智能仪表设计基础实验指导书.docx

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智能仪表设计基础实验指导书

智能仪表设计基础

实

验

指

导

书

扬州大学能源与动力工程学院

二○一二年五月

目录

第一章简介1

1.1实验仪外观2

1.2主要功能及性能3

第二章硬件结构4

2．1单片机最小系统及总线接口4

2.2RS232串口通信及编程电路4

2.3开关量输入电路5

2.4开关量输出电路5

2.5I/V电路6

2.6串行A/D转换6

2.7并行A/D转换7

2.8D/A转换电路7

2.9V/I电路7

2.10RS485通信电路8

2.11液晶显示电路8

2.12拨动开关、独立键盘、LED发光二极管显示电路9

2.13多路开关9

2.14可编程放大器10

2.15键盘显示电路10

第三章实验12

3.1Keil集成开发环境12

3.2在系统编程（ISP）12

3.3键盘和显示实验14

3.4模拟量输入通道实验16

3.5简易信号发生器实验18

3.6模拟量输入、输出通道实验19

3.7LCD显示实验21

3.8串行口通信实验22

3.9综合实验23

第一章简介

本章介绍智能仪表设计基础综合开发平台的硬件信息。

对它的各部件功能大概的了解，对后面的智能仪表设计基础实验具有必不可少的帮助。

1.1实验仪外观

图1.1是智能仪表设计基础电路板的实物照片。

图1.1智能仪表设计基础电路板的实物照片

智能仪表设计基础电路板的电路布局如图1.2所示。

图1.2智能仪表设计基础电路板的电路布局

图中可见，智能仪表设计基础综合开发平台分为很多个功能块，各个功能块之间是相对独立的。

通过杜邦线的连接可实现不同的实验。

1.2主要功能及性能

1、单片机：

采用51核的STC单片机，集成有FlashROM、RAM、Watchdog、I/O、SPI、PWM、定时/计数器、中断等。

2、键盘：

16个矩阵键盘、8个独立键盘。

3、数码显示器：

8位，可实现数字和各种字符的显示。

4、LCD显示器：

分辨率240*128，可实现各种点阵图形的显示。

5、模拟量输入电路：

采用12位A/D转换器（并口A/D、串口A/D）

输入范围：

0~+5V、输出范围：

000000000000~111111111111。

6、模拟量输出电路：

采用8位D/A转换器

输入范围：

00000000~11111111、输出范围：

0~-5V，-5V~+5V。

7、开关量输入电路：

8路隔离的开关量输入电路。

8、开关量输出电路：

8路隔离的开关量输出电路。

9、I/U转换电路：

一路可实现4~20mA电流转换为0~5V电压电路，一路可实现0~10mA电流转换为0~5V电压电路。

10、U/I转换电路：

一路可实现0~5V电压转换为4~20mA电流电路。

11、LED显示电路：

8个LED发光二级管。

12、串行通信：

一路232总线，一路485总线。

13、可编程增益放大器：

可实现增益为1、10、100、1000的放大。

14、多路开关电路：

一个多路开关电路。

15、开关稳压电源：

输出电压：

两路5V、+/-12V，输出电流：

2A，误差<0.5%。

第二章硬件结构

本章介绍智能仪表设计基础综合开发平台上的各个功能模块区的硬件电路和其相应的接口。

2．1单片机最小系统及总线接口

此最小系统适用于40引脚的各类8051核的单片机，为了方便使用单片机的各个引脚及各种功能，管脚基本都引出，为用户提供了各个管脚的连接接口。

本装置以STC12C5A60S2单片机为核心构建的智能仪器实验平台，STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。

通过J15把单片机的P1口引出，可以把它当作IO口、A/D转换、SPI总线、串口2来使用。

通过JP1把单片机的P0口引出，可以把它当作IO口、数据总线、经过锁存器可作为单片机的低8位地址线的引出。

通过J16、J17、J22-1、JP4把单片机的P3口引出，可以把它当作IO口或P3口对应的特殊功能来使用。

通过J18把单片机的P2口引出，可以把它当作IO口或单片机地址总线高8位来使用。

另外单片机引脚9、30、31等也通过引脚引出，作为通过IO口使用。

U8为74HC138芯片，可作为总线地址译码电路使用。

2.2RS232串口通信及编程电路

此部分将J29连接到计算机的串口，J28连接到单片机的TxD、RxD可作为编程器使用，通过下载程序将hex文件或bin文件下载到单片机，也可作为单片机与上位机的通信使用，或者作为单片机之间的通信使用。

2.3开关量输入电路

此部分可做开关量输入电路实验，将J32连接到单片机的P0或P1口，J33连接到地址总线即可。

2.4开关量输出电路

此部分可做开关量输出电路实验，将J35连接到单片机的P0或P1口，J34连接到地址总线即可。

2.5I/V电路

此电路可将0~10mA、4~20mA电流转换成0~5V电压，可将J1、J2连接到A/D转换器或多路开关。

2.6串行A/D转换

此部分可做串行A/D转换实验，J10接输入模拟量，J63可选择片内还是片外参考电压，短接选片内，断开选片外，J11连接到单片机的IO口。

2.7并行A/D转换

此部分可做并行A/D转换实验，J12连接到单片机的P0口，J13连接到单片机的地址总线、IO口，J14接输入模拟量。

2.8D/A转换电路

此部分可做D/A转换电路实验，J23连接到单片机的P0口，J24连接到单片机的地址总线或IO口，J26作为单极性输出，J27作为双极性输出。

2.9V/I电路

此电路可将输入电压±5V、±10V等转换成4~20mA电流输出。

2.10RS485通信电路

此电路将J30连接到单片机的TxD、RxD及IO口，J31通过双绞线连接到另一台装置的J31，可实现两台单片机之间的RS485通信实验。

也可通过RS232/RS485转换器作为单片机与上位机的通信使用。

2.11液晶显示电路

此部分可做240×128图形点阵液晶显示实验，J38连接到单片机的P0口或P1口，J39连接到单片机的地址总线或IO口。

2.12拨动开关、独立键盘、LED发光二极管显示电路

此部分可做独立式键盘、LED发光二极管显示等相关实验。

2.13多路开关

此部分可作为多路输入模拟量的通道选择。

J7接模拟量输入，J8接单片机的地址总线或IO口，J9接A/D转换器的输入端。

2.14可编程放大器

此部分可将J53连接到单片机，通过单片机编程来设置可编程放大器的增益。

2.15键盘显示电路

此部分可做ZLG7290键盘和显示电路实验。

只需将J37连接到单片机的IO口和中断口就可进行相关实验。

第三章实验

3.1Keil集成开发环境

由于单片机实验已介绍，此略。

（注：

设置时必须选择输出时建立hex文件，以便下载程序使用）

3.2在系统编程（ISP）

1.STC12C5A60S2系列􀵞在系统可编程（ISP）典型应用线路图

用户在自己的目标系统上，如将P3.0/P3.1经过RS-232电平转换器转换后连接到电脑的普通RS-232串口，就可以在系统编程/升级用户软件。

2.电脑端的ISP控制软件界面使用说明

运行STC提供的ISP下载工具（STC-ISP.exe软件），运行后如图所示。

具体操作步骤如下：

Step1/步骤1：

选择你所使用的单片机型号，如STC12C5A60X等

Step2/步骤2：

打开文件，要烧录用户程序，必须调入用户的程序代码（*.bin,*.hex）

Step3/步骤3：

选择串行口，你所使用的电脑串口，如串行口1--COM1,串行口2--COM2,...

Step4/步骤4：

选择下次冷启动后，时钟源为“内部R/C振荡器”还是“外部晶体或时钟”

（STC12系列单片机只有内部R/C振荡时钟）

Step5/步骤5：

选择“Download/下载”按钮下载用户的程序进单片机内部，可重复执行Step5/步骤5，也可选择“Re-Download/重复下载”按钮

下载时注意看提示，主要看是否要给单片机上电或复位,下载速度比一般通用编程器快。

一定要先选择“Download/下载”按钮，然后再给单片机上电复位（先彻底断电），而不要先上电，先上电，检测不到合法的下载命令流，单片机就直接跑用户程序了。

3.3键盘和显示实验

一、实验目的

熟悉并掌握I2C总线的编程方法，ZLG7290键盘的中断编程方法，掌握ZLG7290键盘和显示器管理芯片的使用方法。

二、实验设备及器件

个人计算机1台，装载了KeilC51集成开发环境软件，ISP下载工具STC-ISP.exe软件，智能仪表设计基础开发平台1台。

三、实验内容

（1）通过ZLG7290在8位8段LED显示器上显示“12345678”。

（2）通过ZLG7290在8位8段LED显示器上显示“1.2.3.4.5.6.7.8.”。

（3）通过ZLG7290在8位8段LED显示器上依次循环显示“a、b、c、d、e、f、g、dp”各段。

（4）按下键盘上的按键S1~S10分别在8段LED显示器上显示“1~9、0”。

四、实验步骤

1.连接导线：

根据实验内容，将J37连接到单片机的IO口和中断口。

（具体IO口和中断口自定）

2.调试程序，查看结果。

五、实验预习要求

1.认真阅读理解ZLG7290键盘和显示器管理芯片的相关文档，掌握其使用方法。

2.熟悉实验内容，理解实验电路原理。

3.预先编写好实验内容要求编写的程序。

4.将编写的程序输入计算机并存入U盘。

3.4模拟量输入通道实验

一、实验目的

掌握模拟量输入通道及其数据采集程序的设计方法。

二、实验设备及器件

个人计算机1台，装载了KeilC51集成开发环境软件，ISP下载工具STC-ISP.exe软件，智能仪表设计基础开发平台1台。

三、实验内容

（1）利用开发平台上的并行12位A/D（MAX197）作为模拟量输入通道的A/D转换，平台上的电位器提供电压输入，编制程序，将采集的电压在LED数码管显示。

（2）利用开发平台上的串行12位A/D（MAX187）作为模拟量输入通道的A/D转换，平台上的电位器提供电压输入，编制程序，将采集的电压在LED数码管显示。

四、实验步骤

1.内容一

（1）连接导线：

J12连接到单片机的P0口，J13连接到单片机的地址总线、IO口，J14接输入模拟量。

（具体地址总线、IO口自定）

（2）调试程序，查看结果。

2.内容二

（1）连接导线：

J10接输入模拟量，J63可选择片内还是片外参考电压，短接选片内，断开选片外，J11连接到单片机的IO口。

（具体IO口自定）

（2）调试程序，查看结果。

五、实验预习要求

1.认真阅读理解MAX197、MAX187A/D转换芯片的数据手册，掌握其使用方法。

2.熟悉实验内容，理解实验电路原理。

3.预先编写好实验内容要求编写的程序。

4.将编写的程序输入计算机并存入U盘。

3.5简易信号发生器实验

一、实验目的

掌握模拟量输出通道及其程序的设计方法。

二、实验设备及器件

个人计算机1台，装载了KeilC51集成开发环境软件，ISP下载工具STC-ISP.exe软件，智能仪表设计基础开发平台1台。

三、实验内容

利用D/A转换器DAC0832，编制程序产生锯齿波、三角波、正弦波。

通过按键进行切换输出，用示波器观看。

具体频率、幅值由键盘输入给定。

四、实验步骤

1.连接导线：

J23连接到单片机的P0口，J24连接到单片机的地址总线或IO口，J26作为单极性输出，J27作为双极性输出。

2.调试程序，在示波器上查看结果。

五、实验预习要求

1.认真阅读理解DAC0832芯片的数据手册，掌握其使用方法。

2.熟悉实验内容，理解实验电路原理。

3.预先编写好实验内容要求编写的程序。

4.将编写的程序输入计算机并存入U盘。

3.6模拟量输入、输出通道实验

一、实验目的

掌握模拟量输入通道、输出通道构成闭环的简单方法。

二、实验设备及器件

个人计算机1台，装载了KeilC51集成开发环境软件，ISP下载工具STC-ISP.exe软件，智能仪表设计基础开发平台1台。

三、实验内容

利用开发平台上的多路开关CD4051、串行A/D（MAX187）作为模拟量输入通道的A/D转换，送入单片机，平台上的电位器提供电压输入，单片机将采集到的数据在LED数码管显示，并且将数据送DAC0832输出。

DAC0832的输出再连接到多路开关CD4051的另一通道，单片机再采集此通道的数据并与原通道的数据进行比较，如相等，则在LED数码管显示“Co”，如不相等，则显示“Er”，并分析原因。

四、实验步骤

1.连接导线：

J7接输入模拟量，J8连接到单片机的IO口，J9连接到J10，J63可选择片内还是片外参考电压，短接选片内，断开选片外，J11连接到单片机的IO口。

J23连接到单片机的P0口，J24连接到单片机的地址总线或IO口，J26作为单极性输出，J27作为双极性输出。

（具体地址总线、IO口自定）

2.调试程序，查看结果。

五、实验预习要求

1.认真阅读理解多路开关CD4051、串行A/DMAX187、DAC0832等芯片的数据手册，掌握其使用方法。

2.熟悉实验内容，理解实验电路原理。

3.预先编写好实验内容要求编写的程序。

4.将编写的程序输入计算机并存入U盘。

3.7LCD显示实验

一、实验目的

掌握点阵图形LCD显示器的工作原理及其程序的设计方法。

二、实验设备及器件

个人计算机1台，装载了KeilC51集成开发环境软件，ISP下载工具STC-ISP.exe软件，智能仪表设计基础开发平台1台。

三、实验内容

利用前面的模拟量输入通道实验，将采集到的数据在LCD显示器上显示，并能够显示文字，进一步如有可能可显示波形（选做）。

四、实验步骤

1.连接导线：

J38连接到单片机的P0口或P1口，J39连接到单片机的地址总线或IO口（具体自定）。

模拟量通道的连接见前面实验。

2.调试程序，查看结果。

五、实验预习要求

1.认真阅读理解液晶显示模块SMG240128的控制器的工作原理，掌握其使用方法。

2.熟悉实验内容，理解实验电路原理。

3.预先编写好实验内容要求编写的程序。

4.将编写的程序输入计算机并存入U盘。

3.8串行口通信实验

一、实验目的

掌握智能仪器串行接口的使用方法。

二、实验设备及器件

个人计算机1台，装载了KeilC51集成开发环境软件，ISP下载工具STC-ISP.exe软件，智能仪表设计基础开发平台1台。

三、实验内容

利用单片机串行口，实现两个实验平台之间的232或485串行通讯。

其中一个实验台作为发送方，另一侧为接收方。

具体甲机完成数据的采集和在本机显示（具体可参考前面的模拟量输入通道实验），并传送到乙机去显示。

四、实验步骤

1.连接导线：

如使用232通信，将J28连接到单片机的TxD、RxD，将J29通过串口线连接到另一台装置的J29。

如使用485通信，将J30连接到单片机的TxD、RxD及IO口，J31通过双绞线连接到另一台装置的J31。

2.调试程序，查看结果。

五、实验预习要求

1.认真阅读理解MAX232、MAX485的工作原理，掌握其使用方法。

2.熟悉实验内容，理解实验电路原理。

3.预先编写好实验内容要求编写的程序。

4.将编写的程序输入计算机并存入U盘。

3.9综合实验

一、实验目的

掌握一般智能仪器的基本设计方法。

二、实验设备及器件

个人计算机1台，装载了KeilC51集成开发环境软件，ISP下载工具STC-ISP.exe软件，智能仪表设计基础开发平台1台，CSY-2000传感器综合实验装置。

三、实验内容

利用CSY-2000传感器综合实验装置中的传感器（自行决定采用哪种传感器，比如温度、压力、位移等），自行设计一个智能仪器，使传感器信号经过调理电路后，进入AD转换，送单片机进行处理后显示。

要求每秒钟采集10次数据，进行数字滤波（比如去极值平均滤波），并进行标度变换，在LED数码管或LCD液晶显示器上显示实时测量值。

四、实验步骤

1.连接导线：

参考前面实验以及CSY-2000传感器综合实验装置，自行进行线路连接。

2.调试程序，查看结果。

五、实验预习要求

1.熟悉CSY-2000传感器综合实验装置中的传感器及其处理电路，掌握其使用方法。

根据自行设计的智能仪器的性能指标要求，利用智能仪器实验平台，设计具体的硬件电路。

2.预先编写好实验内容要求编写的程序。

3.将编写的程序输入计算机并存入U盘。