智能仪器设计基础
智能仪器设计基础PPT课件
使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员通过键盘 输入命令，用对话方式选择测量功能和设置参数。同时，智能 仪器能输出多种形式的数据，如通过显示屏将仪器的运行情况、 工作状态以及处理结果以数字或图形形式输出。
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1.3.2 智能仪器的特点
5) 可程控操作能力
体积庞大，功能单一，价格昂贵， 开放性差，响应速度慢，精度低 。
万用表、电子示波器、信号发 生器等磁电式和电子式模拟仪 器仪表
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2. 各个时期的发展
60年代
数字式仪器
随集成电路的出现，以集成电路芯片为基础。
基本工作原理 特点
在测量过程中将模拟信号转换为 数字信号，测量结果以数字形式 显示和输出
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网络化仪器
实现过程： 可实现任意时间、任何地点对系统的远程访问，实
时获得仪器的工作状态；通过友好的用户界面，对远程 仪器的功能和状态进行控制和检测，将远程仪器测得的 数据经网络迅速传递给本地计算机。
优点
可以使测试人员不受时间和空间的限制， 随时随地获取所需信息，同时还可以实现测 试设备的远距离测试与诊断，提高测试效率， 减少测试人员的工作量，方便修改、扩展。
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网络化仪器
发展方向： 网络化仪器是一种涉及多门学科、涵盖范围更
宽、应用领域更广的仪器范畴，可以做到从任何地 点、任意时间获取所需要的任何地方的测量信息。 仪器正朝着数字化、网络化和多媒体化方向发展。
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智能仪器发展前景
智能仪器是计算机科学、电子学、数字 信号处理、人工智能、VLSI等新兴技术与传 统仪器仪表技术的结合。随着专用集成电路、 个人仪器、网络技术等相关技术的发展，智 能仪器将会得到更加广泛的应用。作为智能 仪器核心部件的单片计算机技术是推动智能 仪器向小型化、多功能化、更加灵活的方向 发展的动力。可以预料，各种功能的智能仪 器将会广泛地使用在各个领域。
智能仪器设计基础(1)
智能仪器的用途及前景院系：电气工程学院专业：电子科学与技术班级：学号：姓名：1智能仪器仪表的简介1.1智能仪器仪表简介仪器仪表（英文：instrumentation）仪器仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。
真空检漏仪、压力表、测长仪、显微镜、乘法器等均属于仪器仪表。
广义来说，仪器仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能，例如用于工业生产过程自动控制中的气动调节仪表，和电动调节仪表，以及集散型仪表控制系统也皆属于仪器仪表。
1.2智能仪器仪表的作用科学技术是第一生产力，仪器是科学技术发展的重要“工具”。
著名科学家王大珩先生指出，“机器是改造世界的工具，仪器是认识世界的工具”。
仪器是工业生产的“倍增器”，是科学研究的“先行官”，是军事上的“战斗力”，是现代社会活动的“物化法官”。
不言而喻，仪器在当今时代推动科学技术和国民经济的发展具有非常重要的地位。
1.仪器是科学技术发展的重要前提和根本保障。
人类发展史上任何一次大的飞跃都是基于工具的巨大创新和根本变革驱动的，作为“工具”的科学仪器的发展和创新往往是催生科技创新的重要要素。
2.仪器是经济发展和国防安全的重要保障。
仪器是保障经济发展、国家安全不可或缺的重要基础条件。
首先，著名科学家钱学森先生指出：“新技术革命的关键技术是信息技术。
信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。
测量技术则是关键和基础”。
3.仪器是推进和谐社会建设的重要力量。
目前，全球的资源枯竭，环境污染等问题成为社会健康发展的瓶颈；食品安全问题、公共突发事件、疾病诊断、易燃易爆化学危险品等给人民的生活带来了严重影响，这些重大问题的解决都离不开先进的检测技术和手段。
1.3应用效果1、集中管理各地客户资源，统一客户信息的平台。
2、提高工作效率，并对现有资源进行整合、共享。
3、使业务人员的行为更加有效，了解业务员的行动状态。
4、梳理现在的业务状态，实现销售的过程化管理。
智能仪器设计基础课程总结
说明：蓝色部分为添加，红色是老师原有的“智能仪器设计基础”课程总结1、绪论√1）智能仪器的概念P2 PPT√2）智能仪器的基本结构P2-3 §1.2.1 注意图1-1及1-2×3）推动智能仪器发展的主要技术P6 §1.3.22、智能仪器的硬件技术1)数据采集技术√ a)数据采集系统的结构形式P26 -28 §3.1 +网络数据采集结构（PPT）场合及特点√b）数据采集系统中的前置放大器（通用测量放大器原理、运用前置放大器的依据、放大器倍数的选择）为什么要用前置放大器P28-33 §3.2 PPT2（硬件技术1部分 18—32）思路更简明√c)采样保持电路（保持电容的选择、采样保持器设置原则） P38-40 §3.4.1 §3.4.2 P42 §3.4.4什么时候需要用采样保持电路√d)A/D转换器（A/D的位数选择、A/D的速率选择） P44-45 §3.5.3×e)数据采集系统的误差分析P66—69 §3.9.1 §3.9.2 §3.9.3误差分配可以稍微看一看×2）人机接口技术a)键盘/显示器接口芯片HD7279P93 §5.1（键盘处理技术） P102 §5.3 （芯片HD7279）b)LCD的显示原理P111 §5.4.1 §5.4.2×3）总线接口及通信技术了解课本第六章，建议直接看PPT2（硬件技术3）相关内容3、智能仪器的软件技术√1）数据链表的结构和操作P190 §8.1.2 §8.1.3 §8.1.4PPT3（软件技术）36—38小结的三个问题模块程序设计及结构程序设计√2）监控主程序设计（直接分析法、状态矩阵法）P220 §8.5.1 §8.5.2 书本未找到状态分析法，建议看PPT3（软件技术）部分39-66状态矩阵法特点及步骤√3）量程自动转换技术P216 §8.4一般性要求流程图 5个量程继电器设置步骤为什么升量程 PPT4、应用实例PPT5（例子）部分另线性系统自动校准单片机构成二次采样A/D转换器转换精度如何提高 PPT考试题题型为简答题及分析题重点看PPT对应的相关内容。
智能仪器设计基础
智能仪器设计基础第一章1、智能仪器的组成：答：由硬件和软件组成，硬件包括微处理器、存储器、输入通道、输出通道、人机接口电路、通信接口电路等部分。
微处理器是仪器的核心；存储器包括程序存储器和数据存储器，用来存储程序和数据；输入通道包括传感器、信号调理电路和A/D转换器等，完成信号的滤波、放大、模数转换等；输出通道包括D/A转换器、放大驱动电路和模拟执行器等，将微处理器处理后的数字信号转换为模拟信号；人机接口电路主要包括键盘和显示器。
1、智能仪器的特点答：操作自动化，具有自测功能，具有数据分析和处理功能，具有友好的人机对话功能，具有可程空操作能力。
2、模拟多路开关的性能指标答：通道数量、泄漏电流（开关断开时流过模拟开关的电流）、导通电阻（开关闭合时的电阻）、开关速度（开关接通或断开的速度）、电源电压范围。
电源电压越高，切换速度越快，导通电阻越小。
第二章1、采样/保持器的原理答：当控制信号S为高电平时，场效应管VT导通,输入模拟信号Vi对保持电容CH充电。
当S=1的持续时间Tw远大于电容CH的时间常数时，在Tw时间内，CH上的电压VC跟随输入电压VI的变化，使输出电压Vo=Vc=Vi,这段时间为采样时间。
当S为低电平时，场效应管VT截止,CH上的电压Vc保持不变，使输出电压Vo能保持采样结束瞬时的电压值，这段时间称为保持时间。
每经过一个采样周期Ts对输入信号Vi采样一次，在输出端得到输入信号一个采样值。
2、A/D转换器类型及各自特点答：并联比较型：转换速度快，但随输出位数增加，器件数增加很快，n为A/D转换器，则需要2n个电阻和2n-1个比较器，适合于转换速度快，分辨率低的场合。
逐次逼近型：抗干扰能力差，转换时间取决于输出数字的位数n 和时钟频率。
双积分型：输出取平均值，起到滤波作用，提高抗干扰能力，但是转换精度依赖于积分时间，因此转换速度较慢。
∑-Δ调制型：采用∑-Δ调制技术，元件匹配精度要求低，以数字电路为主。
智能仪器设计基础
智能仪器设计基础
智能仪器设计基础是一种多学科交叉应用技术，集计算机技术、传感
技术、信息采集技术、电子技术、机械技术、测试技术和软件设计技术等
知识于一体。
其原理基本上是利用智能仪器传感器来采集测量物体的信息，通过电子电路把信号转换成数字，然后利用计算机来处理、记录、存储和
显示。
智能仪器的设计需要考虑的关键要素包括：智能仪器的传感原理和
类型、电子电路的设计及编程、计算机的采集、处理技术、软件的设计及
开发等。
在智能仪器设计过程中，必须要综合考虑这些要素，才能保证智
能仪器的功能、性能和精度等指标的满足。
智能仪器设计基础课程设计
智能仪器设计基础课程设计《智能仪器设计基础》课程设计报学院：专业班级：自动化姓名：学号：题目号：27题目：27.试设计智能仪表实现智能数字显示仪表。
要求8位数码管显示（4位显示测量值，4位显示设定值），4输入按钮（功能选择、数码管选择、数字增加、数字减少），可设定上下限报警（蜂鸣器报警）。
适配PT100热电阻，测温范围为0℃~300℃。
采用比例控制、并用晶闸管脉宽调制驱动1000W电加热器（电源电压为AC220V）。
摘要运用单片机原理及应用-基于51与高速所学知识，做好智能仪器是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器，拥有对数据的存储运算逻辑判断及自动化操作等功能。
它的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。
智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。
传感器取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信号经A／D转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中；单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理(如非线性校正等)；运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时单片机把运算结果与存储于片内FlashROM(闪速存储器)或EPROM(电可擦除存贮器)内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号(如报警装置触发、继电器触点等)。
此外，智能仪器还可以与PC机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机——PC机，由PC机进行全局管理。
通过Keil软件编译，连接。
1.1.2设计目的涉及智能仪表硬件与软件设计。
智能仪器课程设计是智能仪器课程教学的重要环节，根据设计智能仪表产品的课程改革目的，特选择一些小型智能仪表产品作为课设题目，满足教学需求。
单片机综合练习是一项综合性的专业实践活动，目的是让学生将所学的基础理论和专业知识运用到具体的工程实践中，以培养学生综合运用知识能力、实际动手能力和工程实践能力。
智能仪器设计基础实验教学大纲
智能仪器设计基础实验教学大纲一、制定本大纲的依据根据2006级测控技术与仪器专业培养计划和智能仪器设计基础课程教学大纲制定本实验教学大纲。
二、本实验课程的具体安排三、本实验课在该课程体系中的地位与作用智能仪器设计基础实验是智能仪器设计基础课程的重要组成部分, 属于学科基础实验范畴。
作为与相关教学内容配合的实践性教学环节, 应在智能仪器设计基础课教学过程中开设。
学生应具有微型计算机原理, 电子技术基础自动控制理论基础知识。
四、学生应达到的实验能力与标准智能仪器设计基础实验是本专业学生获得智能仪器知识及动手能力培养的开端, 要求学生通过本课程实验, 具备利用单片机技术解决实际控制问题的能力。
通过实验的训练, 使学生掌握智能仪器设计的基本方法和基本技能, 加深对智能仪器知识的理解, 掌握智能仪器设计方法。
五、讲授实验的基本理论与实验技术知识实验一基本运算程序设计1.实验的基本内容（1）顺序、分支、循环程序设计联系。
（2）比较程序设计。
（3）排序程序设计。
2.实验的基本要求（1）熟悉和掌握控制类程序的编写方法和设计技巧。
（2）初步进行程序调试和运行的练习。
3.实验的基本仪器设备计算机。
实验二定时器应用程序设计1.实验的基本内容编程使T0工作于定时方式, T1工作于计数方式, T1的外部计数脉冲由T0产生, 最后由T1产生方波通过P1.1输出（用发光二极管的闪烁来表示）。
P1.0接T1,P1.1接发光二极管。
2.实验的基本要求（1）理解MCS—51系列单片机定时器和计数器的概念和区别。
（2）掌握和熟悉单片机定时计数器的初始化编程。
（3）学会运用定时器的定时与计数设计方法。
3.实验的基本仪器设备和耗材计算机。
实验三A/D功能设计实验1.实验的基本内容利用0809做A/D转换实验, 通过电位器提供模拟量输入。
编制程序, 将模拟量转换成数字量, 通过发光二极管L1—L8显示。
2.实验的基本要求（1）掌握A/D转换与单片机的接口方法。
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。
智能仪器设计基础考试重点题目打印
1、智能仪器的发展趋势（1）微型化（2）多功能化（3）人工智能化（4）网络化2、智能仪器的分类、组成和特点（1）从发展应用的角度看，智能仪器系统分为微机内嵌和微机扩展两大类。
（2）智能仪器由硬件和软件两大部分组成。
硬件包括微处理器、存储器、输入通道、输出通道、人机接口电路、通信接口电路。
（3）智能仪器的特点○1操作自动化○2具有自测功能○3具有数据分析和处理功能○4具有友好的人机对话功能○5具有可程控操作能力3、什么是智能仪器，其主要特点是什么？智能仪器是计算机技术与测量技术相结合的产物，是含有微型计算机或微处理器的测量仪器。
由于它拥有对数据的储存、运算、逻辑判断和自动化操作等功能，具有一定的智能作用，因而被称为智能仪器。
特点：操作自动化、具有自测功能、具有数据分析和处理功能、具有友好的人机对话功能、具有可程控操作能力、除此之外，智能仪器还能通过自学学会处理更多、更复杂的程序。
4、智能仪器的作用数据采集、数据处理、数据传输。
5、常见的A/D转换器有哪几种类型？其特点是什么？类型（1）并联比较型A/D转换器（2）逐次逼近型A/D转换器（3）双积分型A/D转换器（4）￡-△调制型A/D转换器特点：○1转换速度快，随着转换位数的增加，所需的硬件个数多○2精度、速度、和价格均适中，抗干扰能力差○3精度高、抗干扰性好价格低廉，转换速度较慢○4具有积分式与逐次式的双重优点，以很低的采样分辨率和很高的采样频率将模拟信号数字化6、模拟量输出通道有哪几种基本机构？试说明其特点和使用场合。
（1）单通道结构：只有一路信号输入，常用于频率较高的模拟信号的A/D转换。
（2）多通道结构：○1多通道并行结构：常用于模拟信号频率很高且各路必须同步采样的高转换速率系统，速度快、成本高、体积功耗大○2多通道共享结构：适合对转换要求不高的系统。
通道速度慢，元件开销少7、在设计智能仪器时，选择模拟多路开关要考虑的主要因素是什么？答：（1）通道数量（2）泄漏电流（3）导通电阻（4）开关速度8.传感器的性能指标（1）线性范围，（2）精度，（3）灵敏度，（4）稳定性，（5）频率响应特性9、隔离放大器种类光电耦合隔离放大器、变压器耦合隔离放大器、电容耦合隔离放大器10、A/D转换器的主要技术指标（1）A/D转换器的转换精度（分辨率和量化误差、转换误差）（2）A/D转换器的转换速度（3）满量程输入范围11、A/D转换器的控制方式根据A/D转换器与微处理器的连接方式及智能仪器要求的不同，常有程序查询方式、延时等待方式和中断方式。
智能仪器设计基础
智能仪器设计基础1、智能仪器的定义及作⽤。
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。
2、为什么要采⽤程控放⼤器？程控放⼤器的组成。
与普通放⼤器的区别？程控增益放⼤器的优势:1)减少放⼤器的数量在多通道的测量系统当中，各个通道的测量信号变化也会很显著，我们要将这些信号放⼤到与A/D转换的输⼊电压相匹配（0~5V）就需要多个增益不同的放⼤器。
如果这样的话，将会⼤⼤的增加仪表需要放⼤器的数量，从⽽增加整体造价，若选⽤程控增益放⼤器,可减少放⼤器的数量，减少开⽀。
2)程控增益放⼤器通⽤性很好其放⼤倍数可以根据需要⽤程序控制进⾏改变，很容易使各种量程的信号达到与A/D匹配的要求。
区别:1) 反馈电阻⽹络可变；2）反馈电阻⽹络受控于控制接⼝的输出信号。
3)由不同的控制信号，产⽣不同的反馈系数，改变放⼤器的闭环增益。
组成：⼀般由放⼤器、可变反馈电阻⽹络和控制接⼝三个部分。
3、仪⽤放⼤器的⼯作原理（要求绘制基本电路图、求出放⼤器的闭环增益）仪⽤放⼤器其对称结构使整个放⼤器具有很⾼的共模抑制能⼒，特别适⽤于长距离测量。
通常为保证放⼤器的共模抑制能⼒，电路参数对称，即R1=R2、R3=R4、R5=R6，此时，闭环增益为，可使⽤控制阻值的⽅式改变放⼤器的增益。
4、LED显⽰器的驱动显⽰形式有⼏种，各⾃的优缺点是什么。
LED有两种显⽰⽅式：静态显⽰⽅式和动态显⽰⽅式。
1)静态显⽰：所有的位选线COM连接到⼀起接低电平（共阴极）或接⾼电平（共阳极），每⼀位LED的段选线连接到⼀个8位显⽰输出⼝上，这样N位显⽰器共需要8*N根显⽰输出线，显⽰时位与位之间是相互独⽴的。
具有显⽰亮度⾼，显⽰稳定，控制⽅便等优点，但当显⽰的位数较多时，占⽤的I/O⼝线较多。
《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。
智能仪器设计基础I正式课件
知识点2
运放的负反馈应用
偏差反馈控制系统，运放电路的控制框图，滤波器，基于运放的电压电流转换，电流-电压转换，恒流源，电荷放大等典型电路
知识点3
A/D的基本原理、分类和非理想特性
逐次逼近型、直接比较型、双积分型，Sigma-Delta，分辨率，量化误 差，积分非线性，微分非线性
4/24 ____________
第一讲 绪论
1 智能仪器的重要作用 2 智能仪器的发展过程 3 智能仪器的组成、特点和分类 4 智能仪器的发展方向
11/24 ____________
第一讲 绪论
1.1 智能仪器的重要作用（1）
概念1
信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术，而测量技术是关键和 基础。智能仪器是对物质世界的信息进行测量和控制的基础手段和设备 ，使信息产业的源头和组成部分
15/24 ____________
第一讲 绪论
1.2 智能仪器的发展过程（2）
历程4
20世纪70年代以后，随着微处理器的广泛应用，出现了突破传统概念的 新一代仪器，即—智能仪器。这类仪器内置单片机或体积很小的微处理 器，仪器的功能由硬件和软件结合来完成。1974年出现电压电流波形等 间隔采样技术，揭开了智能仪器应用大幕。
20/24 ____________
第一讲 绪论
1.3 智能仪器的特点（2）
特点4
【智能仪器的网络化】配有GPIB、VXI、PXI、RS232、RS485等通讯 接口，具有远程操作能力；具有Ethernet接口，可连接Internet实现网络 化；具备无线传感器网络、蓝牙通讯和GPRS通讯能力。
特点5
克服系统误差的软件算法：利用误差模型修正法，曲线拟合法，校准 数据表修正法
智能仪器设计基础I正式ppt
通信协议设计基础
串行通信协议
介绍串行通信协议的基本概念、分类、应用和发展趋势，如UART、SPI、I2C等，以及在 智能仪器设计中的应用和实现。
网络通信协议
介绍网络通信协议的基本概念、分类、应用和发展趋势，如TCP/IP、HTTP、MQTT等， 以及在智能仪器设计中的应用和实现。
自定义通信协议
介绍自定义通信协议的基本概念、分类、应用和发展趋势，以及在智能仪器设计中的设计 和实现。
实例二：湿度传感器设计
总结词
高灵敏度、长期稳定性、抗干扰能力
详细描述
湿度传感器在气象、环保、工业控制等领域应用广泛。在智能仪器设计中，湿度 传感器应具备高灵敏度、长期稳定性和抗干扰能力，以确保准确测量环境湿度。
实例三：压力传感器设计
总结词
高精度、宽测量范围、可靠性、稳定性
详细描述
压力传感器在航空航天、石油化工、工业控制等领域具有重要应用。在智能 仪器设计中，压力传感器应具备高精度、宽测量范围、可靠性和稳定性等特 点，以满足不同行业的测量需求。
智能仪器设计基础i
xx年xx月xx日
目 录
• 智能仪器概述 • 智能仪器设计基础 • 智能仪器核心模块 • 智能仪器设计实例 • 智能仪器设计挑战与解决方案 • 总结与展望
01
智能仪器概述
智能仪器的定义
智能仪器是一种基于微处理器和传感器技术的自动化测量设 备。
它能够实现数据采集、处理、显示和存储等功能，具有自动 化程度高、测量准确度高、功能多样化等特点。
02
智能仪器设计基础
硬件设计基础
1 2
集成电路
介绍集成电路的基本概念、分类、应用和发展 趋势，以及在智能仪器设计中的重要性。
《智能仪器设计基础》实验指导书
目录实验一 8255输入、输出实验 (2)实验二 A/D转换实验 (5)实验三液晶显示控制实验 (8)实验四主从式多机通信实验 (11)实验一8255 输入、输出实验一．实验目的1．了解8255芯片结构及编程方法。
2．了解8255输入/输出实验方法。
二．实验内容利用8255 可编程并行口芯片，实现输入/输出实验，实验中用8255PA 口作输出，PB口作输入。
三．实验设备及仪器1．伟福Lab2000P单片机仿真实验系统。
2．WAVE6000软件平台。
3．计算机一台。
四. 实验线路及原理8255的CS/接地址译码/CS0，则命令字地址为8003H，PA口地址为8000H，PB口地址为8001H，PC 口地址为8002H。
PA0-PA7（PA 口）接LED0-LED7（LED）PB0-PB7（PB口）接K0-K7（开关量）。
数据线、读/写控制、地址线、复位信号板上已接好。
五. 实验说明可编程通用接口芯片8255A有三个八位的并行I/O口，它有三种工作方式。
本实验采用的是方式0：PA，PC口输出，PB口输入。
很多I/O实验都可以通过8255来实现。
六. 实验报告要求要求用C语言写出实现本实验说明中方式0：PA输出，PB口输入的程序代码，并说明是如何指定8255芯片PA口、PB口地址的？实验二A/D转换实验一．实验目的1．掌握A/D转换与单片机的接口方法。
2．了解A/D芯片ADC0809转换性能及编程。
3．通过实验了解单片机如何进行数据采集。
二．实验内容利用实验板上的ADC0809做A/D转换器，实验板上的电位器提供模拟量输入，编制程序，将模拟量转换成二进制数字量，用8255的PA口输出到发光二极管显示。
三．实验设备及仪器1．伟福Lab2000P单片机仿真实验系统。
2．WAVE6000软件平台。
3．计算机一台。
四. 实验线路五. 实验说明A/D 转换器大致有三类：一是双积分A/D 转换器，优点是精度高，抗干扰性好；价格便宜，但速度慢；二是逐次逼近A/D转换器，精度，速度，价格适中；三是并行A/D 转换器，速度快，价格也昂贵。
《智能仪器设计基础》试题及答案
《智能仪器设计基础》试题及答案一、判断题（每题 2 分，共20 分）1. 因中值滤波满足比例不变性，所以是线性的滤波器。
（2 ）2. 基准电压Vr 的精度和稳定性影响零位误差、增益误差的校正效果。
（1）3. 测量获得一组离散数据建立近似校正模型，非线性校正精度与离散数据精度无关，仅与建模方法有关。
（2）4. RS232 通信采用的是TTL电平，因此它的传输距离比485 短。
（2）5. USB协议为设备定义了2种供电模式:自供电和总线供电。
在自供电模式下，USB设备不需要任何外接电源设备。
（2）6. 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。
（2）7. 智能仪器中的噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果。
( 1)8. 软件开发过程的三个典型阶段是定义、开发和测试。
（2）9. RAM 测试方法中，谷值检测法无法检测“ 粘连” 及“ 连桥” 故障。
（2 ）10.曲线拟合要求y=f（x ）的曲线通过所有离散点（x i ，y i ）。
（2）二、选择题（每题 2 分，共20 分）1. 多通道数据采集系统的框图如下图所示。
其中（1 ）~（4 ）各部分的组成为:(b )A. 放大器、A/D 转换器、D/A 转换器、计算机B. 多路开关、放大器、A/D 转换器、计算机C. 多路开关、放大器、D/A 转换器、计算机D. 放大器、多路开关、A/D 转换器、D/A 转换器2. 仪器采集数据中存在随机误差和系统误差，基本数据处理顺序是:(b )A. 系统误差消除→数字滤波→标度变换B. 数字滤波→系统误差消除→标度变换C. 标度变换→系统误差消除→数字滤波D. 数字滤波→标度变换→系统误差消除3. 设采集数据由信号加噪声构成，应根据( b )确定滤波算法？A. 噪声统计规律B. 信号特征和噪声统计规律C. 信号特征D. 只能用多种滤波算法试验，由处理效果确定。
4. 采样保持器的作用是( c )A. 提高系统的采样速率B. 保持系统的数据稳定C. 保证在A/D转换期间ADC前的模拟信号保持不变D. 使A/D 转换器前信号能跟上模拟信号的变化5. 采集数据中含有脉冲性干扰，信号为直流，则应选择( d )滤波算法。
智能仪器设计基础课件III(正式)
16/66
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第三讲 智能仪器的前向通道
3.1.5基于运算放大器的滤波器（1）
一阶有源滤波器
稳定条件？
积分器
微分器
Holand积分器
C2
vi
R1
C1
R2
vo
带增益低通
带增益高通
带增益带通
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移相器 ____________
第三讲 智能仪器的前向通道
3.1.5基于运算放大器的滤波器（2）
受控电压源 受控电流源 负反馈运算放大器 可调R、L、C电路元件 负阻抗 传递函数
− R4 (v1 − va ) R3
R5
vo 负载
R1 R2
io
v2
va
vo
22/66
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第三讲 智能仪器的前向通道
3.1.6 运算放大器的受控源特性与电路求解（2）
vo R2
v1 R1
R1
vx
vx
PNP BJT或N沟道JFET: I+, I-从运放中流出
输入失调电流Ios
I OS = I + − I −
28/66
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第三讲 智能仪器的前向通道
3.1.6 运算放大器的非理想特性（3） 输入偏置电流和失调电流引起的误差
R EO = 1 + 2 ( R1 // R2 ) − Rp I B − ( R1 // R2 ) + Rp IOS / 2 R1
反相加法器
同相加法器
差分放大器
三运放仪表放大器 （电桥和可编程运放）
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智能仪器设计基础第5章
ci 1
ci体现了各次采样值在
平均值中所占的比重
c 0 c 2 ... c N -1
一阶惯性滤波（低通数字滤波）
Tf T yn xn y n 1 Tf T Tf T xn (1 ) y n 1
式中： xn是第 n 次采样值，y n 是第 n次滤波输出值， yn-1是第n－1次滤波输出值。
在测量中要针对具体情况采取相应的措施来 消除或削弱系统误差。本节介绍常用的系统误差 的校正方法。
5.4.1
利用误差模型校正系统误差
如果通过理论分析和数学处理，能建立系统 误差的模型，就可以确定校正系统误差的算法和 表达式，准确地进行系统误差的修正。
比如在仪表中用运算放大器 电路测量电压，如图5.3所示，常 会引入零位误差和增益误差。设x 是实际值，y是带有误差（零漂和 误差增益）的测量值，ε是干扰或 零漂，i是放大器偏臵电流，k是放 大器增益，y′是从输出端y引入输 入端的反馈量，用以改善系统的稳 定性。
顺序查表法就是从头开始，按照顺序把 表中元素的关键项逐一地与给定的关键字进 顺序查表法 行比较。若比较结果相同，所比较的元素就 是要查找的元素；若表中所有元素的比较结 果都不相同，则该元素在表中查找不到。 顺序查表查找速度相对较慢。对于无序表，特别是在表中记 录不多的情况下，用顺序查找法是适宜的。
对半查表法 有序表的数据排列有一定规律，不必像无序表 那样逐个查表，可以采用对半查表法，也称为二 分查表法。 中心思想
1.数字滤波的特点 与硬件滤波相比，数字滤波具有以下优点：
①因为用程序滤波，无需增加硬件设备，且可多 通道共享一个滤波器 (多通道共同调用一个滤波子程 序)，从而降低了成本。 ②由于不用硬设备，各回路间不存在阻抗匹配等 问题，故可靠性高，稳定性好。 ③可以对频率很低的信号 (如0．01Hz以下)进行滤 波，这是模拟滤波器做不到的。
智能仪器设计基础Chap3
智能仪器硬件设计
硬件设计首先设计系统框图 智能仪器的一般结构包括：信号输入，信号调理（滤波、放大、 A/D变换），计算机及其存储器和外围接口电路，仪器输出接口， 人机接口（显示器、开关、键盘等）。
完成总体框图设计后再进行各部分电路设计 设计时还需注意各部分误差分配，抗干扰措施，系统可靠性，系统性价 比等
实验二： NI-labview 编程技术与应用 虚拟信号发生器的设计、虚拟示波器器的设计。 包括： 1 软面板设计 2 信号发生器设计 3示波器设计 实验三： 基于MSP430的电压表设计 设计具有自动转换量程功能的电压表，显示测量电压。
第2－16周设计安装调试
智能电网大楼实验室
初始部分
过程部分
修改部分
修改部分 控制部分 循环完否？ 否 控制部分 循环完否？ 是 结束部分 否 过程部分
是
结束部分
（a） 图9-3 循环结构
（b）
智能仪器软件结构
器件初始化
智能仪器的软件包括：
器件初始化 器件初始化 监 控 主 程 序 器件初始化 器件初始化
堆栈初始化 器件初始化 七段显示器管理
了解智能仪器、虚拟仪器的概念及开发。熟悉Labview集成开发环境及 编程技术，熟悉智能仪器的开发过程。 熟悉电路设计软件Protel （Protel 或者Altium）， 学会画原理图，PCB图。 共三个实验内容 实验一： 设计一个16路的数据采集系统 给出条件： 单片机8031为系统的控制器.LS373为锁存器扩展端口, 模拟开关 AD7506用于切换,选择输入信号 .采样保持器LF398，AD574为12位A/D转换器,DAC1210为12位DAC芯片 技术要求： 16路数据输入通道，二路D/A输出，采样精度12位，速率大 于1KHZ. 设计内容：画出SCH,PCB图，简述工作原理。
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本章内容
1.1 仪器发展概况
1.2 智能仪器发展趋势 1.3 分类、组成和特点
1.4 智能仪器中微处理器的选择
L/O/G/O
首页
重点： 1. 智能仪器的发展过程 2. 内嵌式智能仪器的基本组成
和各部分功能 3. 智能仪器中常用单片机
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1.1 测量仪器的发展概况
1.智能仪器
含有微计算机或微处理器的测量仪器，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 定的智能作用。
特点
可充分发挥计算机的效能，灵活方便、标准化程度高、扩展性 好。
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2. 各个时期的发展
80年代后期
虚拟仪器（Virtual Instrument）
美国国家仪器（NI）公司提出
虚拟仪器
以通用计算机为基础，加上特定的硬件接口设 备和为实现特定功能而编制的软件而形成的一 种新型仪器。
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网络化仪器
网络化仪器，如现场总线智能仪表，是适合在远程测控中使用的仪器，既可以像 普通仪器那样按设定程序对相关物理量进行自动测量、控制、存储和显示测量结 果及控制状态；同时具有重要的网络应用特征，经授权的仪器使用者，通过 Internet可以远程对仪器进行功能操作、获取测量结果并对仪器实时监控、设置参 数和故障诊断，控制其在Internet上动态发布信息。它们与计算机一样，成了网络 中的独立节点，很方便地就能与就近的网络通信线缆直接连接，而且“即插即用 ”，直接将现场测试数据送上网；用户通过浏览器或符合规范的应用程序即可实 时浏览到这些信息(包括处理后的数据、仪器仪表的面板图像等)。
网络化仪器
实现过程： 可实现任意时间、任何地点对系统的远程访问，实时获得仪器的工作状态；通过
友好的用户界面，对远程仪器的功能和状态进行控制和检测，将远程仪器测得的数据 经网络迅速传递给本地计算机。
优点
可以使测试人员不受时间和空间的限制，随时随地获取所需 信息，同时还可以实现测试设备的远距离测试与诊断，提高测试效率 ，减少测试人员的工作量，方便修改、扩展。
特点 测量范围宽、精度高、稳定性好。智能仪器一般均配有GP-IB（或RS-232C、RS485）等通信接口，可跟另外的智能仪器组成智能仪器系统
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智能仪器由于引入了计算机，功能强大，性能优异，使用灵活、方便，是 现阶段高档电子仪器的主体。如污染测试仪，强度测试仪，等都采用智能 技术的现代化精密检测仪器，又比如智能机器人。
特点
读数清晰，响应速度快，精度高
典型仪器
数字电压表、数字功率计，数字频率计 、数字 式温度传感器
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2. 各个时期的发展
70年代
独立式智能仪器（简称智能仪器）
微处理器的出现和广泛应用,产生以微处理器为核心,将计算机技术与测量 仪器相结合的仪器.
功能
可根据被测参数的变化自动选择合适的量程，进行自动校准、自动补偿、自动 判断故障、优化控制等，具有一定的人类智能作用。
网络化仪器
基于Internet的测控系统中前端模块不仅完成信号的采集和控制，还兼顾实施 对信号的分析与传输，使用者可以很方便地实现各种测量功能模块的添加、删 除以及不同网络传输方式的选择。 其次，对测量、控制信号等的传输，是建立在公共的Internet上的。有了前端 嵌入式模块，系统的测量数据安全有效的传输便成为可能。 再有，测得结果的表达和输出也有了较大改进，一方面，不管身在何处，使用 者都可通过客户机方便地浏览到各种实时数据，了解设备现在的工作情况；另 一方面，在客户端的控制中心，智能化软件和数据库系统都可被调用来对测得 结果分析，以及为使用者下达控制指令或作决策提供帮助。
发展 功能
a 数据处理（过去）； b 知识处理（目前）； 模糊判断、故障判断、容错技术、传感器融合、 机件寿命预测 。
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2. 各个时期的发展
50年代
模拟式（指针式）仪器。
仪器的功能用硬件实现，几乎没有软件的介入，完全由生产厂商在产品 出厂前定义好，测量结果用指针显示。
特点 典型仪器
即： 同一个硬件系统，软件不同，就可得到功能完全不同 的测量仪器 软件系统是虚拟仪器的核心
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目前较流行的虚拟仪器软件环境
文本式的编程语言
如：C、Lab Windows／CVI， Visual Basic， Visual C++
图形化编程语言
如：LabView、HPVEE
虚拟仪器的优点：
测量精度高、速度快、可重复性好、开关、电缆少、系统组建时间短、 测量功能易于扩展等优点，有最终取代大量的传统仪器成为仪器领域主流 产品的趋势 。
网络化仪器
在测量测试领域，将仪器、昂贵的外围设备、测试对象以及数据库等资源纳 入网络，对测量实现远地化、网络化、以及测量结果信息资源共享化，使一台仪 器为更多的用户所使用，降低了测试系统的成本，实现资源共享，共同完成测试 任务。这种借助于网络通信技术与虚拟仪器技术共享软硬件的结合体称为网 络 化仪器。如网络化流量计、网络化传感器、网络化示波器、网络化分析仪和网络 化计量表等.
2. 各个时期的发展
80年代初
个人仪器（PC仪器）
将仪器中的测量部分配以相应的接口电路组成各种仪器卡，插入到PC机 的插槽或扩展槽内，以个人计算机为基础组成的智能仪器。
基本工作原理
将传统的独立仪器与计算机的软件硬件资源相结合，利用PC机的硬件和软件资 源完成数据分析和显示，仪器卡完成数据采集，具有较高的性价比。
体积庞大，功能单一，价格昂贵， 开放性差，响应速度慢，精度低 。
万用表、电子示波器、信号发生器等磁电式和 电子式模拟仪器仪表
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2. 各个时期的发展
60年代
数字式仪器
随集成电路的出现，以集成电路芯片为基础。
基本工作原理
在测量过程中将模拟信号转换为数字信号，测量 结果以数字形式显示和输出
三大组成模块
计算机
个人计算机 （各种通用计算机）
虚拟仪器
仪器模块
软件
各种传感器
数据分析
信号调理器 模数
过程通讯
转换器 数据采集 户界面等软件
器
图形用
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虚拟仪器
计算机和仪器模块组成了虚拟仪器硬件测试平台，完成被测输入信 号的采集、放大、模数转换以及输出信号的数模转换等。当硬件确定后 ，用户可以通过不同测试功能的软件模块（如数据分析、过程通讯以及 图形用户界面等软件）的组合实现不同的功能。