检测技术及系统设计.doc

检测技术及系统设计目 录目 录I第一章 绪 论111 概述112 检测系统的一般结构2121 传感器2122 信号调理器2123 输出环节2第二章 检测系统设计及仪器选用421 检测系统设计原理422 检测系统设计基础4221 检测系统的组建原则和性能评定4222 系统组建原则523 主要仪器简介8231 ME-5103单片机仿真开发系统简介8232 DT-98型综合输入输出板简介10第三章 系统设计步骤1331 测量电路和系统1332 硬件连接1633 参考程序设计16附录1 参考程序框图19免责声明：文档在线网（文档中国）中所有的文档资料均由文档在线网会员提供。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性、正确性或可靠性。该文档资料的版权属于提供者所有，有关版权的问题请直接与提供者联系。南京工业大学课程设计第一章 绪 论11 概述生产水平与自动化程度的提高，要求先进的检测仪器与仪表作基础。据统计：大型发电机组需要约3000台传感器及其配套监测仪表；大型石油化工厂需要6000台传感器及其配套监测仪表；一个钢铁厂需要20000台传感器及其配套监测仪表；一个电站需要5000台传感器及其配套监测仪表；一架飞机需要3600只传感器及其配套监测仪表；一辆汽车需要30-100只传感器及其配套监测仪表。测量是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要手段，它是以确定被测物属性量值为目的的一组操作。通过测量和试验能使人们对事物获得定性或定量的概念，并发现客观事物的规律性。广义地讲，测量是对被测量进行检出，变换分析处理、判断、控制等的综合认识过程。在科学实验和工程实践中，出于各客观条件不可能完美无缺，以及在测量工作中人在主观方面的各种原因，都会使测量结果与实际值不同，也即测量误差客观存在于一切科学实验与工程实践中。没有误差的测量是不存在的，这就是误差公理。当误差超过一定限度时，测量不仅变得毫无意义，而且会给工作带来危害。因此对测量误差的控制就成为衡量测量技术水平，以至于科技水平的重要标志之一。研究测量误差的日的，就是要根据误差产生的原因、性质及规律，在一定测量条件下尽力设法减小误差，保证测得值有一定的可信度，将误差控制在允许的范围之内。检测是意义更为广泛的测量，是检验、测量的统称(测试是测量和试验的全称，有时把较复杂的测量称为测试)。具体到工程检测技术，则是对生产过程和运动对象实施定性检查和定量测量的技术：从信息科学看，检测技术则是寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号以及确定二者间的定性定量关系，并在一定条件下找出最合适表现形式以及最佳的采集、变换、处理、存储等的方法、手段和相应设备。也就是要根据误差理论，根据检测对象的特性和检测的具体问题，合理设计、科学组建检测系统，以正确使用各种检测工具、设备和检测方法，正确地进行测量。从检测技术的定义中可以看出，人类在研究未知世界的过程中是离不开检测技术的。最早人类只能依靠自身的感觉器官(听觉、视觉、嗅觉、味觉、触觉)和简陋的量具去观察自然现象，指导生产活动。随着检测技术的发展，人类获取信息的能力，达到了新的高度和广度。例如，生物显微镜及电子显微镜的出现，使人们能对生物细胞，材料结构等微观世界进行观察；射电望远镜的使用使人们能探索宇宙的现象；红外、微波等检测技术的发展并在卫星探测上得到应用后，使人们由依靠局部的观察来推测气象、水文、资源、污染、森林、覆盖、泥沙流失、农业收成等发展到能从整个地球的宏观上去实际观察，因此，更为及时、客观和真实。工程检测技术的发展，使检测技术不仅能对产品和半成品进行生产后的检测而且能对生产过程或运动对象进行实时的、在线的检测，提供及时的、准确的信息以便用于实时控制。检测技术已成为自动化技术的重要支柱。12 检测系统的一般结构由于被测对象复杂多样，因此，检测方法和检测技术的结构也不尽相同，图1为一基本测量系统框图。121 传感器传感器处于被测对象与测试系统的接口位置，是一个信号变换器。它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化并变换成便于测量的其他量。例如将速度变换成电压，将 图1-1 检测系统的组成应变变换成电阻，将流量变换成压力等。传感器是检测系统的重要组成部件。122 信号调理器信号调理器又称中间转换器，它的作用是将传感器的输出信号进行放大、转换和传输等，使其适合于显示、记录、数据处理或控制。例如测量电桥、滤波器、放大器、V/F变换器、VJ变换器、交流/直流变换器等。123 输出环节输出环节包含显示和打印记录装置、数据通信接口和控制执行器装置等，从而使系统不仅用于检测，还能完成控制和保护操作等功能。从检测系统的组成结构可以看出，要成功地设计一个检测系统需要深厚的技术基础、不但需用到力学、光学、电磁学等这些物理学知识，还要用到电子技术、计算机技术、自动化技术、信息技术等领域的知识技术。例如，传感器的设计一般基于复杂的物理和化学的定理和规律；信号的放大和调理又依赖于电子技术；信号的处理和分析则依靠数字信号处理、随机信号分析等这些信息领域的研究成果；检测仪器的智能化，则是自动化技术、计算机技术、接口与网络技术相结合的产物；此外，检测系统中还要用到测量误差理论、信号与系统分析方法(时域、频域、复频域、I域)、抗干扰技术等知识。第二章 检测系统设计及仪器选用21 检测系统设计原理对于以微处理器为核心的现代检测系统，其涉及内容应包括硬件设计、软件设计、误差的分配与评定、稳定性与抗干扰设计几个方面。设计者应熟悉被设计的工作原理和技术性能；应能对仪器硬件进行设计和计算；能够根据该仪器的各项检测功能队进行软件设计；能根据仪器的各个分项参数指标和综合精度指标选取系统的各个硬件组成环节，进行误差的分配，并确定系统误差的校正方法；还要根据所设计的原理电路，综合考虑系统的稳定性和抗干扰能力，合理地布置元器件，设计仪器的结构与工艺；最后对所设计的仪器进行调试和检定，对仪器性能和测量参数作一综合评定。22 检测系统设计基础检测系统的设计内容包括硬件设计和软件设计两方面：由于微处理器的功能开发不断完善，许多原来由硬件完成的工作可以通过软件编程实现。通常硬件实时性强，分辨率高，但会增加仪器的投资，电路较为复杂。而使硬件和软件合理配合既可以增强仪器功能，提高仪器的测量精度，又可使系统的结构更简单和紧凑，节省投资。检测技术中常用的软件方法有数字滤波、标度变换、接口驱动、智能化处理（非线性校正、自校零与自校准、量程自动切换）等。可见检测系统的设计必须在硬件和软件两方面综合考虑。在研制后还应对系统的测量指标作一综合评定。221 检测系统的组建原则和性能评定一个检测系统由传感器、信号调理电路、微处理器/计算机、数据采集与处理环节组成。在检测系统的设计时，应考虑系统性能设计指标与各组成环节性能指标的关系，合理地进行误差分配，以最少的成本、最简单的实现方案获得最好的系统静态和动态性能指标。这是在检测系统组建时需考虑的原则！同时，对于已研制的测量系统在使用前(或定型生产前)应进行性能评定，以确定其精度指标。222 系统组建原则将传感器、信号调理电路、数据采集系统组建为一个测量系统的基本原则是使测量系统的基本参数、静态性能及动态性能均达到预先规定的要求。组建过程中预估工作是非常重要的。预估工作就是根据对测量系统规定的参数指标要求，选择和确定系统的各个环节(传感器、调理电路、数据采集系统)。如果选择的某环节性能过高，虽然能满足系统性能的要求但会使成本费用过高；反之，若选择的环节性能过低，将导致系统性能达不到规定的要求。有时通过提高其他环节的性能可以弥补某个环节的性能不足，但这样可能会带来更大的浪费：正确的预估表现在：根据预估确定的环节组成测量系统后，经过标定实验进行性能评定能达到规定的要求，同时检测系统的总成本最低。预估过程是一个反复设定、权衡调整直至最后确定的过程，属于误差分配问题。预估时通常按系统的精度与量程以及工作环境等要求，先确定传感器类型及其灵敏度值，然后再根据系统要求的分辨率(由量程及精度指标得到)确定A/D转换器的分辨率；最后，根据A/D转换器的量程与传感器的输出范围确定放大器的增益。一船要求A/D转换器的分辨率应稍高于系统要求的分辨率。如果检测系统要求的A/D转换器分辨率很高(14位以卜)，可以考虑采用可编程增益放大器进行白动量程切换以达到所需的分辨率。基本参数的预估：基本参数的预估项目主要是分辨力与量程。设检测系统总的灵敏度为S，可表示为： （2-1）其中 S1传感器的灵敏度 S2放大器的放大倍数，又叫增益S3A/D转换器的分度值动态性能的预估。测量动态信号的系统均应满足动态性能的要求。譬如：设某动态信号的最高频率fm为1000Hz，动态频率幅值误差要求不能大于5%，根据上述要求，我们将测量系统中的模拟部分(传感器与放大器)与数字部分(数据采集系统)分别进行预估，也就是从系统动态性能出发来确定组成系统各环节的动态性能。1)模拟部分：模拟部分中传感器与放大器各自的频率特性分别为： （2-2）因此，模拟部分总的频率特性H()为： （2-3）故动态幅值误差可表示为 （2-4）式中 ；，它是执行信号传递功能的理想频率特性。一般传感器为一阶或二阶系统放大器为一阶系统。当传感器与放大器均为一阶系统对，这时动态幅值误差为： （2-5）式中 传感器的时间常数； 放大器的时间常数。通常放大器给出的指标是带宽fb，则。将选取的、代入式（2-5），应使时满足允许值，即|5%若传感器为二阶系统，放大器为一阶系统，这时有 （2-6）式中 传感器的固有角频率； 传感器的阻尼比；如果说明书未给出，则按0进行预估放大器的时间常数，可按带宽求得。应使选定的、的数值在时，根据式（2-6）计算的动态幅值误差满足要求，即|5%2)数字部分：数字部分与动态误差有关的器件指标是A/D转换器的转换时间Tc,以及采样保持器的孔径时间与孔径抖动时间。如果不采用采样保持器，在保证A/D转换器转换误差不大于量化误差的条件下，被测信号的频率最大值由式(27)决定： （2-7）nA/D转换器的位数； A/D转换器的转换时间。如果上述条件不能满足，则需在AD转换器前加采样保持器。一般来说，的延时影响可以通过软件提前下达指令的措施消除故被测信号的频率最大值由式(28)决定： （2-8）总的说来，含有传感器的测量系统，系统的动态性能主要受传感器的限制。静态性能的预估：静态性能的预估就是按总误差的限定值对组成系统的各环节进行误差分配。这是一个从误差预分配、综合调整、再分配、再综合直至选定环节的静态性能满足系统性能要求的过程。23 主要仪器简介231 ME-5103单片机仿真开发系统简介ME-5103是目前国内广泛使用，软硬件设计优良的51单片机仿真开发系统。该仿真系统通过针对8155的I/O引脚编程为单片机仿真器扩展了一个串行口。利用该串口可方便地与PC系列微机进行串行通讯，利用该仿真系统随机所带开发软件可方便地借助PC系列微机对单片机仿真器及用户所设计的目标机、扩展板进行交互式开发、仿真、调试。其硬件结构如下：1.跳线器设置JP1：（2）、（3）相连，使用仿真器震荡器JP2：（2）、（3）相连，串行口接至MAX232以232电平输出JP3：（1）、（2）相连，使用独立电源JP4：断开，用户程序写允许JP5：断开，使用仿真器方式2.电源使用+5V电源，电流1.5A以上。3.仿真电缆该仿真电缆为40芯的扁平连接电缆，一端为连接ME-5103单片机仿真开发器的CN1插头，另一端为40引脚的DIP插头，用于连接目标机（单片机插座）或扩展板。4.RS232电缆（CN6）将CN6与PC机串行口COM1或COM2相连，插头插座不相配的使用转换插头。如果仿真器与PC机通讯不正常，按Ctrl+C键选择另一串行口再试。5.键盘功能图2-1是键盘布置图，左侧16个为十六进制数字键，右侧14个功能键和一个硬件复位键。16个数字键也可作为当前寄存器R0-R7和16个常用的特殊功能寄存器的直接访问键。图2-1 ME-5103键盘示意图RESET系统复位键MON返回监控键LAST/-显示内容/地址减一键NEXT/+显示内容/地址加一键EXEC连续执行键STEP但不执行键TRACE跟踪执行键BP/BTOP断点设置/块首设置键BT/BEND断点次数设置/块末设置键COMP/DEC数据块比较/十进制键MOVE/HEX数据块移动/十六进制键OFFSET/HIST偏移量计算/历史纪录键FILE/MAP填充/仿真区域键FFIS/FVNC搜寻匹配/用户功能键FFNO/UESR搜寻不匹配/用户命令键6、仿真器地址空间1）地址空间0000H 1FFFH8K用户程序区、数据区2000H 9FFFH32K用户程序区、数据区（未用）A000H BFFFH8K用户程序区、数据区（未用）C000H DFFFH8K监控程序区E000H FFFFH8K待扩展存储区2）监控子程序(a)检查键按下入口地址：DF60H使用：ACC、DPTRACC=0 无键按下，ACC0 有键按下。(b)显示子程序入口地址：DE00H使用：ACC、DPTR、R3、R6、R7R0指向显示缓冲区高位地址刷新显示数码管及8个LED发光管显示字符表首地址：DF80H（共阴极）首地址指针：EC80H、EC81H（C）扫描键盘并刷新显示程序入口地址：DF07H使用：ACC、DPTR、R2、R4、PSW键值表首地址：DFA0H首地址指针：CE82H、CE83H（可修改内容）232 DT-98型综合输入输出板简介智能测温系统的整个原理框图如图2-2所示。图2-2 测温系统原理框图其中“PC机系统”为普通486以上微机，单片机系统为ME-5103单片机仿真开发器，两者为外购设备。包括输入和数据采集子系统（前置通道）、输出和控制子系统（后置通道）的所有其余功能模块均安装在自行设计的DT-98输入输出板上。整个综合输入输出板的功能模块框图如图2-3所示。图2-3 DT-98型综合输入输出板功能模块图通过40芯仿真电缆把DT-98型输入输出板上的40脚DIP插座与51单片机仿真开发器的CN1双列40引脚插座连成一体；这时，DT-98型综合输入输出板就成为ME-5103单片机仿真开发器CPU统一控制下的输入输出扩展板。通过CN1电缆把8031的引脚全部引到DT-98输入输出板上。输入输出板上的U13（74LS373）作为单片机低位地址锁存器，低位地址供扩展的8255和ADC0809使用。8255的PA口用作8位逐次比较式A/D转换器ADC0809和单片机之间的输入缓冲器；8255的PB口连接4位半双积分A/D转换器ICL7135的D1-D5（个位-万位输出选通信号线）、OVER（过量程）、UNDER（欠量程）引脚，8255的PC口的PC0-PC3接7135的BCD码输出B1-B4；8255的PC6和PC7分别作为继电器和可控硅（固态继电器）的输出控制引脚。本系统还可以利用单片机的定时器/计数器（T0）测出每次A/D转换所需时间（BUSY为高），进而计算出被测电压值（7135的输出电压Vi），这种方法可以省去与7135的D1-D5，B1-B4，UNDER及ST的11根连线。CSY-CC01测控系统与传感器实验仪提供温度、压力、液位、转速、流量、重量等参数的检测技术实验以及恒温、恒压、恒液位、恒重量、恒转速的闭环控制实验。并可以通过智能仪表的通讯口与上位机通讯。控制参数可以在智能控制仪表中以及上位软件中设置。上位软件采用MCGS全中文组态软件进行开发，实现在线检测、控制、参数修改存储分析、实时曲线和历史曲线显示和打印。第三章 系统设计步骤31 测量电路和系统1测量电桥见图3-1，WR1为电桥调零电位器，RX为被测桥臂。图3-1测温电桥图3-2 测量放大电路2测量放大器见图3-2。WR2为放大器增益调节电位器，WR3为放大器调零电位器。 （RE1=R3+WR2）在实验工程应用中，可采用上述方式的集成测量放大芯片，如INA118，AD521等。图3-3 ICL7135A/D转换电路3ICL7135四位半（双积分）A/D转换电路见图3-3。该A/D转换器具有精度高、抗工频干扰能力强、成本低、适合缓变信号测量的特点。（1）使用单端输入INH1，INH0（负端输入）已接地。输入范围0V-1.9999V（2）转换状态信号BUSY可作查询或中断申请用（3）转换状态控制端接高电平，表明7135将连续自动转换。时钟CLKIN接ALE，单片机晶振为6MHz，则ALE为125KHz（为市电工频50Hz的整数倍），转换频率约为3次/秒。（4）过量程标志端OVER已接8255的PB0，当输入信号超过1.999V时，OVER输出高电平；欠量程标志端UNDER已接8255的PB1，当输入信号小于量程的9%（0.1800V）时，UNDER输出高电平。但在单端输入时，信号在0V-0.1800V时并不影响A/D转换器的正常工作。（5）D1-D5为位状态输出端，高电平有效，分别表示现时输出的数据为万、千、百、十、个位。已分别接入8255的PB3-PB7。位状态输出信号有效后，大约要等待100个CLKIN脉冲后采集数据。（6）B8、B4、B2、B1为BCD码数据输出端，B8为最高位，B1为最低位。已分别接入PC3-PC0。48255扩展电路见图3-4（1）8255片选信号CS已接P2.7（线选法）8255端口地址分别为：控制口8000HPA口8001HPB口8002HPC口8003H（2）PA口、PB口、PC0-PC3作为输入，PC6、PC7作为输出。图3-4 8255扩展电路32 硬件连接1、 RX接电阻箱。2、 测量电桥输出VOUT11、VOUT12分别接测量放大器输入VIN21、VIN22。3、 测量放大器输出VOUT2接ICL7135A/D转换器输入端VIN6。4、 ICL7135A/D转换器转换状态信号BUSY接8031的，时钟输入信号CLKIN接ALE。5、 使用扁平电缆，将单片机仿真开发器上连接的8031的CN1插座与DT-98型输入输出板上的DIP40引脚插座相连。6、 使用9芯插座电缆，将PC机与单片机仿真开发器相连。7、 连接电源，检查线路正确后开启电源。33 参考程序设计#include “reg51.h”xdata unsigned char 8255P _at_ 0x8000; /定义8255命令字地址xdata unsigned char PA _at_ 0x8001;xdata unsigned char PB _at_ 0x8002;xdata unsigned char PC _at_ 0x8003;unsigned char LEDi=0，0，0，0，0，0;xdata unsigned char LED0 _at_ 0x00; / 显示器控制口unsigned char LEDBuf6= 0，0，0，0，0，0; / 显示缓冲code unsigned c