第八章 智能仪器设计实例
第一节 智能仪器的设计原则及研制
第二节 固体密度测试仪的研制
第三节 基于 DSP处理器的地下管道
漏水检测仪设计
实例 1,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,有天平法、机械
法,电子自动法。
一、电子自动法测量原理
? 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 。
? 物理学中密度的定义为物体单位体积的
质量数 。
? 在测量密度时, 首先测量固体标本在空
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 。
VM
gPPMV ???? 0 2100 ??
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=Mg
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=M0g，
其中 g表示重力加速度, 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：
g
PPMV
?
???
0
21
0
0
??
则不规则固体的密度为,
21
1
PP
P
?
??
21
1
0
021
1
)/()(
/
PP
P
gPP
gP
?
?
??
? ?
?
?
式中 σ 0为水的密度, 因为 σ 0=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 。
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
固体密度测量系统中传感器由四片性能完全相同的压阻式应
变片组成, 通过压阻效应实现重力到电阻的转换, 再由电桥
将电阻的变化转换为电压 。 其中, 应变片 R1,R3是受压电阻,
应变片 R2,R4是受拉电阻 。
若 R1 =R3 =R2 =R4=R； ΔR 1=ΔR 2=ΔR 3=ΔR 4=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,
本传感器的输出电压 0-10mv。
2．信号放大电路
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。
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
电自检, 逻辑判
断初始化, 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。
? 2.689
? 2.690
? 2.689
? 2.689
? 2.691
? 2.678
? 2.688
? 2.686
? 2.687
? 2.688
测试数据（ g/cm3）
平均值（ g/cm3）
2.687
均方差 （ g/cm3）
0.0035
实例 2：基于 DSP的地下管道漏
水检测仪设计
相关检测漏水原理
一,TMS320VC5402性能特点
及应用开发
二、地下管道漏水检测仪设计
1.设计原理
2/)( 0 ABOA LVtL ????
2)( 0VtLL ABOB ????
a
V
f
?2
84.1
? HzHzf 3000
15.014.32
150084.1
?
??
?
?
漏水声音信号与传感器
3.相关测漏仪硬件设计
（ 1）,24位 A/D CS5360与 DSP的接口
模数转换输出时序图
模数转换器与 DSP连接原理图
(2).程序存储空间
DSP与 FLASH的连接框图
(3).数据空间的扩展
DSP与 SRAM的连接图
(4).通信模块
4．软件设计
数
据
处
理
软
件
流
程
B通道的信号波形
A通道的信号波形
B通道信号滤波前的功率谱
B通道信号滤波后的功率谱
思考题与习题
1．简述智能仪器设计的基本要求。
2．智能仪器设计时一般应遵循的基
本原则。怎样理解, 组合化与开放式
设计思想, 。
3,智能仪器中微机系统有哪几种构
成方式，分别适用于哪些场合？
4,总结目前市场流行的单片机型号、
特点。
5,TMS320系列 DSP中，有哪些芯片适合智能仪器，
概括其主要性能特点。
6．简述, 仪器设计任务书, 的主要内容、主要作用
和编写注意事项。
7．智能仪器设计时如何考虑硬件和软件之间的关系。
8．简述微处理器内嵌式智能仪器硬件设计时应注意
哪几方面的问题。
9．简述智能仪器软件调试、综合调试、整机性能测
试的一般方法。
10．画出相关处理的快速算法流程。概述相关检测
的主要应用。
11．自选仪器设计题目，能较充分体现你的设计能
力、综合所学知识、展示创新性构想，提出设计方
案，论证充分。
第一节 智能仪器的设计原则及研制
第二节 固体密度测试仪的研制
第三节 基于 DSP处理器的地下管道
漏水检测仪设计
实例 1,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,有天平法、机械
法,电子自动法。
一、电子自动法测量原理
? 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 。
? 物理学中密度的定义为物体单位体积的
质量数 。
? 在测量密度时, 首先测量固体标本在空
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 。
VM
gPPMV ???? 0 2100 ??
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=Mg
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=M0g，
其中 g表示重力加速度, 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：
g
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则不规则固体的密度为,
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式中 σ 0为水的密度, 因为 σ 0=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 。
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
固体密度测量系统中传感器由四片性能完全相同的压阻式应
变片组成, 通过压阻效应实现重力到电阻的转换, 再由电桥
将电阻的变化转换为电压 。 其中, 应变片 R1,R3是受压电阻,
应变片 R2,R4是受拉电阻 。
若 R1 =R3 =R2 =R4=R； ΔR 1=ΔR 2=ΔR 3=ΔR 4=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,
本传感器的输出电压 0-10mv。
2．信号放大电路
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。
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
电自检, 逻辑判
断初始化, 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。
? 2.689
? 2.690
? 2.689
? 2.689
? 2.691
? 2.678
? 2.688
? 2.686
? 2.687
? 2.688
测试数据（ g/cm3）
平均值（ g/cm3）
2.687
均方差 （ g/cm3）
0.0035
实例 2：基于 DSP的地下管道漏
水检测仪设计
相关检测漏水原理
一,TMS320VC5402性能特点
及应用开发
二、地下管道漏水检测仪设计
1.设计原理
2/)( 0 ABOA LVtL ????
2)( 0VtLL ABOB ????
a
V
f
?2
84.1
? HzHzf 3000
15.014.32
150084.1
?
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漏水声音信号与传感器
3.相关测漏仪硬件设计
（ 1）,24位 A/D CS5360与 DSP的接口
模数转换输出时序图
模数转换器与 DSP连接原理图
(2).程序存储空间
DSP与 FLASH的连接框图
(3).数据空间的扩展
DSP与 SRAM的连接图
(4).通信模块
4．软件设计
数
据
处
理
软
件
流
程
B通道的信号波形
A通道的信号波形
B通道信号滤波前的功率谱
B通道信号滤波后的功率谱
思考题与习题
1．简述智能仪器设计的基本要求。
2．智能仪器设计时一般应遵循的基
本原则。怎样理解, 组合化与开放式
设计思想, 。
3,智能仪器中微机系统有哪几种构
成方式，分别适用于哪些场合？
4,总结目前市场流行的单片机型号、
特点。
5,TMS320系列 DSP中，有哪些芯片适合智能仪器，
概括其主要性能特点。
6．简述, 仪器设计任务书, 的主要内容、主要作用
和编写注意事项。
7．智能仪器设计时如何考虑硬件和软件之间的关系。
8．简述微处理器内嵌式智能仪器硬件设计时应注意
哪几方面的问题。
9．简述智能仪器软件调试、综合调试、整机性能测
试的一般方法。
10．画出相关处理的快速算法流程。概述相关检测
的主要应用。
11．自选仪器设计题目，能较充分体现你的设计能
力、综合所学知识、展示创新性构想，提出设计方
案，论证充分。
