1、智能仪器技术及应用B 卷答案一、简答题（每题 4 分，共 20 分）1、叙述智能仪器的基本组成、工作原理及发展趋势？答：智能仪器由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入/输出通道、人机接口电路、通信接口电路。软件分为监控程序和接口管理程序两部分。如图为典型智能仪表结构，由三个层次构成 1智能仪器的工作原理：传感器获取被测量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信号经 ad 转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中；单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理（如非线性校正等）
2、 ；运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时单片机把运算结果与存储于片内 flashrom（闪速存储器）或e2prom（电可擦除存贮器）内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号（如报警装置触发、继电器触点等） 。此外，智能仪器还可以与 pc 机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机pc 机，由 pc 机进行全局管理。 2智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合，逐步实现微型化，多功能化，人工智能化，随着专用集成电路、个人仪器等相关技术的发展，智能仪器将会得
3、到更加广泛的应用。可以预料，各种功能的智能仪器在不远的将来会广泛地使用在社会的各个领域。 12、为什么智能仪器要具备自检功能？自检方式有几种？常见的自检内容有哪些？答：所谓自检就是利用事先编制好的检测程序对仪器的主要部件进行自动检测，并对故障进行定位。自检功能给智能仪器的使用和维修带来很大的方便。 1智能仪器的自检方式有三种类型：（1）开机自检 1（2）周期性自检 1（3）键盘自检 13、什么叫软测量？软测量建模可以用那些方法？答：对于难于测量或暂时不能用单独的仪表进行测量的被测变量（又称为主导变量） ，选择另外一些容易测量的变量（又称二次变量或辅助变量） ，想法构成这些辅助变量与被测变量之间
4、的某种数学关系，就可以用数据处理软件代替单独的仪表这种硬件，通过计算、估计和推断确定被测变量。 2软测量建模的方法：(1)机理建模；(2)机理建模与经验建模相结合；(3)回归分析建模；(4)人工神经网络建模；(5)其它方法建模 24、什么是模糊控制？它的特点是什么？答：模糊控制是基于模糊推理，模仿人的语言表达方式和思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种智能控制技术。它是模糊技术和控制技术相结合的产物，是智能技术的一个重要分支。 1模糊控制的特点在于：（1）不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验及其操作数据；（2）控制系统的鲁棒性强，适合于解决常规控制难以解决的
5、非线性、强耦合、时变和时滞系统； （3）以语言变量代替常规的数学变量，容易构成专家“知识” ； （4）控制推理模仿人的思维过程，采用“不精确推理” ，融入了人类的经验，因而能处理复杂乃至病态的系统。 35、如何抑制来自电网和电源的干扰？系统的屏蔽和接地应注意哪些问题？答：智能仪表的供电线路是干扰的主要入侵途径, 而且微机系统对来自供电源的干扰又特别敏感, 所以设计一个抗干扰的直流稳压电源是智能仪表电磁兼容性设计的重要环节, 通常采取的措施有如下几种：(1)微机系统和产生干扰的设备分开供电(2)设计抗干扰稳压电源(3)选用高性能的电源(4)供电电路上的抗干扰措施(5)接地问题 2系统的屏蔽和接地
6、设计应注意如下几个方面:(1) 一点接地和多点接地的使用原则。(2) 屏蔽层与公共端的连接当一个接地的放大器与一个不接地的信号源连接时, 连接电缆的屏蔽层应接到放大器公共端, 反之应接到信号源公共端。高增益放大器的屏蔽层应接到放大器的公共端。(3)信号地应与交流地、功率地分开。(4) 屏蔽地( 或机壳地) 接法随屏蔽目的不同而异。 2二、论述题（每题 10 分，共 20 分）1、如何利用单片机及相应的外围电路实现频率信号的同精度测量？分析测量误差。答：使用单片机的两个定时器，定时器 0 工作在方式 1（16 位定时器方式） ，定时器 1 为被测信号输入端，工作在方式 1（16 位计数器方式）
7、。 fxD发单片机先清除两个计数器，再发出 START 信号表示定时计数开始，在 fx 的上升沿到来之前 D 触发器仍关闭两计数门，由 fx 上升沿开启两计数器计数，即定时开始与被测信号同步。单片机内部定时一到就改变 START 信号，触发器要等 fx 的又一个上升沿到来时才跳变而关闭计数器，即定时结束与被测信号同步。5测频过程原理如下图所示，设被测信号和定时器 0 的计数周期分别为“T”和“t” ，测频开始，被测信号第一个上升沿到来时，同时打开定时器 0 和定时器 1，开始计数，当定时器 0 计满 65536 个周期后，被测信号的下一个上升沿到来时，同时关闭定时器 0 和定时器 1，此时，设
8、计数器 1 所计信号周期数为 N，定时器 0 的 TH0，TL0 中所计数为 n1，则定时器 0 所定时间为 nt(65536+ n1)*t，又因为 NTnt，从而，得出被测信号的周期Tnt/N，进一步可求得被测信号的频率 f1/T。T NT计数器 1ntt定时器065536t52、试述多单片机系统、计算机网络系统、现场总线系统以及它们之间的区别。答：多单片机系统指单板（或多板）情况下，多单片机互联通信，交换数据，分工协作完成总体任务的系统。多单片机互连形式多种多样，通信协议不对外开放，通信形式与互联形式又是密切关联的。 3计算机网络系统是计算机技术与通信技术相结合的产物，就是利用通信设备和线
9、路将地理位置不同、功能独立的多个计算机系统互联起来，以功能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息传递的系统。在计算机网络环境下，计算机是互联起来的，能相互传递信息，在一个区域乃至全球实现资源共享，同时，各计算机又是相互独立自治的，可以独立自主的进行自己的工作。计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享。互连的计算机是分布在不同的地理位置的多台独立的“自治计算机” 。连网的计算机既可以为本地用户提供服务，也可以为远程用户提供网络服务。连网计算机之间遵循共同的网络协议。 4现场总线系统是现场通信网络与控制系统的集成，现场总线用于构成现场仪表、控制室、控制系统之间的全分散、全数字化、智能双向、多
10、变量、多点、互联的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。 3三、分析题（每题 12 分，共 24 分）1、图 1 所示的双积分 A/D 转换器最大显示数为 19999（BCD 码） ，满刻度值为 2V，时钟频率为 f0100kHz(f 0= )，试分析：T1（1）该双积分式 A/D 转
11、换器的基准电压U R、U R 应该为多少？该双积分式 A/D 转换器的基准电压U R、U R 分别为 2V，2V。 2（2）该 A/D 转换器的分辨率为多少？转换速率大约为多少？因为转换器最大显示数为 19999（BCD 码） ，满刻度值为 2V，所以分辨率为2V/20000=0.1mv 2转换速率大约为 2T122000T 0 400ms 2f4（3）积分时间 T1 为多少毫秒？时钟频率是否可选择 80kHz？为什么？T12000T 0 200ms 2f2时钟频率不能选择 80kHz，因为那样采样时间不是 20ms（工频周期）的整数倍。2（4）当输入电压 Ui0.25V 时，积分时间 T2
12、为多少毫秒？显示器的数码指示为多少？解：T 2 Ui 0.25V25ms R12V0msN2 2500 20s52、在一个时钟频率为 12MHz 的 8031 系统中接有一片 ADC0809A/D 转换器（地址自定） ，以构成一个简单 8 通道自动巡回检测系统。要求该系统每隔 100ms 时间就对 8 个直流电压源（05V）自动巡回检测一次，测量结果对应存于 60H67H 的 8 个存储单元中（定时采样可以采用单片机内定时器的定时中断方法） 。试画出该系统的电路原理图，并编写相应的控制程序。答：电路图如下：ADC0809 与 80C51 的接口电路6由电路图可以知道：1.ADC0809 的地址
13、是 70FFh2.ADC0809 的 8 个模拟通道所对应的口地址是 78FFh7FFFh3.采样的开始，只要对模拟通道对应的地址写入一个数即启动转换。4.由 P1.0 查询 ADC0809 的 EOC 信号，即可确定转换是否完成5.8 个通道的转换结果依次放入 60H67H 存储单元中org 0000hmov r1,#60hmov r2,#8h mov tl0,#0hmov th0,#0b8h;mov tmod,#1hclr et0setb tr0 mov scon,#40hmov dptr,#78ffhloop: mov a,r2subb a,r1jnz loop2mov r1,#0hmo
14、v dptr,#78ffh mov r1,#0hmov dptr,#78ffh loop1: jnb tf0,loop1clr tf0mov tl0,#0hmov th0,#0b8hloop2: movx dptr,a ;start A/Dloop3: jb p1.0,loop3loop4: jnb p1.0,loop4 movx a,dptrmov r1,a inc dph inc r1 ljmp loopend6四、设计题（每题 18 分，共 36 分）1、以 MCS-51 系列单片机为核心部件，设计基于单片机控制的多功能温湿度显示系统，该系统具有日历时钟、温湿度显示、切换、复位、校对、调
15、整、报警等功能。答：系统构成：本系统基于 AT89C52 单片机为核心，用 DS18B20 温度传感器和 HS1101 电容式湿度传感器分别测量环境温湿度，使用 12MHz 的晶振构成的震荡电路作为单片机的外部时钟电路，进行时间的计时，6 个七段 LED 显示器进行时间、温度、湿度的显示，用按键进行温湿度、时间的切换，以及时间的复位、校对、调整，采用蜂鸣器进行报警。3硬件电路：(1)DS18B20 温度传感器电路该型号的温度传感器可以将测量的温度转换为数字信号并直接与单片机通信。电路图如下：3(2) HS1101 湿度传感器电路湿度的变化可以转化为频率的变化，湿度越高，频率越小，外加一个 55
16、5 定时器便可以将电容的变化转变为频率的变化，产生一定频率的方波，直接与单片机的定时器 1 相连，便可以测出方波的频率，进而便可以得到湿度值。电路图如下：3(3)单片机复位系统及外部时钟电路3(4)单片机复位系统及外部时钟电路3(5)蜂鸣器报警电路32、设计一套校园教室、宿舍供暖节能监控系统，当室内环境温度高于/低于某一设定值时系统控制减小/增大流量，以达到室内温度均匀且节能的目的。答：本系统主要有单片机、温度传感器、液晶显示器、PVC 按键、电动阀门等组成。本系统由几个温度传感器采集室内不同位置的温度，并通过单片机计算出室内的平均温度，通过液晶显示器实时显示；我们可以通过按键输入一定的温度限值（上限和下限） ，单片机实时将温度传感器测的温度值送液晶显示器显示同时与设定的温度限值进行比较，若温度值高于上限值，单片机控制电动阀门动作，减小流量，以起到降温的目的；若温度低于设定下限值，则有单片机控制电动阀门向相反的方向动作，增大流量，以升高温度。当检测到的温度与限值较大时，单片机可控制电动阀门进行较大幅度的转动，若检测到的温度与限值差距较小时，单片机可控制电动阀门进行较小幅度的转动。 10电动阀门液晶显示模块IIC 总线温度传感器单片机按键三路 AC/DC 开关电源DC1 DC2 DC38
