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件III(正式)
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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
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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 −
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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
汇报人： 日期:
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。