智能仪器第八章 设计实例举例

★智能仪器设计原则与步骤

★固体密度测试仪的研制

★地下管道漏水检测仪设计第八章设计实例第一节智能仪器的设计原则及研制步骤智能仪器的研制开发是一个较为复杂的过程。为实现仪器的指标与功能，提高研制效率，取得一定的研制效益，应遵循正确的设计原则、按照科学的研制步骤来开发智能仪器。一、明确基本要求

二、遵循设计原则

三、科学研制步骤

智能仪器设计一、智能仪器设计的基本要求无论仪器的规模多大，其基本设计要求大体上是相同的，在设计和研制智能仪器时必须予以认真考虑。

1.技术(经济)指标及功能

2.可靠性

3.便于操作和维护

4.工艺结构与造型设计主要技术指标：

精度、分辨能力、测量范围、工作环境条件、稳定性。经济指标:研制投入\市场价格\需求量\利税\节能\应具备的功能：

输出、人机对话、通信、报警提示、仪器状态的自动调整等。1.技术指标及功能应满足要求2．可靠性要求与设计

仪器可靠性是最突出也是最重要的性能。

直接影响测量结果的正确与否将影响工作效率仪器信誉在线检测与控制类仪器更是如此，由于仪器的故障造成整个生产过程的混乱，甚至引起严重后果。应采取各种措施提高仪器的可靠性，从而保证仪器能长时间稳定工作。可靠性设计与实验：

硬件可靠性设计软件可靠性设计

EMC设计2．可靠性要求与设计

在仪器设计过程中，应考虑操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识的要求，以便产品的推广应用。仪器的控制开关或按钮不能太多、太复杂，操作程序应简单明了，从而使操作者无需专门训练，便能使用方法。

3．便于操作和维护可维护性:仪器结构要规范化、模块化，并配有现场故障诊断程序，能保证有效地对故障进行定位，以便更换相应的模块，使仪器尽快地恢复正常运行。故障诊断、可测试性3．便于操作和维护4．仪器工艺结构与造型设计要求

仪器结构工艺:是影响可靠性的重要因素，首先要依据仪器工作环境条件，是否需要防水、防尘、防爆密封，是否需要抗冲击、抗振动、抗腐蚀等要求，设计工艺结构；

仪器的造型设计:总体结构的安排、部件间的连接关系、面板的美化等都必须认真考虑，最好由结构专业人员设计，使产品造型优美、色泽柔和、外廓整齐、美观大方。二、智能仪器设计三原则

1.从整体到局部(自顶向下)的设计原则2.较高的性能价格比原则3.组合(集成)化与开放式设计原则

仪器性能和功能要求出发，提出总体设计方案和功能框图，在硬件或软件设计时，把复杂的、难处理的问题，分为若干个较简单的、容易处理的问题，然后再一个个地加以解决。

1.从整体到局部设计原则仪器功能和要求

提出总任务绘制硬件和软件总功能框图分解成可独立表征的一批子任务：单独的实体进行设计和调试子任务分解：足够简单容易实现整体到局部

最底层子任务：采用通用模块（函数）最低的难度最高的可靠性1.从整体到局部设计2.较高的性能价格比原则仪器的造价：研制成本、生产成本、使用成本。设计时不盲目追求复杂、高级的方案。在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单成熟的方案，意味着元器件少，开发、调试、生产方便，可靠性高。

样机研制成本：系统设计、调试和软件开发，硬件成本不是考虑的主要因素。

生产成本：生产数量越大，每台产品的平均研制费就越低，仪器硬件成本对产品的生产成本有很大影响。

使用成本：维护费、备件费、运转费、管理费、培训费等。必须综合分析后做出选用方案的正确决策。

2.较高的性能价格比原则3．集成化与开放式设计原则

电子与计算机应用系统面临三个突出的问题：

★

产品更新换代太快；★市场竞争日趋激烈；★满足用户不同层次和不断变化的要求。

在电子工业和计算机工业中推行一种不同于传统设计思想的所谓“开放系统”的设计思想。“开放系统”的设计思想在技术上兼顾今天和明天，既从当前实际可能出发，又留下容纳未来新技术机会的余地；向系统的不同配套档次开放，着眼于社会的公共参与，发挥各方面厂商的积极性创造条件；向用户不断变化的特殊要求开放，兼顾通用的基本设计和用户的专用要求。开放式系统设计的思路

基于国际上先进的工业标准微机结构（嵌入式），针对不同的用户系统要求，选用相应的有关功能模块组合成最终用户的应用系统。系统设计者将主要精力放在分析设计目标，确定总体结构，选择系统配件等方面，而不是放在部件模块设计及用于解决通用软件的开发设计上。集成化设计方法

开放式体系结构和技术发展，导致了工业测控系统采用集成化设计方法的流行，即针对不同的应用系统要求，选用成熟的现成硬件模板和软件进行集成。集成化设计的基础是模块化(又称积木化)，硬、软件功能模块化是实现最佳系统设计的关键。

现成的功能模块，简化设计并缩短设计周期。结构灵活，便于扩充和更新，使系统的适应性强。维护方便快捷。功能模板可以组织批量生产，使质量稳定并降低成本。集成化设计方法的优点三、智能仪器的研制步骤

确定设计任务并拟定设计方案硬件和软件研制

软硬件综合调试整机性能测试和评估

三个阶段

1.确定设计任务、拟定设计方案项目调研,了解现状和动向，明确任务、确定指标功能

写出设计任务书

拟定设计方案

《仪器设计任务书》

●主要作用：

a.研制单位设计仪器的立项基础；

b.反映仪器的结构、规定仪器的功能指标，明确研制人员的设计目标；

c.作为研制完毕进行项目验收的依据。《仪器设计任务书》主要内容仪器名称、用途；特点及简要设计思想;c.主要技术指标;d.仪器应具备的功能；e.仪器的设备规模；f.系统的操作规范。拟定设计方案

《仪器设计任务书》硬件与软件的划分、折衷确定微机系统的构成

硬件设计方案软件设计方案2．硬件、软件研制阶段

硬件研制：采用功能强的芯片以简化电路；修改和扩展，硬件资源需留有足够的余地；自诊断功能，需附加有关的监测报警电路；硬件抗干扰措施；线路板注意与机箱、面板的配合，接插件安排等问题，必须考虑到安装、调试和维修的方便。

软件研制：软件总体规划，选择平台，编写文档；软件功能块划分，编写文档；确定算法，编写文档；；分配系统资源和设计流程图编写代码；程序调试和纠错、各部分程序连接及系统总调。2．硬件、软件研制阶段

3．仪器综合调试及整机性能测试

系统调试，以排除硬件故障和纠正软件错误，并解决硬件和软件之间的协调问题。硬件调试动态调试静态调试测试软件查板、电源、芯片不需要调用其它子程序软件调试模块程序调试初级子程序调试测试程序监控程序调试

性能测试实验按照设计任务书规定的设计要求拟定一个测试方案；对各项功能和指标进行逐项测试；如果某项指标不符合要求，还得查明原因，作相应调整；直至完全达到设计要求为止。第二节固体密度测试仪的研制测量原理硬件电路设计软件设计测试结果分析

三种固体密度测试法:天平法、机械法、电子自动法。一、电子自动法测量原理

物理学中密度的定义为物体单位体积的质量。电子自动法是一种基于阿基米德浮力定律实现对固体的密度测试的方法。在测量密度时，首先被测量固体标本在空气中的重量，再将固体标本浸没在装有水的容器中，测量固体受水浮力后的重量，根据阿基米德浮力定律可求出固体的体积，计算密度值。设固体标本的质量为M、体积为V，测量密度为σ，有：

σ

=M/V固体标本在空气中的重量为：P1=M*g在水中的重量为：P2=（M-M0）g，则浸没在水中前后的重量差为：P1-P2=M0*g，M0表示与固体标本同体积的水的质量。根据阿基米德浮力定律，不规则固体的体积为：则不规则固体的密度为：

式中σ0为水的密度，因为σ0=1g/cm3，于是所测固体的密度为：可见，只要分别求出不规则固体在空气中的重量P1和该固体在水中的重量P2，根据上式即可得到被测固体的密度值。问题：被测固体的密度小于1能测量吗？如果样品吸水如何处理？水含有杂质对测量有何影响？二、硬件电路设计

密度仪组成框图1、传感器设计应变片压阻电桥若R1=R3=R2=R4=R；ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR则U01=EΔR/R=KP式中：K—重力到电压的转换系数；P—电阻传感器所受到的重力；U01—传感器桥路输出电压；E—电桥电源电压；对应0-450克的重量范围；传感器的输出电压0-10mv。

由于传感器输出信号较弱，为了进行有效放大，提高抗干扰能力，信号放大电路中采用了仪用放大器AD620。

2．信号放大电路3．数字信号处理电路

数字信号处理电路由AT89C51单片机及外围电路组成

三、软件设计

软件主要包括上电初始化自检、逻辑判断、数据存储、测试计算、出错处理五大模块。四、测试结果1．主要技术指标测量密度范围：1—7.5g/cm3；均方误差：<0.01；测量体积范围：（50—300）cm3；体积分辨率：0.1cm3；测量重量范围：<500g。2.6892.6902.6892.6892.6912.6782.6882.6862.6872.688测试数据（g/cm3）平均值（g/cm3）2.687均方差（g/cm3）0.0035五、技术更新1.微处理器采用芯片内的大容量存储器的16位单片机MSP430F149;2.采用USB接口方式实现通信功能，选择FT245BM芯片的USB产品开发；采用点阵式液晶显示器，处理过程使用菜单方式；3.采用两个称重传感器切换的办法与测量电路连接，从而提高被测物体的重量范围和密度测量精度；4.测量电路采用程控放大和模数转换一体的集成电路AD7706芯片；5.基于UC/OS2操作系统开发仪器软件。相关检测漏水原理

第三节地下管道漏水检测仪设计

一、DSP应用开发

二、地下管道漏水检测仪设计

1.相关