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创新实验指导书

综合与创新实验指导书

（创新实验室试用教材）

编写:

武洪涛熊俊俏杜红阮宁君

1.0温度的测量与控制

1.1实验目的

掌握温度传感器的原理与用途

掌握温度测量电路的设计方法

掌握加热功率控制的实现方法

了解温度控制的基本原理

1.2实验内容

采用51单片机设计一个小功率的温度检测和控制系统，要求：

测量范围0－100℃

测量分辨率0.1℃

控制温度精度2℃

加热功率40瓦到100瓦

1.3参考资料

温度传感器特点：

传感器种类

灵敏度

测量范围

线性度

半导体传感器

高

小于100度

较好

铂电阻Pt100

中

几XX

高位线性差

热电偶

低

几千度

线性好，低温需要补偿

2电路原理框图

1功率控制方法

1通断开关控制：

小于设定值加热，超过设定值关闭。

2电压功率控制：

改变加热器电压达到功率控制目的。

3导通角度功率控制：

每个交流电周期开关一次，导通角度随温度变化。

4通断周期比例控制：

几个周期导通，几个周期关闭，比例随温度变化。

2.0压力、重力的测量

2.1实验目的

1掌握压力，重力的测量原理。

2学会合理选择和使用传感器。

3掌握桥式测量电路的特点和基本要求。

2.2实验内容

利用51单片机设计一个体重测量显示系统，要求：

1测量范围0－200Kg

2测量分辨率0.1Kg

3自动记录和打印测量结果。

2.3参考资料

1传感器的选择

中国衡器

数字式智能称重传感器的发展与应用（参考文献）

永正传感（杭州）有限公司http:

//www.load-

采用位移传感器称重：

根据胡克定律把重力转换称位移的大小，通过测量位移得到重力的大小

KTC系列位移传感器（电子尺）特性

KTCSERIES

75

100

150

175

200

225

250

300

400

450

500

525

总电气行程（T.E）

mm

76

102

152

180

205

229

255

305

405

457

505

533

有效电气行程（A.E）

mm

75

100

150

177

203

226

253

302

403

455

503

531

电阻值+-20%

Kohm

2.5

3.4

5.0

5.8

6.8

2.4

2.6

3.2

4.3

4.8

5.3

5.6

线性精度 

+-0.07%

+-0.05%

机械行程（M.T）

mm

79

104

155

181

207

231

258

307

409

460

508

536

分辨率

无穷小

电流强度

mA

<10

使用温度

℃

-55--+125

尺寸A

mm

139

164

215

240

266

291

317

367

469

520

571

596

2电路原理框图

3打印机接口资料

3.0长度、速度、位移的测量

3.1实验目的

1掌握长度、速度和位移的测量原理。

2学会合理选择和使用传感器。

3掌握桥式测量电路的特点和基本要求。

3.2实验内容

利用51单片机设计电缆长度测量显示系统，要求：

1测量范围0－5000M

2测量分`辨率0.01CM

3自动显示电缆长度移动速度和方向。

4PC机与单片机的接口。

3.3参考资料

1传感器每转1000脉冲的增量编码传感器

2电路原理框图

传感器输出两组相位差90度的脉冲信号，通过方向检测电路输出电缆移动方向信号控制计算器加减计数，通过频率测量移动速度，通过累加脉冲的数量测出电缆的长度。

并行接口或串行接口。

4.0程控放大与数据采集

4.1实验目的

1了解程控放大器的工作原理和设置目的。

2学会设计和使用程控放大器。

4.2实验内容

在单片机的控制下采用12位ADC实现1mV到10V的测量，要求：

1测量范围1－10000mV

2在10mV以内误差小于1％

3实现宽动态高精度的测量

4.3参考资料

1电路原理框图

说明：

程控放大器是在计算机程序的控制下来改变放大倍数的放大电路，它是扩大系统测量范围的一种有效手段，通常有两种实现方案：

1增益按二进制的规律变化，对转换的所获得的结果可以通过数据左移或右移来实现对增益的处理。

如输入信号放大8倍送入ADC转换器，转换的结果将其右移位就得到相当于放大输入端的电压数据。

2增益按十进制规律变化，在数据处理成十进制后，将小数点左移或右移，达到对增益的处理的目的。

5.0高速数据采集

5.1实验目的

1掌握高速数据采集的原理。

2学会合理使用高速ADC和接口设计。

3掌握高速数据传输的接口方法。

5.2实验内容

设计一个采样间隔小于1uS的数据采集系统，要求：

1输入信号1－5V

2采样间隔小于1uS

3采样深度512点（1024字节）。

4数据传输大于每秒5次。

5可以软件触发和硬件幅度触发启动采集

6数据波形屏幕显示

5.3参考资料

输入

1电路原理框图

2采用数据采集卡通过编程完成数据采集实验

（参考AC1856AC1050AC1059说明书）

6.0高精度数据采集

6.1实验目的

1掌握串行ADC的原理。

2学会串行接口的设计和编程。

3掌握AD770X的特性和使用方法。

6.2实验内容

用AD770X和51单片机设计高精度测量显示系统，要求：

1测量范围最大2伏

2测量分辨率大于16位

6.3参考资料

实现高精度数据采集的方法可以分为两种：

第一种是采用高精度的ADC转换系统，比如采用16位或24位的模数转换器。

这种方法成本较高，特别是速度较高时成本就很高，他可以在全量程范围内有相同的绝对精度。

第二种方法是采用普通较高精度的数模转换器和程控放大器结合，在大信号时用低增益保证动态范围，在小信号时通过提高增益来保证测量精度，这种方法电路和程序比较复杂，成本较低，绝对精度在大信号时较大，但相对精度可以保证在工程要求的范围内，由于程控放大的范围可以很大，所以可以实现很大测量范围。

当信号很小时对放大器的噪声和抗干扰

能力有较高的要求。

AD7705AD7706的引脚结构

AD7705的内部结构

AD7705（16位串行模数转换器）参考电路

AD7705的接口时序

通讯寄存器格式

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

0/DRDY

RS2

RS1

RS0

R/W

STBY

CH1

CH0

读数据DRDY状态位，同引脚DRDR

写数据D7=0

D6（RS2）D5（RS1）D4（RS0）寄存器选择

D3（R/W）读写控制高电平读/低电平写

D2（STBY）0正常模式，1掉电模式

D1（CH1）D0（CH0）通道选择

各寄存器的功能见参考资料

AD7705资料

参考程序：

;---------------

ADX:

CLREA

MOVA,#10H；选择寄存器和通道

LCALLWDAT；

MOVA,R2；设置增益

LCALLWDAT；

ORLA,#38H；指向数据寄存器设置读

LCALLWDAT；

NOP

LCALLRDAT；读数据第一字节

MOVDAT1,A

LCALLRDAT；读数据第二字节

MOVDAT2,A

SETBEA

RET

;------------

WDAT:

NOP;传输8位数据到7705

MOVR6,#8

WDX:

RLCA

CLRP3.4

MOVP3.3,C

SETBP3.4

DJNZR6,WDX

RET

;------------

RDAT:

JBP3.2RDAT；从7705读8位数据

MOVR6,#8

SETBP3.3

RDX:

CLRP3.4

NOP

SETBP3.4

MOVC,P3.3

RLCA

DJNZR6,RDX

RET

;---------------------------

7.0红外数据发送与接收

7.1实验目的

1了解红外线的传播特性。

2掌握普通遥控器的编码方式。

3学会使用单片机实现编码信号的解码。

7.2实验内容

设计遥控数字钟，要求：

1采用普通电视遥控器实现设置控制。

2具有倒计时和报警的功能。

3采用大数码管或大屏液晶显示器。

7.3参考资料

红外遥控器原理：

由于红外发光管的导通时间短而关闭时间比较长，电流关闭后会维持一段时间，所以采用占空比为1/3的驱动波形，频率为38KHz，波形如下：

数据调制采用调宽方式，没一位的时间长度不固定，数据“0”占空比为1/2，数据“1”的占空比位1/4且位长度比“0”长一倍。

如下图所示。

数据波形（不同型号的器件有差异）：

一帧数据波形由起始标志，地址段，数据段三部分组成，

起始标志：

9mS载波＋4.5mS空闲（或9mS载波＋2.5mS空闲后续起始标志）

地址段：

两字节15位组成（A0--A15位）

数据段：

两字节15位组成（D0---D7+D0—D7的反码）。

为了发送的可靠接收，有些按键当放开时停止发送，有些键没按一次重复发送几次自动停止。

HD6221/HD6222的输出格式如下所示：

HD6221多用途编码器

8.0数据的编码与接收

8.1实验目的

1了解串行数据传输的编码方法。

2学会利用单片机实现数据的编码和解码。

3掌握单片机定时器与中断的使用。

8.2实验内容

A用51单片机设计Mancherster码的编码程序，要求：

1信号频率20KHz

220位Mancherster字格式

3给定数据观察输出波形。

4把M码变成双极性M2码。

B用51单片机设计Mancherster码的解码程序，要求：

1信号频率20KHz

220位Mancherster字格式

3给定波形还原成数据信息。

4把双极性M2码变成TTL格式M码信号。

两人配合实现任务A和B联合调试。

8.3参考资料

曼码的编码方法是：

数据和时钟信息异或的结果，时钟为先低后高。

当数据“1”出现时，输出时时钟的反。

当数据“0”出现时，输出是时钟信号。

在“0”和“1”的交替边界信号不变化。

为了数据和同步的区别，同步电平采用1.5位宽度

一个曼彻斯特字有20位组成：

同步3位＋数据16位＋奇偶校验1位

同步格式：

数据同步：

高1.5位＋低1.5位，命令同步标志

数据同步：

低1.5位＋高1.5位，数据同步标志

数据格式：

数据“1”0.5位高＋0.5低

数据“0”0.5位低＋0.5高

数据波形如下图所示：

（数据01011010110101005AD4H偶校验）

01011010110101000

参考HD6408

采用单片机的编码方法：

1将一个字看作40个位，先生成数据，再按时间间隔定时输出。

2将数据看成三部分组成，同步段，数据段，校验段。

同步段时间间隔1.5位长格式固定。

数据段先在引脚上输出数据，半位后取反。

先将校验位置“0”遇到“1”取反一次数据输出完成后校验位的结果就是所需的结果（偶校验）。

奇校验可先置“1”来实现。

检验段输出方法与数据相同。

采用单片机解码的方法：

1数据波形解码

从第一个下降沿开始，第一次延迟1.75个数据位对波形采样，以后没1个数据位采用一次，到数据采完。

2通过测量下降沿的时间来确定数据值，第一个下降沿为数据同步和计时开始，以后每个下降沿中断一次，时间长度是1－1.75数据是1位，结果是“1”。

时间长度大于2位数据结果是“01”，时间间隔大于三位信号无效，接收数据16位（或17位考虑校验位）。

在每次中断时计时器被初始化，可以消除时钟误差的累计。

9.0全自动洗衣机控制程序设计

9.1实验目的

1掌握全自动洗衣机的控制过程。

2掌握单片机实现顺序流程控制的实现方法。

3掌握水位的检测与实现原理。

4掌握单相电机的转动方向控制和起停控制方法。

9.2实验内容

用51单片机编程实现洗衣机的控制过程，要求：

1具有进水洗涤脱水等功能。

2程序可选择其中一个功能执行。

3通过电机转动时间比例实现洗涤强度控制功能。

4通过洗涤时间和冲洗次数实现标准和经济选择功能。

9.3参考资料

1电路原理框图

2电机控制与换向原理

电机的控制通常采用双向可控硅来实现，无触点寿命长，最好具有过零检测功能，可大大减小冲击电机的电压。

换向

220V

电机

10.0无线数据发送与接收

10.1实验目的：

综合电子技术、通信、单片机知识，实现数据的远程传输和远程控制。

10.2实验内容：

1、编写微机串口通信程序（包括发送、接收）。

2、选用专用模块，实现数据的无线传输。

10.3实验方案：

1、系统结构

2、无线通信信道选择

根据通信距离、环境要求，信道可选择：

中波段、短波段、超短波段。

由于中波段频率低，干扰严重，且要求发送天线长，一般不考虑该频段。

目前常用的频段有：

业余频段43MHZ—47MHZ、调频段88MHZ-108MHz、以及300MHZ-400MHz、800MHz—900MHz，频率越高，天线越短，并且大多采用模块设计。

3、模块选择

目前有多款通信模块，工作在不同的频段。

如TDA5100、MICRF102、nRF902/nRF904等为无线数字发送模块，而TDA5200、MICRF007、RF2917/2919等为无线数字接收模块，也有如nRF401/403/903、RF2915、MICRF500等为无线收发模块。

下面以nRF401/nRF403模块说明无线数据传输系统的设计。

10.4基于nRF401/nRF403的无线数字收发电路设计

1、概述

nRF401/nRF403是一个单片RF收发芯片，工作在433MHzISM频段和315MHz频段；具有FSK调制和解调功能，抗干扰能力强，适合工业控制应用；具有PLL技术，频率稳定性好；灵敏度高达-105dBm，最大发射功率达+10dBm；具有两个信号通道，适合需要多信道工作的特殊场合；可直接与控制器接口；低电压工作（2.7V），数据速率可达20Kb/s；功耗低，接收待机状态仅为8uA，模块尺寸为30mm*22mm*6mm，可方便地嵌入各种测量与控制系统中；在仪器仪表数据采集系统、无线抄表系统、无线数据通信系统、计算机遥控遥测系统等中应用。

2、主要性能指标（以nRF403为例）

nRF401/nRF403主要性能指标如表1所示。

两者之间主要是电源电压不同：

nRF401的电源电压最大为5.25V，而nRF403最大电源电压为3.6V。

表1nRF401/nRF403主要性能指标

参数

数值

单位

频率

433.92/315.16

MHZ

调制

FSK

频偏

+15/-15

KHz

最大RF输出功率

10

dBm

接收灵敏度

-105

dBm

最大数据速率

20

Kb/s

电源电压

nRF4012.7—5.25

nRF4032.7---3.6

V

V

接收时电源电流

250

uA

发射时电源电流

8

mA

待机模式电源电流

8

uA

3、芯片封装与引脚功能

nRF403采用20脚SSOIC封装，如图1所示，功能描述如表2所示。

图1nEF401/nRF403引脚封装形式

表2引脚功能

引脚

名称

功能描述

引脚

名称

功能描述

1

XC1

晶振输入

11

RF_PWR

发射功率设置

2

VDD

电源（+3VDC）

12

FREQ

通道选择

3

VSS

地（0V）

13

VDD

电源

4

FILT1

回路滤波器

14

VSS

地

5

VCO1

VCO外接电感

15

ANT2

天线端

6

VCO2

VCO外接电感

16

ANT1

天线端

7

VSS

地

17

VSS

地

8

VDD

电源

18

PWR_UP

电源开关

9

DIN

数据输入

19

TXEN

发射/接收控制

10

DOUT

数据输出

20

XC2

晶振输出

表3芯片工作状态与控制引脚关系

输入

响应

TXEN

FREQ

PWR_UP

通道号

模式

0

0

1

1

433MHz接收

0

1

1

2

315MHz接收

1

0

1

1

433MHz发送

1

1

1

2

315MHZ发送

X

X

0

-

待机

4、内部结构与工作原理

nRF403内部结构方框图如图2所示。

芯片内包含有发射功率放大器（PA）、低噪声接收放大器（LNA）、晶体振荡器（OSC）、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、混频器（MIXER）等电路。

在接收模式中，RF输入信号被低噪声放大器（LNA）放大，经由混频器（MIXER）

变换，这个被变换的信号在送入解调器（DEM）之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在（DOUT）端输出。

在发射模式中，压控振荡器（VCO）的输出信号是直接送入到功率放大器（PA），DIN端输入的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出。

由于采用了晶体振荡和PLL合成技术，频率稳定性极好。

图2nRF403内部结构方框图

天线输入/输出，当nRF403是接收模式时，ANT1和ANT2引脚端提供射频输入到低噪声放大器LNA；当nRF403为发射模式时，从功率放大器提供射频输出到天线。

天线连接到nRF401/nRF403是差动形式，在天线通道推荐的负载阻抗是400Ω。

功率放大器输出级由差动结构的2个集电极开路的晶体管组成，电源VDD到功率放大器必须通过集电极负载供电。

当连接差动回路天线到ANT1/ANT2引脚端，电源VDD将通过回路天线的中心供电。

单端天线连接到nRF403时，使用差动到单端匹配网络，如图2所示。

单端天线也可以使用8：

1射频变压器连接到nRF403时，工作在315/433MHz。

射频变压器必须有一个中心抽头，用于电源VDD供电。

图3差动到单端匹配网络

连接在RF-PWR端和VSS之间的电阻R3可设置输出功率。

射频输出功率可以设置到+10dBm。

输出功率与电阻R3的关系（负载阻抗400Ω）如图4所示，芯片消耗电流与电阻R3的关系如图5所示。

图5芯片消耗功率与电阻R3的关系

PLL回路滤波器是外接的单端2阶滤波器，滤波器元件推荐值是：

C3=820pF，C4=15nF,和R2=4.7kΩ。

对于VCO电路外接22Nh（433MHz）或者47nH（315MHz）电感在VCOI引脚端和VCO2引脚端之间是必须的。

电感使用高质量的片式电感，Q>45（在某种程度上33MHz/315MHz），最大误差+2%。

晶体振荡器需要外接晶振，晶振的特性要求是：

并联谐振频率f=4MHz，并联等效电容Co<5pF，晶振等效串联电阻Resr<150Ω,全部负载电容,包括印制板电容Cl<14Pf。

图6晶体振荡器和晶振等效电路

如图6所示，负载电容Cl如下式所示：

式中，

和

使用0603SMD电容，

是电路板的寄生电容。

图7nRF401/nRF403使用微控制器的晶体振荡器连接图

nRF403可以使用微控制器的晶体振荡器，连接电路如图7所示。

发射/接收模式选择：

引脚端TXEN=“1”选择发射模式，引脚端TXEN=“0”选择接收模式。

频带选择：

引脚端FREQ=“0”选择433.92MHz，引脚端FREQ=“1”选择315.16MHz。

DIN（数据输入）引脚端输入数字信号到发射器的调制器，输入信号是标准的CMOS逻辑电平，数据速率20kb/s。

DIN=“1”时

解调的数字输出数据以标准的CMOS逻辑电平呈现在DOUT（数据输出）引脚端，

引脚端PWR_UP控制电路工作在正常的工作模式或者睡眠模式。

PWR_UP=’1’选择正常工作模式，PWR_UP=’0’选择睡眠模式。

5、应用电路设计

nRF403的433MHz应用电路如图8所示，印制电路板图如图9所示。

NRF403的316MHz应用电路如图10所示，印制电路板图如图11所示。

图8433MHz应用电路版图。

印制电路板（PCB）的设计直接关系到射频性能，PCB使用1.6mm厚的FR-4双面板，分元件面和底面。

PCB的底面有一个连接的接地面，射频电路的元件面以nRF403为中心，各元器件紧靠其周围，以尽可能减少分布参数的影响。

元件面的接地面保证元件充分接地，大量的通孔连接元件面的接地面到底面的接地面。

nRF403采用PCB天线，在天线的下面没有接地面。

射频电路的电源使用高性能的射频电容去耦，去耦电容尽可能地靠近nRF403的VDD端，一般还在较大容量的表面安装的电容旁并联一个小数值的电容。

射频电路的电源与接口电路的电源分离，nRF403的VSS端直接连接到接地面。

注意不能将数字信号或控制信号引入到PLL回路滤波器元件上。

使用中应注意问题是：

nRF403的工作电压为3V，与微控制器等连接时应注意电平匹配。

在发射模式，通信速率最高为20kb/s；发送数据之前需将电路置于发射模式（TXEN=1）；接收模式转换模式（TXEN=0）；发射模式转换为接收模式的转换时间至少3ms。

在接收模式接收到的数据可以直接送到单片机串行接口或者经电平转换后送入计算机。

PWR-UP=“0”为待机模式，电路进入待机状态，工作电流8uA，在待机状态电路不接收和发射数据。

由此芯片构成的无线收发电路结构简单，工作可靠，模块尺寸仅为30㎜×22㎜×6㎜，可以直接与常用的单片机如8051、68HC05、PICIC5X、MSP430等连接，可实现单片机与单片机、单片机与计算机之间的数据无线传输。

此电路通过MAX232A等接口芯片可以与计算机串行接口连接，实现计算机与计算机之间的数据无线传输。

此电路还可方便地嵌入仪器仪表和自动控制系统中，构成一个（点对点，一点对多点）的双向无线串行数据传输通道。

6、应用电路实例

例1多机无线数据通信系统

1、系统结构

利用nRF401/nRF403无线收发芯片可以实现PC与多台单片机之间的无线数据通信，组成一台计算机作为主控机，多台单片机系统为分机的无线测控网络，系统组成框图如图12所示。

图12一台微机作为主控机，多台单片机系统作为分机的无线测控网络