智能仪表综合训练设计说明书

1 智能仪表综合训练设计说明书 第一章 绪论 能仪器与数据采集系统的作用与发展 1. 智能仪器技术是一门集电子技术、单片机技术、自动化技术、自动控制技术、计算机应用等于一体的跨学科的专业技术课程。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，测控仪器仪表的智能化、总线化、网络化已成为整个行业发展的主要趋势，同时也日益成为工程界和科技界人士所关注的重要问题之一。智能仪器的出现，极大的扩充了传统仪器的应用范围。只能仪器凭其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速的在家用电器、科研单位和工业企业中得到广泛的应用。 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 2 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 以很方便地与 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。 3. 智能仪器发展趋势 (1) 微型化 。 如巡航导弹控制部 分 、植入病人体内的多参量测量仪等 。 (2) 多功能 。 如数字任意波形发生器、人体生命特征测量仪等 。 (3) 人工智能化 。 具有 视觉、听觉、思维 等 。 (4) 网络化 (5) 虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段 (6) 微功耗。 智能仪器硬件组成 主要由单片机、模拟量和开关量 I/O 通道、人 据通信接口等组成 。如图 1示。 3 输 入电 路A / D 转换 接 口键 盘 输 入 接 口程 序 存 储 器 R O 存 储 器 R A 与执 行 电 路打 印 机 接 口显 示 器 接 口D / A 转换 接 口单片微型计算机通 信 接 口模 拟 量 输 入面 板 健 盘开 关 量 输 出 接 口开 关 量 输 入 接 口开 关 量 输 入 开 关 量 输 出R S - 2 3 2 、 G P I B 等L E D 、 L C D 等控 制 量微 型 打 印 机图 1 - 1 智 能 仪 器 硬 件 组 成 框 图电 由单片机构成，也是区别于传统仪器的核心部件。主要 用于存储程序、数据，执行程序进而实现各种运算、数据处理和各种控制功能。 拟量输入通道由输入电路和 A/D 转换接口构成。用于对被测量的输入信号进行所需的各种变换、放大、滤波、采样 A/D 转换 等处理，经 A/D 接口 送入计算机。开关量输入信号只要电平匹配则可直接送入计算机。 拟量输出通道由 D/A 转换器及驱动电路等构成。用于将主机处理的结果转换为模拟量并输出。开关量输 出 信号可直接由计算机输出或经隔离、驱动电路输出。 键盘、显示器和打印机接口等组成。用于实现人机对话。 于实现智能仪器与其它仪器、设备或计算机系统交换数据和信息。 于为智能仪器各部分提供合格的能源供应。 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 4 机把运算结果与存储于片内 速存储器 )或 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 ，由 进行全局管理。 据采集系统的概述 随着计算机的发展与普及，社会已进入信息时代。作为获取信息重要工具的微机数据采集系统，日益广泛地深入到生产、科研的各个领域，形成了一种兴旺发达的产业，它也就自然地成为电子信息工程专业的学生或其它有关专业的工程技术人员的专业知识。 数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。被采集数据是已被转化为电信号 的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一般是采集方式，即隔一定时间（即采样周期）对同一点数据重复采集。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据量测是数据采集的基础。 数据采集系统：处理信息的 I/O 设备、计算机软硬件等的总称。 第二章 数据采集系统总体方案设计 近年来，数据采集及其应用技 术收到人们越来越广泛的关注，数据采集系统也迅速的得到应用，在生产过程中，应用这一系统可对生产现场中的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究领域中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬时物过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。总之，不论在哪个领域中，数据采集和处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。 数据采集系统性能的好 5 坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应尽有可能地提高采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求 。 因此，研究并开发新型、有更高质量的数据采集系统是非常有必要的。 数据采集系统的应用非常广泛，主要应用有： （ 1） 工业过程控制：实时检测控制， （ 2） 遥测遥控：航天、航空、火箭、卫星发射； （ 3） 智能仪表、测试仪器：微机控制、数字显示； （ 4） 家用电器、民用电子产品：智能控制、红外、电视、洗衣机、录象机、智能记录、存储； （ 5） 计算机仿真系统：汽车驾驶培训、潜艇仿真运行、钻井仿真培训等均离不开 应用（数据来自现场，输出却不对现场起作用）。 工业上使用的数据采集系统大致可分 为四类： (1)基于通用微型计算机 (如 )的数据采集系统 这种系统主要功能是将采集来的信号通过外部的采样和 A D 转换后的数字信号通过接口电路送入微机进行处理，然后再显示处理结果或经过 D A 转换输出。它主要有以下几个特点： 系统较强的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来支持系统进往工作。 具有自主开发能力。 系统的软硬件的应用配置比较小，系统的成本较高，但二次开发时，软硬件扩展能力较好。 在工业环境中运行的可靠性差，对安放的环境要求较高。程序在 运行，易受外界干扰破 坏。 (2)基于单片机的数据采集系统 它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集系统，具有如下特点： 系统不具有自主开发能力。因此，系统的软硬件开发必须借助开发工具。 系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则，因此系统的软硬件应用，配置比接近于 1，具有最佳的性价比；系统的软件一般都有应用程序。 6 系统的可靠性好，使用方便。应用程序在 运行不会因外界的干扰而破坏，而且上电后系统立即进入用户状态。 (3)基于 字信号微处理器的数据采集系统 字信号微处理器从理论上而言 就是一种单片机的形式， 字信号微处理器与通用微处理器相比，除了它们的机构不同以外，其基本差别是：字信号微处理器有能力响应和处理采样模拟信号得到的数据流，如乘法和累加求和运算。常用的数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用 片，另一种是通用 片。基于 字信号微处理器的数据采集系统的特点如下：精度高、灵活性好、可靠性高、容易集成、分时复用等，但同时其价格不菲。 (4)基于混合型计算机采集系统 这是 位单片机出现而在计算机应用领域中迅速发展的一种系统结构形式。它是 由通用计算机 ( )与单片机通过标准总线 (例如 相连而成。单片机及其外围电路构成的部分是专为数据采集等功能的要求而配置的，主机则承担数据采集系统的人机对话、大容量的计算、记录、打印、图形显示等任务固。混合型计算机数据采集系统有以下特点： 通常具有自开发能力。 系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统。 主机可远离现场而构成各种局域网络系统。 充分利用主机资源，但不会占有主机的全部 间。 数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数根进行显显示和打印，以便文现对某些物理量的监视 由数据采集系统的任务可以知道，数据采集系统具有以下几个方面的功能。 1数据采集 计算机按照预先选定的采样周期，对输入到系统的模拟信号进行采样，有时还要对数字信号、开关信号进行采样。 7 2模拟信号处理 模拟信号是指随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值，即从一个量变到另一个量时中间没有间断，如正弦信号。 模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得的低电平信号，另一种是由仪器、变送器输出的 0 4电流信号。这些模拟信号经过采样和A/D（模拟 /数字）转换输入计算机后，常常要进行数据的正确性判断、标度变换、线性化等处理。 模拟信号便于传送，但它对于干扰信号很敏感，干扰信号容易使传送中信号的幅值或相位发生畸变。因此，有时还需要对模拟信号做零点漂修正、温漂修正和数字滤波等处理。 3数字信号处理 数字信号是指在有限的离散瞬时上取值 间断的信号 。在二进制系统中，数字信号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是 0 就是 1，这可由脉冲的有无来体现。数字信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，不是连续的信号。数字信号是由某些类型的传感器或仪器输出，它在线路上的传送形式有两种：数字信号对传送线路上的不完善性（畸变、噪声）不敏感，数字信号输入计算机后，常常需要进行码制的转换处理，如 转换成 ，以便显示数字信号。 第三章 数据采集系统的硬件设计 统结构框图 8 数据采集系统的主要分为以下几个模块：数据采集转换模块、数据存储 模块、键盘控制模块、时钟模块、液晶显示模块、串口通信模块。其中数据采集模块包括 压信号量采集和系统工作温度采集。各模块关系图如图 3 数据采集系统的结构随其用途而具有不同的组成形式。 按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输人通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。本文介绍的是集中式数据采集系统， 如图 3示。 多路开关传 感 器传 感 器传 感 器信 号 调 节与 处 理信 号 调 节与 处 理信 号 调 节与 处 理放大器采样保持器A / 与 逻 辑 控 制显 示 器传 感 器打 印 机D / A 转换 器键 盘传 感 器接 口开 关 信 号数 字 信 号图 3型计算机数据采集结构图 由图可知，微型计算机数据采集系统是由传感器、模拟多路开关、放大器 、计算机、A/D 转换器等组成的。 物理模拟量 数据采集模块 键盘 单片机 液晶显示 图 3系统模块关系图 9 统工作原理 51 系列 单片机 的一个型号，它是 司生产的 。 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2个外中断口， 3 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口， 2 个读写口线， 以按照常规方法进行编程 ,但不可以在线编程。其将通用的微处 理器和 储器结合在一起，特别是可反复擦写的 储器可有效地降低开发成本。 图 3示是它的引脚图： 管脚介绍： 源电压 是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口， 也即地址 /数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 辑门电路，对端口 “1” 时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访图 3片管脚图 10 问期间激活内部上拉电阻。在 程时， 接收指令字节 ，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 辑门电路。对端口写 “1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻 ， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 ( 与同之处是， 可分别作为定时 /计数器 2 的外部计数输入（ 2）和输入（ 2， 程和程 序校验期间 ，收低 8 位地址。 有 第二功能 ，如表 示 . 表 第二功能 引脚号 功能特性 2，时钟输出 2时 /计数器 2） 一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 辑门电路。对端口 “1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时 ，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电 ( 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 令）时， 送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 令）时， 输出 存器的内容。 程或校验时， 接收高位地址和一些控制信号。 是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 辑门电路。对 写入 “1” 时，它 11 们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 将用上 拉电阻输出电流（ 。 除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能 。 还接收一些用于 速存储器编程和程序校验的控制信号。 表 的第二功能 端口引脚 第二功能 串行输入口 ) 行输出口） (外部中断 0) 外部中断 1） 0（定时器 0） 1（定时器 1） R （外部数据存储器写选通） D （外部数据存储器都选通） 复位输入。当振荡器工作时， 脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 当访问外部程序存储器或数据存储器时， 址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下， 以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 冲。对 储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ 中的 8元的 置位，可禁止 作。该位 12 置位后，只有一 条 令才能将 活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 止位无效。 序储存允许（ 出是外部程序存储器的读选通信号，当 外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 号。 外部访问允许。欲使 访问外部程序存储器（地址 0000H 必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位 编程，复位时内部会锁存 状态 。 如 为高电平（接 ）， 执行内部程序存储器中的指令 。 储器编程时，该引脚加上 +12V 的编程允许电源 然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 振荡器反相放大器的及内部时钟 发生器的输入端。 振荡器反相放大器的输出端。 3 2 2 （ 1）、 8位分辨率； （ 2）、 双通道 A/ （ 3）、 输入输出电平与 （ 4）、 55 （ 5）、 工作频率为 250换时间为 32 S； （ 6）、 一般功耗仅为 15 （ 7）、 8P、 14P 列直插）、 种封装； （ 8）、 商用级芯片温宽为 0 +70 ，工业级芯片温宽为 40 +85 。 13 2. 部引脚及其说明 : 部引脚，有 引脚图如图 3示： 1 8546237C 0C H 1G N C L D 片各个引脚说明： （ 1）、 选使能，低电平芯片使能。 （ 2）、 拟输入通道 0，或作为 使用。 （ 3）、 拟输入通道 1，或作为 使用。 （ 4）、 片参考 0 电位（地）。 （ 5）、 据信号输入，选择通 道控制。 （ 6）、 据信号输出，转换数据输出。 （ 7）、 片时钟输入。 （ 8）、 源输入及参考电压输入。 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨率可达 256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 05V 之间。芯片转换时间仅为 32 S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过 据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 3. 单片机对 控制原理 一般情况下单片机与 接口线为 4 条数据线，分别为 O、 由于 在通信时并未同时有效与单片机的借口是双向的，所以电路设计时可以将 联在一根数据线上使用。当 工 14 作时其 入端应为高电平，此时芯片禁用， I 的电平可任意。当要进行 A/D 转换时，须先将 置于低电平并且保持低电平知道转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端 供时钟脉冲， I 端则使用 输入通道功 能选择的数据信号。第 1 个时钟脉冲到来之前 必须是高电平。在第 2、 3 个时钟脉冲到来之前 应输入 2 位数据用于选择通道功能，其功能见下表 表 配位逻辑表 输入形式 配置位 选择通道 端 1 0 1 1 差分 0 0 0 1 如上表所示，当此 2 位数据为“ 1”、“ 0”时，只对 行单通道转换。当 2 位数据为“ 1”、“ 1”时，只对 行单通道转换。当 2 位数据为“ 0”、“ 0”时，将 为正输入 端 为负输入端 2 位数据为“ 0”、“ 1”时，将 为负输入端 为正输入端 行输入。 到第 3 个脉冲的下沉之后 的输入电平就失去输入作用，此后 I 端则开始利用数据输出 行转换数据的读取。从第 4 个脉冲下沉开始由 输出转换数据最高位 后每一个脉冲下沉 输出下一位数据。直到第 11 个脉冲时发出最低位数据 个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第 11 个字节的下沉输出 后输出 8 位 数据，到第 19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次 A/D 转换的结束。最后将 高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。 单片机系统中使用液晶显示器作为输出器件有以下优点： 15 （ 1） 显示质量高 （ 2） 数字式接口 （ 3） 体积小、重量轻 （ 4） 功耗低 第四章 数据采集系统的软件设计 51的介绍 兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。 算速度快、编译 效率高、有良 16 好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。 支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外， 而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此，使用 大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统，用 以作为一个技术全面并涉足较 大规模的软件系统开发的单片机开发人员最好能够掌握基本的 C 语言编程。使用 C 语言肯定要使用到 C 编译器，以便把写好的 C 程序编译为机器码，这样单片机才能执行编写好的程序。 众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的 构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持， 编和 C 语言的程序设计，它的界面和常用的微软 的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。因此本系统采用 1. C 语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，国内最通用的是51. 2. 本上不作修改就可将程序从不同的单片机中移植过来。 3. 发效率高，故可缩短开发时间，增加程序可读性和可维护性。 51 51存储类型 示。 表 51存储类型 17 51的数据类型： 在表 数据类型有整型、实型、字符型所分，以及相应的关键字、所占位数和数的表示范围。 表 51 的数据类 型 类型 符号 关键字 所占位数 数的表示范围 整 型 有 (6 2767 (6 2767 (2 147483647 无 6 065535 6 065535 2 04294967295 实 有 2 储类型 寻址空间 数据长度 值域范围 内直接寻址 0127 内间接寻址 0255 页寻址片外 0255 外数据存储 （ 64K） 16 065535 内