章 信号输入通道与数据采集 2．1 检测信号调理 一、检测信号分类 1．直流电压信号 µV～mV级居多，例如：热点偶，霍尔元件，pH计，电磁流量计，心电信号等。 2．直流电流信号 nA～mA级居多，例如：光电管，光二极管，各种变送器信号等。 3．频率信号 0～几kHz，例如：振动测量，涡街流量计，声波信号等。 按传感器种类分类： • 电阻式传感器测量电路：常用直流电桥＋放大器； • 电抗式传感器测量电路：常用交流电桥＋放大器，或相敏放大； • 压电式传感器测量电路：常用电荷放大器。 二、滤波 目的：1）提高SNR， 2）压缩频带，防止频率混叠（Anti-Aliasing） 常用滤波器：工业信号多为低频，f < 20 Hz，∴常用低通；调制信号用带通。

三、放大 1．I /V放大 uo＝－I Rf 要求放大器低偏流、低失调电压、低漂移； 如AD515 2．Q/V放大 3．仪用数据放大器 （1）差分直耦式： 如AD524，LM363 特点：1）精密高增益 2）高CMRR：共用反馈电阻Rg 3）高输入阻抗：+端输入，输入级为FET （2）斩波自稳零式（CAZ—Commutating Auto-Zero）：如ICL7650 Filter Filter

Sgofdg12RRuRKuRR+==•Rf Cf Q uo - + C A Rf uo I -+

- + 符号： Rf

RS R1 RS uo Rg uC ud/2

ud/2 + -

- + + -

Rf R1 off(1)AQQuCACC=−≈−++

清华大学自动化系 6 特点：1）VOS

及IB很小：VOS < 5µV, ∆VOS < 0.01µV / °C 2）频响低：< 20Hz 4. 隔离放大器 如AD293，ISO-100，ISO-130 (B-B) 等。 特点：1）输入、输出、电源不共地； 2）抗共模干扰能力很强。 方法：变压器耦合，或光电耦合，或电容耦合。 2．2 模拟量多路开关—MUX 一、MUX原理 1．功能：模拟信号多选一 2．实现：多路双向CMOS 开关 3．优点：寿命长, 速度高, 无粘连、弹跳问题 缺点：导通电阻较大：几十～几百Ω 4．使用注意：控制信号电平 如CD4051：ui 范围：－VEE～＋VDD uC 范围：VSS ～＋VDD 二、传输精度 1. 等效电路 只有一路导通时： RON ——导通电阻，100～300 Ω N IOFF ——各路泄漏电流，IOFF＝

0.2～2 nA，N为路数 2. 静态传输精度 LOiOFFLSONSONL[//()]RuuNIRRRRRR××+++＝＋ 为提高精度，应使 RL >> RON +RS , 可用电压跟随器提高 RL。 3. 动态误差 ∵ 寄生电容CX 与CY ，产生各路间的串扰。 N ↑，f ↑ → 串扰↑ 使用注意：工作频率fS < f MAX 三、主要参数 1．通道数量；2．泄漏电流Ioff ；3. 导通电阻Ron；4．切换速度：接通时间ton，断开时间toff。 电源 输出 输入

±2500V ±300V VDC 斩波驱动 C1 C2 Vo Vi + - A1

+ - A2 + - A3

CX CY

┇ RON ui RS N Ioff RL uo +VDD VSS -VEE

控制信号uC u1 u2 ┇ uN uO

译码电路 - + RL

清华大学自动化系

72.3 频率相位信号的采集 一、频率信号的采集 1．频率测量 可用CTC实现。 2．周期测量 可用CTC实现。 3．利用F/V芯片 二、相位差信号的采集 第三章 信号输出通道 3．1 模拟量输出 一、 电流输出型DAC连接成电压型输出 1．单极性输出 2. 双极性输出 VO＝－IOUT × RF VO＝(VREF / R1－IOUT ) × RF 二、多路模拟量输出 1．每路使用单独的DAC DAC IOUT RF VO ┇ MPU - + 数字量 模拟量 F/V ADC 频率量 计数器

清零 溢出 被测频率信号

测量时段 并行输出 &

计数器

清零 溢出 标准频率信号

被侧周期 并行输出 &

A B ϕ 计数器

清零 溢出 标准频率信号

触发器

A B 并行输出

&

DAC IOUT VO ┇ MPU -VREF R1

- + RF

MPU 接 口 DAC

DAC ┇VO1

VO4 ┇

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智能仪器仪表课程设计

智能仪器仪表课程设计

.智能仪表综合课程设计

;

0 摘 要

随着时代的进步和发展，智能仪表已经普及到我们生活、工作、科研、各个领域，已经成为一种比较成熟的技术, 本文主要介绍了一个基于89C51单片机的温度报警系统，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，对各部分的电路也一一进行了介绍,该系统可以方便的实现实现温度采集和模数转换，并可根据需要任意设定上下限报警温度，它使用起来相当方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。AT89C51与ADC0808结合实现最简温度报警系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。

关键词：温度报警；ADC0808；AT89C51

.智能仪表综合课程设计

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1 目录

1 智能仪器仪表的简介 .................................................... 2

1.1智能仪器仪表简介 .................................................. 2

1.2智能仪器仪表的作用 ................................................ 2

1.3本课题的背景和意义 ................................................ 3

2 系统设计简介 .......................................................... 4

2.1 芯片简介 .......................................................... 4

2.2 设计要求 .......................................................... 4

WT-400系列智能数显控制变送仪表的设计及应用

WT-400系列智能数显控制变送仪表的设计及应用

科技创新　２０１２年４月（中）Ｉ科技创新与应用　

ＷＴ一４００系列智能数显控制变送仪表的设计及应用　

王媛　

（中国电子科技集团公司第四十六研究所索思公司，天津３００１９２）　

摘要：本文主要阐述了ＷＴ－４００系列智能数显控制变送仪表的工作原理、硬件电路设计以及利用ＡＴ８９Ｓ５２单片机实现监测及　

控制功能的软件设计；利用变送仪表可大大提高各种控制系统的安全性和可靠性，大幅度降低人员维护成本，使控制系统的故障　

维修便捷、快速，为生产保驾护航。　

关键词：变送仪表；监测；单片机　

１引言　

大多数生产过程的经济效益在一定程度上取决于他们对生产过程　

的监测，因此，严格监测生产过程中的参数，并及时报警与调节系统，能　

够产生更多的经济效益；计算机过程控制系统直接与生产过程连接，承　

担主要控制任务，其可靠ｆ生至关重要。为了生产安全，除了系统的软、硬　

件应可靠外，还应采取智能数显的方式为过程控制提供有效的安全保　

障，现场操作人员仍能对执行机构直接进行有效的操作。　

２仪表的工作原理　ＥＩＡ　ＲＳ－－２３２Ｃ是目前最常用的串行接口标准，用于实现计算机与　

计算机之间、计算机与外设之间的数据通信。该标准的目的是定义数据　

终端设备之间接口的电气特陛，使用ＲＳ－２３２Ｃ，数据通信的波特率允许　

范围为Ｏ－－２０Ｋｂ／ｓ。在使用１９２００ｂ／ｓ进行通信时，最大传送距离在２０ｍ　

之内。降低波特率可以增加传输距离。图３为ＲＳ－２３２接口原理图：　

该仪表的功能实现由硬件及软件组成，硬件部：净主要完成各种模　嚣　

拟量的采集转换、控制量的输出、人机界面及显示等；软件部分主要完　

成信号的处理及控制功能、参数的设定及报警。其工作原理是由　

ＡＴ８９Ｓ５２单片机通过多路选择开关及１４位高精度　ＵＤ转换电路实现　

数据采集。框图如图１所示：　

多　蹄　

拟　

。Ｈ　输　入　

园　鬲　Ｉ　

．一．．．　

Ｉ．．．．．一．．．．．．．．　

　避讯　Ｊ　Ｉ

．一．．．　．．＿Ｊ　

图１原理框图　

汽车智能仪表盘设计

汽车智能仪表盘设计

课题介绍.............................................................

产品调研 ..........................................................

分析研究 .........................................................

设计构思 ........................................................

设计展开 .......................................................

使用说明 .......................................................

汽车仪表盘是人们日常生活中必不可少的工具。现在市场上销售的种类多种多样，五花八门。但是，其中不乏很多不好的设计，更有很多不符合人机工程学。

通过调研，分析，探讨。实践，我们可以发现汽车仪表设计中存在的各种问题，并找出好的方法将之优化或解决。

汽车智能仪表盘设计

摘要：智能仪表日益广泛地应用在工业自动化领域，随着生产自动化要求的不断提高，对智能仪表的设计提出了更高的要求。从智能仪表的概念及其发展现状出发，分析智能仪表的组成部分，并对智能仪表的设计过程和技术进行探讨。

关键词：智能仪表；技术；设计

1．智能仪表的概念及其发展现状

工业自动化仪表是用以实现信息的获取、传输、变换、存储、处理与分析，并根据处理结果对生产过程进行控制的重要技术工具。其中包括检测仪表、分析仪表、执行与控制仪表、记录仪表等几大类，也有将几部分功能集成在一起的仪表，是工业控制领域的基础和核心之一。

微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，引起了仪器仪表结构的根本性变革，即以微型计算机为主体，代替传统仪表的常规电子线路，成为新一代具有某种智能的灵巧仪表。这类仪表的设计重点，己经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的微机模板或微机功能部件、接口电路和输入偷出通道的设计，以及应用软件的开发。传统模拟式仪表的各种功能是由单元电路实现的，而在以单片机或嵌入式系统为主体的仪表中，则由编程软件、各种特殊而复杂的功能模块、简化的用户组态编程功能以及各种典型应用的控制策略包等模块组成的软件，来完成众多的数据处理和控制任务。

智能仪表的硬件设计

智能仪表的硬件设计

智能仪表的硬件设计

摘 要：设计了一种智能仪表，其硬件系统采用功能模块化设计，主要由CPU处理模块、A/D转换模块、信号调理模块、人机接口模块、数字量输入输出接口以及电源模块。

关键词：智能仪表 模块 系统

石化电厂燃运系统，构建一个完整的胶带机保护系统。其实际是一种通用型胶带输送机智能诊断保护系统，它能对胶带输送机出现的打滑、断带、过载、柱销断等故障进行自动检测，并发出声、光报警信号。当出现故障时，能自动停止故障胶带机并对前面的胶带机连锁停机。智能仪表是实现整个胶带机监测保护系统的核心，虽然现在市场中有许多型号的电机保护监测装置，但主要是功能不全，不能满足厂方的要求，而且价格也很高，需要研发一种可以广泛应用于各种工业现场的智能监测保护仪表。

1智能仪表的CPU处理模块

当传感器将非电物理量电压、电流、速度等转换成模拟电压信号，这一模拟信号经电路转换、隔离后，需进行模数转换才能经CPU处理进行显示和控制输出，以及经过串行通信模块与上位机进行远程通信。综合考虑性能价格比等因素，智能仪表的CPU处理模块选用TI公司的MSP430F149单片机。 MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI) 1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed SignalProcessor)。MSP430F149的电源电压采用1．8 -3. 6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0. lu A，16位RISC结构，120ns指令周期，有丰富的外围资源，具有12位200ksps的A/D转换器，3个捕获／比较寄存器的16位定时器Timer A，Timer B，两通道串行通信接口可用于异步或同步(UART/SPI)模式，6个8位并行端口，且2个8位端口有中断能力，有多达60kB FLASH ROM和2kB RAM，具有串行在线编程和保密熔丝的程序代码保护功能，修改程序十分方便，中断源较多，并且可以任意嵌套，实用灵活方便，当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒仅需6us，系统工作稳定，如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统工作正常，如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。开发语言可以是汇编语言和C语言，编程非常方便。