智能仪表原理、设计及调试 8位、16位单片机应用技术PDF电子书下载

1智能仪表设计概述 1

1.1 智能仪表的功能和组成 1

1.1.1智能仪表的主要功能 1

目录 1

1.1.2智能仪表的基本组成 3

1.2智能仪表的设计思想和研制步骤 4

1.2.1智能仪表的基本设计思想 4

1.2.1.1模块化设计 4

1.2.1.2模块的连接 4

1.2.2智能仪表的设计研制步骤 5

1.2.2.1 确定任务、拟制设计方案 5

1.2.2.2硬件、软件研制及仪表结构设计 6

1.3智能仪表的开发工具 7

1.3.1开发系统的功能 7

1.2.2.3仪表总调、性能测定 7

1.3.2 几种开发系统 8

1.3.2.1简易型开发系统 8

1.3.2.2软件模拟开发系统 8

1.3.2.3通用型开发系统 8

1.3.2.4专用开发系统 9

2主机电路——仪表硬件电路设计之一 10

2.1 由MCS—51单片微机构成的主机电路 10

2.1.1 MCS—51/52单片微型计算机 10

2.1.1.1 概述 10

2.1.1.2 MCS—51引脚 10

2.1.1.3微处理器 11

2.1.1.4存贮器 11

2.1.1.5输入输出口 13

2.1.1.6定时／计数器 13

2.1.1.7 串行口 19

2.1.1.8 中断系统 22

2.1.2主机电路 25

2.1.2.1外接存贮器 25

2.1.2.2外接I/O接口 26

2.1.2.3主机电路举例 29

2.2 由MCS—96单片微机构成的主机电路 30

2.2.1 MCS—96单片微型计算机 30

2.2.1.1 概述 30

2.2.1.2 8098引脚 30

2.2.1.3微处理器 31

2.2.1.4存贮器 31

2.2.1.5基本输入输出口 34

2.2.1.6 中断系统 35

2.2.1.7控制和状态寄存器 37

2.2.1.8定时／计数器 39

2.2.1.9高速输入部件HSI 40

2.2.1.10高速输出部件HSO 42

2.2.1.11 A/D转换器 44

2.2.1.12脉宽调制输出部件（D/A） 46

2.2.1.13 串行口 46

2.2.2 主机电路 49

3过程输入输出通道——仪表硬件电路设计之二 51

3.1模拟量输入通道 51

3.1.1模拟量输入通道的结构 51

3.1.2 A/D转换芯片及其与单片机的接口 52

3.1.2.1 A/D转换芯片的一般描述 52

3.1.2.2 几种A/D芯片及接口电路 53

3.1.3模拟量输入通道的其它器件 69

3.1.3.1多路模拟开关 69

3.1.3.2采样保持电路 70

3.1.3.3前置放大电路 71

3.1.4模拟量输入通道设计举例 74

3.2模拟量输出通道 77

3.2.1模拟量输出通道的结构 77

3.2.2 D/A转换芯片及其与单片机的接口 78

3.2.2.1 D/A转换芯片的一般描述 78

3.2.2.2几种D/A芯片及其接口电路 79

3.2.2.3 电压／电流转换电路 82

3.2.3模拟量输出通道设计举例 83

3.3开关量输入输出通道 84

3.3.1开关量输入输出通道的结构 85

3.3.2开关量输入输出通道设计举例 85

4.1.1.2 LED显示器工作原理 89

4.1.1.1 LED显示器结构 89

4.1.1 LED显示器 89

4.1显示器接口 89

4人－机接口电路——仪表硬件电路设计之三 89

4.1.1.3 LED显示器接口实例 90

4.1.2 LCD显示器 92

4.1.2.1 LCD显示器结构 92

4.1.2.2 LCD显示器工作原理 93

4.1.2.3 LCD显示器接口实例 94

4.1.3点阵式LED显示器 95

4.2键盘接口 95

4.2.1键盘结构和类型 95

4.2.2抖动与串键 96

4.2.2.1 抖动 96

4.2.2.2 串键 96

4.2.3非编码式键盘接口电路 96

4.2.4.1 键盘、显示接口芯片8279 99

4.2.4编码式键盘接口电路 99

4.2.4.2键盘、显示器与8279的接口 105

4.3打印机接口 108

4.3.1打印原理 108

4.3.2 GP—16微型打印机接口 108

4.3.2.1 GP—16接口信号 108

4.3.2.2命令字 108

4.3.2.3状态字 110

4.3.2.4 GP—16与单片机的接口 111

4.3.3 PP—40彩色描绘器接口 111

4.3.3.1 PP—40接口信号 111

4.3.3.2 PP—40操作方式 112

4.3.3.3 FP—40与单片机的接口 115

5.1.1 RS—232C标准 117

5.1.1.1数据传送格式和电气特性 117

5.1串行通信接口 117

5通信接口电路——仪表硬件电路设计之四 117

5.1.1.2接口信号 118

5.1.1.3通信系统结构 120

5.1.2串行通信接口电路 121

5.1.2.1串行通信方法 121

5.1.2.2串行通信的接口器件 123

5.1.2.3 8251与单片机的接口 126

5.1.3单片机与IBM—PC计算机的数据通信 128

5.1.4 RS—422、RS—423、RS—485标准 132

5.2并行通信接口 133

5.2.1 IEEE—488标准 133

5.2.1.1性能 133

5.2.1.2总线结构和接口信号 134

5.2.1.3总线工作过程 137

5.2.2并行通信接口器件 139

6智能仪表硬件电路的抗干扰 142

6.1 干扰与噪声源 142

6.1.1外部干扰 142

6.1.1.1串模干扰 142

6.1.1.2共模干扰 143

6.1.1.3电源干扰 144

6.1.2数字电路的干扰 144

6.2抗干扰措施 146

6.2.1 串模干扰的抑制 146

6.2.2共模干扰的抑制 148

6.2.3过程通道的抗干扰 149

6.2.3.1开关量输入输出通道的抗干扰 149

6.2.3.2模拟量输入输出通道的抗干扰 152

6.2.4 电源与电网干扰的抑制 156

6.2.4.1抑制电网干扰的措拖 156

6.2.4.2印刷电路板电源开关噪声的抑制 156

6.2.5地线系统干扰的抑制 157

7监控程序——仪表功能的软件实现之一 158

7.1软件设计方法 158

7.1.1结构化设计与编程 158

7.1.1.1“自顶向下”的设计方法 158

7.1.1.2模块化编程 159

7.1.2软件功能测试 159

7.1.2.1测试目的 159

7.1.2.2测试方法 160

7.1.2.3测试的基本原则 160

7.1.3软件的运用、维护和改进 160

7.2.1概述 161

7.2监控程序设计 161

7.2.2监控主程序 162

7.2.3初始化管理 163

7.2.4键盘管理 164

7.2.4.1一键一义的键盘管理 164

7.2.4.2一键多义的键盘管理 166

7.2.5 显示管理 169

7.2.6中断管理 170

7.2.7时钟管理 172

7.2.8手—自动控制 173

7.2.9 自诊断处理 173

8测量算法——仪表功能的软件实现之二 175

8.1克服随机误差的软件算法（数字滤波） 175

8.1.1程序判断法 175

8.1.2中位值滤波法 176

8.1.3算术平均滤波法 178

8.1.4递推平均滤波法 179

8.1.5加权递推平均滤波法 180

8.1.6一阶惯性滤波法 181

8.1.7复合滤波法 182

8.2克服系统误差的软件算法 183

8.2.1 系统误差的模型校正法（非线性校正） 183

8.2.1.1代数插值法 184

8.2.1.2最小二乘法 188

8.2.2系统误差的标准数据校正法 190

8.2.3仪表零位误差和增益误差的校正方法 191

8.2.3.1零位误差的校正方法 191

8.2.3.2增益误差的校正方法 191

8.2.4传感器温度误差的校正方法 192

8.3.1.1 采用程控放大器 193

8.3.1量程自动切换 193

8.3量程自动切换与工程量变换 193

8.3.1.2 自动切换不同量程的传感器 194

8.3.2工程量变换（标度变换） 195

9控制算法——仪表功能的软件实现之三 197

9.1 PID控制算法 197

9.1.1 概述 197

9.1.1.1 P控制算法 198

9.1.1.2 PI控制算法 198

9.1.1.3 PD控制算法 199

9.1.2完全微分型PID控制算法 199

9.1.3不完全微分型PID控制算法 200

9.1.4 PID算法的改进 202

9.1.4.1抗积分饱和 202

9.1.4.3微分先行和输入滤波 203

9.1.4.2 防止积分极限环的产生 203

9.1.5 PID调节器参数的整定及采样周期的选择 204

9.1.5.1 控制度 204

9.1.5.2 采样周期 204

9.1.5.3 参数整定 205

9.2智能控制算法 207

9.2.1 PID参数自整定 208

9.2.2模糊控制算法 209

9.2.2.1 概述 209

9.2.2.2控制算法结构的设计 210

9.2.2.3模糊控制实时算法 214

9.2.3人工神经网络技术 217

9.2.3.1 概述 217

9.2.3.2神经网络基本概念 217

9.2.3.3学习算法举例 219

10.1 设计准则 221

10智能仪表设计实例 221

10.2设计实例 223

10.2.1温度程序控制仪 223

10.2.1.1 设计要求 223

10.2.1.2系统组成和工作原理 224

10.2.1.3硬件结构和电路设计 224

10.2.1.4软件结构和程序框图 228

10.2.2变频调速控制器 234

10.2.2.1变频调速系统 234

10.2.2.2控制器功能和硬件配置 235

10.2.2.3变频算法和软件设计 236

10.2.3多通道pH控制器 237

10.2.3.4软件设计 238

10.2.3.3控制特性 238

10.2.3.2硬件组成 238

10.2.3.1设计要求 238

10.2.4色谱分析数据处理仪 241

10.2.4.1 设计要求 241

10.2.4.2硬件结构和电路设计 242

10.2.4.3软件算法和程序框图 243

10.3仪表调试 250

10.3.1常见故障 250

10.3.2调试方法 251

10.3.2.1静态调试 252

10.3.2.2动态调试 253

附录1思考题与习题 255

附录2 MCS—51指令表 259

附录3 MCS—96指令表 264

附录4常用集成芯片引脚图 267