智能仪器实验指导书.docx
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智能仪器实验指导书
Companynumber：
【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】
智能仪器实验指导书
《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-2018051模块”、“SMP-204译码模块”、“SMP-1018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MOVXA，＠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=8800HIN1=8801H
IN2=8802HIN3=8803H
IN4=8804HIN5=8805H
IN6=8806HIN7=8807H
四、实验内容步骤
1．将“SMP-2018051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-1018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-2018051模块”上的、分别和“SMP-401静态显示模块”的DATA、CLK相连，“SMP-2018051模块”上的和“SMP-1018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，用短路帽短接“SMP-1018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-1018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，通过调节电位器改变直流稳压电源的输出幅度0～5V（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00H～0FFH）
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-1018位AD转换模块”的CH0—CH7，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。
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-1018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，然后在终端使用一只取样电阻（本实验中为传感器调理电路单元中R2=100Ω）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”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-1018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、频率/转速表；“SMP-2018051模块”、“SMP-401静态显示模块”。
三、实验原理
利用霍尔效应表达式：
UH＝KHIB，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3-1
2．将+5V电源接到传感器实验箱
（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-2018051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AD774A/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MPC508
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（8C00H～8CFFH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4-1MPC508通道选择
2．可编程增益放大器AD526
AD526（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，
、
为使能端，VIN端为信号输入端，VOUT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4-2AD526增益设置控制
3．A/D转换器AD774B
AD774B（U5）为12位逐次逼近型快速A/D转换器，其转换速度最大为8μS，引脚说明如下：
：
数字逻辑部分电源+5V。
12/
：
数据输出格式选择信号引脚。
当12/
=1（+5V）时，双字节输出，即12位数据同时有效输出，当12/
=0（0V）时，为单字节输出，即只有高8位或低4位有效。
：
片选信号端，低电平有效。
：
字节选择控制线。
R/
：
读数据/转换控制信号，当R/
=1，ADC转换结果的数据允许被读出；当R/
=0时，则允许启动A/D转换。
CE：
启动转换信号，高电平有效。
、
：
模拟部分供电的正电源和负电源，为
或
。
REFOUT：
10V内部参考电压输出端。
REFIN：
内部解码网络所需参考电压输入端。
REFOFF：
补偿调整。
接至正负可调的分压网络，以调整ADC输出的零点。
10
、10
：
模拟量10V，20V量程的输入端口，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）。
～
：
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-10212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-10212位并行AD模块”的“CH0”和“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-10212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-10212位并行AD模块”上的A0~A1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“SMP-10212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4-212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
一、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5-1PID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.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5-1
AL1
给定温度值
dp
1
AL2
给定温度值
P_SH
200
P
不用设
P_SL
0
I
不用设
OUTL
0
d
不用设
OUTH
200
At
On
ALP1
1
t
2
ALP2
2
Hy
COOL
0
Hy-1
OPPO
100
Hy-2
LOCK
0
Pb
0
Sn
Pt1
FILT
20
OP_A
Zero
4．设定好参数值，回到初始测量状态。
按
键一秒使PV窗口显示SP，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-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
20
I
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PID算法而引进的新的重要参数，本表根据d参数来进行一些模糊规则运算，以便能较完善地解决超调现象及振荡现象，同时使控制响应速度最佳。
0-2000秒
自动
设置
t
输出周期
反映仪表运算调节的快慢，t值越大，比例作用增强，微分减弱，t值越小，则比例作用减弱，微分作用增强。
t值大于或等于5秒时，则微分作用被完全取消，系统成为比例或比例积分调节。
0-125秒
20
Sn
输入规格
输入方式选择
Pt1
dP
小数点位置
dP=0显示格式为0000，不显示小数点
dP=1显示格式为，小数点在十位
dP=2显示格式为，小数点在百位
dP=3显示格式为，小数点在千位
0-3
1
P-SL
输入下限显示值
用于定义输入信号下限刻度值
-1999~+9999oC或1定义单位
0
P-SH
输入上限显示值
用于定义输入信号上限刻度值，配合P-SL使用
同上
200
Pb
主输入
平移修正
用于对输入进行平移修正，以补偿传感器本身的误差
或
1定义单位
0
oP-A
输出方式
oP-A表示主输出方式，应和主输出上安装的模块类型一致
0-2
1
outL
输出下限
通常作为限制调节输出最小值
0-220
0
outH
输出上限
限制调节输出最大值
0-220
220
AL-P1
定义报警功能的输出位置
1
AL-P2
定义报警功能的输出位置
2
CooL
系统功能
选择
CooL参数用于选择部分系统功能
0为反作用调节，输入增大时，输出趋向减小
1为正作用调节，输入增大时，输出趋向增大
0-1
0
FILt
输入
数字滤波
当因输入干扰而导致数字跳动时可采用数字滤波将其平滑，0表示没有任何滤波，FILt值越大，测量值越稳定，但响应越慢。
0-20
0
A-M
运行状态
A-M用于定义自动/手动工作状态
A-M=0手动调节状态
A-M=1自动调节状态
A-M=2自动调节状态，并禁止手动操作。
不需要手动功能时，该功能可防止因误操作而进入手动状态。
0-2
2
Lock
参数修改
级别
Lock=0允许修改现场参数、给定值。
Lock=1可以查看现场参数，不允许修改，但允许设定给定值。
Lock=2可以查看现场参数，不允许修改，也不允许设定给定值
Lock=808可设置全部参数和给定值
0-9999
0
图5-2
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