智能仪器仪表设计指导书

课程名称：智能仪器仪表设计及调试

适用专业：测控技术与仪器

2010-6

第一章   课程设计的教学组织

1.1 性质与目的

本课程是测控技术与仪器本科专业的重要实践课程，是《智能仪器仪表设计技术》课程的一个综合性、设计性的实践教学环节。

学生通过这门课程的学习与实践，能够提出仪器系统的设计思路、论证设计方案；熟悉智能仪器仪表开发、研制的过程，软硬件设计方法和设计步骤；初步学会设计智能仪器仪表软硬件设计及调试的方法，具备技术实现能力；基本上能够处理实践过程中出现的问题并提出解决办法；提高理论付诸于实践的能力，提高工程设计能力和处理实际问题的能力，开发学生的创新能力。

  在课程设计教学中，应以学生自主设计为主，充分发挥学生的自主性和创造精神。教师的指导作用主要体现在工作方法，思维方法的引导。

为保证顺利完成设计院任务，应注意如下要求：

(1)认真阅读设计任务书，保质保量地完成任务书的规定的工作。

(2)在总体方案确定过程中，要求多想，多查资料，少问。

(3)程序设计时，先画框图再编程，无论是自上而下，还是自下而上，必须一步一步调试，做到可读性好，主要语句一定要写注释。

(4)硬件图用A4绘制，必须符合国家有关标准的规定。

(5)说明书要求文字通顺，简炼。不少于5000字（不含源程序）。

(6)设计的系统必须进行实验演示。

1.2 设计任务书

设计任务书需阐明：课题的名称；课题的意义与概况；课题的具体要求与工作步骤；及进度安排；分组办法；各组应完成的任务与侧重；参考资料等情况。

设计任务书样例见附录一。

    除书面下达外，指导教师还须作详细说明，以期真正组织好这一教学环节。为此，在初始阶段可安排一定时间的讲课。讲课时还应向学生交待：课程设计(大型作业)教学环节的性质、与毕业设计的区别；设计说明书的写法与要求；最后考核的办法与评分依据。

    伴随着课题的具体进展，教师应加强辅导与答疑。

    课程设计宜挑选典型、成熟的课题。因此，不必届届更新。为了提高这一教学环节的教学质量，除设计任务书外，另可由有经验的教师编写好教学指导书，供指导教师参考，并注意逐届总结和修改完善。

 1.3 成绩考核

    本教学环节应结合设计实际，根据教学要求，课程成绩可先按百分制评定，再转换为五级记分制（优、良、中、及格、不及格）。具体考核内容建议包括：设计过程（40分）、答辩及设计成果（30分）和设计报告（30分）。其中设计过程主要考察出勤、完成任务进度、设计能力等方面；答辩及设计成果主要考察设计思路、完成任务情况以及设计结果是否达到设计任务要求；设计报告主要考核内容的完整性，论文格式的规范性以及设计的合理性等。

值得注意的是，考核中必须强调对学生创新能力的评价，凡是创新能力不够的，一律不得评定为优秀等级。

1.4 设计时间安排和设计步骤

本教学环节时间安排为2周。具体安排如下表。

基于单片机的智能仪器仪表随功能不同其结构差别很大，但系统设计的方法和步骤基本上是相同的。基于单片机的智能仪器仪表的开发过程一般包括总体方案认证、系统总体设计、软件及硬件开发、整机调试和产品定型等几个步骤。

    课程设计由于时间安排、学生水平、实验条件等诸方面的，仅要求学生完成仿真调试即可。

1、总体方案认证

在开始对智能仪器仪表系统或产品设计之前，一般都需要对所研制的产品进行总体设计方案的认证，通常要做包括产品的技术指标和系统组成两个方面的认证工作。

    （1）技术指标  根据产品研制的任务，需要在充分调研的基础上，对产品的先进性、可靠性、可维护性、性能价格比等进行综合考虑，由此再制定出待开发产品的功能、性能要求、工作环境、外形尺寸和重量等技术指标。

（2）系统组成  在确定一个单片机智能仪器仪表系统或产品技术指标的基础上，就要充分考虑系统的组成，首先要考虑待组成系统的单片机机型和器件的选择。

对于单片机机型的选择，应根据单片机应用系统或产品的技术指标、单片机的性能和价格、市场货源、相应的开发系统、研制周期等因素来选定。

对于元器件的选择，主要有传感器、模拟电路、可编程扩展器件、RAM和EPROM等，应根据系统的技术指标要求，对这些元器件加以适当的选择。

2、系统的总体设计

系统的总体设计包括硬件和软件的综合设计，一个单片机智能仪器仪表系统或产品的硬件和软件之间有密切的相互制约的关系，有可能会从硬件的角度对软件提出一些特殊的要求；也有可能会从软件的角度对硬件提出一些特殊的要求。在某些情况下，硬件和软件又具有一定的互换性，有些由硬件实现的功能可以由软件来完成，反之亦然。当然，较多的使用硬件，可以提高系统的工作速度，而且可以减少软件的工作量；较多的使用软件，可以降低硬件成本，简化电路，其缺点是要增加软件编制的工作量。

鉴于上述情况，必须对单片机智能仪器仪表系统或产品的硬件和软件进行合理的划分，划分的原则主要是根据单片应用系统或产品的实时性要求、研制周期和生产批量来考虑。

3、硬件与软件的开发及联机调试

在系统总体设计工作大体完成以后，硬件和软件任务的划分已明确，这时就可以在一定程度上地进行硬件和软件的研制，在硬件和软件研制分别完成的基础上便可将它们进行联机调试，用仿真开发器进行仿真。

在联机调试中，应对硬件和软件各个部分进行全面调试，仔细检查样机是否实现系统预期功能和达到规定的性能指标，以便在调试阶段就可能存在的问题和隐患充分地暴露出来，然后，再进行多次调试，直到符合设计要求为止。

在对样机进行了全面测试，确信没有错误之后，才能进行系统或产品的最后设计，即绘制最后正式的硬件逻辑图及印刷板、固化软件、装配系统或产品，经现场运行无误后，才能结束整个开发研制工作，最后写出系统或产品的技术报告等。

第三章  智能仪器仪表课程设计示例

3.1设计题目

智能温度检测仪设计

3.2设计内容

设计一个智能温度计，并使其具有如下特点： 1、一路水温检测, 误差：≤±0.5℃；2、温度3位数码显示(XX.Xmm)；3、工作状态指示；4、开机自检；5、配简单键盘；6、配微型打印机接口；7、配置通信接口。

3.3方案总体设计与论证

图2—1是智能温度检测仪的基本组成方框。主要由温度传感器（温敏二极管），信号调理电路，A/D转换器（A/D574），单片机（80C51），8279键盘输入，LED显示器以及741，发光二极管（指示工作状态）等组成。温度传感器热敏二极管是把温度转换成电压的器件，温度传感器输出电压的大小随温度的高低变化而变化，热敏二极管在0℃—100℃温度变化范围内，电压值的变化范围从1个毫伏到200个毫伏。信号调理电路的主要功能是把微弱的温度电压信号放大到（0—2.44）伏的范围内，以适应AD574单极性输入的要求。A/D转换器把放大后的模拟电压信号转换成对应的数字信号。单片机8051是智能温度计的核心部分，一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面将采集到温度的数字信号，经过计算处理，得到相应的温度值的BCD码，送到741，由它驱动LED数码管显示器以数字形式显示测量的温度。通过键盘输入要报警的温度上限值，由单片机检测哪一位设定的键盘被按下，单片机可以直接将该位寄存器中的内容自动加一，即可实现相应值的设定。通过缓冲器可以预留出微型打印机的接口和单片机与其他设备的通信接口，由相关的键盘控制打印机与单片机是否连接，并且由相应的键盘控制单片机否是把数据送741进行显示还是把数据发送至数据端口，与其他设备进行通信。

图2—1  系统框图

由上图可知系统硬件基本上由传感器信号调理模块，A/D模块，键盘模块，显示模块，工作状态指示模块，以及接口模块组成。而软件设计是紧紧围绕系统的硬件结构展开的，软件主要是配合控制硬件完成预期的设计要求，软件的基本模块也是针对上述硬件结构进行相应操作的。下面具体阐述系统各功能模块的设计。

3.4 硬件电路设计

3.4.1  传感器调理电路模块

测温传感器选用热敏二极管传感器。这种传感器是利用半导体的温度特性来实现对温度的检测功能。硅二极管的结电压在温度每升高1℃时，电压下降2mV，它属于PN结型温度传感器，它在0℃—100℃温度范围内表现出良好的线性，尺寸小，热时间常数为0.2—2s，灵敏度高，测温范围是-50℃—150℃。

信号调理电路中包括电桥和放大部分。将测温二极管放入电桥的一个桥臂，可直接输出传感器相对0℃时的电压输出，再将桥路输出送给AD620的差分输入端，进行50倍的放大，在经过OP07组成的100倍的反相放大电路，使得传感器感受0℃—100℃的温度时，信号调理电路对应输出0—2.44V的电压值，这个电压值正好是AD574的0—10V单端输入电压的范围。

图3—1  传感器调理电路模块图

图3—1是传感器调理电路图。该电路的分分辨率为0.1℃，在0℃—100℃范围内精度可达到±0.5℃。该电路的调节，先将传感器放入冰水混合物中，调节W1是调理电路的输出为0；再将传感器放入沸水中，调节W2使调理电路的输出为2.44V。2.44V正好对应AD574输出为999的输入电压（单极性10V输入），这样实现了AD574的输出，正好为外界温度的情况。这样就实现了这样就实现了对温度的有效测量信号的拾获和放大。

3.4.2  A/D转换模块设计

AD574是12 位逐次逼近型的 A/D 转换芯片。转换时间为 25 ～ 35μs。片内有数据输出寄存器，并有三态输出的控制逻辑。其运行方式灵活，可进行 12 位转换，也可作 8 位转换；转换结果可直接 12 位输出，也可先输出高 8 位，后输出低 4 位。可直接与 8 位或 16 位的 CPU 接口。输入可设置为单极性，也可设成双极性。片内有时钟电路，无需外部时钟。

图3—2  A/D转换模块图

图3—2是AD574与单片机接口电路以，它分两次将单极性电压的12位转换结果送给单片机。具体先由单片机发出控制信号，使A/D转换器启动转换，等待转换结束，单片机再分两次将转换数据读到内存中。按上图接法AD574是单极性输入，接成0—+10V的接法，按上图向FF7C写数据，就启动AD574转换器开始转换，检测P1.0口即可查看AD574是否转换结束，从FF7D端口即可读出转换结果的高八位，从FF7F端口中即可读出转换结果的低四位。

3.4.3  显示模块设计

利用串口和741驱动LED显示器工作，采用静态显示方式。这种方式可避免采用并行I/O接口占用资源较多的缺点。采用共阳极数码管，因而各位的COM接口接+5V电源，若要显示某字段，则相应的移位寄存器741输出必须为低电平，由于741在低电平输出时，允许通过的电流为8mA左右，故不用再加驱动电路了，只需向串口发送要显示三位数的显示控制代码（段码），即可在LED显示器上显示出所要的字符，只需将各位的小数点控制位接低电平，使其显示，其他位的小数点控制位均接高电平即可，注意加限流电阻。

图3—3  显示模块原理图

3.4.4  键盘模块设计

因为本设计中需要的按键不多，故设计采用式按键，分别占用P1.4，P1.5，P1.6和P1.7口。它们分别实现选择是正常运行还是设置模式的功能键，温度上限十位的设置键，温度上限个位的设置键以及温度上限的十分位的设置键。键盘的防抖动可有软件来实现，每个引脚上都引入上拉电阻。

图3—4  键盘模块原理图

3.4.5  状态指示与接口模块设计

当测量温度达到了上限温度时，P2.0口输出高电平，驱动报警二极管发光，指示温度已经超过上限值，当温度下降到设定值以下是，P2.0变成低电平，报警解除。当按下打印摁键时，单片机响应外部中断0，进而要打印的数码发送至打印机的数据口，进行打印。打印时，需要先将要打印的字符转换为其ASCII码，将此ASCII送入打印机数据口进行打印。需要注意要将小数点也打印出来，打印完十位和个位再将小数点打印出来，再把十分位进行打印。而扩展接口采用简单的三线式接口，一线为接收数据，一线为发送数据，还有一线为查询状态。由P2.6控制其导通，还是高阻的状态。

图3—5  打印接口原理图

图3—6  扩展口及工作状态原理图

图3—7  硬件电路总体设计原理图

3.5软件设计

3.5.1  主程序设计

3.5.2  定时中断服务程序设计

图4—2  定时中断服务程序流程图

3.5.3  外部中断0服务程序设计

图4—3  外部中断0服务程序流程图

3.5.4  温度测量子程序设计

图4—4  温度测量子程序流程图

3.5.5  温度测量转换子程序设计

图4—5  温度测量转换子程序流程图

3.5.6  显示子程序设计

图4—6  显示子程序流程图

3.5.7  设置键处理程序设计

图4—7  设置键处理子程序流程图

第4章 设计说明书参考目录

1．课题要求与内容

2．系统方案设计

3．系统硬件的设计

4．系统软件设计

5．系统调试

1）系统硬件调试中出现的问题及解决措施

2）系统软件调试中出现的问题及解决措施

6．总结

   针对设计任务，系统采用了哪些方案、技术，实现了哪些功能，有待提高或改进的地方等。

7．结束语

简述课程设计的收获、体会以及对本教学环节的意见和建议

参考文献

[1] 赵新民.智能仪器设计基础.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2009

[2] 程德福.智能仪器.北京：机械工业出版社,2009.9

[3] 张毅刚.单片机原理及接口技术[M] .哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2007.

[4] 胡文金.单片机应用技术实训教程.重庆：重庆大学出版社,2005

[5] 梁森.自动检测技术及应用. 北京:机械工业出版社,2009