第八章：智能仪器设计实例(1设计原则与设计步骤)
智能仪器原理及设计
一．设计目的及意义 (2)1.1 设计目的 (2)1.2 示意图 (2)二.设计内容及要求 (3)2.1设计题目 (3)2.2设计内容 (3)2.3设计要求 (3)三.设计步骤及设备 (4)3.1设计步骤 (4)3.2设计所需设备 (4)四．硬件电路设计 (5)4.1单片机电路 (5)4.2显示及键盘接口电路 (5)4.3 D/A转换电路 (6)4.4 USB串口模块 (7)4.5 复位电路 (7)4.6路LED (8)4.7 PCB原理图 (10)五．程序设计 (11)六．软硬件调试 (19)6.1在单片机编程中主要出现问题： (19)七．心得体会 (20)八．波形图 (21)一．设计目的及意义1.1设计目的（1）掌握动态LED显示及键盘设计原理，使学生对智能仪器中最基本的输入输出方法具有感性认识。
（2）熟练掌握HC6800开发板的使用。
（3）通过一个相对完整的程序编程，使学生能够将单片机知识和智能仪器的设计融会贯通，同时掌握对智能仪器的软件构成及“硬件软化”方法。
波形发生器作为一种常用的信号源，是现代测试领域内应用最广泛的通用仪器之一。
在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件及整机设备时，都需要用信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。
信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器、它可以产生多种波形信号，如正弦波、三角波、方波等，因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。
此次课程设计使我们能够学以致用，将自己所学的理论知识用于实践，提高我们动手能力，也使我们初步掌握一些分析问题和解决问题的方法，使我们从中体会到理论问题转化为实际问题所要经过的过程和两者之间的差距。
1.2示意图二.设计内容及要求2.1设计题目输出上斜锯齿波、正弦波。
2.2设计内容（1）显示亮度大且均匀。
（2）按键需去斗抖。
智能仪器设计课程教学大纲
《智能仪器设计》课程教学大纲Design of intelligent Instrument一、课程教学目标1、任务和地位：没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。
要测量就必须有正确的测量方法和先进的仪器仪表。
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片微机的出现和发展，使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都不得发生了巨大变化，形成一种完全突破传统概念的新一代测试仪器——智能仪器。
现在很多厂商、研究所以及高等院校都在研制开发各种智能化测量控制仪表，广大的仪表设计、生产和使用人员都不得迫切希望了解和掌握单片机在测量控制仪表中的应用技术。
为了跟上时代的步伐，本课程是测控专业学生必不可少的一门技术基础课。
2、知识要求：要求必须具备电路、电子仪器与测量技术、汇编原理及单片机原理的学习知识，通过本课程的学习为以后学生出去工作打下基础。
3、能力要求：系统地阐述基于单片机的智能化测量控制仪表的基本原理与设计方法，智能化测量控制仪表的人机接口、过程通道接口、串行和并行通讯接口、硬件和软件抗干扰技术、数据处理技术、仪表硬件及软件的设计方法。
通过课程设计加强学生综合知识的应用能力和设计动手能力。
二、教学内容的基本要求和学时分配2、具体要求：第一章绪论[目的要求]让学生了解智能化测量控制仪表的功能特点、智能化测量控制仪表的设计方法[教学内容]学习智能化测量控制仪表的基本与发展、智能化测量控制仪表的功能特点、智能化测量控制仪表的设计方法[重点难点]智能化测量控制仪表的功能特点[教学方法]板书，以教、学相结合来进行讲解。
[作业]课后复习思考题[课时]0.5学时第二章智能化测量控制仪表中专用微处理机[目的要求]让学生掌握MCS－51系列单片机的结构、MCS－51单片机的指令系统[教学内容]介绍了MCS－51系列单片机的特点、 MCS－51系列单片机的结构、CHMOS型单片机的节电工作方式、MCS－51单片机的指令系统[重点难点]MCS－51系列单片机的结构、CHMOS型单片机的节电工作方式、MCS －51单片机的指令系统[教学方法]板书，以教、学相结合来进行讲解。
第8章：1智能仪器设计实例 设计原则与设计步骤
3．便于操作和维护
在仪器设计过程中，应考虑操作方便，尽量 降低对操作人员的专业知识的要求，以便产品 的推广应用。仪器的控制开关或按钮不能太多、 太复杂，操作程序应简单明了，从而使操作者 无需专门训练，便能掌握仪器的使用方法。 智能仪器还应有很好的可维护性，为此， 仪器结构要规范化、模块化，并配有现场故障 诊断程序，一旦发生故障，能保证有效地对故 障进行定位，以便更换相应的模块，使仪器尽 快地恢复正常运行。
在技术上兼顾今天和明天，既从当前实 际可能出发，又留下容纳未来新技术机 会的余地；
向系统的不同配套档次开放，在经营上 兼顾设计周期和产品设计，并着眼于社 会的公共参与，为发挥各方面厂商的积 极性创造条件；
向用户不断变化的特殊要求开放，在服 务上兼顾通用的基本设计和用户的专用 要求等等。
开放式系统设计的具体方法
三、智能仪器的研制步骤
确定设计任务并拟定设计 方案
三 个 阶 段
软硬件综合调试 整机性能测试和评估
硬件和软件研制
1、确定设计任务、拟定设计方案
项目调研了解现状和动向， 明确任务、确定指标功能
写出设计任务书
拟定设计方案
《仪器设计任务书》
●主要作用：
a.研制单位设计仪器的立项基础 ； b.反映仪器的结构、规定仪器的功能指 标，是研制人员的设计目标； c.作为研制完毕进行项目验收的依据。 ●主要内容 ： a.仪器名称、用途、特点及简要设计思想; b.主要技术指标 ; c. 仪器应具备的功能； d．仪器的设备规模；e．系统的操作规范。
智能仪器设计基础i正式
案例一：智能温度控制器设计
总结词
通过温度传感器采集温度数据，实现温度的实时监控与调节，具备智能化、人性化的操作界面。
详细描述
智能温度控制器采用微控制器技术，通过温度传感器采集环境温度，经过数据处理后，控制加热或制冷设备调节 环境温度。该设计具有实时监控、智能化控制、人性化操作界面的特点，可广泛应用于家庭、办公室、工厂等场 所的温度控制。
智能仪器设计基础i正 式
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目录
• 智能仪器概述 • 智能仪器设计基础 • 智能仪器数据处理技术 • 智能仪器应用案例分析
01
智能仪器概述
智能仪器的定义与特点
智能仪器定义
高精度
智能仪器是一种基于计算机技术的测量仪 器，能够进行自动测量、数据处理、误差 分析和仪器控制等功能。
智能仪器采用数字化信号处理技术，能够 实现高精度的测量和数据处理。
数据共享
能够将处理后的数据共享给其他 系统或设备，实现数据的最大化 利用，提高整体效率。
数据存储与备份
数据存储方式
支持本地存储和云端存储，能够将数据存储在本地硬盘、USB存储设备或云端服 务器上。
数据备份
能够定期对重要数据进行备份，以防止数据丢失或损坏，同时支持数据的还原和 恢复。
04
智能仪器应用案例分析
分析常见的人机界面显示和输入方式如LED显示屏、触摸屏、键盘等，以及相应的驱动程序设计和实现方法。
人机界面设计原则
介绍人机界面设计的基本原则如简洁明了、操作简便、符合用户习惯等，以及相应的设计方法和技巧。
人机界面测试与评估
阐述人机界面测试和评估的方法及重要性，包括用户体验测试和用户满意度评估等，同时介绍相应的测 试和评估工具及技术。
智能仪器的设计与开发
3）信号控制功能块是单片机与控制对象相互联 系的重要部分。信号控制功能模块由单片机输出 的数字量、开关量或频率量转换(模数转换或频 率电压转换)后，再由各种驱动回路来驱动相应 执行器实现控制功能。 4）人机对话功能模块包括键盘、显示器(LED、 LCD或CRT)打印机及报警系统等部分。为实现它 与单片机的接口，采用专用接口芯片(如8279)或 通用串并行接口芯片。
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什么是DSP？
DSP（digital singnal processor）是一种独特的 微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作 原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字
信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字
数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程 性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令
FPGA？
FPGA （现场可编程门阵列）是专用集成电 （ASIC）中集成度最高的一种，用户可对FPGA内 部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的 逻辑，因而也被用于对CPU的模拟。用户对FPGA的 编程数据放在Flash芯片中，通过上电加载到FPGA 中，对其进行初始化。也可在线对其编程，实现 系统在线重构，这一特性可以构建一个根据计算 任务不同而实时定制的CPU，这是当今研究的热门 领域。
求考虑，对于普通要求规模较小的应用系统，可
采用单机系统；对于高可靠性系统，即使系统规
模不大，但为了可靠，也常采用双机系统。
一、单机系统结构设计
用单片机进行适当扩充和接口，可满足一般智能 仪器的需要。单片机应用系统设计涉及单片机系 统、信号测量功能模块、信号功能控制模块、人 机对话功能模块和远程通讯功能模块。 1）单片机系统包括基本部分和扩展部分 包括存储器的扩展（RAM、ROM、EEPROM等） 接口的扩展（8255、8155、8279、8251等）
智能仪器设计
前言随着社会的进步和发展和人们生活水平的不断提高，智能化已经成为我们生活的一部分。
它是现代仪器仪表的发展趋势，许多嵌入式系统，电子技术和现场总线领域的新技术被应用于智能仪器仪表的设计，尤其是许多嵌入式系统的许多新理念极大的促进了智能仪器仪表技术的发展，近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展。
使智能仪器的功能向更高的层次发展。
同时，人工智能的创始者之一，诺贝尔金奖者认为，人工智能的研究可以视为计算机科学技术的分支。
本次设计的总体设计方案共分为4个部分：（1）电子秤的设计方案（2）设计思路（3）部分电路设计（4）软件组成，这4个部分涵盖了本次设计的全部过程。
本系统采用单片机AT89S52为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。
系统的硬件部分包括最小系统板，数据采集、人机交互界面三大部分。
最小系统部分主要是扩展了外部数据存储器，数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和A/D 转换部分组成。
人机界面部分为键盘输入和128 64点阵式液晶显示，可以直观的显示中文，使用方便。
设计过程中还有许多不足之处，望老师给予批评指正。
第一章几种软件的介绍1.1 MATLAB概述应用MATLAB的Simulink仿真实验方法可以建立仿真的实验环境。
直接应用MATLAB工具箱中的测量仪器或构建满足工作需要的测量仪器，既能提高仿真实验工作的效率，又使仿真实验丰富多彩。
本章介绍应用Simulink构建和使用测量仪器的方法。
1.2 电压测量1.2.1 正弦波示波器用计算机仿真的示波器应用的是数字技术，可以观测单次现象，正确设置参数后，可以保持结束时的波形。
如图1-1所示图1-1 正弦波仿真框图正弦波的示波显示如图1-2所示图1-2 正弦波示波显示1.2.2数字式电压表数字式电压表取自LED（自发光）二极管模块如图1-3所示图1-3数字式电压表仿真框图1.2.3 指针式电压表指针式仪表将输入的量值用图形化的指针与相应的刻度表示出来，并通过参数设置对话框来设置仪表的外观、量程、刻度、颜色及字型等。
智能仪器仪表课程设计
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。
《智能仪器设计》课件
技术更新
智能仪器技术不断发展，如何及时更新设 备和技术以保持其竞争力是一个挑战。
THANK YOU
通信技术
通信技术是智能仪器实现远程 控制和数据传输的关键技术之 一。
通信技术包括有线通信和无线 通信两种方式，能够实现仪器 与计算机、仪器与仪器之间的 数据传输和控制。
通信技术的性能指标包括传输 速率、传输距离、传输质量和 可靠性等，直接影响智能仪器 的远程控制和数据传输效果。
随着通信技术的不断发展，智 能仪器可以实现更快速、更稳 定、更可靠的数据传输和控制 。
04
智能仪器设计实例
智能温度计设计
总结词
实时监测、远程控制、高精度测量
详细描述
智能温度计采用高精度传感器和微处理器，能够实时监测环境温度，并通过无 线通信技术将数据传输到手机等设备上。用户可以通过手机应用程序远程查看 温度数据和控制温度计的开关，方便实用。
智能血压计设计
总结词
一键测量、自动分析、云端存储
智能仪器的发展历程
01
02
03
04
20世纪70年代
随着微处理器和计算机技术的 快速发展，智能仪器开始出现
。
20世纪80年代
智能仪器在工业生产中得到广 泛应用，成为工业自动化领域
的重要支柱。
20世纪90年代
随着计算机技术的不断进步， 智能仪器的功能越来越强大，
智能化程度越来越高。
21世纪
智能仪器已经成为工业自动化 领域不可或缺的重要部分，广
详细描述
智能血压计具备一键测量功能，用户只需将手臂放在血压计的感应区域内，血压计即可自动测量并记录数据。同 时，血压计内置的微处理器会对测量结果进行自动分析，并将数据上传至云端存储，方便用户随时查看和跟踪自 己的血压状况。
智能仪器设备的设计与开发
智能仪器设备的设计与开发智能仪器设备的设计与开发已经成为现代科技领域中的热门研究课题。
随着信息技术的快速发展和人工智能的兴起，智能仪器设备具备了更高的智能化水平和功能拓展性，成功地应用于各个行业和领域，极大地提高了生产效率、降低了成本，推动了科技创新的进程。
一、智能仪器设备的定义智能仪器设备是指集传感器、控制单元、数据处理单元和执行器等功能于一体的高科技仪器设备。
通过传感器采集数据，经过控制单元进行处理分析，并通过数据处理单元运算得出结果，最终通过执行器实现对物理环境的控制和反馈。
智能仪器设备具备自主学习能力和适应性，能够自动感知和反应环境的变化，并作出相应的决策，实现智能化操作和控制。
二、智能仪器设备的设计要点1. 系统集成设计：智能仪器设备的设计需要考虑各个功能模块的集成，以尽可能减小设备的体积和重量，并提高整体性能和可靠性。
2. 传感器选择与优化：合理选择传感器种类和参数，根据应用场景对传感器进行优化设计，以确保测量精度和稳定性。
3. 控制算法设计：根据系统需求，设计合适的控制算法，包括数据采集、信号处理、决策判断和反馈控制等步骤，以实现智能化的操作。
4. 数据处理与分析：采用合适的数据处理和分析方法，对采集到的大量数据进行处理和提取有用信息，为后续的决策和控制提供支持。
5. 人机交互设计：为用户提供友好的人机交互界面，使其能够方便地操作和监控智能仪器设备，提供良好的用户体验。
三、智能仪器设备的开发流程智能仪器设备的开发流程一般包括需求分析、系统设计、硬件开发、软件开发、调试测试和产品发布等多个阶段。
1. 需求分析：明确智能仪器设备的功能需求和性能要求，包括测量范围、测量精度、响应速度等方面。
2. 系统设计：根据需求分析结果进行系统整体设计，包括硬件设计、软件设计和算法设计等。
3. 硬件开发：根据系统设计要求，进行电路设计和电路板布局，选取合适的元器件进行组装和连接。
4. 软件开发：实现系统的控制和数据处理等功能，编写相应的程序代码，确保系统的稳定运行。
智能仪器课程设计报告
智能仪器课程设计报告一、课程设计目的智能仪器课程设计是一门综合性实践课程，旨在培养我们对智能仪器的设计、开发和应用能力。
通过本次课程设计，我们要将所学的理论知识应用到实际项目中，提高我们的工程实践能力、创新能力和解决问题的能力。
二、课程设计要求本次课程设计要求我们设计一款具有特定功能的智能仪器。
具体要求包括：1、明确仪器的功能和性能指标。
2、选择合适的传感器、微处理器和其他电子元件。
3、设计硬件电路，包括信号调理、数据采集、处理和控制等部分。
4、编写软件程序，实现仪器的功能控制和数据处理。
5、进行系统调试和性能测试，确保仪器满足设计要求。
三、设计方案（一）功能需求分析经过充分的讨论和分析，我们确定设计一款智能温度测量仪。
该仪器能够实时测量环境温度，并在液晶显示屏上显示温度值。
同时，当温度超过设定的阈值时，能够发出声光报警信号。
（二）传感器选择考虑到测量精度和成本等因素，我们选择了数字式温度传感器DS18B20。
该传感器具有精度高、接口简单、易于编程等优点，能够满足我们的设计需求。
（三）微处理器选择我们选用了 STM32F103 微处理器作为系统的控制核心。
STM32F103 具有丰富的资源、高性能和低功耗等特点，能够为系统的稳定运行提供保障。
（四）硬件电路设计1、电源电路设计了稳定的 5V 和 33V 电源电路，为整个系统提供可靠的电源。
2、传感器接口电路根据DS18B20 的接口规范，设计了传感器与微处理器的连接电路。
3、显示电路选用了液晶显示屏（LCD1602），通过微处理器的 GPIO 口进行控制，实现温度值的显示。
4、声光报警电路当温度超过设定阈值时，通过驱动蜂鸣器和发光二极管实现声光报警。
（五）软件设计1、系统初始化包括微处理器的时钟配置、GPIO 口初始化、定时器初始化等。
2、传感器驱动程序编写了 DS18B20 的驱动程序，实现温度数据的读取。
3、数据处理程序对读取的温度数据进行处理，转换为实际的温度值。
智能仪器方案设计书课程方案设计书报告
《智能仪器设计》课程设计报告学院：太原理工大学信息工程学院专业班级：自动化0803姓名：张胜超学号：2008001129题目号：27目录零. 摘要 (4)0.1 摘要 (4)0.2 Abstract (5)一. 设计目的及原理 (7)1.1设计题目和目的 (7)1.1.1设计题目 (7)1.1.2设计目的 (7)1.2设计基本要求 .............................................................................. 错误！未定义书签。
1.3设计原理 (8)二．硬件设计 (8)2.1系统原理框图 (8)2.1.1STC89C51简介 (9)2.1.2 产品外观 (9)2.2基本模块简介…………………………………………………………...错误！未定义书签。
2.2.1 Pt100温度测量接口技术.................................................... 错误！未定义书签。
2.2.2热电阻PT100信号调理电路设计 ...................................... 错误！未定义书签。
2.2.3功率输出电路 ...................................................................... 错误！未定义书签。
2.2.4 4-20mA电流输出电路 ........................................................ 错误！未定义书签。
2.2.5数码管显示及指示电路 ...................................................... 错误！未定义书签。
2.2.6按键电路 .............................................................................. 错误！未定义书签。
《智能仪器》课程设计指导书
《智能仪器》课程设计指导书一.课程设计的目的：本课程是电子信息工程技术专业的专业基本能力训练课程，其目的是通过本课程设计，使学生掌握智能仪器的一般设计方法，熟悉系统硬件和软件的一般开发环境和开发流程，为设计和开发智能仪器打下坚实的基础。
培养学生基于单片机应用系统的分析和设计能力和专业知识综合应用能力，同时提高学生分析问题和解决问题的能力以及实际动手能力，为日后工作奠定良好的基础。
二.设计题目：1.智能型温度测量仪的设计2.智能型DVM的设计3.智能频率测试仪的设计三.内容和要求1.掌握运用有关知识①.智能仪器典型处理功能及实现方法；②.智能型温度测量仪电路结构以及各主要功能部件的电路原理、软件结构和各功能软件的作用、仪表误差处理的方法；③.智能型DVM的组成原理及实现的基本方法；④.通用计数器的测量原理，包括测频法、测周法、多周期同步测量技术等；智能仪器软、硬件抗干扰的基本原理及实用方法；⑤.智能仪器软、硬件抗干扰的基本原理及实用方法；学生应掌握上述第①、⑤项和②～④项中的一项。
2.基本操作技能①.对常用电子仪器的熟练操作能力；②.对智能仪器简单故障的诊断与调试能力；③.对单片机开发工具的熟练操作使用能力；④.电子CAD工具的操作能力四.组织方式学生2人一组，每组选择一设计题目。
每个课题组应根据课题的任务和功能，完成系统方案论证，系统硬件框图设计，并设计绘制电气原理图：系统程序设计（含程序流程图，源程序）；面板设计，操作方法说明文档的编写等。
分组独立完成设计任务及文档资料，每个学生设计完成后交一份课程设计报告。
系统方案论证，系统硬件设计，原理图绘制：系统程序设计（含程序流程图，源程序）；面板设计，操作方法说明文档的编写等在教室进行。
软、硬件调试在单片机实验室，每组一套设备单独进行。
五.课程设计报告书应包括的内容：1．设计题目2．设计任务和设计要求3．总体方案论证与选择（设计2~3个可以实现设计要求的总体方案，简要说明各方案的工作原理和优缺点，简要说明被选中方案的特点）。
智能仪器设计实例
读时序
写时序
3.4 波形数据存取电路 采用RAM作为波形存储器是最方便的。波形存储器用来存储波形的量化 数据。512K×8的高速CMOS静态RAM,一片存储高8位数据，另一片存 储低8位数据，地址线共用。该存储器功耗低，单电源供电，读写时序 简单，易于程序控制。
波形数据存取电路
3.5 DA转换电路
四、整体方案设计及工作原理
1、整体设计方案：
采用虚拟仪器技术、直接数字合成技术和计算机技术设计并研制低成本、高精度、人机界面友好的函数信号发生器。此方案硬件实现电路简单，电路中省去了单片机、液晶显示以及按钮等，节省仪器成本。
四、整体方案设计及工作原理
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。
根据公式1，正弦波在一个周期内的采样点值是： 再将f(i)按DAC的比特数取整，从而得到： 式中：n—数模转换器DAC的位数，n=16，INT— 取整函数 每个周期共有N个点， 式中：fosc是时钟发生器频率，fout是输出波形频率，由用户设定，是已知量。
五、波形数据的获取
双极性工作方式
五、波形数据的获取
DA转换电路
3.6 DAC的基准电源电路
最新第8章：智能仪器设计实例设计实例课件PPT
5．TMS320系列DSP中，有哪些芯片适合智能仪器， 概括其主要性能特点。 6．简述《仪器设计任务书》的主要内容、主要作用 和编写注意事项。 7．智能仪器设计时如何考虑硬件和软件之间的关系。 8．简述微处理器内嵌式智能仪器硬件设计时应注意 哪几方面的问题。 9．简述智能仪器软件调试、综合调试、整机性能测 试的一般方法。 10．画出相关处理的快速算法流程。概述相关检测 的主要应用。 11．自选仪器设计题目，能较充分体现你的设计能 力、综合所学知识、展示创新性构想，提出设计方 案，论证充分。
正数和负数（2）
用正负数表示相反意义的量
复习回顾： 1.什么叫做正数？什么叫做负数？
2.0有哪些含义？
3.高于标准水位5米记作+5米，那么-5米表 示___低__于__标__准__水__位_；5米
4.存入3万元记作+3万元，那么支取3万元 应记作__-3_万__元___。
例：（1）一个月内，小明体重增加2千克，
二、地下管道漏水检测仪设计
1.设计原理
L O A( t V 0L A)B /2
L O B(L AB t V 0)2
f 1.84V f1.8 4150H0z30H 00 z
2a 23.1 40.15
漏水声音信号与传感器
3.相关测漏仪硬件设计
（1）.24位A/D CS5360与DSP的接口
意大利 0.2% ， 中国 7.5% ，
注意：写出体重的增长值和进出口的增长率， 就暗示着用正数来表示增长的量。类似的还有 水位上升、收入等。
智能化仪器的设计与开发研究
智能化仪器的设计与开发研究在当今科技飞速发展的时代，智能化仪器已经成为各个领域不可或缺的重要工具。
从医疗保健到工业生产，从环境监测到科学研究，智能化仪器以其高效、精准和便捷的特点，为我们的生活和工作带来了巨大的改变。
本文将深入探讨智能化仪器的设计与开发，包括其基本原理、关键技术以及未来的发展趋势。
一、智能化仪器的基本概念智能化仪器是指将计算机技术、传感器技术、通信技术等多种先进技术融合在一起，能够自动采集、处理、分析和传输数据的仪器设备。
与传统仪器相比，智能化仪器具有更高的精度、更强的适应性和更便捷的操作方式。
它能够根据不同的测量任务自动调整测量参数，对测量数据进行实时处理和分析，并通过网络将数据传输到远程终端，实现远程监控和管理。
二、智能化仪器的设计原则1、准确性原则准确性是智能化仪器设计的首要原则。
仪器的测量结果必须准确可靠，能够满足实际应用的要求。
为了保证准确性，在设计过程中需要选择高精度的传感器、优化测量电路、采用先进的信号处理算法等。
2、可靠性原则可靠性是智能化仪器长期稳定运行的保障。
仪器应具备良好的抗干扰能力，能够在恶劣的环境条件下正常工作。
同时，仪器的硬件和软件应经过严格的测试和验证，确保其稳定性和可靠性。
3、便捷性原则便捷性是提高用户体验的关键。
智能化仪器应具有简洁直观的操作界面，方便用户进行操作和设置。
此外，仪器的维护和维修也应简单便捷，降低使用成本。
4、开放性原则开放性是指智能化仪器应具备良好的兼容性和扩展性。
能够与其他设备进行无缝连接，方便数据共享和系统集成。
同时，仪器的软件和硬件应支持升级和扩展，以满足不断变化的需求。
三、智能化仪器的关键技术1、传感器技术传感器是智能化仪器的核心部件，它负责将物理量、化学量等转换成电信号。
目前，各种新型传感器不断涌现，如微机电系统（MEMS）传感器、光纤传感器、生物传感器等，这些传感器具有体积小、精度高、响应快等优点，为智能化仪器的发展提供了有力支持。
智能仪器设计
前言随着社会的进步和发展和人们生活水平的不断提高，智能化已经成为我们生活的一部分。
它是现代仪器仪表的发展趋势，许多嵌入式系统，电子技术和现场总线领域的新技术被应用于智能仪器仪表的设计，尤其是许多嵌入式系统的许多新理念极大的促进了智能仪器仪表技术的发展，近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展。
使智能仪器的功能向更高的层次发展。
同时，人工智能的创始者之一，诺贝尔金奖者认为，人工智能的研究可以视为计算机科学技术的分支。
本次设计的总体设计方案共分为4个部分：（1）电子秤的设计方案（2）设计思路（3）部分电路设计（4）软件组成，这4个部分涵盖了本次设计的全部过程。
本系统采用单片机AT89S52为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。
系统的硬件部分包括最小系统板，数据采集、人机交互界面三大部分。
最小系统部分主要是扩展了外部数据存储器，数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和A/D 转换部分组成。
人机界面部分为键盘输入和128 64点阵式液晶显示，可以直观的显示中文，使用方便。
设计过程中还有许多不足之处，望老师给予批评指正。
第一章几种软件的介绍1.1 MATLAB概述应用MATLAB的Simulink仿真实验方法可以建立仿真的实验环境。
直接应用MATLAB工具箱中的测量仪器或构建满足工作需要的测量仪器，既能提高仿真实验工作的效率，又使仿真实验丰富多彩。
本章介绍应用Simulink构建和使用测量仪器的方法。
1.2 电压测量1.2.1 正弦波示波器用计算机仿真的示波器应用的是数字技术，可以观测单次现象，正确设置参数后，可以保持结束时的波形。
如图1-1所示图1-1 正弦波仿真框图正弦波的示波显示如图1-2所示图1-2 正弦波示波显示1.2.2数字式电压表数字式电压表取自LED（自发光）二极管模块如图1-3所示图1-3数字式电压表仿真框图1.2.3 指针式电压表指针式仪表将输入的量值用图形化的指针与相应的刻度表示出来，并通过参数设置对话框来设置仪表的外观、量程、刻度、颜色及字型等。
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低级子任务
采用通用模块 最低的难度 最高的可靠性
在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单成熟的方案， 意味着元器件少，开发、调试、生产方便，可靠性高。
2.较高的性能价格比原则
仪器的造价：研制成本、生产成本、使用成本。
样机研制成本：系统设计、调试和软件开发，硬件成本不是 考虑的主要因素。
由上图可以看出，当GATE为0时，只要TR0 为“1”，计
数控制开关的控制端即为高电平，使开关闭合，计数脉冲加
到定时器T0 允许T0 计数。当GATE为“1”时，仅当TR0为“1” 且INT0引脚上输入高电平时，控制端为高电平，控制开关闭 合，允许T0计数。TR0为“0”或INT0输入低电平都可控制开关 断开，禁止T0计数。
时基电路
闸门信号的产生由CD4060和CD4013完成。CD4060 构成石英晶体振荡器和分频器，将32768Hz晶体振荡信号 分频为2 Hz信号，再经过CD4013双D触发器4分频获得持 续时间为1s，频率为0.5Hz的时基（闸门）信号。闸门信 号送入单片机的INT0端，用来控制T0计数器的启停。
生产成本：生产数量越大，每台产品的平均研制费就越低， 仪器硬件成本对产品的生产成本有很大影响。 使用成本：维护费、备件费、运转费、管理费、培训费等。 设计时不盲目追求复杂、高级的方案。必须综合分析后做 出选用方案的正确决策。
3．组合(集成)化与开放式设计原则
智能仪器系统面临三个突出的问题： ★ 产品更新换代太快；
INT0中断入口 初始化
保存计数值TR0、TH0、TL0清零 BC D码转换
软件译码
调显示子程序
返回
INT0中断服务程序流程图
OSC
÷12
C/T
FCN
T0 TR0 GATE INT0 TR
Fin 控制 ＋
TL0
TH0
TF1
中断
定时器T 0方式1结构图
根据定时器T0 的结构原理，系统中将GATE位、TR0 均 设为“1”，INT0端输入标准闸门信号，内部同时开启外中断 EX0。当时基信号到来时，计数器T0闸门打开，并开始计数； 当时基信号的下降沿到来时，计数器T0闸门关闭，同时INT0 产生中断，此时将TR0 清零，计数器停止计数，读取TL0 、
Q
6 3 12 CD40 1 3 D CLK S CD40 1 3 D CLK S 1/2
Q
1 00 P 3 27 68 Hz C2 1 00 P GND
Q14
Cin REST
Q R
Q R
键盘
GND
智能型频率计的电路结构框图
AT89C2051是一个低电压， 高性能CMOS 8位单片机， 片内含2k bytes的可反复擦 写的只读Flash程序存储器 和128 bytes的RAM，兼容 标准MCS-51指令系统。
三、智能仪器的研制步骤
确定设计任务并拟定设计方案
三 个 阶 段
硬件和软件研制
软硬件综合调试 整机性能测试和评估
1.确定设计任务、拟定设计方案
项目调研,了解现状和动向，
明确任务、确定指标功能
写出设计任务书
拟定设计方案
拟定设计方案
《仪器设计任务书》
确定微机系统的构成 硬件与软件的划分、折衷
硬件设计方案
TH0 的数据（设为N）并保存。由测频公式可知，此数据即
为被测信号的频率值（因为系统中闸门时间为1 s）：
N fX Tg
fin
Tg TR0
fCN
频率测试时序图
3 软件设计
软件程序除主程序外，主要包括INT0 中断服务程序、自 动换挡子程序和显示子程序。 INT0 中断服务程序的流程图如下页图所示，主要完成测 频、BCD码转换、译码等功能。
3．仪器综合调试及整机性能测试
系统调试，以排除硬件故障和纠正软件错误，并解决硬件和
软件之间的协调问题。
硬件调试
静态调试
动态调试
查板、电源、芯 片
测试软件
测试程序
软件调试
初级子程序调试 模块程序调试
不需要调用其它 子程序
监控程序调试
性能测试
按照设计任务书规定的设计要求拟定一个测试方案，对各项功 能和指标进行逐项测试。如果某项指标不符合要求，还得查明 原因，作相应调整；直至完全达到设计要求为止。
★
★
市场竞争日趋激烈；
满足用户不同层次和不断变化的要求。
在电子工业和计算机工业中推行一种不同于传统设计思 想的所谓“开放系统”的设计思想。
“开放系统”的设计思想
在技术上兼顾今天和明天，既从当前实际可能出发，又
留下容纳未来新技术机会的余地；
向系统的不同配套档次开放，兼顾设计周期和产品设计， 并着眼于社会的公共参与，为发挥各方面厂商的积极性创造 条件； 向用户不断变化的特殊要求开放，兼顾通用的基本设计 和用户的专用要求。
化、模块化，并配有现场故障诊断程序，一旦发生故障，能
保证有效地对故障进行定位，以便更换相应的模块，使仪器 尽快地恢复正常运行。
4.仪器工艺结构与造型设计要求
仪器结构工艺:是影响可靠性的重要因素，首先要依据
仪器工作环境条件，是否需要防水、防尘、防爆密封，是否 需要抗冲击、抗振动、抗腐蚀等要求，设计工艺结构； 仪器的造型设计:总体结构的安排、部件间的连接关系、 面板的美化等都必须认真考虑，最好由结构专业人员设计， 使产品造型优美、色泽柔和、外廓整齐、美观大方。
GND C1
7 4HC9 0 1 12 CP1 QA 14 11 CP0 QD 2,3 R 6,7 0 14 R9 10 R1 11 CD40 6 0
C out
1 ∶1 00 0 1 ∶1 00 1 ∶1 0 1 ∶1
14 13 12 11
CD40 5 1 12 13 15 3 12 OUT 14 11 11 A0 13 10 10 A1 1/2
模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止
工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。
2 主要电路工作原理 分频器
AT89C2051单片机内部的2个计数器均是16位的，因此 最大计数范围为216。若闸门时频率较高信号的测量，采用3片74HC90 构成1/10、1/100和1/1000分频器，这样，理论上可测信号的 最高频率为65.535 MHz。分频后的信号通过数据选择器送入 CPU的T0端，数据选择器受CPU的P1.0和P1.1控制。
AT89C2051是一个功能强大的单片机，它只有20个引脚，
15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双
向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个
全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。 同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件 设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、 串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电
3. 系统频率测量原理
根据单片机AT89C2051中计数器T0的方式1可知，T0计 数脉冲控制电路中，有一个方式电子开关，当C/T为“0”时， 方式电子开关打在上面，以振荡器的12分频信号作为T0的 计数信号，此时作为定时器使用；C/T为“1”时，方式电子 开关打在下面，此时以T0（P3.5）引脚上的输入脉冲作为T0 的计数脉冲，这种情况下可对外界脉冲进行计数。C/T的状 态可由T0的方式寄存器TMOD进行设置。因为系统中需对输 入T0（P3.5）端的信号进行计数，所以将C/T设为“1”。
二、智能仪器设计3原则
1.从整体到局部(自顶向下)的设计原则
2.较高的性能价格比原则
3.组合(集成)化与开放式设计原则
1.从整体到局部设计原则
在硬件或软件设计时，把复杂的、难处理的问题，分为 若干个较简单的、容易处理的问题，然后再一个个地加以解
决。
仪器功能和要求
提出总任务 绘制硬件和软件总功能框图 分解成可独立表征的 一批子任务，单独的实体进行设计和调试 子任务分解： 足够简单容易实现
2.可靠性要求
仪器可靠性是最突出也是最重要的性能。
直接影响测量结果的正确与否
将影响工作效率 仪器信誉 在线检测与控制类仪器更是如此，由于仪器的故障造成 整个生产过程的混乱，甚至引起严重后果。
应采取各种措施提高仪器的可靠性，从而保证仪器能长 时间稳定工作。 可靠性设计与实验 硬件可靠性设计 软件可靠性设计
软件设计方案
2．硬件、软件研制阶段 硬件研制
采用功能强的芯片以简化电路
修改和扩展，硬件资源需留有足够的余地
自诊断功能，需附加设计有关的监测报警电路 硬件抗于扰措施 线路板注意与机箱、面板的配合，接插件安排 等问题， 必须考虑到安装、调试和维修的方便。
软件设计研制
软件设计作一个总体规划，选择平台 程序功能块划分 确定算法 分配系统资源和设计流程图 编写代码 程序调试和纠错、各部分程序连接及系统总调
EMC设计
3.便于操作和维护
易操作性
在仪器设计过程中，应考虑操作方便，尽量降低对操作 人员的专业知识的要求，以便产品的推广应用。 仪器的控制开关或按钮不能太多、太复杂，操作程序应 简单明了，从而使操作者无需专门训练，便能掌握仪器的使 用方法。
可维护性
智能仪器应有很好的可维护性，为此，仪器结构要规范
设计自动换挡子程序时，将计数器T0设为方式1，C/T位置 “1”。此时, T0为16位计数方式，不分频时测试的信号最大频 率为216Hz。若计数器T0 溢出产生中断，便进入换挡设置子程 序，增大分频比，直至T0不溢出。若分频比较大，输入信号频 率较小，则逐渐减小分频比，程序由此实现自动换挡的功能。
显示子程序采用典型的显示程序。
第二节 智能电子频率计研制
一 频率计实例