智能仪表设计实用技术及实例
19280智能仪器原理及应用
课程名称：智能仪器原理及应用课程代码： 09280第一部分课程性质与特点一、课程性质与特点1．课程性质《智能仪器》是高等教育自学考试电子工程本科专业必修的专业基础课程之一。
智能仪器在通信、家电、自动控制、仪器仪表中得到了广泛的应用。
通过本课程的学习，使学生掌握利用微处理器系统使电子仪器实现智能化的具体方法，包括硬件和软件两个方面。
2．课程特点智能仪器课程侧重讨论智能仪器实际设计过程中所涉及的具体方法与技巧。
旨在使学生运用所学的微型计算机和电子技术等方面的基础知识，解决现代电子仪器开发过程中的实际问题，逐步具备能够设计以微型计算机为核心的电子系统的能力。
本课程中既有硬件的原理和组成，又有针对硬件的软件编程，软件与硬件必须同时兼顾。
因此本课程具有实用性强、理论和实践结合、软硬件结合等特点二、课程目标与基本要求1．课程目标使学生运用所学的微型计算机和电子技术等方面的基础知识，解决现代电子仪器开发过程中的实际问题，逐步具备能够设计以微型计算机为核心的电子系统的能力。
2．基本要求掌握智能仪器的结构、设计要点，模拟量输入输出通道，人机接口，通信接口，以及典型处理功能，掌握电压测量为主的智能仪器、智能电子计数器和数字存储示波器的工作原理和结构组成，还要掌握个人仪器和虚拟仪器的基本概念、组成原理和设计方法，了解VXI和LabVIEW仪器系统的组成原理。
三、与本专业其他课程的联系1．学习本课程主要涉及模拟电子技术、数字电子技术以及微机原理课程中有关接口和汇编程序、微机控制方法等方面的有关知识。
因此，应当尽可能地在先修《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《微机原理》和《微机接口技术》，《单片机原理与应用》等课程或者学过“电路基础”、“数字电路”、“单片机原理与应用”等课程的基础上进行自学.2．本课程将为有关智能仪器系统设计方面的课题打下必要的基础。
第二部分考核内容与考核目标第一章导论一、学习目的与要求通过本章学习，学生应重点掌握智能仪器的组成及特点、智能仪器及测试系统的发展以及智能仪器设计的要点。
智能仪表设计
第一章 智能仪表原理与设计基础Microprocessor-Based InstrumentsSmart InstrumentsIntelligent Instruments1．1 智能仪表与常规仪表对比一、 常规仪表传感器：被测量Æ相应电信号（物理、化学方法）信号变换及运算：放大、滤波、线性化、归一化、远传、各种运算（信号处理、控制算法）显示器：显示被测量数值•模拟指示式（如指针位置）：简单、直观、精度差•数码显示式：精度高、不直观执行器：将控制信号转换为控制动作二、智能仪表•以 MPU实现信号变换及运算；•以 MPU 为主体，以软件代替硬件，优化功能，提高性能及灵活性，改善人机界面；•引入一定的人工智能：如专家系统、神经网络等。
•仪表网络化智能仪表可实现的功能：1．自动调整与自校准：如自调零、自校正、自动变量程、补偿漂移、测量结果校正（如流量的温、压校正）、自检、自诊断等。
2．测量数据处理：如线性化、数字滤波、误差修正、曲线拟合、变换（如FFT，小波变换）、相关分析与统计处理、预测（如化工产品质量）、参数估计、模式识别（如成分分析）、故障诊断（如旋转机械）等。
3．改善人-机界面：如CRT显示：可模拟式、数字式、图形式，可显示多个参数、工艺流程图、历史数据、曲线、直方图、Pie Chart、立体图、动画等。
4．改善控制质量：控制功能为软件模块、软接线组态。
有多种PID、+、-、*、/、√、….可实现参数自整定、自适应控制、模糊控制、多变量控制、神经网络控制等。
5．测量过程的软件控制：功能控制、测量流程控制、人机对话、自动检测等。
6．提高灵活性与可靠性：以软代硬、容错技术、自诊断、软硬件冗余等。
7．通信与网络化：现场总线，ASI总线，I2C，单总线，传感器网络等。
8．虚拟仪器：用计算机＋接口＋软件实现仪表功能。
1．2 智能仪表设计过程一、功能需求分析1．功能要求测量功能：被测量、传感器情况，输出要求（显示、打印、传输等）；控制功能：控制对象，对象模型，控制种类（随动控制，恒值控制，变化曲线控制等）；管理功能：操作要求，数据库要求，报表与决策，统计分析等功能。
智能仪表设计
内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书题目：带有实时曲线的温湿度监测系统学生姓名：xx学号：xx专业：测控技术与仪器班级：xx指导教师：xx由于生产及生活的需要，经常需要对环境中的温湿度进行监测及显示。
液晶是现代电子产品中使用越来越多的一种显示器件，液晶不但用来显示各种文字,还可以动态的显示各种图案及画面。
本设计是一个基于单片机STC89C52的温湿度检测及显示装置。
该装置由温湿度检测模块、液晶显示模块、键盘输入模块及声光报警模块四部分组成，本设计检测模块采用技术成熟的DHT11作为测量温湿度的传感器；控制系统芯片采用功能强大、价位低廉的AT89C52单片机；显示系统采用大屏幕的QC12864B液晶显示屏。
整个电路采用模块化设计，由主程序、DHT11温湿度转换的驱动程序、显示子程序等模块组成。
DHT11温湿度传感器数字信号经单片机综合分析处理，实现温湿度显示以及曲线绘图各种功能。
由本设计课题做成的温湿度检测系统结构简单、价格便宜、量程宽，具有较高的可靠性、安全性及实用性。
关键字：温湿度；STC89C51单片机；12864；DHT11第一章绪论1.1 研究背景随着计算机技术的发展,基于微处理器的智能仪表已成为仪表的主体。
越来越多的智能仪表采用图形点阵液晶模块,液晶显示模块提供了丰富灵活的显示内容 ,更符合人性化的特点。
智能仪表的功能是否强大、用户操作性是否方便 ,都必须通过界面友好的外观和可操作性来体现。
可见,人机界面是智能仪表开发中的主要环节,在开发的工作量中占了很大的比例。
目前已有很多文献对液晶显示技术、图形用户界面设计作了研究。
1.2 液晶概述某些固体物质在一定条件下会呈现液态晶体状态,这种状态既不同于各向同性的液体,也不同于在三维空间分子完全规则排列的固体晶体,但又具有液体的流动性、连续性和分子排列的有序性。
这种处于液体和晶体之间过渡相态的物质称为液晶。
液晶分为热致液晶和溶致液晶。
前者是物质在某一温度范围内呈现液晶状态,后者是物质溶于水或有机溶剂而形成的。
多功能智能电表的设计
多功能智能电表的设计摘要目前，电力系统中仪器仪表已经进入了自动化和智能化的时代。
自动化和智能化特性不仅要求这些仪器仪表像传统计量表一样具有计量功能，而且还要具有测量、保护、控制、通信等多种功能，以反映电气元件运行状态和控制调节的信息。
随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已逐步成为电能表发展的主流。
国内仪器制造设计的电能表主要有远程监测仪表，手持式仪表，便携式多功能分析仪表。
而在技术解决方案中，传统的单片机不能满足多功能而且精度低，不适用于信息交互高速实时处理场合。
智能电表具有数据保护，报警，断电显示，负荷控制，防窃电，远程抄表等功能。
从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，从而取消了电表上长期使用的机械部件，随着智能化电表的发展，将最终取代传统电表在用户中的使用。
本文主要应用AT89C52单片机，RS485通讯各个单元来完成数据的传输，费率的计算，数据的显示，报警，远程抄表控制，使电表实现智能化。
关键词：智能电表；自动抄表；RS485通信；预付费；智能化Design on Multifunctional Smart MeterAbstractAt present, the power system instrumentation has entered the era of automation and intelligent. Automation and intelligent feature not only require these instruments the same as the traditional measurement meter measurement function, but also with the measurement, protection, control, communications and other functions in order to reflect the operational status and control of electrical components, regulation of information.Along with the high technology and new technology electronic information technology’s fast develop ment, the electronic formula, multifunction, the high accuracy, the multi-tariffs, copies product and so on table superiority to underline automatically particularly, and already gradually became the electrical energy table development the mainstream. Design of domestic equipment manufacturers are remote meter monitoring instruments, handheld instruments, portable and multifunctional analysis instruments. In the technical solution，the traditional single chip cannot meet the multi-function and low precision, high-speed information exchange does not apply to real-time processing applications. The intelligent electric instrument has the data protection, the warning function, the power failure demonstration, the load control, against steals the electric work energy, long-distance copies functions and so on table system, uses take the integrated circuit from the measurement to the processing as the core electronic device, thus has canceled on the electric instrument the long-term use mechanical part, along with the intellectualized electric instrument’s development, will substitute for traditional electric instrument in userpractical finally. In this dissert the hand-hold unit, the AT89C52 monolithic integrated circuit are used and so on each unit completes the data with RS485 communications the transmission, the tariff computation, the data demonstration, the warning, long-distance copies the table control, causes the electric instrument to realize the intellectualization.Keywords: Intellectual mater；Auto Read Meter；RS485 Communication；Prepayment；Intellectualization目录中文摘要 (I)外文摘要 (II)1绪论 (1)1.1引言 (1)1.2课题研究背景，目的及意义 (1)1.3国内外研究概况及发展趋势 (2)1.4智能电表设计的技术要求及主要研究内容 (3)1.4.1技术要求 (3)1.4.2主要研究内容 (4)2智能电表的总体设计方案 (5)2.1总体设计思想 (5)2.2系统总体功能 (5)2.3智能电表的硬件设计方法 (6)2.3.1微处理器或微控制器 (7)2.3.2传感器 (8)2.3.3信号调理 (8)2.3.4A/D转换器和D/A转换器 (8)2.3.5智能电表的接口通信 (9)2.4智能电表的软件设计方法 (9)3智能电表的硬件设计 (12)3.1单片机系统设计 (12)3.1.1AT89C52的主要特性 (13)3.1.2AT89C52各主要引脚功能 (13)3.2电能计量芯片ADE7758 (15)3.2.1ADE7758综述 (15)3.2.2ADE7758引脚配置及功能描述 (15)3.2.3ADE7758信号衰减电路设计及互感器选型 (17)3.2.4ADE7758与MCU接口设计 (18)3.3MCU外围电路及其它模块的设计 (19)3.3.1存储模块设计 (19)3.3.2时钟模块设计 (20)3.3.3液晶显示模块设计 (21)3.3.4按键模块设计 (22)3.3.5串口通信模块设计 (24)4智能电表的软件设计 (25)4.1主流程图 (25)4.2系统初始化 (27)4.3系统子程序模块 (27)4.3.1系统参数自校正模块 (27)4.3.2电量测量功能模块 (27)4.3.3电能检定功能模块 (28)5系统调试 (29)5.1软硬件调试 (29)5.2功能测试 (29)5.3误差的定性分析及改进措施 (30)总结及前景展望 (32)参考文献 (33)致谢 (35)附录1 外文参考文献（译文） (36)附录2 外文参考文献（原文） (41)1绪论1.1引言作为仪器仪表中的一个子类产品，电能表在电力系统的各个环节中占据着重要的地位。
智能仪表设计实例
子任务分解：
足够简单容易实现
低级子任务：
采用通用模块
最低的难度 最高的可靠性
2.较高的性能价格比原则
仪表的造价：研制成本、生产成本、使
用成本。
设计时不盲目追求复杂、高级的方案。
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。
一、基本要求 二、设计原则 三、研制步骤
一、智能仪表设计的基本要求
无论仪表的规模多大，其基本设计 要求大体上是相同的，在设计和研制 智能仪表时必须予以认真考虑。
1. 技术(经济)指标及功能 2. 可靠性 3. 便于操作和维护 4. 工艺结构与造型设计
1.技术指标及功能应满足要求 主要技术指标：
精度、分辨能力、测量范围、
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
3．仪表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
智能温度测量仪课程设计 (1)
智能温度测量仪课程设计报告专业：班级：姓名：学号：指导教师：----智能温度测量仪摘要：本文主要介绍了智能温度测量仪的设计，包括硬件和软件的设计。
先对该测量仪进行概括性介绍，然后介绍该测量仪在硬件设计上的主要器件：“Pt100热电阻”、AT89C51单片机和LCD显示器以及描述测量仪的总体结构原理。
在本设计中，是以铂电阻PT100作为温度传感器，采用恒流测温的方法，通过单片机进行控制，用放大器、A/D转换器进行温度信号的采集。
总体来说，该设计是切实可行的。
关键词：温度；Pt100热电阻；AT89C51单片机；LCD显示器。
引言：温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量，也是工业控制中主要的被控参数之一。
对温度的测量与控制在现代工业中也是运用的越来越广泛。
而传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。
因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信与信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。
另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。
温度传感器是其中重要的一类传器。
其发展速度之快，以及其应用之广。
并且还有很大潜力为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。
本文利用单片机结合温度传感器技术而开发设计了这一温度测量系统。
文中将传感器理论与单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热电阻作为温度传感器来测量实时的温度，以及实现热电转换的原理过程。
本设计系统包括温度传感器，信号放大电路，A/D转换模块，数据处理与控制模块，温度显示五个部分。
智能仪表实例
二、串行数据传送方向
按照数据流的方向分成3种基本的传送方式：全双工、半 双工和单工。但单工目前已很少采用，下面仅介绍前两钟方式。 1．全双工：当数据的发送和接收分流，分别由两根不同的传 输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作， 这样的传送方式就是全双工（Full Duplex）制，如图 8．l所 示。
智能仪表实例
• 智能仪表的选择-智能仪表的参数 • 传感器的选择 • 传感器的连接
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智能仪表实例 一、基本描述 1、配热电偶 （K、E、J、S、B 等信号输入）仪表 型号是：SG-808A8301 2、配热电阻 （Pt100、 C50)信 号输入，仪表型号 是：SG-808A-8302 2
高精度全输入智 能温控仪-三相 移相触
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频移键控（FSK）的基本原理是把“0”和“ l”的 两种数字信号分别调制成不同频率的两个音频信 号：
数字信号 10 10 10 10 计算机 MODEM
模拟信号 1 0 1 0
数字信号
MODEM
CRT
图8.3 调制电话线
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四、信息的检错与纠错
检错：如何发现传输中的错误。
纠错：发现错误之后，如何消除错误，以反馈重发 方式纠错 在基本通信规程中一般采用奇偶校验或方阵码 检错，在高级通信控制规程中一般采用循环冗余码 （CRC- Cyclic Re－dundancy Code ）检错，以自 动纠错方法来纠错。 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 奇偶校 方阵码检错： 1 0 1 0 1 0 1 0 验位 二维的奇偶校验 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1
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智能仪表实例
基于ICL7107的多路多用仪表的设计
f=12 R3R5C3C4=99.8H z主放大电路由R4、R6、U3A组成。
由于心电信号幅度约为0~4mV,而A D转换要求约为1V左右,所以整个电路的放大倍数约为1000左右,而前置放大倍数为11倍,因此本级放大倍数设计为100倍,即:G=1+R6/R4=101。
工频干扰是心电信号的主要干扰,虽然前置放大器对共模干扰具有较强的抑制作用,但有部分工频干扰以差模信号进入电路,且频率处于心电信号频带之内,必须专门滤除,本设计选用双T带阻滤波电路,可以很好的实现50H z的陷波。
通过输入通道的信号调理,从心电电极采集来的带有工频干扰的微弱毫伏级信号,就变成了干净的、符合A D采样要求的信号了。
2 系统软件设计系统软件包括初始化、AD转换、显示和数据处理等。
初始化完成的任务主要是交叉端口的配置,将所用到的片上外设连接到相应的引脚;定时器的配置,以完成每5m s中断一次进行采样。
AD转换完成的任务主要是将模拟量转换成单片机可以处理的数字量。
数据处理完成的任务主要有心电数据的处理,实时时钟的获取等。
显示模块完成的任务主要有实时显示心电波形和心率等。
2.1 液晶显示2.1.1 显示图形本设计显示的心电图形,以横坐标表示时间,纵坐标表示电压。
纵坐标有64个点,显示分辩精度为6位;而A D转换的精度为10位,为了与显示匹配,只取AD转换结果的高6位。
横坐标有128个点,取右18列作为显示文字,左边的110列显示图形。
转换得到的每2点显示一个点,即显示的横坐标每点代表10m s,这样,一屏能显示110X10=1100m s。
液晶显示点的规格是0.23mm X0.21mm,每秒显示的长度是1000/10X0.23= 23mm,与标准的25mm/s的心电图显示速度相去不远。
显示模块得到来自AD转换的数值时,先判断该点是否显示,接着算出要显示点的横坐标、纵坐标和要送入显示缓存中的值,最后送数进入显示缓存中。
判断是否要送数的方法是二取一;判断横坐标也比较简单,直接在上次送数的横坐标基础上加一,超过110则刷新;经过比较,也得出了纵坐标(P ag e)和送入显示缓存中的值的计算方法。
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智能仪表设计实用技术及实例
1. 引言
智能仪表设计是指将传统仪表与智能化技术相结合，实现更高效、更精确、更便捷的测量和监控功能。
随着科技的不断发展，智能仪表在各个领域都得到了广泛应用，如工业自动化、能源管理、环境监测等。
本文将介绍智能仪表设计的一些实用技术和实例，并讨论其在现实生活中的应用。
2. 智能仪表设计的基本原则
在设计智能仪表时，有几项基本原则需要遵守：
2.1 准确性和可靠性
智能仪表的最基本功能是测量和监控。
因此，智能仪表需要保证准确性和可靠性。
在设计时，需要考虑如何减小测量误差、降低传感器故障率，并采取合适的校准和故障检测方法。
2.2 网络化和互联性
智能仪表的另一个重要特点是网络化和互联性。
通过网络连接，智能仪表可以与其他设备进行数据交换和远程控制，实现实时监控和远程操作。
在设计时，需要考虑如何选择合适的通信协议和接口，确保智能仪表可以方便地与其他系统集成。
2.3 可拓展性和模块化
智能仪表设计需要考虑到未来的需求变化。
因此，设计时应注重可拓展性和模块化。
通过采用模块化设计，可以方便地增加或替换功能模块，以适应不同的应用场景和要求。
3. 智能仪表设计的实用技术
3.1 传感器技术
传感器是智能仪表中最关键的部件之一，起到收集和转换物理量的作用。
在智能仪表设计中，常用的传感器技术包括：
•光电传感器：用于测量光强、颜色等物理量。
•压力传感器：用于测量液体或气体的压力。
•温度传感器：用于测量物体的温度。
•加速度传感器：用于测量物体的加速度。
•湿度传感器：用于测量环境的湿度。
传感器技术的选择要基于具体的测量要求和应用场景。
同时，还需要考虑传感器的灵敏度、精度、响应时间等指标。
3.2 微控制器技术
微控制器是智能仪表中的大脑，负责数据处理和控制指令的执行。
在智能仪表设计中，常用的微控制器技术包括：
•单片机：适用于小型和低成本的仪表设计。
•嵌入式微处理器：适用于复杂和高性能的仪表设计。
在选择微控制器时，需要考虑其处理能力、存储容量、功耗等指标，以及是否支持通信接口和操作系统。
3.3 通信技术
智能仪表需要与其他设备进行数据交换和远程控制。
因此，通信技术是智能仪表设计中不可或缺的一部分。
常用的通信技术包括：
•以太网：适用于局域网内的高带宽通信。
•Wi-Fi：适用于无线局域网内的高带宽通信。
•无线传感网：适用于分布式监测和控制系统。
•蓝牙：适用于短距离低功耗通信。
在选择通信技术时，需要考虑其数据传输速率、传输距离、安全性等指标，以及是否符合应用场景的需求。
3.4 数据处理和分析技术
智能仪表产生的数据通常需要进行处理和分析，以提取有用的信息和结论。
常用的数据处理和分析技术包括：
•数据滤波：用于降低测量误差和噪声干扰。
•数据压缩：用于减少数据存储和传输的空间和带宽开销。
•数据挖掘：用于从大数据中挖掘出隐藏的模式和关联规则。
在数据处理和分析技术的选择时，需要根据具体的应用场景和要求，权衡数据处理的效率和准确性。
4. 智能仪表设计的实例
4.1 工业自动化
工业自动化是智能仪表设计的一个重要领域。
智能仪表在工业自动化中可以实现生产过程的监测、控制和优化，提高生产效率和质量。
例如，在一条生产线上，可以使用智能仪表实时监测温度、压力、流量等参数，并根据设定的条件自动控制生产设备的运行状态。
4.2 能源管理
智能仪表在能源管理中发挥着重要作用。
通过实时监测和分析能源使用情况，可以发现能源浪费和异常情况，并采取相应的措施进行调整。
例如，在建筑物中可以使用智能仪表监测室内温度、湿度、光照等参数，并根据需求自动调节空调、照明等设备的状态，实现能源的节约和环境的优化。
4.3 环境监测
智能仪表在环境监测中起到了重要的作用。
通过实时监测环境参数，可以及时发现污染物的浓度变化、温度和湿度的异常等情况，并采取相应的措施进行处理。
例如，在水质监测中可以使用智能仪表监测水中的溶解氧、浊度、PH值等参数，并根据
监测结果及时采取净化或调节措施，保护水资源和生态环境。
5. 结论
智能仪表设计是实现高效、精确和便捷测量和监控的重要手段。
通过合理选择传感器技术、微控制器技术、通信技术和数据处理技术，并结合具体应用场景的需求，
可以设计出功能强大、可靠性高的智能仪表。
这些智能仪表在工业自动化、能源管理和环境监测等领域的应用，为提高生产效率、节约能源和保护环境做出了重要贡献。
参考资料： 1. 张明华，王海涛，李坤，智能仪表设计与应用，机械工业出版社，2017年。
2. 赵文超，刘俊，智能仪表技术与应用研究，机械工业出版社，2018年。