智能仪器第7章 数据采集系统

智能仪器实验指导书Revised on November 25, 2020《智能仪器》实验报告实验项目实验时间同组同学班级学号姓名2014年4月实验一多路巡回数据数据采集系统一、实验目的1．学习模/数（A/D）转换的工作原理。

2．掌握芯片ADC0809与微控制器接口电路的设计方法。

3．掌握芯片ADC0809的程序设计方法。

二、实验设备1．实验用到的模块有“SMP-201 8051模块”、“SMP-204 译码模块”、“SMP-101 8位A/D模块”、“SMP-401 静态显示模块”。

2．短的20P、40P数据线各一根。

3．长的一号导线3根，转接线一根。

三、实验原理ADC0809芯片是一种8位采用逐次逼近式工作的转换器件。

它带有8路模拟开关，可进行8路模/数转换，通过内部3-8译码电路进行选通。

启动ADC0809的工作过程：先送信道号地址到A、B、C三端，由ALE信号锁存信道号地址，选中的信道的模拟量送到A/D转换器，执行语句 MOVX ＠DPTR，A产生写信号，启动A/D转换。

当A/D转换结束时，ADC0809的EOC端将上升为高电平，执行语句MOVX A，＠DPTR产生读信号，使OE有效，打开锁存器三态门，8位数据就读到CPU中，A/D转换结果送显示单元。

编程时可以把EOC信号作为中断请求信号，对它进行测试，用中断请求或查询法读取转换结果。

实验原理参考图1-1。

图1-1 多路巡回数据数据采集系统实验原理图本实验中ADC0809的8位模拟开关译码地址为：IN0= 8800H IN1= 8801HIN2= 8802H IN3= 8803HIN4= 8804H IN5= 8805HIN6= 8806H IN7= 8807H四、实验内容步骤1．将“SMP-201 8051模块”和“SMP-204 译码模块”分别插放到“SMP-2 主控制器单元”挂箱的CPU模块接口和译码模块接口上，将“SMP-101 8位并行AD模块”插放到“SMP-1 信号转换单元”挂箱的A/D转换模块接口上，将“SMP-401 静态显示模块”插放到“SMP-4键盘与显示单元”的显示模块接口上。

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。

基于STM32的智能数据采集系统作者：孙二威吴振磊来源：《甘肃科技纵横》2021年第08期摘要：本文设计了一种基于STM32主控芯片的智能数据采集系统。

该系统由STM32C8T6作为主控芯片，控制温湿度传感器与光照强度传感器来检测当前环境的温湿度值和光照强度值，以获取相关数据信息。

取得的数据经过处理后可在系统自带的0.96寸OLED显示屏上实时顯示，实现数据实时可视化的功能。

此外，还可根据预设值实现蜂鸣器报警和led指示灯报警的功能且可由按键手动控制其报警。

同时，该系统还具有网络互联功能，主控芯片获取的数据经由ESP8266模块将数据上传至服务器，通过基于TCP的MQTT协议订阅设备上的数据，来完成数据远程传输的功能。

这样用户就可使用微信小程序来获取采集到的数据信息，实现数据采集的智能化设计。

关键词：STM32C8T6;数据采集;ESP8266;微信小程序中图分类号：TP274.2;TP231 引言在时代飞速发展的社会背景中，如今智能设备的主要功能很大程度上取决于数据的采集，一代又一代的新产品其目的都是为了实现更好的数据获取和检测功能的方便快捷。

智能数据采集在居家、测量、监控等很多方面应用，通过智能数据采集系统可方便获取室内的温度值、湿度值、光照强度等一系列的数据参数，并通过这些数据去驱动智能家电准确工作。

一般的数据采集办法是利用常规采集仪器来完成，采集仪器体积大、重量重、功耗高且运输不便。

这时智能数据采集就显得尤为重要，无线数据的采集可以在时间片段下轮流采集，可解决有线数据采集的局限性能够得到有效的改善，提高了数据采集的完整性。

用户手机端的微信小程序可以作为一种远程获取数据的方式，使用户能够简便迅速地获取数据，并根据所获得的数据来自定义其用途和需求，以实现数据智能采集这一过程。

2 系统的设计内容该设计是基于STM32的智能数据采集系统，通过主控芯片STM32C8T6接收传感器采集到光照强度和温湿度数据，经wifi通过路由器上传至云服务器，通过EMQX（MQTT消息代理）把获取到的数值经由蜂窝数据或路由器传输，用户可以利用手机远程订阅服务器上的数据，并下发数据至微信小程序实时观测。

课程名称：数据采集与智能仪器姓名：学号：班级：《数据采集与智能仪器》课程考核（大作业）武汉理工大学信息学院参考书赵茂泰《智能仪器原理及应用》（第三版）电子工业出版社程德福《智能仪器》（第二版）机械工业出版社第1章概述本章要求掌握的内容：智能仪器分类、基本结构及特点、智能仪器设计的要点考试题（10分）1 智能仪器设计时采用CPLD/FPGA有哪些优点？第2章数据采集技术本章要求掌握的内容：数据采集系统的组成结构、模拟信号调理、A/D转换技术、高速数据采集与传输、D/A转换技术、数据采集系统设计考试题（30分）1 设计一个MCS-51单片机控制的程控增益放大器的接口电路。

已知输入信号小于10mv,要求当输入信号小于1mv时，增益为1000，而输入信号每增加1mv时，其增益自动减少一倍，直到100mv为止。

（15分）评分标准：正确设计硬件电路图（5分）；正确编写控制程序（5分）；完成仿真调试，实现基本功能（5分）；2 运用双口RAM或FIFO存储器对教材中图2-22所示的高速数据采集系统进行改造，画出采集系统电路原理图，简述其工作过程。

（15分）评分标准：正确设计硬件电路图（10分）；正确描述工作过程（5分）；第3章人机接口本章要求掌握的内容：键盘；LED、LCD、触摸屏考试题（30分）1 设计8031单片机与液晶显示模块LCM-512-01A的接口电路，画出接口电路图并编写上下滚动显示XXGCXY(6个大写英文字母)的控制程序（包含程序流程图）。

评分标准：正确设计硬件电路图（10分）；正确画出程序流程图（5分）；正确编写控制程序（5分）；完成仿真调试（10分）第4章数据通信本章要求掌握的内容：RS232C、RS485串行总线，USB通用串行总线，PTR2000无线数据传输考试题（30分）1 设计PC机与MCS-51单片机的RS232C数据通信接口电路（单片机端含8位LED 显示），编写从PC机键盘输入数字，在单片机的6位LED上左右滚动显示的通信与显示程序。

简答题1-1.什么是智能仪器？智能仪器的主要特点是什么？答：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1-9.研制智能仪器大致需要经历哪些阶段？试对各阶段的工作内容做一简要的表达。

答：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到达的技术指标。

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，把仪器划分成假设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、软件进展联合调试。

1-10为什么目前智能仪器主机电路大多数采用单片机？选择单片机时应主要.考虑哪些因素？答：单片机性能增强、表达在指令指令执行速度有很大提升；单片机集成了大容量片上flash 存储器，并实现了ISP和IAP，单片机在低电压、低功耗、低价位、LPC方面有很大进步；单片机采用了数字模拟混合集成技术，将A/D、D/A、锁相环以和USB、CAN总线接口等都集成到单片机中，大大地减少片外附加器件的数目，进一步提高了系统可靠性能。

1.仪器仪表的重要性体现在哪些方面？（1）智能仪器是当代促进生产力的主流环节，是国家综合实力的标志之一。

（2）智能仪器是知识创新和技术创新的前提和组成，是创新研究的主要内容和创新成就的表现形式之一。

（3）智能仪器是获取信息的源头技术。

总而言之，智能仪器是电子、计算机、材料科学、生物科学等学科先进技术的综合，是认识世界的工具，是国民经济的倍增器。

2.推动智能仪器发展的主要技术？（1）传感器技术。

（2）A/D等新器件的发展显著增强仪器的测量范围和功能。

（3）单片机和DSP的广泛应用。

（4）嵌入式和片上系统使智能仪器的设计提高到一个新的阶段。

（5）ASIC、FPGA/CPLD在智能仪器中的广泛应用。

（6）LabVIEW等图形化软件技术。

（7）通信及网络技术。

3.智能仪器有哪几种结构形式？从智能仪器目前的发展来看可以分为微机内嵌式和微机扩展式。

微机内嵌式智能仪器是将单片或多片微处理器与仪器有机结合在一起形成的单机，其中微处理器在里面起到控制和处理数据的作用，它的特点是专用或多功能化，小型化易于携带，干电池供电成本降低。

微机扩展式智能仪器是以个人计算机为核心的应用扩展型测量仪器。

它的优点是可以利用PC机的硬件，利用PC机的强大功能进行复杂的、快速的数据采集。

4.智能仪器的数据采集系统？数据采集系统是智能仪器中被测对象与微机之间的联系通道，它包括传感器、模拟信号调节电路、数据采集电路、微机系统。

传感器是将非电量转化为电量的器件。

模拟信号调节电路对小信号进行放大、滤波、信息化处理、温度补偿、去噪等。

数据采集电路是将模拟信号转化为数字信号。

微机系统是对数据采集系统进行控制和数据处理。

5.数据采集系统的基本结构形式及各自特点？按照数据采集电路是各路共用一个还是各用一个可以分为集中采集式和分散采集式。

集中采集式又可以分为分时采集型和同步采集型。

分时采集型存在时间偏斜误差，它对信号的采集是由多路转化开关分时切换轮流选通的，它的特点是多路信号公用一个采样保持器和A/D电路，简化了电路结构，降低了成本。

第二章: 智能仪器的数据采集技术一、判断题：(1) 智能仪器的数据采集系统是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。

[ ](2) 数字式传感器的输出一般为数字信号。

[ ](3) 仪用放大器可同时满足对放大器的抗共模干扰能力、输入阻抗、闭环增益的时间和温度稳定性等不同的性能要求。

[ ](4) 一般而言，模 / 数转换器的分辨率越高，其转换时间会更长 [ ](5) 在数据采集系统中，设计的动态范围越大，则其分辨率就越高。

[ ](6) 与比较型模 / 数转换器 (ADC) 对比，积分型 ADC 应用于速度更高的场合。

[ ](7) Σ - Δ A/D 变换器由于采用了过采样技术和Σ - Δ调制技术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电路的比例，因而能够以较低的成本实现高精度的 A/D 变换器，适应了 VLSI 技术发展的要求。

[ ](8) 模 / 数转换器的位数与其分辨率成正比。

[ ](9) 数据采集系统精度是指当系统工作在额定通过速率下，系统采集的数值和实际值之差，它表明系统误差的总和。

[ ](10) 解决多通道的串音问题的有效方法就是引入采样 / 保持器。

[ ]二、选择题：(13) 一般来说，数据采集系统的组成包括：____错误！未找到引用源。

A、传感器、调理电路、数据采集电路错误！未找到引用源。

B、传感器、调理电路、数据存储单元错误！未找到引用源。

C、传感器、数据存储单元、数据采集电路错误！未找到引用源。

D、调理电路、数据存储单元、数据采集电路第三章: 人机对话与数据通信一、判断题：(1) 非编码键盘是通过硬件直接提供按键读数的。

[ ](2) LCD显示器有静态驱动和叠加驱动两种驱动方式，这两种驱动方式可在使用时随时改变。

[ ](3) 触摸屏既可以作为输入设备，也可以作为输出设备。

[ ](5) USB协议为设备定义了2种供电模式：自供电和总线供电。