智能仪器设计1

《智能仪器设计》

题目：智能仪表

题号：十五题

班级：自动化0605

学号：06001276

姓名：孙明远

摘要

智能仪器的定义：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。

智能仪器的出现，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。

Abstart

Intelligent instruments d efinition: intelligent instruments that contain micro-computer or micro-processor, measuring instruments, has a right to judge the logical data storage operations and automation functions.

The emergence of intelligent instruments, which greatly expand ed the scope of application of traditional instruments. With its intelligent instrument small, strong function, l ow power consumption advantages of quickly appliances, scientific research institutions and industrial enterprises have been wid ely used.

目录

第一章智能仪器概述

1.1 智能仪器的定义

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。

1.2智能仪器的工作原理

传感器拾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E2PROM(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。

1.3智能仪器的功能特点

随着微电子技术的不断发展，集成了CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至A／D、D／A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片(即单片机)出现了。以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。

与传统仪器仪表相比，智能仪器具有以下功能特点：

①操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。

②具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。

③具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能

进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，不仅使用户从繁重的数据处理中解放出来，也有效地提高了仪器的测量精度。

④具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。

⑤具有可程控操作能力。一般智能仪器都配有GPIB、RS232C、RS485等标准的通信接口，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。

1.4智能仪器发展趋势

1微型化

微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理，控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断降低，因此其应用领域也将不断扩大。它不但具有传统仪器的功能，而且能在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗领域起到独特的作用。例如，目前要同时测量一个病人的几个不同的参量，并进行某些参量的控制，通常病人的体内要插进几个管子，这增加了病人感染的机会，微型智能仪器能同时测量多参数，而且体积小，可植入人体，使得这些问题得到解决。

2 多功能

多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能上（如准确度）比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。

3 人工智能化

人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉（图形及色彩辨读）、听觉（语音识别及语言领悟）、思维（推理、判断、学习与联想）等方面具有一定的能力。这样，智能仪器可无需人的干预而自主地完成检测或控制功能。显然，人工智能在现代仪器仪表中的应用，使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决用传统方法根本不能解决的问题。

4 融合ISP和EMIT技术，实现仪器仪表系统的Internet接入（网络化）

伴随着网络技术的飞速发展，Internet技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于Internet的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。

在系统编程技术（In-System Programming，简称ISP技术）是对软件进行修改、组态或重组的一种最新技术。它是LATTICE半导体公司首先提出的一种使我们在产品设计、制造过程中的每个环节，甚至在产品卖给最终用户以后，具有对其

器件、电路板或整个电子系统的逻辑和功能随时进行组态或重组能力的最新技术。ISP技术消除了传统技术的某些限制和连接弊病，有利于在板设计、制造与编程。ISP硬件灵活且易于软件修改，便于设计开发。由于ISP器件可以像任何其他器件一样，在印刷电路板（PCB）上处理，因此编程ISP器件不需要专门编程器和较复杂的流程，只要通过PC机，嵌入式系统处理器甚至INTERNET远程网进行编程。

EMIT嵌入式微型因特网互联技术是emWare公司创立ETI（eXtend the Internet）扩展Internet联盟时提出的，它是一种将单片机等嵌入式设备接入Internet的技术。利用该技术，能够将8位和16位单片机系统接入Internet，实现基于Internet的远程数据采集、智能控制、上传／下载数据文件等功能。

目前美国ConnectOne公司、emWare公司、TASKING公司和国内的P＆S公司等均提供基于Internet的Device Networking的软件、固件（Firmware）和硬件产品。

5 虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段

测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。在虚拟现实系统中，数据分析和显示完全用PC机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC机组成测量仪器。这种基于PC 机的测量仪器称为虚拟仪器。在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。可见，软件系统是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”。

传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算机技术控制工程网版权所有，而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。

第二章设计任务及目的

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，为此后的毕业设计打下良好的基础。本次单片机综合练习的任务是设计并制作一个温度控制器。

该设计采用ATmega16单片机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Cu50热电阻，测温范围为0℃~130℃。采用比例控制、并用晶闸管移相驱动1000W电加热器（电源电压为AC220V）。

按钮任务：

1.功能选择按钮：选择需要设置数据，如，报警上限值、下限值、给定值的输入状态选择。

2.数码管选择按钮：选择需要设置数据的数码管。

3.数字增加按钮：用于设置数值的增加，每按下一次，数值加1。

4.数字减少按钮：用于设置数值的减少，每按下一次，数值减1。

发送显示数据任务：位扫描与段码输出。

需要将要显示的数据，组合成数组，在转换成十进制数字，发送到74HC595。ADC数据获取任务：选择通道，并将转换完成后的数据存入数组。

数字滤波：用平均值滤波。

第三章硬件设计3.1 系统原理框图

以上为系统框图Atmega16单片机

按键输入

报警输出

指示和显示

热

电

阻

输

入

下

载

通

信移相驱动加热器

3.2 详细原理图及说明

3.2.1按键

4个按键与单片机的接线图及个按键的作用如上图所示；当单片机的引脚输入为低电平时，表示该引脚所对应的按键按下，单片机实现相应的功能。

3.2.2数码显示和指示电路

（a）

具有2排8个数码管显示，分别显示测量值和设定值。SM1显示的是热电阻测的电加热器的实际温度值，SM2显示的是人工设计的电加热器的期望温度值。数码管是有HC595芯片来驱动的，HC595接在SPI通信的3个接口上。

（b）

指示电路是指示按键的输入状态的。D1、D2、D3、D4与S1、S2、S3、S4一一对应，当某个按键按下时，单片机相应的引脚将置低电平，使该按键相对应的二极管发光。

3.2.3载电路

下载程序代码用的是SPI接口，用ISP电缆对单片机进行编程。

3.2.4信电路

该模块用到跳线，不通信时D0、D1口作为常规I/O口使用；通信时其作为通信口使用，实现单片机与单片机或是其它上位机的通信。

3.2.5热电偶输入电路

该电路采用Cu50热电阻进行测温，1N4148二极管对热电偶冷端进行补偿，采用TLV2252M放大器对输入信号进行放大。

3.2.6输出驱动电路

采用光控过零驱动晶闸管，进而控制电加热器的通断电。3.2.7电源

采用7805进行稳压，输入采用4节电池，LED作为电源指示灯。

3.2.8原理图

3.2.10 系统PCB图

PCB正面

PCB反面

第四章软件设计

七智能仪表软件说明

向8位数码管输出数据程序

#include "mega16.h"

#include "delay.h"

/*如下注释语句是用与共阳数码的数组

unsigned char disp[] = {0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,//共阳数码段输出

0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf};

unsigned int weizhi[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80}; //高电平有效位输出

*/

unsigned char disp[] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f, //共阴数码段输出高电平有效

0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x40};

unsigned char weizhi[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};

//位输出低电平有效

unsigned int data[8];

void SPI_MasterInit(void) //SPI接口初始化

{DDRB |= (1<<5) | (1<<7); //设置MOSI 和SCK 为输出，其他为输入

SPCR = (1<<6) | (1<<4)|(1<<5)|(1<<1) | (1<<0); //使能SPI 主机模式，设置时钟速率为fck/128

}

void SPI_595_Out(unsigned char i) //595数据输出

{SPDR = i; //启动数据传输

while (!(SPSR & (1<<7))) {;} //等待传输结束

}

void main(void)

{unsigned char saomiao=0;

unsigned char w[10];

DDRA = 0x00; //输入

PORTA = 0x00; //上拉

DDRB = 0xB0; //高4位方向输出，低4位为输入/

PORTB = 0xFF;

DDRC = 0xFC;

PORTC = 0xFF;

PORTD = 0x00;

DDRD = 0xFF;

SPI_MasterInit(); //SPI初始化

while (1)

{{data[0]=1234; data[1]=5678; //向HC595输出的数据

w[0]=data[0]%10;

w[1]=data[0]/10%10;

w[2]=data[0]/100%10;

w[3]= data[0]/1000%10;

w[4]=data[1]%10;

w[5]=data[1]/10%10;

w[6]=data[1]/100%10;

w[7]=data[1]/1000%10;

}

PORTB &= ~(1 << 4); //准备锁存

SPI_595_Out(weizhi[saomiao]); //位数据

SPI_595_Out(disp[w[saomiao]]); //段数据

PORTB |= (1 << 4); //锁存数据

saomiao++;

if(saomiao>=8) saomiao=0;