智能仪器实验指导书

1、智能仪器实验报告实验项目实验时间同组同学班级学号姓名2014年 4 月实验一 多路巡回数据数据采集系统一、实验目的1学习模 /数（ A/D ）转换的工作原理。2掌握芯片 ADC0809 与微控制器接口电路的设计方法。3掌握芯片 ADC0809 的程序设计方法。二、实验设备1实验用到的模块有“ SMP-201 8051模块”、 “ SMP-204 译码模块”、 “ SMP-101 8 位A/D 模块”、“ SMP-401 静态显示模块”。2短的 20P、 40P数据线各一根。3长的一号导线 3根，转接线一根。三、实验原理ADC0809 芯片是一种 8位采用逐次逼近式工作的转换器件。它带有8路模拟

2、开关，可进行8路模 /数转换，通过内部 3-8译码电路进行选通。启动ADC0809 的工作过程：先送信道号地址到 A、B、C三端，由 ALE信号锁存信道号 地址，选中的信道的模拟量送到 A/D 转换器，执行语句 MOVX DPTR，A产生写信号， 启动A/D转换。当A/D 转换结束时， ADC0809的EOC端将上升为高电平， 执行语句 MOVX A ， DPTR产生读信号，使 OE有效，打开锁存器三态门， 8位数据就读到 CPU中， A/D转换结 果送显示单元。 编程时可以把 EOC 信号作为中断请求信号， 对它进行测试， 用中断请求或查 询法读取转换结果。实验原理参考图 1-1。图 1-1

3、 多路巡回数据数据采集系统实验原理图本实验中 ADC0809 的 8位模拟开关译码地址为：IN0= 8800H IN1= 8801HIN2= 8802H IN3= 8803HIN4= 8804H IN5= 8805HIN6= 8806H IN7= 8807H四、实验内容步骤1将“ SMP-201 8051 模块”和 “SMP-204 译码模块”分别插放到“ SMP-2 主控制器 单元”挂箱的 CPU模块接口和译码模块接口上， 将“SMP-101 8位并行 AD模块”插放到“ SMP-1 信号转换单元”挂箱的 A/D 转换模块接口上，将“ SMP-401 静态显示模块”插放到“ SMP-4 键盘

4、与显示单元”的显示模块接口上。2用 20p的数据线将“ SMP-2 控制器单元”挂箱的 J7和“ SMP-1 信号转换单元”挂箱 的J1相连，用 40P的数据线将“ SMP-2 控制器单元”挂箱的 J8和“ SMP-1 信号转换单元”挂 箱的 J2相连，再用一号导线将“ SMP-201 8051 模块”上的、分别和“ SMP-401 静态显示模 块”的 DATA 、CLK 相连，“ SMP-201 8051模块”上的和“ SMP-101 8位并行 A/D模块”的 /0809INT 相连。3用短路帽端接“ SMP-204 译码模块”的 J1的2、3端，J2的2、3端， J3的1、 2端，用 短路

5、帽短接“ SMP-101 8位并行 AD 转换模块”中的 J1的2、3端。4将实验屏上的 0-30V 直流稳压电源（调节旁边的“调节电位器”，使其幅度为零） 接入到“ SMP-101 8位AD 转换模块”的 CH0；5安装好仿真器，用串行数据通信线连接计算机与仿真器，把仿真头插到“SMP-2018051模块”的单片机插座中；6检查上述模块及接线无误后，打开电源开关，打开仿真器电源； 7启动计算机，打开伟福仿真软件，进入仿真环境。选择仿真器型号、仿真头型号、 CPU类型；选择计算机通信端口，测试串行口。8打开文件夹“实验程序”下的“ 8051程序”中的“ 0809显示 .c”源程序，运行程序，

6、通过调节电位器改变直流稳压电源的输出幅度05V（最大值为 +5V ），则显示的数值为模拟信号经 CH0通道AD 转换后所得数值（范围为 00H0FFH）9.将实验屏上的 0-30V 直流稳压电源（调节旁边的“调节电位器”，使其幅度为零）并 联接入到“ SMP-101 8位AD 转换模块”的 CH0CH7，修改程序，进行标度变换使其显示值 和实验屏上的 0-30V 直流稳压电源一致，编译无误后，使其分时按下述格式显示各路数据。 格式为 :A ，其中 A为第几路通道，为所测电压值。五、实验参考程序（ 见“实验程序”下的“ 8051程序”中的“ 0809显示 .c”源程序六、实验报告1画出程序流程图

7、。2用 c 语言编制实验程序。3.调试结果分析实验二 温度测量一、实验目的了解常用的集成温度传感器（ AD590）基本原理、性能；掌握测温方法以及数据采集和 线性标度变换程序的编程方法。二、实验仪器智能调节仪、 PT100、AD590、温度源、 温度传感器模块， 传感器实验箱 （一）；“SMP-2018051 模块”、 “SMP-204 译码模块”、“ SMP-101 8 位 A/D 模块”、“ SMP-401 静态显 示模块”。三、实验原理集成温度传感器 AD590是把温敏器件、偏置 电路、放大电路及线性化电路集成在同一 芯片上的温度传感器。其特点是使用方便、外围电路简单、性能稳定可靠； 不

8、足的是测温范 围较小、使用环境有一定的限制。 AD590能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，在一 定温度下，相当于一个恒流源，一般用于50 150之间温度测量。温敏晶体管的集电极电流恒定时，晶体管的基极 - 发射极电压与温度成线性关系。为克服温敏晶体管Ub电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。本实验仪采用电流输出型集成温度传感器 AD590，在一定温度下，相当于一个恒流源。因此不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的 干扰，具有很好的线性特性。 AD590的灵敏度（标定系数）为 1 A/K，只需要一种 4V 30V 电源（本实验仪用 +5V），即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用

9、一只取样 电阻（本实验中为传感器调理电路单元中R2=100）即可实现电流到电压的转换，使用十分方便。电流输出型比电压输出型的测量精度更高。在实验一的基础上进行电压测量、标定、线性变换，最后显示出对应温度。图 2-1 温度传感器模块原理图四、实验内容与步骤1 参考“附录实验 PT100 温度控制实验”，将温度控制在 500C，在另一个温度传感器 插孔中插入集成温度传感器 AD590。2将15V直流稳压电源接至实验箱 （一） 上，温度传感器实验模块的输出 Uo2接实验台 上直流电压表。3按图 2-1 接线，并将 AD590引线的红色端接 “温度传感器模块” 的 a1，蓝色端接 “温 度传感器模块”

10、的 b1，并从实验台上接 +5V电源到 a1 端。调节 RW2大约在中间位置，用实 验台上“直流电压表”的 20V 档测量“温度传感器模块”的“ Uo2”端，再调节电位器 Rw1 使直流电压表显示为零。5按照图将信号引到差动放大器的输入Ui ，记下模块输出 Uo2 的电压值。6升高温度源的温度每隔 50C记下 Uo2 的输出值。直到温度升至 1200C。并将实验结果 填入表 2-1 。7.按照实验 1的 1-5 步骤搭建单片机 AD转换电路，将模块输出电压 Uo2接入到“SMP-101 8 位 AD 转换模块”的 CH0 ；8.编写数据采集程序及标度变换程序， 并进行调试， 检验程序的测量结果

11、是否与温度源 给定的温度一致。 （数据采集程序及硬件电路参考“实验一”的结果，线性标度变换公式 参考教材中的“标度变换”一节）五、实验报告1由记录的数据数据计算在此范围内整个测温系统的灵敏度，并画出标定出的拟合直 线。（端基法）表 2-1 温度与输出电压关系T（）Uo2（V）2由表 2-1 记录的数据计算在此范围内集成温度传感器的非线性误差。 3画出程序流程图。4用 c 语言编制实验程序。5. 调试结果分析实验三 转速测量（霍尔测速实验）一、实验目的了解霍尔组件的应用 测量转速；掌握用单片机测量转速的编程方法。二、实验仪器传感器实验箱（一）、霍尔传感器、 +5V、0-30V 直流电源、转动源、

12、频率/ 转速表；“SMP-201 8051 模块”、 “ SMP-401 静态显示模块”。三、实验原理利用霍尔效应表达式： UHKHIB，当被测圆盘上装上 N 只磁性体时，转盘每转一周磁场 变化 N 次，每转一周霍尔电势就同频率相应变化， 输出电势通过放大、 整形和计数电路就可 以测出被测旋转物的转速。利用实验仪上电位器输出可调电压，控制直流电机。调节输出电压值，改变电机转速， 用单片机内的计数器测量转速传感器霍尔传感器的输出脉冲信号频率，计算电机转速。四、实验内容与步骤1安装根据图 3-1 ，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的 磁钢。图 3-12将 +5V电源接到传感器

13、实验箱（一）上“霍尔转速传感器”的“+5V输入”插座中，“霍尔”输出接到频率 /转速表 （切换到测转速位置） 。“ 0-30V ”直流稳压电源接到 “转动源” 的“转动电源”输入端（输出电压调到零）。3合上实验台上电源，调节 0-30V 输出，可以观察到转动源转速的变化。4. 频率测量用到的模块有“ SMP-201 8051 模块”，将“霍尔”输出接至 8051 的 T0 端，编写频率测量程序，并调试程序，检查测量结果是否与频率 / 转速表结果一致。 （借鉴 实验一相关电路和编程）五、实验报告1分析霍尔组件产生脉冲的原理。2画出程序流程图。3用 c 语言编制实验程序。4. 调试结果分析实验四

14、自动量程切换一、实验目的1. 了解仪器量程的概念，量程切换原理。2. 了解多路开关在模拟量输入通道中的应用。3. 掌握实现自动量程切换的硬件电路和编程方法。二、实验原理与要求用电位器调整输入电压值，利用实验板上的 AD774 A/D 转换器、多路模拟开关 MPC508 和可编程增益放大器 AD526和 C8051 单片机构成单路电压测量系统，对输入电压进行测量。图 4-1 自动量程切换实验原理图对输入电压的量程判断是通过不断改变可编程增益放大器AD526的增益实现的。 AD526通过编程可输出 1、2、4、8、 16 五档不同的增益，本实验取其增益为1。实验中 AD774 输入电压为 10V那

15、么经衰减后的电压应该在 0-10 。取衰减电阻网络中的电阻分别为1K、1K、2K，可以实现三个量程的切换。 假设输入信号在 0-40V 内（根据实验台条件提供） ，则 0-10V 范围的电压不需要衰减， 10-20V 范围的电压需要衰减一半， 20-40V 范围内的输入电压需要 衰减为原值的 1/4 。实验中，我们假设输入电压分别为6V、12V、 24V，编写具有自动量程切换功能的电压测量程序，将采集的电压值以数字量形式存于内存中。来观察内存中相应的量程和AD转换结果。三、实验内容及说明 实验电路图请参考实验指导书附录中的“12位并行 AD 模块”部分（图 4-2所示），1 8通道多路开关 M

16、PC508在此模块中， MPC508（ U1）为8通道多路开关， 其引脚图如图 8-2及主要功能说明如下： INn（n=1 8）为 8通道模拟量输入端， A0 、A1 、A2为通道选择控制端， EN为使能端，它们之 间的关系见真值表 8-1所示。要访问 MPC508 多路开关，只要对端口地址（ 8C00H8CFFH 范 围中的一个地址）写入相应的数据，从而选通相应的通道。表4-1 MPC508 通道选择2 可编程增益放大器 AD526AD526 （ U2 ）为可编程增益放大器， A2、A1、A0、B四端为控制增益的代码输入端， CS 、 CLK 为使能端， VIN 端为信号输入端， VOUT

17、端为信号输出端，它们之间的关系见真 值表 4-2，通过编程可以很方便的设置 1、2、4、8、16不同的增益。要访问 AD526 可编程增益放大器， 只要对端口地址 （8B00H 8BFFH范围中的一个地址） 写入相应的数据，从而选择对信号不同的放大倍数。表4-2 AD526 增益设置控制3 A/D 转换器 AD774BAD774B （U5）为 12位逐次逼近型快速 A/D 转换器，其转换速度最大为 8S，引脚说明 如下：V LOGIC ： 数字逻辑部分电源 +5V 。12/8： 数据输出格式选择信号引脚。当 12/8=1（+5V ）时，双字节输出，即 12 位数据同时有效输出，当 12/8=0

18、（0V）时，为单字节输出，即只有高 8位或低 4位有效。CS ： 片选信号端，低电平有效。A 0 ： 字节选择控制线。R/C： 读数据 /转换控制信号，当 R/ C=1，ADC 转换结果的数据允许被读出；当 R/ C =0时，则允许启动 A/D 转换。CE： 启动转换信号，高电平有效。12V 或 15V 。VCC 、 VEE ：模拟部分供电的正电源和负电源，为REF OUT ： 10V 内部参考电压输出端。REF IN ：内部解码网络所需参考电压输入端。REF OFF： 补偿调整。接至正负可调的分压网络，以调整ADC 输出的零点。10VIN 、10 VIN ：模拟量 10V，20V量程的输入端

19、口，信号的一端接至 AG引脚。 DGND： 数字公共端（数字地）。AGND ： 模拟公共端 （模拟地）。DB0 DB11：数字量输出。STS： 输出状态信号引脚。转换开始时， STS达到高电平， 转换过程中保持高电平。转换完成时返回到低电平。STS可以作为状态信息被 CPU查询，也可以用它的下降沿向 CPU发中断申请，通知 A/D 转换已完成， CPU可以读取转换结果。四、实验步骤1 本实验需要用到的实验模块包括：“SMP-102 12 位并行 AD 模块”，“ SMP-202C8051模块” ，“ SMP-204 译码模块”。2 把上述模块分别插放到相应的实验挂箱所在位置。3 在确保上述模块

20、插放无误后，用扁平信号线连接“SMP-1 信号转换单元”挂箱的“J2”与“ SMP-2 控制器单元”挂箱的“ J8”；“ SMP-1 信号转换单元”挂箱的“ J1”与 “SMP-2 控制器单元”挂箱的“ J7”。4 将“SMP-2 控制器单元” 挂箱的“切换模块” 切换到下列状态： SW1（全部 OFF）， SW2（全部 OFF）， SW3（全部 OFF）， SW4（全部 OFF）。5 将“ SMP 204 译码模块”上的插针 J1的2、3用短路帽短接， J2的2、3用短路帽短 接， J3的1、2用短路帽短接，给系统上电。6 在“ SMP-102 12位并行 AD 模块”的“ CH0 ”和“

21、CH1”处接入 2K电阻，“ CH1” 和“ CH2”处接入 1K电阻，“ CH2”和 GND处接入 1K电阻。7 打开“实验程序 /C8051实验程序 /多路开关”文件夹下和项目文件，阅读、分析、 理解程序，参照图 4-3所示流程图，用 C语言编写多量程切换程序。用适配器连接PC机和系统MCU ，编译、生成项目、下载程序；8 在“ SMP-102 12位并行 AD模块”的“ CH0”接入 6V输入电压。在程序中的设置断 点，全速运行程序到每个断点处。观察“ SMP-102 12位并行 AD 模块”上的 A0A1 处的通 道选择指示灯的变化情况，并观察调试软件AD 转换后所得数值。9 依次在“

22、 SMP-102 12位并行 AD模块”的“ CH0”接入 12V 、24V 的电压信号，重 复上述实验步骤 8。图 4-2 12 位并行 AD 模块图 4-3 量程切换程序流程图五、实验报告1用 c 语言编制实验程序。2. 调试结果分析附录实验 PT100 温度控制实验、实验目的了解 PID 智能模糊 +位式调节温度控制原理。二、实验仪器智能调节仪、 PT100、温度加热源。三、实验原理位式调节位式调节 （ ON/OFF）是一种简单的调节方式， 常用于一些对控制精度不高的场合作温度 控制， 或用于报警。 位式调节仪表用于温度控制时， 通常利用仪表内部的继电器控制外部的 中间继电器再控制一个交

23、流接触器来控制电热丝的通断达到控制温度的目的。PID 智能模糊调节PID 智能温度调节器采用人工智能调节方式， 是采用模糊规则进行 PID 调节的一种先进 的新型人工智能算法， 能实现高精度控制， 先进的自整定 （ AT）功能使得无需设置控制参数。 在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除 PID 饱和积分现象，当误差趋小时，采用 PID 算法进行调节， 并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化， 具有无 超调、高精度、参数确定简单等特点。温度控制基本原理 由于温度具有滞后性，加热源为一滞后时间较长的系统。本实验仪采用 PID 智能模糊 + 位式双重调节控制温度。 用报警方式

24、控制风扇开启与关闭， 使加热源在尽可能短的时间内控 制在某一温度值上， 并能在实验结束后通过参数设置将加热源温度快速冷却下来， 可以节约 实验时间。当温度源的温度发生变化时， 温度源中的热电阻 Pt100 的阻值发生变化， 将电阻变化量 作为温度的反馈信号输给 PID 智能温度调节器，经调节器的电阻 - 电压转换后与温度设定值 比较再进行数字 PID 运算输出可控硅触发信号（加热）和继电器触发信号（冷却），使温度 源的温度趋近温度设定值。 PID 智能温度控制原理框图如图 5-1 所示。图 5-1 PID 智能温度控制原理框图三、 实 验内容与步骤1将加热源箱子和实验台按图 5-2 接线。2.

25、 打开屏上的电源和智能调节仪的电源，以及加热箱的加热开关。3按住约 3 秒， PV 窗口显示“”进入智能调节仪参数设定，继续按 键，PV 窗口显示各个参数， SV窗口显示对应参数的值， 按“ ”可改变参数值小数点位置， 按 、 可改变 SV窗口参数的值。各个参数的值可按下表 5-1 设置表 5-1AL1给定温度值dp1AL2给定温度值P SH200P不用设P SL0I不用设OUTL0d不用设OUTH200AtOnALP11t2ALP22HyCOOL0Hy-1OPPO100Hy-2LOCK0Pb0SnPt1FILT20OP AZero4设定好参数值，回到初始测量状态。按键一秒使 PV窗口显示 S

26、P，按 或 键可修改 SV窗口的给定值，按“”键可改变小数点位置。这里先设置为。5按住“”键 3 秒不放，再进入参数设定状态，按 3 的说明设定 ALM1为、 ALM2为。6经过一段时间就可以将温度源的温度控制在500C左右。7重复第 4 步和第 5 步，将给定值和上、下限报警值改为55，经过几个周期的振荡，可将温度源的温度稳定在新的给定值550C。表 5-2参数参数含义说明设置范围实设定 值ALM1上限报警测量值大于 ALM1+Hy 值时将产生上限报警。测量值小于ALM1-Hy 时仪表解除上限报警， 设置 ALM1 到其最大值 （ 9999） 可避免产生报警作用。-1999-+9999 或

27、1 定义单位给定 值ALM2下限报警测量值小于 ALM2-Hy 值时将产生下限报警。测量值大于 ALM2+Hy 时仪表解除下限报警， 设置 ALM1 到其最大值 （9999） 可避免产生报警作用。同上给定 值Hy-1正偏差 报警采用人工智能调节时，当偏差（测量值 PV 减给定值 SV ）大于 Hy-1+Hy 时产生正偏差报警。 当偏差小于 Hy-1-Hy 时正偏差报警 解除。设置 Hy-1=9999 ，正偏差报警功能被取消。0-99990C 或 1 定义单位Hy-2负偏差 报警采用人工智能调节时，当偏差（测量值 PV 减给定值 SV ）大于 Hy-2+Hy 时产生负偏差报警。 当偏差小于 Hy

28、-2-Hy 时负偏差报警 解除。设置 Hy-2=9999 ，负偏差报警功能被取消。同上Hy回差（死 区、滞环）回差用于避免因测量输入值波动而导致位式调节频繁通断或报警频繁 / 解除。0-20000C 或 1 定义单位FILT测量采样的软件滤波常数20I保持参 数I、P、d、 t 等参数为人工智能调节算法的控制参数I 参数值主要决定调节算法中积分的作用，和 PID 调节的积分时 间类同。0-9999或1定 义单位自动设置P速率参 数P 值类似 PID 调节器的比例带，但变化相反， P 值越大，比例、 微分作用成正比例增强， 而 P值越小， 比例、微分作用相应减弱。1-9999自动设置d滞后时 间滞后时间参数 d 是人工智能算法相对标准