智能仪器设计报告
南京理工大学紫金学院电光系
摘要
本课题是设计并制作一个基于单片机和Labview的智能数字电压表，实现电压的自动换挡，提高测量精度。电压表分成三档0~100mV；100mV~1V；1~5V，利用程控增益放大器改变放大器的放大倍数，将各档内的输入电压依次放大50倍，5倍，1倍；程控放大器的输出端经ADC0809进行A/D转换，转换结果传输给AT89C51，AT89C51根据结果将信息反馈给多路选择器从而改变放大器放大倍数的，并利用串行通信发送给上位机，在Labview上实现测量数据的显示。
关键词：智能数字电压表 AT89C51 A/D转换 程控放大器
引言
《智能仪器课程设计》是一门理论和实践相结合的课程。它融入了现代电子设计的新思想和新方法，将智能仪器和虚拟仪器的理论和知识相结合，再结合所学的模拟电路和数字电路及单片机的理论和知识，设计、制作一个智能数字电压表，通过理论和实际的应用，帮助学生进一步提高系统的知识和实际设计能力。
本课程对于推动信息电子类学科面向21世纪课程体系和课程内容改革，引导、培养大学生创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，加强学生工程实践能力的训练和培养，促进广大学生踊跃参加课外科技活动和提高毕业生的就业率都会起到了良好作用。
1 主要技术指标和要求
1.1（1）输入电压：0~5V（直流）；
（2）分成三档：0~100mV；100mV~1V；1~5V；
（3）自动根据输入电压换挡；
（4）测量精度：最大值的0.4%；
（5）自动校零；
（6）利用虚拟仪器实现测量结果在微机上显示
1.2 实物要求
根据智能仪器的设计要求，在仿真的基础上，对系统的程控放大器在面包板上完成连接、装配、调试并和单片机的开发系统连接并通过开发系统与微机连接，最后在微机上显示所测的电压数值。
1.3 实验仪器
单片机与微机；功率函数信号发生器： SP1631A；万用表：UNI-T
1.4 主要器件及典型电路形式
（1）本次课程设计用器件介绍 ：
单片机实验箱、微机、OP07、AD0808、Protues、Protel、Labview、Keil C51、
（2）典型数字电路形式和模拟电路：
程控运放电路
2 工作原理：
2.1 智能仪器数字电压表电路设计
1. 软件设计总流程图：
2. 各个组成模块：
I.量程自动切换电路:
同相放大器的放大增益为：K=1+Rf/RS , 在本电路中使R6、R7分别为R5的50 倍和5倍。与多路选择开关配合，使电路分别放大50、5和1倍。
CD4052真值表：
II.A/D采集和输出电路:
元器件引脚图，真值表
OP07
OP07的功能介绍：OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
OP07引脚图
1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，
5空脚 6为输出，7接电源
CD4052
CD4052是一个双4选一的多路模拟选择开关，具体接通哪一通道，由输入地址码AB来决定
管脚图：
真值表：
2.2 实验内容
#include <reg51.h>
#include <intrins.h>
#include <absacc.h>
#define PINO XBYTE[0X7FF8]
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit CD4052_A=P1^0 ;
sbit CD4052_B=P1^1;
void delay(uint i)
{ uint j=0;
while (j<i)
j++;
}
void vart_uint()
{ TMOD=0X20;
TH1=0XFA;
TL1=0XFA;
TR1=1;
PCON=0X80;
SCON=0X50;
}
void vart_tx_byte(uchar tx_data)
{ TI=0;
SBUF=tx_data;
while (!TI);
TI=0;}
void vart_tx(uchar voltage,uchar gain)
{ vart_tx_byte(0X7E);
vart_tx_byte(0X02);
vart_tx_byte(voltage);
vart_tx_byte(gain);
}
uchar read_adc0808()
{ uchar adc_data;
PINO=0;
delay(200);
adc_data=PINO;
return adc_data;
}
void tx_voltage()
{
uchar adc_data;
CD4052_A=0; CD4052_B=0;delay();
adc_data=read_adc0808();
if (adc_data<0XFF)
vart_tx(adc_data,50);
else { CD4052_A=1; CD4052_B=0;delay();
adc_data=read_adc0808();
if(adc_data<0XFF)
vart_tx(adc_data,10);
else { CD4052_A=0; CD4052_B=1;delay();
adc_data=read_adc0808();
if(adc_data<0XFF)
vart_tx(adc_data,1);
}
}
}
void main()
{
uchar i;
vart_uint();
while(1)
{
tx_voltage();
for(i=0;i<50;i++)
delay(1000);
}
}
II.Proteus原理图：
III．实验数据：
50档： 输入： 26.5mv 输出： 1.267v
40.4mv 1.937v
反馈电阻 Rf=240KΩ 理论放大 49倍 实际放大 48倍
5档: 输入： 161.8mv 输出: 800mv
567mv 2.831v
反馈电阻 Rf=20KΩ 理论放大 5倍 实际放大 4.95倍
1档 输入： 1.29v 输出: 1.37v
3.46v 3.65v
电路-电压跟随器 理论放大 1倍 实际放大 1.05倍
3 单元模块设计
3.1 程控放大器的设计
程控放大器实现多个放大倍数，确保输出电压在0~5V之间，能有效输入到ADC0809。
同相放大器的放大增益为：K=1+ Rf/ Rs，在本电路中使R2、R3、R4分别为R6的49 倍、4倍和趋于0倍。与多路选择开关配合，使电路分别放大50、5和1倍。
3.2 A/D采集电路的设计
包括启动、等待、采集数据。ADC0809系列内部含有三—八译码电路，以控制分别选通八个模拟输入通道，首先确定ADDA、ADDB、ADDC（一般用P0口的P0.0、P0.1、P0.2），在ALE信号下将该地址锁存在AD0809内部的地址锁存器中，经译码后选通指定的模拟通道。然后在START引脚上输出一个脉冲以启动A/D转换。EOC端上电平在A/D转换期间为低，转换后变成高电平，可作为查询中断信号使用。当OE为低电平时，D0-D7为高阻状态，当A/D转换完 成后，在OE引脚上给高电平可使转换结果出现在数据总线D0-D7上。
3. 3 单片机电路
3.4 串口电路
3.5 Labview显示界面
4.系统测试
当输入电压为50mv时，电压表为第一档，即放大倍数为50，串口发送如下图所示，电压为80，即D=128/255*5=2.51V，放大倍数约为50.
当输入电压为0.1v时，电压表为第二档，即放大倍数为5，串口发送如下图所示，电压为33，即D=51/255*5=1 v,放大倍数约为5。
当输入电压为2v时，电压表为第三档，即放大倍数为1，串口发送如下图所示，电压为6D，即D=109/255*5=2.13v,放大倍数约为1。
Labview与proteus联合测试
5.设计总结
1.通过本次实验，我了解和掌握了电子系统研发产品的一个基本流程，即软件设计—软件仿真—硬件安装—硬件调试。这个过程是不可跳跃的，前者是后者的基础，所以我们应该认真对待软件设计和仿真环节，观察实验异常现象，认真分析其出现原因，因为硬件调试的时候可能会出现类似的情况。
2.复习和回顾了以前的知识。其中既有软件操作，例如用keil编写代码，用proteus实现软件仿真，通过串口连接收发数据等；又有书本上的知识，比如自动量程选择的实现方法，通过多路选择开关CD4052实现自动换挡，运算放大器的反馈电路，各种芯片的管脚作用等。
参 考 文 献
[1] 史健芳．智能仪器设计基础．北京：电子工业出版社．2009
[2] 闫玉德、葛龙、俞虹．单片微型计算机原理与设计．北京：中国电力出版社．2010
[3] 张重雄 虚拟仪器技术分析与设计 北京：电子工业出版社 2007
紫金学院．微型与单片机原理及应用实验指导书.
第二篇：智能仪器设计基础
《智能仪器设计基础》试题
一、判断题（每题 2 分，共 20 分）
1. 因中值滤波满足比例不变性，所以是线性的滤波器。（ ）
2. 基准电压Vr 的精度和稳定性影响零位误差、增益误差的校正效果。（ ）
3. 测量获得一组离散数据建立近似校正模型，非线性校正 精度与离散数据精度无关，仅与建模方法有关。（ ）
4. RS232 通信采用的是TTL电平，因此它的传输距离比485 短。（ ）
5. USB协议为设备定义了2种供电模式:自供电和总线供电。在自供电模式下，USB设备不需要任何外接电源设备。（ ）
6. LCD显示器有静态驱动和叠加驱动两种驱动方式，这两种驱动方式可在使用时随时改变。 （ ）
7. 智能仪器中的噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果。 ( )
8. 软件开发过程的三个典型阶段是定义、开发和测试。（ ）
9. RAM 测试方法中，谷值检测法无法检测 “ 粘连 ” 及 “ 连桥 ” 故障。（ ）
10.曲线拟合要求 y=f（ x ）的曲线通过所有离散点（ x i ， y i ）。（ ）
二、选择题（每题 2 分，共 20 分）
1. 多通道数据采集系统的框图如下图所示。其中（ 1 ）~（ 4 ）各部分的组成为:( )
A. 放大器、A/D 转换器、D/A 转换器、计算机
B. 多路开关、放大器、A/D 转换器、计算机
C. 多路开关、放大器、D/A 转换器、计算机
D. 放大器、多路开关、A/D 转换器、D/A 转换器
2. 仪器采集数据中存在随机误差和系统误差，基本数据处理顺序是:( )
A. 系统误差消除→数字滤波→标度变换
B. 数字滤波→系统误差消除→标度变换
C. 标度变换→系统误差消除→数字滤波
D. 数字滤波→标度变换→系统误差消除
3. 设采集数据由信号加噪声构成，应根据( )确定滤波算法？
A. 噪声统计规律
B. 信号特征和 噪声统计规律
C. 信号特征
D. 只能用多种滤波算法试验，由处理效果确定。
4. 采样保持器的作用是( )
A. 提高系统的采样速率
B. 保持系统的数据稳定
C. 保证在A/D转换期间ADC前的模拟信号保持不变
D. 使A/D 转换器前信号能跟上模拟信号的变化
5. 采集数据中含有脉冲性干扰，信号为直流，则应选择( )滤波算法。
A. 算数平均法
B. 加权平均法
C. 限幅滤波法
D. 去极值平均法
6. 在开发USB系统的时候，首要的任务是利用( )实现设备的枚举过程，提供各种设备信息。
A. 中断传输
B. 控制传输
C. 同步传输
D. 批量传输
7．若非编码矩阵键盘的列线外接下拉电阻，该矩阵的扫描码应是( )。
A．行线输出高电平
B．列线输出高电平
C．行线输出低电平
D．列线输出低电平
8．在智能仪智中，A/D 转换的抗干扰技术包括( )。
A. 对差模干扰的抑制
B. 对共模干扰的抑制
C. 采用软件方法提高A/D抗干扰能力
D. 以上三种都包括
9．在进行数字电路的可测试性设计时，下面说法错误的是( )。
A．设计上应避免“线或”逻辑
B．所有不同相位和频率的时钟都应来自单一主时钟
C．数字电路应设计成主要以异步逻辑电路为基础的电路
D．电路应初始化到一明确的状态，以便确定测试的方法
10．下面( )调试方式在目标机不存在的情况下也可以进行代码的调试。
A．ROM 仿真器
B．在线仿真器
C．片上调试
D．JTAG
三、填空（每空2分，共20分）
1．假设一 12 位的 A/D 转换器，其满量程电压为 10V ，则它的分辨率是_____ 。
2．某仪器的非线性采用分段线性插值法进行校正，设段数为4，最少需要_____对（X i ，Y i ）已知实验数据。
3．利用 8 片模拟多路开关 CD4051 设计 64 路的输入通道。已知 CD4051 的漏电流为 20nA ，开关导通电阻
300Ω ，设信号源内阻 1000 Ω 。则多路开关漏电流和导通电阻产生的误差大小为_____ 。如果采用级连方式
连接，则需要多路开关_____片。用级连方式连接电路产生的误差大小为_____ 。
4． 某智能温度测量仪采用 8 位ADC ，测量范围为10 ～100 ℃，仪器采样数据经滤波和非线性校正后的数字量
为0028H 。A0=10 ℃，Am=100 ℃，Nm=FFH=255 ，Nx=28H=40 。则对应的实测温度是_____ 。
5. 设在某数据采集系统中，对正弦信号 U=（ U msin ω t ）/2 采样。采/保的孔径时间 tAP=20ns ， A/D 转换
器的位数为 12 位，求采样精度达到 1LSB 的最高信号频率是_____ 。若 S/H 的捕捉时间 tAC=3 μs ，稳定时间
ts=2 μs ， A/D 转换时间 tCONV=40 μs ，输出时间 tOUT=4 μs 则通道的吞吐率是_____ 。
6．检测直流电压信号由于50Hz 工频干扰使测量数据呈现周期性波动。设采样周期Ts=1ms ，采用算数平均滤波算法，
消除工频干扰。选择平均点数 _____。
7．某种仪器 100 台，工作 1000h ，假设有 2 台发生故障，则这种仪器的千小时的可靠率为_____ 。
四、简要回答下列问题（ 25 分）
1. 简述推动智能仪器发展的主要技术。
2. 简述智能仪器设计的基本原则。
3. 简述 USB 既插既用机制实现的原理。
4. 可靠性是智能仪器中一个重要的技术指标。请写出智能仪器中常用的提高硬件和软件可靠性的方法。
5. 什么是可测试性？智能仪器设计中引入可测试性设计有什么优缺点？
五、设计题 （15分）
试设计一温度检测系统。要求系统能检测 8 路温度信号（假设温度传感器的输出信号幅度 0~25mV ），测试
的温度范围为 0~500 ℃，温度分辨率为 0.5 ℃。测试的最终结果用 LCD 显示器或 LED 显示器显示出来。对多通
道的测量信号要有自动巡回检测的功能和选择某一通道进行单一测量的功能。若采用自动巡回检测方式，要求每一
通道每秒钟检测 100 次。仪器要具有与其它仪器或微机进行通讯的能力。画出仪器的硬件框图，并说明每部分的参
数及其选择原则。
（1） 根据设计要求，放大器的放大倍数至少应为多少？
（2） A/D 转换器至少应选择多少位的？
（3） A/D 转换器的速率至少为多少？
（4） 根据设计要求，如果选用 LED 显示器，至少应用几位 LED 显示？
（5） 测试系统与外界的通讯如选用串行通信，你准备选择哪种总线？它的最远传输距离是多少？
（6） 如果系统用 89C51 单片机做控制器，用字符式 LCD 显示模块做显示器，请画出图 2 中单片机与显示模块的
三根控制线 RS 、 R/W 和 E 的接口电路。
这三根控制信号的时序图如图 1 ，它们的功能为：
RS ：寄存器选择输入线。当其为低电平时，选通指令寄存器；高电平时选通数据寄存器。
R/W ：读/ 写信号输入线。低电平为写入，高电平为读出。
E ：使能信号输入线。读状态下，高电平有效；写状态下，下降沿有效。
图 1
图 2