毛奔部门：自动化学院

学科：仪器科学与技术

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职称：副教授

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17二专业课程设计



课程设计指导书


课程名称：专业课程设计

适用专业：测控技术与仪器
指导教师：毛 奔











2017年9月


一、课程设计的教学组织
1.1 性质与目的本课程是测控技术与仪器本科专业的重要实践课程，是该专业各门课程的一个综合性、设计性的实践教学环节。学生通过这门课程的学习与实践，能够提出仪器系统的设计思路、论证设计方案；熟悉智能仪器仪表开发、研制的过程，软硬件设计方法和设计步骤；开发学生的创新能力。
为保证顺利完成设计任务，应注意如下要求：
(1) 认真阅读设计任务书，保质保量地完成任务书的规定的工作。
(2) 在总体方案确定过程中，要求多想，多查资料。
(3) 程序设计时，先画框图再编程，无论是自上而下，还是自下而上，必须一步一步调试，做到可读性好，主要语句一定要写注释。
(4) 硬件电路图用Protel绘制，必须符合国家有关标准的规定。
(5) 课程设计报告要求文字通顺，简炼，格式符合模板要求。不少于2000字（不含源程序）。
(6) 设计的系统必须进行实验演示。
1.2 设计参考题目 课程设计题目由学生分组完成，3-5人一组，选一名组长。伴随着课题的具体进展，教师给予辅导与答疑。各组选题后，对所做的题目的内容要进行明确分工，主要分软件和硬件，每个同学都要在总体设计思路下，明确自己的分工内容，做软件的以软件为主，硬件的以硬件为主。
课程设计可以由学生自主挑选符合课程设计要求的典型、成熟的课题，经过老师审批后确定题目。为了提高这一教学环节的教学质量，除设计任务书外，另可请有经验的教师指导。
1. 基于GPS的测亩仪设计
设计要求：测量范围，5m--1000m；精度：1.5m；采用单片机+GPS+测量值显示+按键+蜂鸣器组成。按键包括开始键、停止键、设置键。
2. 多传感器火灾报警系统的设计
设计要求：测量范围，温度值0--1000；精度：0.1度；采用单片机+温度传感器模块+烟雾温度传感器模块+火焰传感器模块+按键+报警蜂鸣器组成。按键包括开始键、停止键、设置键。
3. 智能化压力传感器的设计
设计要求：测量范围，压力值相对压力：大0～60MPa，小0～1kPa；精度等级：0.1级、0.2级、0.5级。采用单片机+压力传感模块+按键+压力值显示模块+报警蜂鸣器组成。按键包括开始键、停止键、设置键。
4. 超声波测距定位仪
设计要求：单片机的超声波测距仪采用单片机+HC-SR04超声波传感器+数码管显示+按键+蜂鸣器设计而成。按键包括减键、加键、设置键。 单片机型号 ：STC89C52/51、AT89C52/51、AT89S52/51可以任选。可设置报警距离，按下设置键后就可以再按加减键就可以修改报警距离并具有掉电保存功能。当实现测出的距离小于设定的距离时就会使得蜂鸣器报警。测量范围：2cm--5m。
5. 两轮自平衡小车设计与实现
设计要求：本文采用 STM32 单片机作为主控制器，用 MMA7361 加速度传感器和两个陀螺仪传感器来检测车的状态，通过 LM298 控制小车两个电机，来使小车保持平衡状态。对小车进行前、后、转弯的控制。充电锂电池供电，采用电位器进行PID等参数调节。
6. 基于51单片机 直流电机控制
设计要求：本设计主要由单片机最小系统、数码管显示电路、键盘电路、电机驱动电路组成，实现电机的加速、减速、停止，通过霍尔元件检测电机的转速，实时显示在数码管上。
7. 微航姿系统设计
设计要求：了解微惯性器件构成的航姿系统的工作原理。选择硅微陀螺和加速度计及地磁传感器，设计信号采集电路及向上位机传送程序。将采集到的陀螺和加速度计信号处理后计算得到载体航向、姿态信息并显示。
8. 基于GPS的局部电子地图设计
设计要求：在PC计算机上实现GPS信号的接收，基于mapinfo系统显示局部电子地图，给出当前载体位置信息。能够跟踪载体动态位置变化实时显示位置信息。
9. 遥控四轴飞行器设计
设计要求：飞行稳定；远程遥控采用2.4G无线遥控技术，100米远程遥控距离，可持续飞行10分钟；无头模式，飞行器的航向将以遥控器的前后左右为标准；能够前进后退，上升下降，左右旋转，前后左右翻滚；
10. 寻北仪设计。
设计要求：了解微惯性加速度器件的工作原理。对采集到的惯性器件信号进行处理和计算得到载体指北信息并显示。设计寻北仪的总体方案，设计和实现基于单片机的寻北仪的数据采集及处理子系统的硬件电路，根据寻北仪的功能要求完成了数据采集及处理软件的设计编制，并对寻北仪的误差及补偿方法进行研究。
11. 基于虚拟仪器的电子温度计。设计要求：
1).电子温度计可实现实时测量温度的变化并予以显示，精度可到0.1℃；
2).实际制作温度测量电路板；
3).完成单片机测量控制电路设计和程序编写；
4).在上位机用虚拟仪器显示温度测量值；
12. 电子水平仪设计。设计要求：电子水平仪是一种非常普遍的测量小角度的量具。设计实现可测量载体对于水平面的倾斜角度，由加速度传感器感应水平倾角，通过单片机的控制以及运算将倾角以数值的形式直接在数码管上进行显示，从而使角度测量变得方便、快捷， 实现了倾角的测量。
13. 基于虚拟仪表的压电石英陀螺测试。设计要求：使用LabVIEW软件以及NI USB-6009数据采集卡测试陀螺。在了解了虚拟仪器原理和开发方法之后，设计并实现用数据采集卡USB-6009作为加速度计输出信号的数据采集程序。设计陀螺和采集卡之间的连接电路，设计陀螺的测试方法，针对陀螺的误差模型设计测试方法，测试陀螺的各项误差参数并分析统计特性。
14.基于虚拟仪器的硅微陀螺测试与误差分析。设计要求：研究硅微陀螺的数学模型与主要性能指标，设计信号采集电路，对硅微陀螺的性能进行测试（动态测试与静态测试），主要测量其标度因数、零偏、零漂。在计算机中用Labview实现测试信号的显示和存储，针对信号采集电路编写测试程序和误差分析程序。
15.多轴微惯性器件测试与误差分析。设计要求：本设计基于一种新型MEMS传感器GY-80九轴 BMP085三轴磁场加速度陀螺仪大气压强传感器检测系统。该监控系统由下位机和上位机组成，下位机以单片机作为核心，负责与传感器模块进行IIC通信，读取三轴加速度、三轴陀螺仪、地磁、温度、压强信息，然后通过串口向上位机发送；上位机以LabVIEW编写了一个图形化的显示界面，并且对数据进行存储。
16. 基于虚拟仪器的GPS接收器设计。设计要求：设计GPS信号接收电路，采用单片机实现信号采集和向上位机传送，设计电路和程序，在上位机中用Labview实现GPS信号显示和存储以及分析。
17.微惯性/GPS组合系统测试。设计要求：设计对惯性器件和GPS信号的采集电路、信号处理系统。给出载体的速度信息和位置信息显示在液晶屏上。设计采用ARM单片机编写采集数据的程序。对采集数据分析。将传感器信息和GPS信号采集后传送到上位机。
做题目所需元器件整理成表格上报给老师统一购置。
1.3 考核方式本教学环节应结合设计实际，根据教学要求，课程成绩可按五级记分制（优、良、中、及格、不及格）。具体考核内容主要包括：设计过程、设计成果和设计报告。其中设计过程主要考察出勤、完成任务进度、设计能力等方面；设计成果主要考察设计思路、完成任务情况以及设计结果是否达到设计任务要求；设计报告主要考核内容的完整性，论文格式的规范性以及设计的合理性等。累加式考核。
学生应遵守《哈尔滨工程大学学生手册（本科生）》规定的有关上课、作业、考试和学术诚实条例的要求。课程考核方式如表1所示。
表1 课程考核方式
教学要求考核形式比例
1.掌握文献检索方法，根据设计要求确定研究内容及技术路线。通过研究分析惯性导航与测控技术相关的复杂工程问题。课程设计报告20%
2.能够使用现代化工程工具与信息技术工具对惯性导航与测控技术相关的复杂工程问题进行建模、预测和模拟。通过实践环节训练使学生养成自主学习和终身学习的习惯。课程设计报告20%
3.能够就复杂工程问题撰写报告和设计文稿。能够通过实验，对具体实验结果进行分析及处理，规范撰写课程设计报告。课程设计报告20%
4.学习具体的软硬件调试技术。针对惯性仪表的实际工作原理和应用，能够运用所学专业知识设计各种惯性测量和稳定控制系统。设计完成情况30%
5.具备拟定项目实施计划及项目组织管理的能力，并能在多学科环境中应用。能够处理个人与团队的关系，具有组织管理能力、团队协作合作能力。答辩10%


1.4 设计时间安排和设计步骤本教学环节时间安排为2周。具体安排如下表。
序 号 项 目 内 容 时间 （天） 备 注
1 设计任务要求 1 讲课
2 硬件系统设计 2
3 软件系统设计 4
4 综合调试 2
5 验收及撰写设计报告 1
合 计 10

二、 基于单片机的仪器仪表的设计内容
基于单片机的智能仪器仪表随功能不同其结构差别很大，但系统设计的方法和步骤基本上是相同的。基于单片机的智能仪器仪表的开发过程一般包括总体方案认证、系统总体设计、软件及硬件开发、整机调试和产品定型等几个步骤。
1、总体方案认证
在开始对智能仪器仪表系统或产品设计之前，一般都需要对所研制的产品进行总体设计方案的认证，通常要做包括产品的技术指标和系统组成两个方面的认证工作。
（1）技术指标 根据产品研制的任务，需要在充分调研的基础上，对产品的先进性、可靠性、可维护性、性能价格比等进行综合考虑，由此再制定出待开发产品的功能、性能要求、工作环境、外形尺寸和重量等技术指标。
（2）系统组成 在确定一个单片机智能仪器仪表系统或产品技术指标的基础上，就要充分考虑系统的组成，首先要考虑待组成系统的单片机机型和器件的选择。
对于单片机机型的选择，应根据单片机应用系统或产品的技术指标、单片机的性能和价格、市场货源、相应的开发系统、研制周期等因素来选定。
对于元器件的选择，主要有传感器、模拟电路、可编程扩展器件、RAM和EPROM等，应根据系统的技术指标要求，对这些元器件加以适当的选择。
2、仪器的设计开发过程
设计开发一台新型智能仪器一般需要经过3个阶段：①确定任务、拟定总体设计方案；②硬件和软件设计；③系统调试及性能测试。下面简要叙述各阶段的工作内容和设计任务。

1.确定任务、拟制总体设计方案
（1）确定仪器的功能、技术指标及设计任务
首先应明确智能仪器必须实现的功能和需要完成的测量任务；要考虑被测信号的特点、被测量的数量、输入信号的通道数、被测量的类型、变化范围以及测量速度、精度、分辨率和误差等；还要确定测量结果的输出方式、显示器的类型、输出接口的配置，如通信接口（IEEE—488，RS—232标准接口等）和打印机等外设接口等。另外，还要考虑仪器的内部结构、外形尺寸、面板布置、研制成本、仪器的可靠性、可维护性及性能价格比等。在对上述各项综合考虑的基础上，提出总体设计方案。
（2）总体设计
通过调查研究和对总体方案的论证，即可首先开展智能仪器的总体设计工作。完成总体设计之后，才能将智能仪器的研制任务分解成若干子课题（子任务），展开具体、深入的设计工作。
2.硬件和软件设计
在开发过程中，硬件和软件应同时进行。在设计硬件、研制功能模板的同时，即着手进行应用程序的编制。硬、软件设计工作要相互配合，充分发挥微机特长，尽可能缩短研制周期、提高设计质量。
（1）硬件电路设计和功能模板的研制
根据总体设计，将整个系统分成若干个功能模块分别设计各部分电路，如输入输出通道、信号调理电路，单片机及其外围电路和人机界面等。在完成电路设计之后，即可制作相应的功能模板。在设计、制作功能模板时，要保证技术上可行、逻辑上正确，并注意布局合理、连线方便。一般先绘制逻辑电路图，经反复核对，线路无差错，才能制作印刷电路板并进行电路的调试。
（2）软件框图的设计和程序的编制
将软件总框图中的各个功能模块具体化，逐级画出详细的框图和流程图，作为编制程序的依据。用户源程序一般采用汇编语言或C语言编写。通过编译系统变为可执行的目标代码。采用汇编语言编写的用户源程序代码效率高、节省程序存储空间，程序执行速度快。设计中还应进行程序的优化工作，注意程序的可读性和可移植性。鉴于智能仪器中微计算机一般属于嵌入式应用，硬件和软件设计工作联系紧密，相辅相成，须齐头并进。设计人员不仅要懂得系统的硬件，而且要熟悉软件，如此才能设计出较为理想的智能仪器产品。
3.系统调试及性能测试
在智能仪器开发过程中，需要进行硬件电路和软件的调试和性能测试，以排除设计错误和各类故障，使所研制的智能仪器（样机）符合设计要求。智能仪器的调试包括硬件电路调试、软件调试和样机调试三部分。智能仪器硬件电路和软件的研制一般独立地平行进行。软件调试在硬件电路研制完成之前即应开始进行，硬件电路也须在无完整应用软件支持的情况下进行调试。这就必须借助各种开发工具和开发系统，以创造良好的硬件和软件调试环境。样机调试是指在硬件电路和软件分别调试完毕后，在样机上进行的硬件电路和软件的联调。调试→找出设计错误和故障源→修改硬件电路和软件→再调试，此过程需反复进行，直至排除所有错误并达到设计要求。对于“微机嵌入式”智能仪器，只有通过样机调试才可将软件固化并组装整机。
在智能仪器中，大量的运算和控制任务还需要用程序实现。使用硬件可以提高仪器的工作速度，减轻软件负担，但结构较复杂、系统成本高；使用软件代替部分硬件会简化仪器结构，降低硬件成本。虽然增加了软件开发的成本，但在大批量投产时，软件的易复制性可以大大降低系统的制造成本。因此，在工作速度允许的情况下应该尽量多利用软件解决问题。设计时应从智能仪器的功能、产品成本、研制周期和费用等方面综合考虑，合理分配软件和硬件的任务，决定系统中哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现，并确定软件和硬件的协同关系。

三、课程设计报告撰写内容
课程设计报告书写参照模板进行，正文字体、图、公式、表格、物理计量单位及符号按照本科毕业设计格式要求。
（一）、设计要求
（二）、设计方案
（三）、设计内容
（四）、调试结果分析及结论
（五）、主要参考文献（参考文献格式是按照本科毕业设计格式要求）
（六）、指导教师评语及学生成绩
四、实验教材（指导书）或网络资源
1）教材：《测控仪器设计》（第三版），浦昭邦 刘庆纲，机械工业出版社，2015.1
2）参考资料：
[1] 毛奔. 惯性器件测试与建模[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007.7
[2] 毛奔. 微惯性系统及应用[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2013.8
[3] 李江全. 计算机测控系统设计与编程实现[M]. 北京：电子工业出版社，2008.2







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