检测技术与自动化仪表课程设计指导书

1《传感器与检测技术》课程设计一．课程设计目的课程设计的目的是使学生能够将《传感器与检测技术》课程的内容有机的联系起来，形成系统的概念，培养学生综合应用知识的能力，掌握智能检测（或仪表）系统设计的基本思想和方法。二．设计方法（一）智能化测量控制仪表的总体设计在设计一台智能化测量控制仪表时，首先要进行仪表的总体设计。在课程设计中要考虑以下两点。1．从整体到局部(自顶向下)的设计原则开始时，根据仪表功能和设计要求提出仪表设计的总任务，分别并绘制硬件和软件总框图，然后将总任务分解成一批可以独立表征的子任务，这些子任务再向下分，直到每个低级的子任务足够的简单，可以直接而且容易实现为止。这些低级子任务可用模块化的方法来实现，有些子任务可以采用某些通用化的模块（模件）实现。2．经济性要求为了获得较高的性能价格比，设计仪表时不应盲目地追求复杂高级的方案。在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案，因为方案简单意味着元器件少，可靠性高，从而也比较经济。在进行实际的产品设计时，还应考虑仪表的可靠性要求、操作和维护的要求等。（二）智能化测量控制仪表的硬件电路设计1．单片机芯片的选择课题中指定在MCS-51系列单片机中选择机种。选择时，应考虑单片机的时钟频率、内部程序存储器和数据存储器容量、片内功能部件，以及相关的技术支持等因素。2．存储器设计如果仪表中所涉及的程序或者数据量使单片机内部存储器难以满足要求时，应设计片外存储器。3．输入/输出接口的设计单片机从测量环节或者说前向通道（包括A/D转换器和输入电路）输入测量信息、从键盘输入仪表需要的各种数据和信息（如功能选择，量程范围、阈值等）以及向显示器输出测量结果、仪表的工作状态（如报警信息）都需要通过接口电路实现，因此要设计相应的接口电路。以上设计工作完成后，仪表中的单片机系统的设计工作就完成了。24．测量部分的设计测量部分通常由两大部分组成，即模拟测量部分和A/D转换器。模拟测量部分如传感器、传感器测量电路、信号放大电路、滤波电路以及其它的信号调理电路都是一些独立的模块或组件，如果已有相应的模块芯片出售，设计时只要选用合适（符合技术要求）的芯片即可；如果没有相应的模块供应，则在设计时要根据仪表的技术指标，自行设计这些组件。设计时，首先对个组件的误差进行分配，对每个组件提出设计要求，接着确定个组件的原理和电路形式，分析各单元电路的误差来源和计算误差大小。5．键盘和显示器的设计键盘是智能化测量控制仪表的重要组成部分。根据仪表的功能要求，键盘可采用矩阵式非编码键盘，也可采用专用芯片的编码键盘，如果所用按键数量很小，还可采用独立的按键开关。显示器是智能化测量控制仪表的主要输出设备。常用的显示器有两种形式，即发光二极管显示器LED和液晶显示器LCD。课题中指定采用LED显示器设计。在设计显示器的位数时，应考虑测量结果最大值的输出位数（包括符号位）。（三）智能化测量控制仪表的软件设计1．自顶向下设计自顶向下设计就是把整个问题划分为若干个大问题，每个大问题又划分为若干个小问题，这样一层一层地分下去，直到最底层的每一个问题都可以分别予以处理为止。软件设计中自顶向下设计的要领有以下几点：（1）对于每一个程序模块应明确规定其输入、输出和功能；（2）一旦已认定一部分问题能够纳入一个模块之内，不要急于编程，应先给出表示模块之间层次关系的结构图，列出每一模块的内容概要；（3）不论在哪一层次，每个模块的具体规定（说明），不管表示方法是编码形式或是流程图形式，不要过分庞大（例如不要超出一页纸，如果过分庞大就应该考虑作进一步细化）。2．模块化编程进行模块化编程时应遵循两个原则：（1）模块的独立性，即一个模块应尽可能独立于其它模块，一个模块内部的更改不应影响其它模块。应尽量使模块只有一个入口和一个出口；（2）一个模块应具有解决一个问题的完整算法，具有容许输入值范围和容许输出值范围，当出错时，应能给出一个出错信息（可参考C或LabVIEW的功能函数或功能节点）。三．设计过程1．采用自顶向下设计原则，将软、硬件系统按功能进行细化。在软件进行细化之前，应清楚知道硬件提供了什么样的功能支持。32．当软、硬件设计方案拟订好后，应进一步审订软件和硬件设计的合理性。有些功能既可由硬件实现，也可由软件实现，应考虑通过哪种途径实现更合理。3．进行具体的软、硬件模块设计。四．误差分配举例在完成对系统硬件的总体规划和模块划分之后，接下来要根据系统总的设计精度，对各组件的误差进行分配，也就是对测量部分（即前向通道）的每个组件进行误差预估。下面通过一个实例说明误差预估的方法。以一压力测量系统为例，来确定其传感器、放大器、数据采集系统的静态性能，指标要求为在20±15℃环境温度内达到1.0级精度。系统输出y的表达式xSSSy321（4－1）对上式取对数并进行全微分，得xSSSylnlnlnlnln321（4－2）xdxSdSSdSSdSydy332211（4－3）由于x是被测量，其误差不属于测量系统本身的误差，故这里不予考虑。由式（4－3）得321rrrry（4－4）式中。是整体相对误差，＝环节的相对误差，ydyrrSdSrSSSiryiiiii32,1,)3,2,1(式（4－4）用于已知各环节误差的大小和方向的误差综合，故适用于系统误差。对于以计算机为核心的现代测试系统，由各环节的系统误差产生的整机系统误差可以通过标定实验数据进行修正。因此，在静态性能的预估时可只关心变化系统误差（系统不确定度）和随机误差（随机不确定度）。1）传感器预选：设所选传感器的参数为：4。工作温度范围为：＝灵敏度温漂；零位温漂电源波动系数；重复性误差迟滞误差灵敏度量程－CCPVCVrrPVSPLooaoEnRnHaax1520;101.5/109.4%;1.0%2.0%;2.0;/100.1;105.210S60615可求得：)(074.015/109.4Te)(25.0L%1.0L)(5.0250%2.02505.0105.2100.1%2.000600TUUEE11561111111mVCCVmVmVmVLrmVLSLuLmVLSrLreeunHRxuuxnHunHHH＝＝确定度零位温漂导致的系统不＝＝确定度电源波动导致的随机不重复性不确定度。＝＝的范围，－传感器输出电压式中＝＝为确定度迟滞误差引起的随机不－致的系统不确定度满量程下灵敏度温漂导)(9.1105.215/101.5TLe510XSmVPaCCPaVooTS＝＝最后，可采用方和根法求出传感器输出电压1u的随机不确定度和系统不确定度的叠加综合不确定度1ug为：)(044.2)9.1()074.0()25.0()5.0()5.0(222222202221mVeeegTSTERHu上式也可以表示成引用误差（1nur）的形式，即%82.0%100250044.2%100111uunuLgr（4－5）2）A/D转换器的预选：由于系统的精度要求时为1.0级，据此可初选A/D转换器为8位A/D转换器。8位A/D转换器的分辨率为%4.02561，低于系统要求的引用误差1.0%，可认为满足要求。另外，A/D转换器的误差主要来自于量化误差，对于8位A/D转换器，量化误差为：%20.02121)(83yLSy（4－6）5转换器的输出范围。——的误差；环节所造成的输出——式中：DLSSyy/Ay)(333）放大器预选的影响为：出。因此传感器误差对输已知系统输入输出特性y132uSSy113211)(uuygSSguySg（4－7）得并注意到代入式将式的综合不确定度。出环节（传感器）造成输——式中13211)64()54()(uyyLSSLySSgyuyLLSSSg%82.082.0)(1321％（4－8）此外，改写式132uSSy得为的影响对输出得放大器误差yyuuSy223,22322)(uuySuyS（4－9）设放大器的引用误差为）得－代入式（2330,222uuuLqyuuuyLqLqSS22232)(（4－10）由于测试系统要求输出y的引用误差为的综合不确定度即输出yygyq%,1yyyyyLSSSgg%1)()()(322212（4－11）将式（4－6）、（4－8）、（4－10）代入式（4－11）得2222%)1(%)20.0(%)82.0(2uq即%54.02uq即要求放大器的精度为0.5级，达到上述要求对一般放大器而言不是太困难的。值得注意的是，放大倍数的实际值偏离设计值引起的系统误差是可以消除的，因此产生误差的是放大器倍数的波动，通常是环境温度变化引起放大器的失调温度漂移及反馈电阻阻值比的漂移。在采用实时自校准的测量系统中，放大倍数是由基准电压实时标定的。因此放大器的不确定度仅取决与基准电压源。同样，基准源的波动也是受环境影响，对于2DW232系列稳压二极管制作的基准电压源，其温度系数可以达到5～20×10-6/℃，在15℃范围内的波动值小于0.03％。综合以上分析，采用所选的传感器（引用误差为0.82％），所选的放大器（引用误差小于0.5％）和所选的A/D转换器（引用误差为0.2％）可实现整机精度为1.0级的6测试系统，性能满足要求。六、课题介绍1、智能测温仪设计要求：（1）性能要求：测量范围：-50℃～150℃；精度：±0.5%F·S（2）功能要求：采用MCS51系列单片机完成一路温度测量，并将测量值按精度要求显示于数码管上。设计提示：该课题的被测对象是温度，参考相关的教科书，首先建立以单片机为核心的温度测量系统框架图，然后查阅可用于测温的传感器，根据课题给出的测量范围，选择符合量程要求的传感器（首选灵敏度高的传感器）；根据给定的设计精度，参考误差理论有关书籍及本指导书中第四部分的误差分配举例，对框图中的各功能模块进行误差分配，确定各功能模块的设计精度，选择性能/价格高的传感器；根据系统的工作原理，初步确定软件的基本结构和程序模块，估算程序容量，然后查阅MCS51系列单片机的型号，结合硬件接口的功能要求，合理选择单片机（容易获得相关资料），并对其外围电路作扩展（如果需要扩展）；根据测量数据的范围和精度，确定显示数码管的位数。为提高测量精度，应进行硬件或软件滤波环节设计。2、智能汽车超载报警器设计要求：采用MCS51系列单片机构建系统。如果汽车超载，报警器发出声或光报警信号，且超载阈值可设置成5吨和10吨两挡。设计提示：该课题的被测对象是荷重，参考相关的教科书，首先建立以单片机为核心的荷重测量系统框架图，然后查阅可用于测量荷重的传感器，根据课题给出的测量范围，（汽车的吨位有两种，即5吨位和10吨位，最大量程为10吨），选择符合量程要求性能/价格高的传感器（首选灵敏度高的传感器）；5吨位和10吨位可通过外部开关设定，也可通过电位器设定；对超载的判断，可通过直接测量荷重方式实现，也可采用门槛电路判别方式实现；根据系统的工作原理，初步确定软件的基本结构和程序模块，估算程序容量，然后查阅MCS51系列单片机的型号，结合硬件接口的功能要求，合理选择单片机（容易获得相关资料），并对其外围电路作扩展（如果需要扩展）。为提高测量精度，应进行硬件或软件滤波环节设计。73、智能微位移测量仪设计要求（1）性能要求：测量范围：±0.5mm；精度：±0.5%F·S（2）功能要求：采用MCS51系列单片机完成一路位移测量，并将测量值按精度要求显示于数码管上。设计提示：该课题的被测对象是微位移（一般测量范围在1mm以下的位移测量可视为微位移测量），参考相关的教科书，首先建立以单片机为核心的位移测量系统框架图，然后查阅可用于位移测量的传感器，根据课题给出的测量范围，选择符合量程要求的传感器（首选灵敏度高的传感器）；根据给定的设计精度，参考误差理论有关书籍及本指导书中第四部分的误差分配举