智能仪器作业

《数据采集与智能仪器》课程考核（大作业）

武汉理工大学信息学院

参考书 程德福 《智能仪器》（第二版）机械工业出版社

赵茂泰 《智能仪器原理及应用》（第三版） 电子工业出版社

第1章 概述

本章要求掌握的内容：智能仪器分类、基本结构及特点、智能仪器设计的要点 考试题（任选一题，10分）

1 智能仪器的含义是什么？它的主要特点是什么？ 2 智能仪器设计的一般过程有哪些？

第2章 数据采集技术

本章要求掌握的内容：数据采集系统的组成结构、模拟信号调理、A/D转换技术、高速数据采集与传输、D/A转换技术、数据采集系统设计 考试题（任选一题，20分）

1 设计一个MCS-51单片机与MC14433的接口电路，要求采用中断方式控制A/D转换，画出接口电路图并编写相应的控制程序

2 设计一个MCS-51单片机与D/AC0832的接口电路，已知：单片机CLK为12MHz，D/A转换器的地址为7FFFH，当输入数字范围为00H至FFH时，其输出电压范围为0-5V。画出接口电路图并编写相应的控制程序（输出2个周期的锯齿波） 第3章 人机接口

本章要求掌握的内容：键盘；LED、LCD、触摸屏

考试题（30分）

1 设计MCS-51单片机与液晶显示模块LCM-512-01A的接口电路，画出接口电路图并编写上下滚动显示WHLGDX(6个大写英文字母)的控制程序（包含程序流程图）。 第4章数据通信

本章要求掌握的内容：RS232C、RS485串行总线，USB通用串行总线，PTR2000无线数据传输

考试题（30分）

1 设计MCS-51单片机与IBM-PC的RS232C数据通信接口电路（单片机端含8位LED显示），编写从PC机键盘输入数字，在单片机的8位LED上左右滚动显示的通信与显示程序（包含程序流程图），PC机端的程序可用C语言或VB编写。

第5章 智能仪器的基本数据处理算法

本章主要掌握：克服随机误差的数字滤波算法，消除系统误差的软件算法、标度变换 考试题（任选一题，10分）

1 自动量程转换的原理是什么？怎样实现自动量程的转换？

2 数字滤波器和硬件滤波器相比较各有什么优缺点？举例说明。

说明：本课程为选修课，其中的考试题是智能仪器设计技术中必须掌握的知识。试卷题目与答题内容一并打印装订。

-第1章

本章要求掌握的内容：智能仪器分类、基本结构及特点、智能仪器设计的要点

智能仪器的含义是什么？它的主要特点是什么？

答：1含义：智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量(或检测)仪器，它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用(表现为智能的延伸或加强等) 。

2 特点：

(1) 测量过程的软件控制：CPU→ 软件控制测量过程 ；“以软代硬” →灵活性强、可靠性强

(2) 数据处理 ：数字滤波、随机误差、系统误差、非线性校准等处理→改善测量的精确度相关、卷积、反卷积、幅度谱、相位谱、功率谱等信号分析→提供更多高质量的信息

(3) 多功能化 ：一机多用(智能化电力需求分析仪)

微处理器AT89C521.3硬件设计

一、原理说明

1.2原理框图：

1.1知识简介：

DA转换电路及转换控制电路构成。

DAC0832第2章 数据采集技术

速数据采集与传输、D/A转换技术、数据采集系统设计

画出接口电路图并编写相应的控制程序（输出2个周期的锯齿波）

系统中得到了广泛的应用。这类D/A转换器由8位输入锁存器，8位DAC寄存器，8位

兼容，这个系列的芯片 以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用

D/A转换器的地址为7FFFH，当输入数字范围为00H至FFH时，其输出电压范围为0-5V。

设计一个MCS-51单片机与D/AC0832的接口电路，已知：单片机CLK为12MHz，

DAC0832当今世界在以电子信是8位分辨率的D/A转换集成芯片，与微处理器完全

本章要求掌握的内容：数据采集系统的组成结构、模拟信号调理、A/D转换技术、高

图1-1 DAC0832连接图

放大器示波器

1.4 DAC0832的引脚及功能：

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

图1-2 DAC0832管脚图

? 应用特性：

·DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制。这种芯片有许多控制引脚，可以和微处理器控制线相连，接受微处理器的控制，如ILE、/CS、/WR1、/WR2、/XFER端。

·有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出。 ·DAC0832内部无参考电压源；须外接参考电压源。

·DAC0832为电流输入型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。 DAC0832的引脚图及逻辑结构如下图：

图1-3 DAC0832结构框图及引脚排列

? 各引脚功能说明：

D0～D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；

ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；

WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；

XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效； WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。

IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化； IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；

Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度； Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；

VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；

AGND：模拟信号地 DGND：数字信号地 ? DAC0832

三种数据输入方式：

（1）双缓冲方式：即数据经过双重缓冲后再送入D／A转换电路，执行两次写操作才能完成一次D／A转换。这种方式可在D／A转换的同时，进行下一个数据的输入，可提高转换速率。更为重要的是，这种方式特别适用于要求同时输出多个模拟量的场合。此时，要用多片DAC0832组成模拟输出系统，每片对应一个模拟量。

（2）单缓冲方式：不需要多个模拟量同时输出时，可采用此种方式。此时两个寄存器之一处于直通状态，输入数据只经过一级缓冲送入D／A转换电路。这种方式只需执行一次写操作，即可完成D／A转换。

（3）直通方式：此时两个寄存器均处于直通状态，因此要将

、

、

和

端都接数字地，ILE接高电平，使LE1、LE2均为高电平，致使两个锁存寄存器同时处于放行直通状态，数据直接送入D／A转换电路进行D／A转换。这种方式可用于一些不采用微机的控制系统中或其他不须0832缓冲数据的情况。

二、程序编译

#include #include

#define da0832 XBYTE[0x7fff] main() {

unsigned char i,j; while(1)

{ for(i=0;i<=255;i++) { da0832=i;

for(j=0;j<=255;j++);} } }

第3章 人机接口

本章要求掌握的内容：键盘；LED、LCD、触摸屏

设计MCS-51单片机与液晶显示模块LCM-512-01A的接口电路，画出接口电路图并编写上下滚动显示WHLGDX(6个大写英文字母)的控制程序（包含程序流程图）。

一、 硬件设计

1.1 LCD1602 简介

1.1.1 LCD1602 引脚功能

LCD1602引脚如图2-1所示

图2-1 LCD1602引脚图

引脚图的功能如表2-1所示

表2-1引脚功能图

1.1.2 LCD1602显示模指令集

（1）清屏

功能：清DDROM值和AC值 （2）归位

功能：光标复位，光标返回到地址00H （3）输入方式设置

功能：设置光标，画面移动方式。

其中：I/D=1：数据读写操作后，AC 自加一；

I/D=0：数据读写操作后，AC 自减一； S=1：数据读写操作，画面平移； S=0：数据读写操作，画面不动； （4）显示开关控制

功能：设置显示、光标和闪烁开关。

其中：D 表示显示开关，D=1 为开，D=0 为关；

C 表示光标开关，C=1 为开，C=0 为关； B 表示闪烁开关，B=1 为开，B=0 为关。 （5）光标、画面位移

功能：光标、画面移动。

其中：S/C=1 画面移动一个字符位；

S/C=0 光标移动一个字符位； R/L=1:右移；R/L=0 左移。 （6）功能设置

功能：工作方式设置（初始化指令）。 其中：DL=1，8 位数据接口；

DL=0，4 位数据接口；

N=1，两行显示；N=0，一行显示； F=1，5*10 点阵显示；F=0,5*7 点阵显示。 （7）CGRAM 地址设置

功能：设置CGRAM 地址，A5～A0=0～3FH。 （8）DDRAM 地址设置

功能：设置DDRAM 地址。

其中：N=0，一行显示A6~A0=0~4FH；

N=1 两行显示，首行A6~A0=0~2FH，次行A6~A0=40~67H。

定义。

（11）读数据

（10）写数据

1.2系统电路图

（9）读BF 及AC 值

系统的电路图如2-2 所示：

功能：读忙BF 和地址计数器AC 的值。

图2-2 系统电路图

功能：根据最近设置的地址性质，从CGRAM 或DDRAM 数据读出。

功能：根据最近设置的地址性质，数据写入CGRAM 或DDRAM 中。

其中：BF=1：忙，BF=0：准备好。此时AC 值意义为最近一次地址设置（CGRAM 或DDRAM）

二、 软件设计

2.1系统框图

本课题的程序设计是在C 语言的基础之上的， LCD 显示程序框图如图2-3 所示：

开始ＬＣＤ初始化第一行显示数据指针指向字符第二行显示数据指针指向的下一个字符更改ＬＣＤ地址指针指向第一行数据指针＋１Ｎ是否到最后一个字符Ｙ数据指针清零图2-3 LCD显示程序框图

程序代码：

#include #include

#define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit lcdrs=P1^7; sbit lcdrw=P1^6; sbit lcde=P2^4; sbit e=P3^7;

uchar code table[]=\int len;

void delay(uint n) {

}

uint i,j;

for(i=0;i

void write_com(uchar com) { }

lcdrs=0; P0=com; delay(5); lcde=1; delay(5); lcde=0;

void write_data(uchar date) { lcdrs=1; }

void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData) {

Y&=1; X&=15;

if(Y) X|=0x40; X|=0x80;

write_com(X); P0=date; delay(5); lcde=1; delay(5); lcde=0;

write_data(DData); }

void init() {

lcdrw=0; lcde=0; e=1;

write_com(0x38); write_com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x01);

}

void main() { int i;

len=strlen(table); init(); while(1) {

for(i=0;i

}

{

DisplayOneChar(0,0,table[i]); DisplayOneChar(0,1,table[i+1]); delay(1000); }

第4章数据通信

本章要求掌握的内容：RS232C、RS485串行总线，USB通用串行总线，PTR2000无线数据传输

设计MCS-51单片机与IBM-PC的RS232C数据通信接口电路（单片机端含8位LED显示），编写从PC机键盘输入数字，在单片机的8位LED上左右滚动显示的通信与显示程序（包含程序流程图），PC机端的程序可用C语言或VB编写。

一、MAX232芯片介绍

方案论证

方案一：采用MC1489作为电平转换芯片，MC1489使用4.5V-5V电源供电 ,低功耗，有14引脚，最大额定电流26mv，价格相对较高。

方案二：采用MAX232作为电平转换芯片，+5V电源供电，供电电流5mA 低功耗，、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作，内部集成2个RS-232C驱动器，符合所有的RS-232C技术标准 且价格低廉。

由于考虑成本以及功耗和供电电压等因素，所以选择MAX232作为转换电平的芯片。 MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。

MAX220–MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供±12V电源的应用。

这些器件特别适合电池供电系统，这是由于其低功耗关断模式可以将功耗减小到5µW以内。MAX225、MAXX233、MAX235以及MAX245/MAX246/MAX247不需要外部元件，推荐用于印刷电路板面积有限的应用。 关键特性，对于低电压、集成ESD应用

MAX3222E/MAX3232E/MAX3237E/MAX3241E/MAX3246E：+3.0V至+5.5V、低功耗、最高1Mbps、真正的RS-232收发器，使用4个0.1µF外部电容(MAX3246E提供UCSP?

封装)

对于低成本应用。

MAX221E：±15kV ESD保护、+5V、1µA、单路RS-232收发器，带AutoShutdown?

图4-1 Max221E引脚与内部框图

串口通信介绍

串行通信的特点是：数据是按位的顺序进行传送，最少只需一根传输线即可完成，成本低但速度慢。计算机与外界的数据传送大多数是串行的，其传送的距离可以从几米到几千公里。并行通信的特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高。但并行数据传送有多少数据位，就需多少根数据线，因此传送成本高。

串行数据通信共有以下几种数据通路形式。 单工(Simplex)形式:

单工形式的数据传送是单向的。通信双方中一方固定为发送端，另一方则固定为接收端。单工形式的串行通信，只需要一条数据线。如图4-2(a)所示。例如计算机与打印机之

间的串行通信就是单工形式，因为只能是计算机向打印机传送数据，而不可能有相反方向的数据传送。

半双工(Half-duplex)形式:

半双工形式的数据传送也是双向的。但任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。因此半双工形式既可以使用一条数据线，也可以使用两条数据线。如图4-2所示。

全双工(Full-duplex)形式:

全双工形式的数据传送是双向的，且可以同时发送和接收数据，因此全双工形式的串行通信需要两条数据线。

图4-2串行通信框图

串行通信基本通信方式

按照串行数据的同步方式，串行通信可分为异步通信方式和同步通信方式。 异步通信方式

异步通信用起始位“0”表示字符的开始，然后由低位到高位逐位传送数据，最后用停止位“1”表示字符结束。异步通信数据传送按帧传送。图4-3（a）中一帧信息包括1位起始位、8位数据位和1位停止位。图4-3（b）中数据位增加到9位。在89S52中，第九位数据D8既可以用作奇偶校验位，也可以用作地址/数据帧标志，D8＝1表示该帧信息传送的是地址，D8=0表示传送的是数据。两帧信息之间可以无间隔，也可以有间隔，且间隔时间可任意改变，间隔用空闲位“1”来填充。

图4-3异步通信的数据格式

帧（frame）：从起始位开始到停止位结束的全部内容称之为一帧，帧是一个字符的完整通信格式，因此也就把串行通信的字符格式称之为帧格式。

起始位：发送器是通过发送起始位而开始一个字符的传送。起始位使数据线处于逻辑“0”状态。

数据位：起始位之后就传送数据位。在数据位中，低位在前（左），高位在后（右）。数据位可以是5、6、7或8位。

奇偶校验位：用于对字符传送作为正确性检查。共有3种可能，即奇校验、偶校验和无校验。

停止位：停止位在最后，用以标志一个字符传送的结束，它对应于逻辑“1”状态。停止位可能是1、1. 5或2位。

在实际应用中通信的双方根据需要，在通信发生之前确定上述内容。 同步通信方式

在同步通信中，每一数据块开头时发送一个或两个同步字符，使发送与接收双方取得同步。数据块的各个字符间，取消了每一个字符的起始位和停止位，所以通信速度得以提高。同步通信时，如果发送的数据块之间有间隔时间，则发送同步字符填充。

图4-4 同步通信的数据格式

串行通信总线标准及其接口

在设计通信接口时，根据需要选择标准接口，并考虑传输介质、电平转换等问题。根据传输距离不同，可以选择不同的总线标准。如果是短距离传送，只需要TX、RX和GND三根线。如果距离在15米左右，采用RS-232标准接口，可提高信号幅度加大传送距离。如果是长距离传送，可采用RS-485标准。

图4-5两种串行通信连接示意图

RS-232C标准

RS-232C标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的于1969年公布的通信协议，它规定了串行数据传送的连接电缆、机械特性、电气特性、信号功能及传送过程的标准。

1．电器特性

RS-232标准对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在数据线上，逻辑“1”的电平界于-3—-15V之间，逻辑“0”的电平界于+3—+15V之间；对于控制信号，接通状态（ON）即信号有效的电平界于+3V—+15V之间，断开状态（OFF）即信号无效的电平界于-3—-15V之间。介于-3V和+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也无意义。实际工作时，电平应保证在正负3—15V之间。

EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL

电路之间进行电平和逻辑关系的转换。目前广泛使用集成电路转换器件，如MC1489、SN75154芯片可实现EIA电平到TTL电平的转换，而MC1488、SN75150可完成TTL到EIA电平的转换。MAX232芯片可完成TTL到EIA双向电平的转换。

图4-6 TTL到EIA电平的转换

2．信号接口

与RS-232C相匹配的连接器有DB-25、DB-9，其引脚定义各不相同，下面只介绍DB-9连接器。DB9的引脚定义。

图4-7 DB9引脚图

二、串行通信流程图及程序

2.1单片机与pc机通信流程图

开始开始系统初始化Y打开串口了吗N得到应答了吗YN打开串口写入待发送数据读取数据发送数据循环显示数据下位机读取数据流程图结束上位机程序流程图

图4-8程序流程图

2.2硬件程序

2.2.1单片机程序：

#include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char

uchar code tab[]={0xc0 , 0xcf , 0xa4, 0xb0 , 0x99 , 0x92 , 0x82 , 0xf8 , 0x80 , 0x990 , 0x88 , 0x83 , 0xc6 , 0xa1 , 0x06 , 0x8e , 0xff};

uchar i,aa;

sbit P3_6=P3^6; void delay(uint n) { }

uint i,j;

for(i=0;i

void display(uchar n) { P2=_crol_(P2,1);

P0=tab[n]; delay(100);

}

void main() {

aa=0; P2=0xfe; TMOD=0X20; SM0=0; SM1=1; REN=1; TR1=1; EA=1; ES=1;

TH1=0XFd; TL1=0XFd; P3_6=1; while(1) { display(aa); }

}

void ser() interrupt 4 { }

RI=0;

aa=SBUF-0x30;

2.2.2上位机VB实现程序

Private Sub Command1_Click()

On Error GoTo uerror '发现错误跳转到错误处理 If Command1.Caption = \关闭串口\ MSComm1.PortOpen = False

Command1.Caption = \打开串口\

Else

MSComm1.CommPort = Combo1.ListIndex + 1 MSComm1.PortOpen = True

Command1.Caption = \关闭串口\ End If Exit Sub uerror:

msg$ = \无效端口号\ '错误提示 Title$ = \串口调试助手\ x = MsgBox(msg$, 48, Title$) End Sub

Private Sub Command2_Click()

MSComm1.Output = Text2.Text '按下按钮式发送写在text2中的字符串 End Sub

Private Sub Form_Load() Combo1.AddItem \ Combo1.AddItem \ Combo1.AddItem \ Combo1.AddItem \

Combo1.AddItem \Combo1.AddItem \Combo1.AddItem \Combo1.AddItem \

Combo1.ListIndex = 0

MSComm1.InputMode = comInputModeText '设置数据接收按字符串方式

MSComm1.InputLen = 0 '读取缓冲区内容

MSComm1.RThreshold = 1 '按接收到一个字节就触发一次oncomm事件 End Sub

Private Sub MSComm1_OnComm()

Text1.Text = Text1.Text & MSComm1.Input '接收到数据时把字符写到text1中 End Sub

第5章 智能仪器的基本数据处理算法

本章主要掌握：克服随机误差的数字滤波算法，消除系统误差的软件算法、标度变换 考试题（任选一题，10分）

3 自动量程转换的原理是什么？怎样实现自动量程的转换？ 答：1.自动量程转换的原理

当仪器的测量范围很宽时，由于传感器、A/D转换器、显示器等的分辨率有限，为了获得较高的测量精度，仪器应具有量程转换功能。自动量程能根据被测量的大小自动选择合适量程，以保证测量值有足够的分辨率和准确度。 2 .自动量程的转换的方法 (1)切换不同量程的传感器

单片机根据被测量的大小，控制开关S接触点1或2，使系统切换到不同量程的传感器上运行，此时需注意小量程传感器的保护。其电路组成如图2-7所示。 (2)改变放大器增益

在传感器和单片机之间引入可编程增益放大器或可编程电阻衰减网络，通过改变放大器的增益达到改变量程的目的。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6sfp.html