智能仪器 课程设计

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题目要求:

利用三轴加速度传感器实现跌倒的检测。在PSoC 3 FirstTouch板上实现。

一、学习PSOC的开发环境creator的使用。首先图示化选定所用的硬件并产生该硬件的API 函数,然后类似keil环境下做C语言程序。

二、https://www.360docs.net/doc/082050850.html,/data/html/2010-9-14/85764.html理解加速度传感器检测跌倒的算法原理。

三、PSoC 3 FirstTouch上有三轴加速度传感器KXSC7-2050,实现跌倒检测算法。

摘要

跌倒是指人身体的任何部位意外地触及地面或其它较低的平面,而当事人无法实时做出反应.跌倒是对健康,乃至生命的严重威胁。随着老龄化社会的到来,对跌倒的监测和及时报警日益成为一个紧迫的问题。

跌倒监测报警系统的目标是能够将跌倒(Fall)与日常生活的正常动作(Activities of Daily Life,ADL)区分开来,准确地检测跌倒的发生,并智能判断是否需要报警求助。从而尽可能地缩短救助时闻,减小跌倒带来的伤害,降低误报率,最终提升被监测者的生活质量。

本次研究采用了PSoC 3 FirstTouch实验板,利用三轴加速度传感器KXSC7-2050搭建了三维加速度监测系统。

研究主要分为两部分:第一,对跌倒和ADL进行定义和模式分类,通过佩戴在腰间的数据记录系统记录各模式下的三维加速度数据,并对其进行处理、分析和比较;第二,根据分析结果,提出了以SVM或SMA为特征量,以人体状态及姿态为辅助判据的算法,并总结出了具体阈值相关参数。另外,还提出了基于三维加速度数据的步态分析及跌倒预警的设想,并进行了步频分析等初步的分析与论证.

关键词:跌倒检测监测三维加速度传感器

跌倒判断方式

对跌倒的自动检测可通过直接或间接的手段。常见的手段包括:

(1)视频分析:需要在每个盗测区域安置设备,不方便且昂贵;

(2)声响或振动分析:该方法认为跌倒可通过频率分析与其它活动区分开来,但各种各样的地面材质是一个棘手蛉问题;

(3)智能护理系统:跌倒发生后的当然结果就是在其后的一段时期内,被监测者几乎不会有运动,缺点是反应需要的对间较长且易误报警;

(4)随身佩戴的装置:它们能够即时检测出跌倒,且如果有智能判断,可自动决定是否发出摄警或求救信号。’

显然,第四种方案简便、可靠、经济,且易与现有技术结合,从而达到更好的监测效果,难点在予检测的准确性:既不能漏过每一次跌倒,也不能将正常活动误报为跌倒,其中的平衡取舍较难掌握。

早期的跌倒判定手段和方法比较简单,其结果也受较大的限制。如,手杖中的水银开关。该检测方法默认,当跌倒发生时,手杖也躺倒呈水平状态,此时水银开关导通发出报警信号。显然这样的手段太过简单,结果也很粗糙。之后渐渐出现了以加速度信号为监测对象的监测

系统。如分别放置在人体躯干和大腿前侧的单维加速度传感器,可检测人体静态姿势(比如躺卧、站立、坐立等)以及人体活动姿态(行走和骑车等)。但此类方法由于采用单维加速度传感器,且检测的只是几种典型的活动姿势变化过程,跌倒监测的效果并不好。

随着微电子及传感技术的发展与成熟,低功耗、低成本的微集成电路使以前的许多设想渐渐具有了现实基础。基于三维加速度传感的系统成为目前国外研究跌倒监测的主要趋势,而加速度阈值是最常见的跌倒判定方式。如,Mathie等在预先设定人体跌倒过程是在1-2秒内完成,提取其过程中三维加速度z轴方向上分量,判断是否出现至少连续两次脉冲信号,并是否超过已定的阈值(1.8g)。而Yoshida等使用一个0.1秒的时间窗进行判别。

目前,相关研究主要的分为两个方面,一方面着重于跌倒与日常活动的模式分析与算法,如Bourke等通过实验得到的判定跌倒的不同的加速度阈值,讨论了佩戴位置对结果的影响,产生较大加速度响应而有可能造成误报的ADL等,而Diaz等在其论文中提出了一种较复杂的算法,基于时域和频域(能量)条件共同判断,也得到了不错的结果。基于SVM(Signal Magnitude Vector)和SMA(Signal Magnitude Area)的阈值判定是常用的方法,同时为了降低报错率,还采用了其它辅助判定条件一一如姿态判定等。另一方面着眼于整个系统的构建,传感器(Sensor)、处理器(MCU)和通讯单元的组合是常见设计。如加州大学伯克利分校的J.Cheal 等设计的家用穿戴式无线跌倒监测系统,就是由两个正交的二维加速度传感器与已有的“电予尘埃”技术的结合,监测的结果经无线通讯传输,并根据射频信号强度实现定位。而Burchfield与Venkatesan设计的用予监测人体“异常运动”(Abnormal Movement)的无线装置与此类似,由加速度传感器、MCU以及基于ZigBee技术的无线通讯模块构成了整个系统.

运动模式与实验组织

本系统的难点和目标在于通过加速度数据有效地区分跌倒和日常活动(ADL)。本章的目的是将常见的跌倒和ADL按不同模式分类,记录其加速度数据。希望根据对数据的处理分析结果,最终能得到简便且有效的方法区分跌倒与ADL。

人体活动分为正常日常活动(ADL)和跌倒两大类.

正常日常活动(ADL)

人体静态姿势:左侧躺、右侧躺、仰卧、俯卧、直立、后仰立、前倾立、坐直、后仰坐、前倾坐等等。

人体动态姿势:躺下、蹲下、坐下、起立、走、上楼梯、下楼梯、奔跑

跌倒:向前跌倒,膝关节弯曲;向后跌倒,膝关节弯曲;侧向(左/右)跌倒,膝关节弯曲。

容易引起误判的因素:行走时跌倒、摔倒在椅子中(准备从椅子上站起来时或静止站立时)、滑倒、瞬间失去平衡最后却控制住身体等等.这些模式可能是下一步堆备研究的对象,目前仅考虑以上三种基本模式。

本系统三维加速度信号的采样频率为50Hz。鉴于人体运动的特点,加速度信号采样频率不用太高一一事实上,我们所要监测的人体活动的频率全是是低于20Hz的(即使包括了运动信号,其能量的99%也是集中在15Hz以下),已有的监测系统的采样频率很少有超过50Hz的。

加速度数据分析

通常情况下,佩戴在人体上的加速度传感器的输出信号是由以下信号线性叠加而成的:

(1)人体运动加速度分量;

(2)入体重力加速度分量;

(3)人体抖动;

(4)系统测量噪声;

其中(1)和(2)是直接人体活动相关联的因素,重力加速度的值在-1g和+1g之间,人体运动加速度分量是系统采集的目标信号和最终判定运动模式的依据;而(3)、(4)和则作为噪声部分加入到传感器输出值中,可以通过模拟或数字滤波器加以滤除,从而提高信噪比。

数据预处理

预处理主要分为两步,主要目的是去除噪声,以及根据使用目的将信号分离:

(1)中值滤波(n=3)。由实验得知,加速度传感器输出信号中参杂了大量脉冲噪声,在实际应用申必须加以剔除.传统的消除脉冲噪声的方法是使用中值滤波器。采用序列的中值是指采样序列中一半样本的值比该值大,而另一半比其小。在信号处理时需要将采样序列排序,然后取中间值。中值滤波器是一个非线性信号处理技术,它使用一个给定长度的窗依次滑过原始信号序列,然后将窗内居中的样本值用该窗所包含信号序列的中值替代。针对加速度传感器输出信号包含有脉冲噪声,这里滤波器窗口大小n设为3。辫n过大时,则区分人体是否处于活动状态等算法的效果将变差。

(2)低通滤波(LPF,截止频率为0.25Hz,0.01dB纹波,3阶IIR滤波器),目的是从原始加速度信号中分出两路信号,分别为GA(Gravity,可用于姿态判断)和BA(BodilymotionAcceleration,可用于运动状态判断)信号。GA由(1)后信号LPF后得到,BA可由GA与(1)后信号的差别得到。

基于跌倒过程特点的跌倒分析判断

跌倒过程中的加速度变化特征

对跌倒检测原理的研究主要是找到人体在跌倒过程中的加速度变化特征。

图3给出的是加速度在不同运动过程中的变化曲线,包括(a)步行上楼、(b)步行下楼、(c)坐下、(d)起立。跌倒检测器被固定在被测的人体腰上。其中红色的曲线是Y轴(垂直方向)的加速度曲线,其正常静止状态下应该为-1g;黑色和黄色的曲线分别是X轴(前后方向)和Z轴(左右方向)的加速度曲线,其正常静止状态下应该为0g;绿色的曲线是三轴加速度的矢量和,其正常静止状态下应该为+1g。

由于老年人的运动相对比较慢,所以在普通的步行过程中,加速度变化不会很大。最明显的加速度变化就是在坐下动作中Y轴加速度(和加速度矢量和)上有一个超过3g的尖峰,这个尖峰是由于身体与椅子接触而产生的。

关于几个中断设置的说明

1、Activity - 当加速度值超过一定门限(THRESH_ACT)时,Activity中断置位。

2、Inactivity - 当加速度值低于一定门限(THRESH_INACT)并且持续超过一定时间(TIME_INACT)时,Inactivity中断置位。

3、Free_Fall - 当加速度值低于一定门限(THRESH_FF)并且持续超过一定时间(TIME_FF)时,Free_Fall中断置位。与Inactivity中断的区别在于,Free_Fall中断主要用于对自由落体运动的检测。

而跌倒过程中的加速度变化则完全不同。图4给出的是意外跌倒过程中的加速度变化曲线。

通过图4和图3的比较,可以发现跌倒过程中的加速度变化有4个主要特征,这可以作为跌倒检测的准则。这4个特这在图4中以红色的方框标注,下面将对其逐一进行详细介绍。

1.失重:在跌倒的开始都会发生一定的失重现象。在自由落体的下降过程,这个现象会更加明显,加速度的矢量和会降低到接近0g,持续时间与自由落体的高度有关。对于一般的跌倒,失重现象虽然不会有像自由落体那么明显,但也会发生合加速度小于1g的情况(通常情况下合加速度应大于1g)。因此,这可以作为跌倒状态的第一个判断依据。可以由ADXL345的Free_Fall中断来检测。

2.撞击:失重之后,人体发生跌倒的时候会与地面或其他物体发生撞击,在加速度曲线中会产生一个很大的冲击。这个冲击可以通过ADXL345的Activity中断来检测。因此,Free_Fall 中断之后,紧接着产生Activity中断是跌倒状态的第二个判断依据。

3.静止:通常,人体在跌倒后,也就是撞击发生之后,不可能马上起来,会有短暂的静止状态(如果人因为跌倒而导致昏迷,甚至可能是较长时间的静止)。表现在加速度曲线上就是会有一段时间的平稳。这可以通过ADXL345的Inactivity中断来检测。因此,Activity中断之后的Inactivity中断是跌倒状态的第三个判断依据。

4. 与初始状态比较:跌倒之后,人体会发生翻转,因此人体的方向会与原先静止站立的姿态(初始状态)不同。这使得跌倒之后的静止状态下的三轴加速度数值与初始状态下的三轴加速度不同(见图4)。假设跌倒检测器固定在被测人体上的腰部,这样初始状态下的三轴加速度数值可以认为是已知的(本例中,初始状态为:X轴0g,Y轴-1g,Z轴0g)。读取Inactivity 中断之后的三轴加速度数据,并与初始状态进行比较。如图4所示,重力加速度方向由Y 轴上的-1g变为了Z轴上的1g,这说明人体发生了侧向跌倒。因此,跌倒检测的第四个依据就是跌倒后的静止状态下加速度值与初始状态发生变化,且矢量变化超过一定的门限值(比如0.7g)。

这四个判断依据综合在一起,构成了整个的跌倒检测算法,可以对跌倒状态给出报警。当然,还要注意各个中断之间的时间间隔要在合理的范围之内。比如,除非是从很高的楼顶掉下来,否则Free_Fall中断(失重)和Activity中断(撞击)之间的时间间隔不会很长。同样,通常情况下,Activity中断(撞击)和Inactivity中断(静止)之间的时间间隔也不会很长。本文接下来会通过一个具体实例给出一组合理的取值。当然,相关中断的检测门限以及时间参数也可以根据需要而灵活设置。

另外,如果跌倒造成了严重的后果,比如,导致了人的昏迷。那么人体会在更常的一段时间内都保持静止。这个状态仍然可以通过Inactivity中断来检测。也就是说,如果发现在跌倒之后的很长时间内都保持Inactivity状态,可以再次给出一个严重报警。

流程图及相关程序设计

1.初始化后,系统等待Free_Fall中断(失重),这里把THRESH_FF设为0.75g,把TIME_FF 设为30ms。

2.Free_Fall中断产生之后,系统开始等待Activity中断(撞击),这里把THRESH_ACT设为2g。

3.Free_Fall中断(失重)与Activity中断(撞击)之间的时间间隔设置为200ms。如果超过200ms,则认为无效。200ms计时需要通过MCU中的定时器来实现。

4.Activity中断产生之后,系统开始等待Inactivity中断(撞击后的静止),这里把THRESH_INACT 设为0.1875g,把TIME_INACT设为2s。

5.在Activity中断产(撞击)生之后的3.5s时间之内,应该有Inactivity中断(撞击后的静止)产生。如果超时,则认为无效。3.5s计时需要通过MCU中的定时器来实现。

6. 如果Inactivity中断之后的加速度值与初始状态(假设已知)下数值的矢量差超过0.7g,则说明检测到一次有效的跌倒,系统会给出一个报警。

7. 当检测到跌倒状态之后,为了判断是否在跌倒之后人体有长时间的静止不动。需要继续检测Activity中断和Inactivity中断。这里把THRESH_ACT设为0.5g。把THRESH_INACT设为0.1875g,把TIME_INACT设为10s。也就是说,如果在10s之内,人体一直没有任何动作,则会产生Inactivity中断,使系统给出一个严重报警。而在此期间一旦人体有所动作,则会产生Activity中断,从而结束整个判断过程。

基于SVM和SMA的跌倒分析判断

如前所述,对于人体运动状态的区分(即跌倒与ADL的区分),主要是通过对人体运动加速度数据的阈值设置来分隔。这个阈值的选择是整个系统的关键。但同样是阈值分隔,也有不同的特征量或方法可以选择.在本次研究中,选择了两种参数来提取特征值作为比较。

5。3。1特征量SVM

SVM,即Signal Magnitude Vector。其中A x、A y、A z分别为X、Y、Z三轴输出,并经中值滤波后的信号,单位为g。

$VM。√42+42+42

由于无法预知跌倒的方向,即发生时的加速度变化主要体现的某空间方向,所以不宜用某一轴的加速度数据去判断跌倒的发生。采用该特征值的优点在于其将空间的加速度变化集合为一矢量,而且阈值法在本系统跌倒的判据中可以忽略该矢量的空间方向——即无论朝哪个方渤跌倒,SVM都会超过某一阈值。这正是SVM判据的基本思想.

图5.3各模式SVM对比,图中:(a)向前跌倒;(b)向前跌倒;(c)恻商跌倒;

(d)坐下一一较高的凳子,其后的尖峰为对应的起盘动律;(e)蹲下一,其后的尖峰为对应的起立动作;(f)蹲下,其后的尖峰为对应的起立动作;(g)走一一平地;(h)走一一下楼;(i)走一一上楼;(j)跳——原地;(k)跑——平地;

图5.3中值得注意的几点是:

1.考虑到本系统的目标用户(老人、病人、残疾人等),假如不考虑某些较激烈、动作幅度较大的运动,如跑、跳等一一实际上,这也是最大可能的误报源。那么ADL的SVM最大值出现在模式“走一一下楼”处(图5.3中(h)),其SVM=2.26g.而三类跌倒的最小的SVM出现在模式“侧向(左/右)跌倒(图5.3中(c)),其值为3.67g;即“跌倒”与“ADL”之间的SVM峰值的“空隙”为1.41g——这为我们设置阈值留下了充分的空间(如设置阈值为2.8g),极大地降低了误报的可能性;

2.假如将模式“跑”或“跳”一并纳入考虑的范畴,从上图中可以看出仍然有操作的“空间”。但在稍微激烈的运动出现的情况下,却有可能导致误报。这个问题可能将透过其它辅动判据来共同解决一一如身体姿态的判断;

3.三类跌倒模式中SVM峰值从大到小依次为:向后跌倒(5.29g)、向前跌倒(3.74g)、侧向跌倒(3.67g)。其中向前和侧向的SVM峰值相差不多,而大大小于向后的峰值,这可能是因为在发生向前或侧向跌倒时,手臂和膝盖一定程度上起到了缓冲的作用,从而减小了实际的“下降高度”,向后跌倒的“下降高度”更大.同样可以预见的是,在向前或侧向跌倒时若失去或没有用手臂或膝盖作为缓冲,其SVM峰值会更大.

5.3.2特征量SMA

SMA,即Signal Magnitude Area,其定义如式(5.2)。其中冀、4、4分别为X、Y、Z三轴输出,并经中值滤波和高通滤波后的信号,单位为g

同样的,避免以某一轴的输出作为判定的依据。另外,上式中的t参数的选择也是一个值得讨论的问题。本次试验暂定为1秒钟,即50个采样点。取1秒钟的原因是它既能体现信号的暂态变化或趋势,又能有效减小干扰(如突变跳动)。

各模式典型的SMA对比如图5.6.

图5.6各模式SMA(t=ls)对比,图中依次为:(a)向后跌倒;(b)向前跌倒;(c)侧向跌倒;(d)坐下,其后的峰值为对应的起立动作;(g)躺倒一一从坐的姿势,其后的是从躺到坐起的动作;(h)走一一平地;(i)走一一下楼;(j)走一一上楼;(k)跳一一原地;(l)跑一一平地;

从图5.6中可以看出,跌倒的最小SMA峰值来自于模式“向前跌倒”(其值约为1.01g),而若不考虑模式“跑’’和“跳”,那么ADL的最大峰值来盘于模式“走一一下楼”(0.88g),其与模式“跌倒”之间的差值为0.13g。而若加入模式“跑”和“跳”,则其峰值甚至超过了跌倒(-0.329、g)。这是由予在这两种模式整,加速度信号在短时间内急剧地变化,而高通滤波滤掉的直流分量较少的缘故。此外,在“跑”或“跳”,甚至“走”的模式里,一旦时间参数t大于其运动周期,那么每次计算SMA时的“积分”便计入了至少两次“尖峰”,这样就理所当然地导致了这几种运动模式都得到很高的SMA值,而且几乎“抹平’’了每个尖峰,如图5.6。可以考虑减小t值。

虽然信号不变,但当取t=0.3s时,得到了更好的结果,如图5。7。跌倒与ADL之间的差距增加,就阈值判定的角度来看,这个结果显然较t=1s时要理想得多。

以跌倒与ADL之间的峰值差距为标准,从阈值判断的角度考虑,参数SVM更适合作为判据,但是SMA在某些方面也有其独特的优势。在加速度变化比较慢,但变化幅度较小的场合,SVM的峰值比较小,可能无法与ADL区分开来,但SMA信号的峰值就相对较大.如“侧向摔倒”时的SVM和SMA波形可见,共有三次跌倒,SVM的峰值幅度依次递减,但SMA峰值幅度交化不大。

加入时间参数t是特征量SMA的优势,使其能够检测到变化时间持续较长,变化幅度相对较小的加速度变化。其实际应用意义在于,比如,老年人较缓慢地摔倒在地上或椅子里,或者支撑着座椅、墙壁等缓慢倒下,通过SVM阈值判断很难将这样的情形与ADL区分开来,但利用SMA阈值判断就有可能.因此t值并非越小越好,因为t值越小,SMA就越可能失去上述功能一一t是一个决定着SMA运用效果的重要参数。

5.3.3特征量A SMA

SVM提供了传感器(佩戴者)瞬时加速度的度量值,为了监测加速度的变化情况,特征量ASVM 提供了加速度昀瞬时变化往:,即本次测得的SVM值减去上次测

得的SVM值。可以看出ASVM对突变的、持续时间短、变化幅度大的信号比较敏感,能够突出它们,这说明ASVM比较适于检测突然的、“于净利落”的跌倒。该特征量同样可通过阈值比较,用于判断人体处于“活动”还是“静息”状态。

6.4基于SVM的简单算法

根据第5章的研究结果,特征量SVM能够根据三轴加速度信号,在信号流中有效的突出“跌倒”,同时也包括其它变化较激烈的ADL.本节提出了适用于嵌入式系统要求的简单分类方法一一基于阚值的二叉判决法,

如图6.2,阈值TH的大小选择可考虑使用前一章的实验结果.不断比较SVM与TH的大小,当SVM>TH时,系统认力有跌倒发生,反之认为入体处于ADL状态,没有跌倒发生。

6.4基于SVM阈值分类的算法

上述简单的分类方法在不考虑比较激烈的运动模式时是很有效的。但假如引入“跑”、“跳”等运动模式,仅仅用SVM阈值分隔的方法,很难将它们与跌倒区分开来,结果是会造成大量的误报.因此,考虑加入其它的判定条件,来降低误报率,将跌倒与ADL(包括较激烈的运动,如跑、跳)区分开来.

基于SVM阈值分类的算法的流程如图6.3,除了SVM的阈值TH1,另增加了三个参数:TH2,t1和t2。

原始的三维加速度信号经中值滤波(窗口n=3)后计算SVM值,若结果大于预先设定的阈值TH1,则系统认为出现了“可能的跌倒”,当然也可能是“其它较激烈的运动”,需要进入下一步的判定的流程。

为了进行下一步的判定,等待时间t1。延时t1的目的是为了等待“跌倒”这一动作的完成.因为跌倒发生过程一般为1-2s的时间,而尖峰的出现代表了跌倒已经“着地”,即在尖峰出现后,约1s内跌倒完成,这也在之后的实验中得到证明。

然后判断人体是否处于“活动”状态一一因为若是处于“活动”状态,基本可以确定1s前出现的尖峰值是因为当事入正处于“跑”或“跳”这样的激烈的运动状态造成的。另外,即便是跌倒,只要发生后妻事人还能控制身体进行活动,则也能够自己恢复或求助,不需要本系统报警求助。人体“活动”或“静息”状态的判断是通过特征量SVM_ch与预设阈值TH2的比较来完成的。

。当SVM_ch

6。5基于SMA的算法

根据第5章的研究结果,SMA同样适合作为阈值检测跌倒的特征量,而且SMA尤其对于变化时间持续较长,变化幅度相对较小的加速度变化的检测能力较强。

考虑到特征量SMA的特点,提出了以TH和T为参数的基于SMA的阈值分类算法,具体如图6.5。基本思想与前述算法相似,同样是以阈值判断为基础,辅以人体状态及姿态判断,共同作用以达到识别检测跌倒的目的。

原始的三维加速度信号经中值滤波(n=3)后计算SMA值(t=0.3s),若SMA大于等于预设阈值TH,则系统认为人体(0.3s内)处于活动状态,并且“可能”发生了跌倒,将标志字PF 置位(Possible Fall=1)。在下一个周期中,若SMA小于TH,则系统认为人体处于静息状态,然后会判断此时人体是否处于躺卧的姿势。若非躺卧,此时系统认为之前SMA超过阈值不是由跌倒造成,则复位PF标志(即Possible Fall=1);若确认人体处于躺卧状态,则检查PF标志是否置位。未置位说明之前并束发生剧烈的运动(包括跌倒),躺卧的姿势是正常的ADL 造成的;置位说明之前发生过“可能”的跌倒,需要通过延对进一步确认。若时间T内人体都保持静静息、躺卧的状态,系统就有理由认为之前确实发生了跌倒,而且当事人无法恢复或自救,需要救助,则报警求助。

该算法中跌倒的判定主要分为两步:第一,SMA值与TH的比较,决定PF标志位值;第二,其后的人体状态、姿势判断。

结合第5章的研究结果,并通过反复的试验,确定参数TH=1.79。实验中取T=9s,实际应用中可适当延长.

6.6SVMSMA算法和小结

基于前文的研究结果,提出了基于特征量SVM、SMA的跌倒检测算法,并通过硬件系统进行了实验,对阈值等具体参数进行了调整.

阈值分隔方法优势在于检测动作比较激烈的运动,包括跌倒,或跑、跳等ADL。但仅以其来判定跌倒,容易产生误判,所以加入辅助判据来降低误报率,提高检测的准确性。通过

监测三维加速度的大小输出,可推知人体的活动状况,判定其处于活动或静息状态。通过比较三轴加速度数据,可推知人体的空间姿态。通过以上辅助判据,可有效排除跑、跳等ADL,而检测出真正的跌倒。而对于可能当事人有所控制,或有外力支撑的跌倒,即加速度变化较缓慢,持续时间较长的跌倒,可通过带有时间参数的特征量SMA来判定。

智能仪器 课程设计

题目要求: 利用三轴加速度传感器实现跌倒的检测。在PSoC 3 FirstTouch板上实现。 一、学习PSOC的开发环境creator的使用。首先图示化选定所用的硬件并产生该硬件的API 函数,然后类似keil环境下做C语言程序。 二、https://www.360docs.net/doc/082050850.html,/data/html/2010-9-14/85764.html理解加速度传感器检测跌倒的算法原理。 三、PSoC 3 FirstTouch上有三轴加速度传感器KXSC7-2050,实现跌倒检测算法。 摘要 跌倒是指人身体的任何部位意外地触及地面或其它较低的平面,而当事人无法实时做出反应.跌倒是对健康,乃至生命的严重威胁。随着老龄化社会的到来,对跌倒的监测和及时报警日益成为一个紧迫的问题。 跌倒监测报警系统的目标是能够将跌倒(Fall)与日常生活的正常动作(Activities of Daily Life,ADL)区分开来,准确地检测跌倒的发生,并智能判断是否需要报警求助。从而尽可能地缩短救助时闻,减小跌倒带来的伤害,降低误报率,最终提升被监测者的生活质量。 本次研究采用了PSoC 3 FirstTouch实验板,利用三轴加速度传感器KXSC7-2050搭建了三维加速度监测系统。 研究主要分为两部分:第一,对跌倒和ADL进行定义和模式分类,通过佩戴在腰间的数据记录系统记录各模式下的三维加速度数据,并对其进行处理、分析和比较;第二,根据分析结果,提出了以SVM或SMA为特征量,以人体状态及姿态为辅助判据的算法,并总结出了具体阈值相关参数。另外,还提出了基于三维加速度数据的步态分析及跌倒预警的设想,并进行了步频分析等初步的分析与论证. 关键词:跌倒检测监测三维加速度传感器 跌倒判断方式 对跌倒的自动检测可通过直接或间接的手段。常见的手段包括: (1)视频分析:需要在每个盗测区域安置设备,不方便且昂贵; (2)声响或振动分析:该方法认为跌倒可通过频率分析与其它活动区分开来,但各种各样的地面材质是一个棘手蛉问题; (3)智能护理系统:跌倒发生后的当然结果就是在其后的一段时期内,被监测者几乎不会有运动,缺点是反应需要的对间较长且易误报警; (4)随身佩戴的装置:它们能够即时检测出跌倒,且如果有智能判断,可自动决定是否发出摄警或求救信号。’ 显然,第四种方案简便、可靠、经济,且易与现有技术结合,从而达到更好的监测效果,难点在予检测的准确性:既不能漏过每一次跌倒,也不能将正常活动误报为跌倒,其中的平衡取舍较难掌握。 早期的跌倒判定手段和方法比较简单,其结果也受较大的限制。如,手杖中的水银开关。该检测方法默认,当跌倒发生时,手杖也躺倒呈水平状态,此时水银开关导通发出报警信号。显然这样的手段太过简单,结果也很粗糙。之后渐渐出现了以加速度信号为监测对象的监测

智能仪器课程设计说明书智能温度测量仪表方案设计

前言 (2) 第一章智能温度测量仪表方案设计与论证 (3) 功能与要求 (3) 方案的论证与比较 (3) 方案的确定 (5) 1.3.1数据采集通道的理论计算 (5) 1.3.2温度值粗测理论推导 (6) D的理论推导 (6) 1.3.3 根据T1确定差分部分AV 第二章智能温度测量仪表的硬件设计 (7) 系统硬件框图 (7) 系统的输入通道设计 (7) 单片机最小系统 (8) 人机接口电路 (8) 2.5串口电路 (9) 执行电路 (9) 第三章软件设计 (10) 下位机软件的设计 (10) 3.1.1下位机主程序设计 (10) 3.1.2 CH451中断子程序设计 (11) 3.1.3数字滤波函数和ADC0809读函数设计 (12) 3.1.4快速测量温度粗值函数设计 (13) 3.2上位机软件设计 (13) 第四章智能温度测量系统的安装与调试 (15) 硬件调试 (15) 软件调试 (15) 4.3整机调试过程 (16) 第五章设计体会与小结 (17) 参考文献 (18) 附录 (19)

前言 随着时代的进步和发展,单片机技术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AT89C51单片机的测温系统,描述了利用温度传感器PT100测温系统的过程,对传感器在单片机下的硬件连接,软件编程以及各模块系统流程进行了分析,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温度采集和显示,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。

物联网时代下的《仪器仪表课程设计》教学改革实践

物联网时代下的《仪器仪表课程设计》教学改革实 践 仪器仪表课程设计是高校自动化、电气、测控及相关专业的一门重要课程,它集技术性、工程性和实践性于一体,是一门涉及检测技术、单片机原理、电子技术、自动控制、计算机通信等多门学科的现代综合课程。通过仪器仪表课程设计的实践,学生可以了解电子及微机工程项目的开发过程,还可以掌握智能仪器仪表系统的设计和调试方法,并具有运用基础知识解决问题的能力和素质。 2021年2月教育部发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》,吹响了新时代本科教育改革发展的进军号。该通知明确指出,新工科项目的开展與实施应当围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量和新体系进行,而不是简单地围绕传统工科教育专业融合或专业调整。 与此同时,随着互联网和通信技术的发展,将设备融入互联网成为互联网的另一扩展方向——物联网。最初的物联网的概念是由美国提出来的,把所有的物品通过物联网域名相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪等等的一种网络概念。物联网的官方定义是:是基于互联网之上,使不可交流的物体与物体之间进行交流,而产生的过程,称之为物联网(Internet of Things)。在过去的十年中,我们见证了各种设备通过网络连接在一起,各种传感器,温度计,交通、流速传感器以及数据传输。 借助新工科建设和物联网快速发展的契机,我校结合近几年在仪器仪表课程设计指导过程中遇到的一些问题,并结合智能仪器仪表技术、物联网技术飞速发展的特点[5,6],对该课程进行了改革实践。从教学内容,教学方法,教学模式三方面实施了该课程的教学改革,引导学生培养创新性的工程实践能力、探索学生创新创造潜能,以适

控制装置与仪表课程设计

控制装置与仪表课程设计 课程设计报告 ( 2012-- 2013年度第二学期) 名称:控制装置与仪表课程设计 题目:炉膛压力系统死区控制系统设计院系: 班级: 学号: 学生姓名: 指导教师: 设计周数:一周 成绩: 日期:2013年7 月5日

一、课程设计(综合实验)的目的与要求 1.1 目的与要求 (1)认知控制系统的设计和控制仪表的应用过程。 (2)了解过程控制方案的原理图表示方法(SAMA图)。 (3)掌握数字调节器KMM的组态方法,熟悉KMM的面板操作、数据设定器和KMM数据写入器的使用方法。 (4)初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。 1.2设计实验设备 KMM数字调节器、KMM程序写入器、PROM擦除器、控制系统模拟试验台1 1.3 主要内容 1. 按选题的控制要求,进行控制策略的原理设计、仪表选型并将控制方案以SAMA 图表示出来。 2 . 组态设计 2.1 KMM组态设计 以KMM单回路调节器为实现仪表并画出KMM仪表的组态图,由组态图填写 KMM的各组态数据表。 2.2 组态实现 在程序写入器输入数据,将输入程序写入EPROM芯片中。 3. 控制对象模拟及过程信号的采集 根据控制对象特性,以线性集成运算放大器为主构成反馈运算回路,模拟控制对 象的特性。将定值和过程变量送入工业信号转换装置中,以便进行观察和记录。 4. 系统调试 设计要求进行动态调试。动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。由于生产 过程已经处于运行或试运行阶段,此时应以观察为主,当涉及到必需的系统修改 时,应做好充分的准备及安全措施,以免影响正常生产,更不允许造成系统或设 备故障。动态调试一般包括以下内容: 1)观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常; 2)检查控制系统逻辑是否正确,并在适当时候投入自动运行; 3)对控制回路进行在线整定; 4)当系统存在较大问题时,如需进行控制结构修改、增加测点等,要重新组态下装。 二、设计(实验)正文 1设计题目:炉膛压力系统死区控制系统设计(如附图1) 附图1: 引风机 炉膛压力系统死区单回路控制系统

智能仪器课程设计报告

智能仪器设计课程设计报告 ―――采用RS 485标准的主从式多机系统设计 学生姓名:王** 学号:********* 班级:******** 任课教师:*** 成绩:

1、设计要求 a) 系统基本结构:1个51系列单片机主机、2个51系列单片机从机(从机1 和从机2)、采用RS 485组成主从式多机系统; b) 系统基本功能:在主机键盘上按“1”键,从机1的LED数码显示器上显示“1”,此后从机1键盘上每按下1个数字键,主机LED数码显示器上能显示对应的数字,当从机1键盘上按下“0”键时,此次通信结束,从机1键盘上再按下任意数字键,主机不显示相应数字;在主机键盘上按“2”,从机2的LED数码显示器上显示“2”,此后从机2键盘上每按下1个数字键,主机LED数码显示器上能显示对应的数字,当从机2键盘上按下“0”键时,此次通信结束,从机2键盘上按下任意数字键后,主机不显示相应数字; c) 选做:从机1和从机2可设计成相关物理量的测量系统,当主机呼叫从机时,从机能把最新的测量值发给主机。 2、方案论证 (1)系统组成:由三个51单片机构成主从通信系统(本组使用的芯片型号是STC89C52,其功能是一致的),每个单片机搭配LED数码管显示器和键盘;通信采用RS-485标准,可使用MAX485芯片作为通信收发器,单片机控制MAX485的使能端进行发送和接受逻辑控制;单主机多从机的通讯系统需要区分地址信息和数据信息,可利用51串口模式中的模式2进行通信,修改主机的SCON.3状态表明主机发送的是否是地址信息,修改某台从机的SM2状态来建立和主机的唯一通信;数据输入使用键盘输入,数据显示可简单的使用数码管显示。

智能仪器设计课程设计

智能仪器设计课程设计 8. 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Cu100热电阻,测温范围为0℃~150℃。采用位式(两位、三位,具有滞环)控制、并用晶闸管过零驱动1000W电加热器(电源电压为AC220V)。 《智能仪器设计基础课程设计》----40题目 教学说明: 如下设计题目应该在课程开始时布置,并在教学中安排时间,以产品设计案例教学方式讲授如何理解题目以及如何实现题目,并补充完成题目所需要的相关知识。 如下的智能仪表课程设计题目,都是小型智能仪表产品开发方面的题目。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。课程题目小,学生容易学,上手快,可以在短时间走完智能仪表设计的全过程,学会产品设计步骤。 1.设计基本要求 (1)正确理解设计题目,经过查阅资料,给出正确设计方案,画出详细仪表原理框图(各个功能部分用方框表示,各块之间用实际信号线连接)。 在互连网上收集题目中所用到的器件资料,例如传感器(热偶分度表等)、信号调理电路、AD转换器、单片机、继电器、电源、显示器件等。 在互连网上收集相关单片机的显示、AD转换、显示、控制算法等程序。 在充分研究这些资料基础之上,给出设计方案(选择信号调理电路、单片机、显示、按键输入、继电器驱动、电源等,简要说明选择的理由) (2)用Protel99SE软件设计仪表详细原理图。 要求正确标记元件序号、元件数值、封装名。 (3)设计PCB图 在画PCB前应该购买元件,因为有了元件才知道封装尺寸,但也可以不购买元件,只到元件商店测量实际元件尺寸后,画封装图。 (4)熟悉单片机内部资源,学会ADC、SPI接口、定时器、中断、串口、I/O引脚等模块的编程。 (5)采用C语言开发所设计仪表的程序。 按照题目要求,确定仪表需要完成的任务(功能),然后分别编制各任务的程序。程序应该有说明,并有详细注释。 说明:若是不安装实验板或是最小系统板,就只能用Atmel公司的A VR Studio软件或是Keil软件(随意下载)仿真,则学习效果将大打折扣。 2.设计(考试)说明书 说明书内容: (1)封面内容: 《智能仪器设计基础》考试题 题目号:

电子秤课程设计实验报告

电 子 设 计 实 验 报 告 电子科技大学 设计题目:电子称姓名:

学生姓名 任务与要求 一、任务 使用电阻应变片称重传感器,实现电子秤。用砝码作称重比对。 二、要求 准确、稳定称重; 称重传感器的非线性校正,提高称重精度; 实现“去皮”、计价功能; 具备“休眠”与“唤醒”功能,以降低功耗。

电子秤 第一节绪论 摘要:随着科技的进步,在日常生活以及工业运用上,对电子秤的要求越来越高。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代,使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化,并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统,使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。影响其精度的因素主要有:机械结构、传感器和数显仪表。在机械结构方面,因材料结构强度和刚度的限制,会使力的传递出现误差,而传感器输出特性存在非线性,加上信号放大、模数转换等环节存在的非线性,使得整个系统的非线性误差变得不容忽视。因此,在高精度的称重场合,迫切需要电子秤能自动校正系统的非线性。此外,为了保证准确、稳定地显示,要求所采用的ADC具有足够的转换位数,而采用高精度的ADC,自然增加了系统的成本。基于电子秤的现状,本文提出了一种简单实用并且精度高的智能电子秤设计方案。通过运用很好的集成电路,使测量精度得到了大大提高,由于采用数字滤波技术,使稳态测量的稳定性和动态测量的跟随性都相当好。并取得了令人满意的效果。 关键词:压力传感器,AD620N放大电路,ADC模数转换,STM32单片机,OLED 显示屏,矩阵键盘,电子秤。 1.1引言 本课程设计的电子秤以单片机为主要部件,利用全桥测量原理,通过对电路输出电压和标准重量的线性关系,建立具体的数学模型,将电压量纲(V)改为重量纲(g)即成为一台原始电子秤。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种,本设计采用全桥测量电路,是系统产生的误差更小。输出的数据更精确。而AD620N放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大,以满足A/D 转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号,进行模拟量转数字量转换,然后把数字信号输送到显示电路中去,最后由OLED

检测技术及仪表课程设计报告

检测技术及仪表课程设计报告 1、1 课程设计目的针对“应用技术主导型”普通工科高等教育的特点,从工程创新的理念出发,以工程思维模式为主,旨在培养突出“实践能力、创新意识和创业精神”特色的、适应当前经济社会发展需要的“工程应用型人才”。通过在模拟的实战环境中系统锻炼,使学生的学习能力、思维能力、动手能力、工程创新能力和承受挫折能力都得到综合提高。以增强就业竞争力和工作适应力。 1、2课题介绍本课设题目以多功能动态实验装置为对象,要求综合以前所学知识,完成此实验装置所需参数的检测。设计检测方案,包括检测方法,仪表种类选用以及需要注意事项,并分析误差产生的原因等等。 1、3 实验背景知识换热设备污垢的形成过程是一个极其复杂的能量、质量和动量传递的物理化学过程,污垢的存在给广泛应用于各工业企业的换热设备造成极大的经济损失,因而污垢问题成为传热学界和工业界分关注而又至今未能解决的难题之一。 1、4 实验原理 1、4、1 检测方法按对沉积物的监测手段分有:热学法和非传热量的污垢监测法。热学法中又可分为热阻表示法和温差表示法两种;非传热量的污垢监测法又有直接称重法、厚度测量法、压降测量法、放射技术、时间推移电影法、显微照相法、电解法

和化学法。这些监测方法中,对换热设备而言,最直接而且与换热设备性能联系最密切的莫过于热学法。这里选择热学法中的污垢热阻法。 1、4、2 热阻法原理简介表示换热面上污垢沉积量的特征参数有:单位面积上的污垢沉积质量mf,污垢层平均厚度δf和污垢热阻Rf。这三者之间的关系由式表示: (1-1)图1-1 清洁和有污垢时的温度分布及热阻通常测量污垢热阻的原理如下:设传热过程是在热流密度q为常数情况下进行的,图1a为换热面两侧处于清洁状态下的温度分布,其总的传热热阻为: (1-2)图1b为两侧有污垢时的温度分布,其总传热热阻为: (1-3)忽略换热面上污垢的积聚对壁面与流体的对流传热系数影响,则可认为(1-4)于是两式相减得: (1-5)该式表明污垢热阻可以通过清洁状态和受污染状态下总传热系数的测量而间接测量出来。实验研究或实际生产则常常要求测量局部污垢热阻,这可通过测量所要求部位的壁温表示。为明晰起见,假定换热面只有一侧有污垢存在,则有:(1-6)(1-7)若在结垢过程中,q、Tb均得持不变,且同样假定(1-8)则两式相减有: (1-9)这样,换热面有垢一侧的污垢热阻可以通过测量清洁状态和污染状态下的壁温和热流而被间接测量出来。

智能测量仪表课程设计报告

课程设计报告 课程:智能测量仪表 题目:智能测量仪表 学生姓名: 专业年级:自动化 指导教师: 信息与计算科学系 2013年3月23日

智能测量仪表 本次课程设计中智能温度测量仪表所采用的温度传感器为LM35DZ。其输出电压与摄氏温度成线性比例关系,无需外部校准,在0℃~100℃温度范围内精度为0.4℃~±0.75℃。,输出电压与摄氏温度对应,使用极为方便。灵敏度为10.0mV/℃,重复性好,输出阻抗低,电路接口简单和方便,可单电源和正负电源工作。是一种得到广泛使用的温度传感器。 本次课程设计的主要目的在于让学生把所学到的单片机原理、电子线路设计、传感器技术与原理、过程控制、智能仪器仪表、总线技术、面向对象的程序设计等相关专业课程的内容系统的总结,并能有效的使用到项目研发中来,做到学以致用。课程设计的内容主要分为三个部分,即使用所学编程语言(C或者汇编)完成单片机方面的程序编写、使用VB或VC语言完成PC机人机界面设计(也可以用C+API实现)、按照课程设计规范完成课程设计报告。

目录 1.课程设计任务和要求 (3) 1.1 设计任务 (3) 2.2 设计要求 (3) 2.系统硬件设计 (3) 2.1 STC12C5A60S2单片机A/D转换简介 (3) 2.2 LM35DZ简介 (7) 2.3 硬件原理图设计 (7) 3.系统软件设计 (10) 3.1 设计任务 (10) 3.2 程序代码 (10) 3.3 系统软件设计调试 (17) 4.系统上位机设计 (18) 4.1 设计任务 (18) 4.2 程序代码 (18) 4.3 系统上位机软件设计调试 (21) 5.系统调试与改善 (22) 5.1 系统调试 (22) 5.2 系统改善 (22) 6.系统设计时常见问题举例与解决办法 (24) 7.总结 (25)

智能仪器课程设计报告

专业课程设计报告 题目:基于DS18B20的温度测量系统 系别:信息工程系 专业班级: 学生姓名: 指导教师:丹丹 提交日期:2012年5月18日

目录 一、前言 (3) 二、系统组成 (3) 1、设计思路 (4) 2、基本要求 (4) 3、课程设计目的 (4) 三、硬件电路组成及工作原理 (4) 1、温度传感器功能模块 (5) 2、AT89C51单片机 (7) 3、8550PNP三极管 (10) 4、晶振电路 (10) 5、复位电路 (11) 6、键盘电路 (12) 7、显示电路 (13) 四、整体仿真调试与实物连接....... 错误!未定义书签。 五、整体电路图 (15) 六、心得体会 (16) 七、参考文献 (17) 八、附录(源程序) (17)

智能温度测量系统的设计 一、前言 温度是一种基本的环境参数,人民的生活与环境的温度息息相关,在工业生产过程中需要实时测量温度,在农业生产中也离不开温度的测量。因此研究温度的测量方法和装置具有重要意义。测量温度的关键是温度传感器,温度传感器的发展经历了三个发展阶段:传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式,集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。本文所介绍的智能温度测量系统是基于DS18B20型数字式温度传感器,在89C51单片机的控制下,对环境温度进行实时控制的装置。该系统测量范围宽、测量精确度高,该系统可广泛适用于人民的日常生活和工、农业生产的温度测量。 二、系统组成 智能温度测量系统主要由数字温度计、单片机控制电路、数字式温度显示电路、风扇降温电路、键盘电路、串口通信电路等六部分组成。系统原理框图如下: 图1智能温度测量系统原理框图

仪器仪表管理系统—C语言课程设计

仪器仪表管理 1.题目要求 Ⅰ.【要求】 系统功能的基本要求: (1)新的仪器仪表信息的录入; (2)在借出、归还、维修时对仪器仪表信息的修改; (3)对报废仪器仪表信息的删除; (4)按照一定的条件查询符合条件的仪器仪表信息;查询功能至少应该包括仪器仪表基本信息(如仪器仪表名字、仪器仪表编等)的查询、按时间点(借入时间、借出时间、归还时间)查询等 (5)对查询结果的输出。 【提示】 数据结构采用结构体。仪器仪表信息包括仪器仪表名、仪器仪表编号、购买时间、借入时间、借出时间、归还时间、维修时间、状态信息(0代表可借出,1代表已借出,2代表正在维修)等。 Ⅱ.需求分析 根据题目要求,需要把仪器仪表信息的的数据存储在文件里,所以需要提供文件的输入输出等操作;在程序中要提供修改,删除,查找等操作;另外还应该提供键盘式选择菜单实现功能选择。 2.功能实现设计 2.1总体设计 系统功能模块图 2.2详细设计 1.主函数

主函数一般设计得比较简洁,只提供输入输出和功能处理的函数调用。其各功能模块用菜单方式选择。本题将main()函数体内的界面选择部分语句单独抽取出来作为一独立函数,目的在于系统执行完每部分功能模块后能够方便返回到系统界面。 【程序】 main() {menu(); } 菜单部分设计如下: 【流程图】 N 【程序】 main() { menu(); } void menu() { int w,n; do { system("cls"); printf("\t\t WELCOME TO THE EQUIPMENT MANAGEMENT SYSTEM\n\n\n"); printf("\n\n\t\t====================******====================\ n\n\n"); printf("\t\t\t1:Add message of new equipmen\n\n"); printf("\t\t\t2:Load the message of all equipment\n\n"); printf("\t\t\t3:Correct the message of equipment\n\n"); printf("\t\t\t4:Ddlete the message of broken equipment\n\n"); printf("\t\t\t5:Search the message of equipment\n\n"); printf("\t\t\t6:Search of all the equipment\n\n"); printf("\t\t\t7:Exit\n");

检测及仪表课程设计(DOC)

目录 1设计目的 (2) 2题目介绍 (2) 3 背景意义 (2) 3.1实验装置简介 (2) 3.2研究污垢传热的理论知识 (3) 4参数检测与控制 (5) 4.1进出口温度水浴温度测量 (5) 4.1.1 仪表种类选用及依据 (5) 4.1.2 注意事项 (6) 4.1.3 可能误差 (6) 4.2 实验管壁温测量 (7) 4.2.1 仪表种类选用及依据 (7) 4.2.2 可能误差 (7) 4.3 水位的测量 (7) 4.3.1 仪表种类选用及依据 (7) 4.3.2 注意事项 (8) 4.3.3 可能误差 (8) 4.4 实验管内流体流量的测量 (8) 4.4.1仪表种类选用与依据 (8) 4.4.2 可能误差 (10) 4.5 差压测量 (10) 4.5.1仪表种类选用与依据 (10) 4.5.2 可能误差 (11) 5.参考文献 (12)

第1章绪论 1.1设计目的 针对“应用技术主导型”普通工科高等教育的特点,从工程创新的理念出发,以工程思维模式为主,旨在培养突出“实践能力、创新意识和创业精神”特色的、适应当前经济社会发展需要的“工程应用型人才”。通过在模拟的实战环境中系统锻炼,使学生的学习能力、思维能力、动手能力、工程创新能力和承受挫折能力都得到综合提高。以增强就业竞争力和工作适应力。 2题目介绍 本课设题目以一多功能动态实验装置为对象,要求综合以前所学知识,完成此实验装置所需检测参数的检测。设计检测方案,包括检测方法、仪表种类选用以及需要注意事项,并分析误差产生的原因等等。 该实验装置上,需要检测和控制的参数主要有: 1、温度:包括实验管流体进口(20~40℃)、出口温度(20~80 ℃), 2、实验管壁温(20~80 ℃)以及水浴温度(20~80 ℃) 3、水位:补水箱上位安装,距地面2m,其水位要求测量并控制,以适应不同流速的需要,水位变动范围200mm~500mm 4、流量:实验管内流体流量需要测量,管径Φ25mm,流量范围0.5~4m3/h 5、差压:由于结垢导致管内流动阻力增大,需要测量流动压降,范围为0~50mm 水柱 3 背景意义 3.1实验装置简介 如图3—1所示的实验装置是东北电力大学节能与测控研究中心杨善让教授为首的课题组基于测量新技术—软测量技术开发的多功能实验装置。 基于本实验装置,先后完成国家、东北电力公司、省、市多项科研项目并获奖,鉴定结论为国际领先。目前承担国家自然科学基金、973项目部分实验工作。

智能仪表课程设计

《智能仪器设计》课程设计报告书 学院:信息工程学院 班级:自动化0705 学号:07001193 姓名:孙少秋

摘要 单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的,由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点,所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域,使产品小型化、智能温度控制仪表化,既提高了产品的功能和质量,又降低了成本,简化了设计。本文主要介绍单片机在温度控制中的应用。 Abstart Single-chip micro-computer, with the ultra-large scale integrated circuit technology, the development of the birth, and because of its small size, strong function and high cost performance, it is widely used in electronic equipment, household appliances, energy-saving devices, military devices, robots, industrial control and many other areas to make product miniaturization, intelligent temperature control instrumentation, both to improve the product's features and quality, but also reduce the cost and simplify design. This paper introduces the MCU to the temperature control applications.

仪器仪表电路课程设计总结--温度测控电路

仪器仪表电路课程设计总结 温度测控电路 摘要:温度是一个与人们生活和生产密切相关的重要物理量。温度的测量和控制技术应用十分广泛。在工农业生产和科学研究中,经常需要对某一系统的温度进行测量,并能自动的控制、调节该系统的温度。本设计要求设计一个温度测控电路系统。 本设计采用的温度传感器是LM35温度传感器,LM35温度传感器是利用两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路,当导体A和B 之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流。测试电路是通过电压比较放大电路来实现温度都的检测,控制电路是通过两个电压比较电路来实现对两个继电器的控制。温度传感器检查温度并将输出给转换和放大电路,放大后的信号分别送给两路已设定好阈值的比较电路,当室温大于等于报警值时,警报灯亮。利用温度传感器把系统的温度通过A\D转换电路将电信号转换成数字信号,将其显示出来。同时电压信号通过电压比较器与输入电压比较决定输出是高电平或是低电平,进而控制下一个电路单元的工作状态。报警电路中,当温达到允许最高温度,此时发光二极管点亮实现报警。 关键词:温度传感器;控制;报警;LM35;AD转换 一、设计要求: ⑴被测温度和控制温度均可数字显示; ⑵在保证测量温度准确的前提下,尽可能提高测量精度;

⑶控制温度连续可调; ⑷温度超过额定值时,产生声、光报警信号。 二、系统总体方案 2.1 对温度进行测量与显示 将温度的转换成电量,然后采用电子电路实现题目要求。可采用温度传感器,将温度变化转换成相应的电信号,并通过放大、滤波后送A/D转换器变成数字信号,然后进行译码显示。 2.2温度显示部分 ,报警温度采用转换开关控制,可分别显示系统温度、控制温度对应值V REF 对应值V 。 max 2.3 报警部分 设定被控温度对应的最大允许值V max,当系统实际温度达到此对应值V max时,发生报警信号。 三、各部分功能模块设计 3.1温度传感器LM35 LM35是电压输出型集成温度传感器, LM35集成温度传感器是利用一个热电

智能仪器课程设计

测控系统课程设计指导 电子信息与自动化学院检测与控制实验中心万文略、彭小峰 电子信息与自动化学院测控技术与仪器系杨泽林、杨继森、庄秋慧 课程设计目的 测控系统课程设计是在学生学习完智能仪器理论和实验课后安排的综合实践教学环节,要求学生在2周的时间内运用所学知识,在教师的指导下按照仪器设计的一般方法设计制作一个功能较为完整的仪器。并写出设计研究报告。通过课程设计使学生在实践上获得智能仪器设计的经验,掌握仪器设计的步骤、过程和方法。为毕业设计及今后从事智能仪器设计打下良好的基础。 课程设计题目:基于PN结传感器的温度测量仪设计 智能仪器的组成一般包括:传感器及信号调理电路、CPU及外围电路、模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入输出通道、人机接口电路(键盘、显示)、数据记录、转储(保存、打印)等 主要研究内容: 根据本次课程设计的题目要求,本次课程设计研究的主要内容为传感器及信号调理电路、CPU及其外围电路,AD转换电路,键盘和显示电路。本文对其中关键部分做简单介绍,以使学生能更容易地进行课程设计。 1.半导体二极管的温度特性 选择1N4007整流二极管,其正向偏置工作时PN结上的结电压满足 (式1-1) α,γ是由PN结参数决定的常数 Ugo:硅半导体在OK温度时禁带宽度与电子电荷q的比值。 由式1-1可以看出,PN结具有负的温度系数特性。 据文献记载,当温度变化一度时,结电压变化2mv左右。由式1-1可知,温度变化曲线为指数型非线性变化。其正向偏置电流应保持恒定。 2.放大电路设计 (1)选择放大器 PN结的结电压变化是一个微弱信号,结电压在温度每变化1度时大约变化2mv左右,所以需要进行放大后才能被后续电路处理。选择合适的集成运放来设计放大电路,选择运放时应考虑运放的温度系数,共模抑制比,输入失调电压,带宽等。 可供选择的运算放大器有OP07、LM324等。

仪器仪表电路课设报告

目录 第一章绪论 (2) 1.1概论 (2) 1.2课设任务 (2) 第二章方案论证及选择 (3) 第三章单元电路设计 (6) 3.1放大电路设计 (6) 3.2相敏检波电路设计 (6) 3.3低通滤波器设计 (7) 3.4直流放大器设计 (8) 第四章电路仿真(部分) (9) 5.1开关式相敏检波电路仿真 (9) 5.2低通滤波器仿真 (9) 5.3总电路功能结果仿真 (10) 第五章元器件清单 (11) 第六章小结 (13) 参考文献

第一章绪论 1.1概论 测控技术自古以来就是人类生活和生产的重要组成部分。最初的测控尝试都是来自于生产生活的需要,对时间的测控要求使人类有了日晷这一原始的时钟,对空间的测控要求使人类有了点线面的认识。现代社会对测控的要求当然不会停留在这些初级阶段,随着科技的发展,测控技术进入了全新的时代。 自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透到测控和仪器仪表技术领域,便使该领域的面貌不断更新。相继出现的智能仪器、总线仪器和虚拟仪器等微机化仪器,都无一例外地利用计算机的软件和硬件优势,从而既增加了测量功能,又提高了技术性能。由于信号被采集变换成数字形式后,更多的分析和处理工作都由计算机来完成,故很自然使人们不再去关注仪器与计算机之间的界限。近年来,新型微处理器的速度不断提高,采用流水线、RISC结构和cachE等先进技术,又极大提高了计算机的数值处理能力和速度。在数据采集方面,数据采集卡、仪器放大器、数字信号处理芯片等技术的不断升级和更新,也有效地加快了数据采集的速率和效率。与计算机技术紧密结合,已是当今仪器与测控技术发展的主潮流。对微机化仪器作一具体分析后,不难见,配以相应软件和硬件的计算机将能够完成许多仪器、仪表的功能,实质上相当于一台多功能的通用测量仪器。测控技术与仪器专业是信息科学技术的源头,是光学、精密机械、电子、电力、自动控制、信号处理、计算机与信息技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。它的涉及面广,小到生产过程自动控制,大到火箭卫星的发射及监控。由于对自动控制及精度的严格要求,测控技术与仪器成为不可或缺的专业。 1.2课设任务 测控系统由传感器、电路和执行机构组成。电路时测控系统中最为灵活的部分。可以通过改变电路,达到获得不同信号的目的。此次课设任务就是着重于此。具体任务为:某差动变压器传感器用于测量位移,当所测位移在0 —±20mm范围时(铁芯由中间平衡位置往上为正,往下为负),其输出的信号为正弦信号0—40mVP-P,要求将信号处理为与位移对应的0--±2V直流信号。

控制仪表课程设计说明书

控制仪表课程设计 说明书

摘要 煤气炉是工业生产中常见的加热设备,广泛应用于冶金、机械、建材、化工等行业,其温度控制系统常见的控制技术有PID 控制、模糊控制技术等,但由于煤气炉是一个时变的、大滞后的被控对象,且升温具有单向性,很难建立精确的数学模型。而PID 控制因其成熟、容易实现、并具有可消除稳态误差的优点,基本能够满足系统性能要求。 KMM可编程程序调节器是一种多输入/输出、多功能、多用途的数学式控制仪表。它与模拟式调节器相比,具有与模拟仪表兼容,运算,控制及通信功能丰富、通用性强、可靠性高,使用维护方便等优点,用KMM进行系统设计,只要根据控制流程图进行组态即可,经过各种运算模块的不同组态能够实现多种控制功能,如平、PID控制、前馈控制等,非常简便。用它进行控制,P、I、D参数调整方便,数字显示直观,适合于小规模生产装置的控制、显示和操作,也能够经过通信接口挂到数据通道同集散控制系统连接起来,实现中、大规模的分散控制、集中监视、操作和管理。 一总体方案设计 煤气炉是工业生产的重要装置之一,它的任务是经过煤气的燃烧,产生一个理想的温度,以供生产、生活之用。在产品的工艺加工过程中,温度对产品质量的影响很大,温度检测和控制很

重要。基于常见的单回路控制系统结构简单但控制精度较低的实际,本设计提出了基于KMM可编程控制器的串级控制系统。1、串级控制系统 1.1 串级控制系统的基本概念 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器,前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定,后一个调节器的输出送往调节阀。 前一个调节器称为主调节器,它所检测和控制的变量称主变量(主被控参数),即工艺控制指标;后一个调节器称为副调节器,它所检测和控制的变量称副变量(副被控参数),是为了稳定主变量而引入的辅助变量。 整个系统包括两个控制回路,主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成;主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。 一次扰动:作用在主被控过程上的,而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动:作用在副被控过程上的,即包括在副回路范围内的扰动。 主参数(主变量):串级控制系统中起主导作用的那个被调节参数称为主参数。 副参数(副变量):其给定值随主调节器的输出而变化,能提前反应主信号数字变化的中间参数称为副参数。

智能仪器设计课程设计--题目

《智能仪器设计基础课程设计》----40题目 教学说明: 如下设计题目应该在课程开始时布置,并在教学中安排时间,以产品设计案例教学方式讲授如何理解题目以及如何实现题目,并补充完成题目所需要的相关知识。 如下的智能仪表课程设计题目,都是小型智能仪表产品开发方面的题目。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。课程题目小,学生容易学,上手快,可以在短时间走完智能仪表设计的全过程,学会产品设计步骤。 1.设计基本要求 (1)正确理解设计题目,经过查阅资料,给出正确设计方案,画出详细仪表原理框图(各个功能部分用方框表示,各块之间用实际信号线连接)。 在互连网上收集题目中所用到的器件资料,例如传感器(热偶分度表等)、信号调理电路、AD转换器、单片机、继电器、电源、显示器件等。 在互连网上收集相关单片机的显示、AD转换、显示、控制算法等程序。 在充分研究这些资料基础之上,给出设计方案(选择信号调理电路、单片机、显示、按键输入、继电器驱动、电源等,简要说明选择的理由) (2)用Protel99SE软件设计仪表详细原理图。 要求正确标记元件序号、元件数值、封装名。 (3)设计PCB图 在画PCB前应该购买元件,因为有了元件才知道封装尺寸,但也可以不购买元件,只到元件商店测量实际元件尺寸后,画封装图。 (4)熟悉单片机内部资源,学会ADC、SPI接口、定时器、中断、串口、I/O引脚等模块的编程。 (5)采用C语言开发所设计仪表的程序。 按照题目要求,确定仪表需要完成的任务(功能),然后分别编制各任务的程序。程序应该有说明,并有详细注释。 说明:若是不安装实验板或是最小系统板,就只能用Atmel公司的A VR Studio软件或是Keil软件(随意下载)仿真,则学习效果将大打折扣。 2.设计(考试)说明书 说明书内容: (1)封面内容: 《智能仪器设计基础》考试题 题目号: 题目: 班级:

电子秤智能仪表课程设计

摘要 随着时代科技的迅猛发展,微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代,使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化,并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统,使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。 20世纪90年代以来,随着科学技术的进步,工业生产自动化、智能化水平的提高,各行业对称重计量提出了许多新要求,归纳起来主要是:称重技术从静态称重向动态称重方向发展;测量方法从模拟测量向数字测量方向发展;测量特点从单参数测量向多参数测量方向发展;电子衡器产品的技术性能向高速率、高准确度、高稳定性、高可靠性方向发展。 关键词:电子秤;智能仪表

目录 引言 (3) 1.设计背景 (4) 1.1课题背景 (4) 1.2设计内容 (4) 2电子秤简介 (5) 2.1总体方案设计 (5) 2.2系统组成 (6) 3系统硬件设计 (7) 3.1传感器的设计 (7) 3.2电阻应变式传感器测量电路的设计 (8) 3.3 A/D转换系统的电路设计 (8) 3.4 CPU控制系统的电路设计 (11) 3.5液晶显示简介 (13) 3.6 报警电路的设计 (15) 3.7系统总体电路图 (16) 4.软件设计 (17) 4.1主程序的设计 (17) 5电路调试 (18) 5.1系统调试及结果处理 (18) 6.总结 (19) 参考文献 (20) 附录;源程序代码 (21)

引言 近几年,我国的电子称重系统从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。电子称重技术逐渐从静态称重向动态称重发展,从模拟测量向数字测量发展,从单参数测量向多参数测量发展。电子称重系统制造技术及其应用得到了新发展。国内电子称重技术基本达到国际上20世纪90年代中期的水平,少数产品的技术已处于国际领先水平。作为重量测量仪器,智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确,测量速度快,易于实时测量和监控的巨大优点,并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称,成为测量领域的主流产品。

数字显示仪表课程设计

东北石油大学课程设计 课程数字显示仪表课程设计 题目数字式压力表设计 学院电气信息工程学院 专业班级自动化12-1班 学生姓名杜亦明 学生学号120601140127 指导教师杨莉邵克勇 2013年8月1日

东北石油大学课程设计任务书 课程数字显示仪表课程设计 题目数字式压力表设计 专业自动化姓名杜亦明学号 120601140127 主要内容: 在面包板上安装一台用单片A/D转换器7107或7106组成的通用表头。配接压力传感器(应变片式、扩散硅式或其它类型压力传感器),制成数字压力显示仪表。 基本要求: 1、学习数字显示仪表原理。 2、设计、绘制电路连接图。 3、能够独立完成数字显示仪表表头的制作。 主要参考资料: [1] 沙占友.数字化测量技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2004. [2] 井口征士.传感工程[M].北京:科学出版社.2005. [3] 杨邦文.应用电子小制作150例[M].北京:人民邮电出版社.2005. [4] 常健生.检测与转换技术[M].吉林:吉林工业大学出版社.2006. [5] 路勇.高文焕.电子电路实验及仿真[M].北京:清华大学出版社,2004. [6] 王松武.于鑫.电子创新设计[J].北京:国防工业出版社,2005. 完成期限 2014.7.21—2014.8.1 指导教师 专业负责人 2014年7月1日

目录 第1章数显仪表工作原理 (1) 1.1 数字式显示仪表原理 (1) 1.2 数字式显示仪表结构 (1) 1.3 数字仪表的主要技术指标 (2) 1.4 线性化问题 (3) 1.5 信号的标准化及标度变换 (3) 第2章数显仪表设计方案 (5) 2.1 ICL7107双积分A/D转换器 (5) 2.2 LED显示器 (8) 2.3 主要集成块、三极管 (9) 第3章数显仪表的制作与安装 (10) 3.1 测量电阻 (10) 3.2 测量电容 (10) 3.3数显部分的制作 (10) 3.4 电源部分的制作 (10) 第4章结论与体会 (13) 参考文献 (14)

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