SBJCS-1112单片机传感器综合实验实训平台
一、概述
1．传感器单片机实验平台能满足实验平台能满足《单片机原理与应用》与《生物医学传感器原理与应用》课程的实验需求,从基本实验到构成完整系统在一台实验装置上便可以全部实现。具有占用空间小、挂箱设计规范、互换性强,避免了不同课程需要不同实验装置、占用空间大、难以构成完整系统、不方便实施综合性和设计型实验的麻烦。
2．能适应不同专业和不同层次的教学需要,可按不同需求选择不同的配置,并可根据用户的要求增添实验挂箱。
3．实验装置能完成传感器与检测技术相关课程实验,通过实验能掌握各种传感器原理、信号处理电路及检测方法。
4．传感器部分包括压阻、压电、应变、电容、霍尔、磁电、温度、光敏、气敏(酒、C0)、电涡流、光纤位移、长光栅位移、差动变压器、光电耦合等各种常见传感器。丰富的传感器配置有利于学员进行综合性、创新性实验设计。
5．单片机部分配备控制器单元挂箱、信号转换单元挂箱、通信单元挂箱、显示与键盘单元挂箱、对象挂箱。
6．通过使用本实验平台,有利于广大学生对书本知识的理解和深化,在完成传感器与检测技术等一系列基本实验后,便能掌握传感器与检测技术课程群所要求的基本原理、操作技能和动手能力。若再完成一个或几个综合型实验,则对系统有一个较为全面的认识,形成基本的解决实践问题的知识体系。如果能进一步完成设计型乃至创新型实验,则将形成解决实践问题的能力和积累解决实践问题的经验,进而培养其创新精神和创新能力。
二、特点
1．模块化设计：采用标准的模块化设计,增强系统的结构性和互换性。
2．总线标准：建立统一的内总线和接口约定,以实现最灵活的个性化配置、扩展和系统管理。
3．快速连接线设计：提供三种连线方式
①采用金质缩紧孔单线接线；
②采用排线集中接线；
③自动免连线模式接线。各模块在设计时均融入三种连线方式于设计过程。
4．一机多用：采用实验现场与实验准备室相结合的设计构思,在实验装置上仅配备最常用的模块,在实验装置内放置次常用模块,在实验准备室中放置其他模块。由此实现了该实验装置能够实现一机多用、便于扩展和综合的目标。
5．接近工程实际：实验装置上采用多种工业型传感器,既可以用来完成传感器原理、结构与调理电路的教学,也可以用解决工业工程和过程中的实际问题。
6．开放式设计：实验装置中的软、硬件及系统均按照全开放的思想进行设计,以便于学生开展研究型和创新型的实验。
7．最小知识单元：为每个模块均可拆分到该知识层次的最小知识单元。
三、适用范围
实验台主要针对高校大学生课程设计、毕业设计和电子设计竞赛的开发平台,体现了灵活、开放、创新、综合、跨领域、跨专业的设计理念。其功能扩展模块覆盖了多个专业多门课程,适合电子类、通信类、自动化类、计算机类、机电类、测控仪器类等专业的学生进行综合、创新设计。
四、结构简介
本装置由控制屏,实验桌、活动挂箱及扩展模块、实验箱组成。实验台美观大方,尺寸可选；活动挂箱包括CPU挂箱、接口挂箱、对象挂箱；其功能扩展模块覆盖了多个专业多门课程,包含CPU类、通用接口类、人机界面类、信号变换隔离类、通信类、执行机构类、传感器类共40多项。
五、技术指标
1．输入电源：单相三线220V±10％50Hz
2．工作环境：温度10℃～+40℃相对湿度<85％(25℃)海拔<4000m
3．绝缘电阻：大于3MΩ
4．漏电保护：漏电动作电流不大于30mmA,动作时间不大于0．1秒
5．装置容量：<200VA
6．外形足寸：1620mm×750mm×1600mm,以实物为准。
六、装置的配备及技术性能
本装置主要由实验控制屏和实验桌两部分组成。
（一）实验控制屏
A.电源及保护体系
（1）直流稳压电源,每套功能配置如下：
①±5V／lA,±12V／1A和±15V／1A各两路,均具有短路软截止自动恢复保护功能；
②O～3OV／1A连续可调电源一路,具有短路软截止自动恢复保护功能,带数显电压表切换指示；
③0~20mA连续可调恒流源、具有开路保护功能,带数显指示功能。
（2）实验装置设有漏电保护,控制屏若有漏电现象,漏电流超过一定值,即切断电源,对人身安全起到一定的保护。
B．仪器仪表
1、直流数字电压表：200mV,2V,20V三档可调。
2、直流数字电流表：范围0~200mA,三位半数显,配合可调恒流源使用。
3、功率函数信号发生器
●频率范围：2HZ,20HZ,200HZ,2KHZ,20KHZ,200KHZ,2MHZ,分七档
●输出波形：正弦波、三角波、方波
● 占空比调节：20%~80%
● 输出电压幅度：20VP-P输出阻抗：50?
●5位LED频率显示
●3位LED幅度显示
● 外测范围：10MHZ
● 两档衰减：20dB,40dB
● 有直流偏置功能
● 有VCF功能
● 有TTL输出
● 有输出保护不易损坏
4、低频振荡器部分
（1）频率调节电位器可调振荡频率从1Hz～30Hz。
（2）幅度从0-8VP-P连续可调。
5、音频振荡器部分
（1）频率调节电位器可调振荡频率从400Hz～10KHz,精度±5%。
（2）幅度可从0-10VP-P连续可调。
6、频率/转速表：频率测量范围1～9999Hz,转速测量范围1～9999rpm；
7、温度控制器,加热源：提供一只XMTD3000温度控制器,可以显示设定温度和当前温度。
8、数据采集卡,配套相应PC机上位软件,用于电信号的采集、处理、显示。
C．传感器由多种传感器和信号调理模块组成
（1）转动源部分：转动源、霍尔传感器、光电传感器；应变片称重传感器；可更换的传感器：差动变压器传感器、电容传感器、涡流传感器、霍尔位移传感器、磁电式传感器、光纤位移传感器、湿敏传感器、酒精传感器。
（2）振动源部分：应变片振动台、压电电传感器；
（3）气体压力传感器部分：气压源、两气压计、气体压力传感器。
（4）热敏电阻传感器,热电偶传感器,PTl00铂电阻等。
（5）（选配模块）长光栅位移传感器部分：长光栅位移传感器；圆光栅角位移部分：光电编码器,配多功能智能计数器、环境噪声传感器、光照传感器、色标传感器、红外反射式传感器
D.嵌入式多功能网络虚拟仪器（不需电脑配合使用）：
A、终端部分采用7寸彩色触摸屏（装学生实验屏上）同时配有虚拟示波器、虚拟逻辑分折仪、虚拟频谱仪、虚拟三用表、虚拟数字量输入输出模块。
B、参数：
1）、双踪存贮示波器,多种同步方式,存贮深度可编程；
通道数：2路
带宽：20MHZ
分辨率：8位
电压范围：-10~+10V
存贮深度：64K
2）、双通道频谱分折仪；
3）、数字三用表,可测电阻、电流、电压等；
数字IO口
通道数：8路IO
输入电平：TTL
输出电平：TTL
电流驱动：20mA/通道
4）、四路智能远程电源控制
5）、数据具有上传与保存功能并能通过服务器显示
E．实验挂箱及实验模块
（1）控制器单元挂箱：配有8051单片机模块、C8051嵌入式单片机模块、其他CPU外围单元、译码模块、和常用接口模块。
（2）信号转换单元挂箱：
配有8位并行AD模块、12位并行AD模块、8位并行DA模块、12位并行DA模块、I／O口扩展模块、转换模块。
（3）通信与打印机单元挂箱：
配有RS232／RS485通信模块、USB通信模块,网络控制器模块、CAN总线模块、打印机放在挂箱底板上
（4）键盘与显示单元挂箱：
配有显示(静态显示、动态显示、液晶显示)模块、16*16点阵显示模块、4X4键盘模块
（5）对象控制单元挂箱（一）：
配备有开关量输出模块、开关量输入模块、光耦隔离模块、继电器模块
（6）对象控制单元挂箱（二）：
配备有IC卡读写模块、步进电机模块、直流小电机模块、语音处理模块、交通灯模块、PWM调制模块
七、实验挂箱具体硬件资源
1．控制器单元挂箱：挂箱主要用于插接不同的CPU模块。挂箱上包含了CPU模块的接口插座和基本实验电路及系统扩展电路,可单独完成大部分的基本实验,挂箱上有三个(40P、40P、20P)扁平电缆接口槽用于和其他挂箱连接。
挂箱上的资源如下：
（1）8155接口模块
（2）8255接口模块
（3）8279键盘显示接口模块
（4）8253可编程定时器模块
（5）硬件看门狗电路模块
（6）I2C EEROM模块
（7）8250模块
（8）8251模块
（9）I2C存储器模块
（10）I2C时钟模块
（11）单次脉冲模块
（12）93C46串行EEPROM模块
（13）红外线收发模块
（14）DS18B20数字温度传感器模块
（15）开关量输入模块
（16）关量输出模块
控制器单元挂箱支持CPU模块和译码模块：
模块名称 |
功能指标 |
51系列CPU模块 |
支持80C31、80C51,含32K SRAM、64K ROM组成数据总线、地址总线和控制总线 |
Cygnal51CPU模块 |
采用美国Cygnal公司的嵌入式单片机C8051F020芯片,含32K SRAM,组成数据总线、地址总线和控制总线 |
译码模块 |
采用LATTICE公司的ispLSI1016E完成整个系统的译码工作 |
2.信号转换单元挂箱：
挂箱上有三个（40P、40P、20P）扁平电缆接口槽用于和控制器单元挂箱信号连接。
挂箱支持的模块：
模块名称 |
功能指标 |
8位并行AD模块 |
由AD0809模数转换电路组成8路8位AD。 |
8位并行DA模块 |
由两只DA0832数模转换电路组成2路8位DA。 |
12位并行AD模块 |
由AD574模数转换电路组成12位AD。 |
12位并行DA模块 |
由TLV5613数模转换电路组成12位DA。 |
I/O扩展模块 |
由两块74LS244芯片扩展成16路并行输入电路。 由两块74LS273芯片扩展成16路并行输出电路。 用74LS164芯片组成串转并输出电路。 用74LS165芯片组成并转串输入电路。 |
转换模块 |
用LM311实现V/F电路和F/V电路 用TLC549芯片组成串行AD转换电路。 用TLC5615芯片组成串行DA转换电路。 |
3．通信与打印机单元挂箱：挂箱上有三个（40P、40P、20P）扁平电缆接口槽用于和其他挂箱信号连接,打印机装在挂箱的底板上。
挂箱支持的模块：
模块名称 |
功能指标 |
RS232/RS485/CAN总线通信模块 |
由MAX232芯片组成RS232通信电路,MAX485芯片组成RS485通信电路。 由SJA1000芯片和TJA1050芯片组成CAN总线电路。 |
USB通信模块 |
由1581芯片组成USB2.0通信模块 |
网络控制器模块 |
采用RTL8019AS芯片 |
4．显示与键盘单元挂箱：挂箱上有三个（40P、40P、20P）扁平电缆接口槽用于和其他挂箱信号连接。
挂箱支持的模块：
模块名称 |
功能指标 |
静态显示模块 |
由74LS164芯片驱动 |
动态显示模块 |
采用8位8段LED数码管。 |
液晶显示模块 |
提供128*64点阵的液晶显示屏 |
CPLD模块 |
采用LATTICE公司1032芯片 |
4*4行列式键盘 |
公共键盘 |
5、对象挂箱(一)：挂箱上有三个（40P、40P、20P）扁平电缆接口槽用于和其他挂箱信号连接。
挂箱支持的模块：
模块名称 |
功能指标 |
继电器模块 |
由两个5V继电器、2个12V继电器和2个24V继电器组成。 |
光耦隔离模块 |
由3个TLP521-4芯片组成12入12出。 |
LED显示模块 |
用16个LED灯组成逻辑电平测试电路 |
开关量模块 |
用16个按键组成高低电平输出电路 |
6、对象挂箱(二)：挂箱上有三个（40P、40P、20P）扁平电缆接口槽用于和其他挂箱信号连接。
挂箱支持的模块：
模块名称 |
功能指标 |
IC卡读写模块 |
I2C总线实现IC卡的读写及识别 |
直流电机 |
带驱动小直流电机,测速部分由1个霍尔传感器组成 |
步进电机 |
采用四相步进电机,带驱动电路 |
交通灯模块 |
采用16个LED灯和四位数码管组成。 |
语音处理模块 |
采用1730专用语音芯片组成 |
PWM调制模块 |
由324运放芯片组成,用于小直流电机调速 |
八、 装置的配备表
序号 |
名称 |
单位 |
数量 |
备注 |
1 |
实验控制屏 |
套 |
1 |
|
2 |
实验桌 |
张 |
1 |
|
3 |
挂箱与模块 |
套 |
1 |
传感器由多种传感器和信号调理模块 |
控制器单元挂箱 |
||||
信号转换单元挂箱 |
||||
通信与打印机单元挂箱 |
||||
键盘与显示单元挂箱 |
||||
对象控制单元挂箱（一） |
||||
对象控制单元挂箱（二） |
||||
4 |
常用工具 |
套 |
1 |
一字螺丝刀1把；十字螺丝刀1把；剥线钳1把；尖嘴钳1把。 |
5 |
实验说明书 |
套 |
1 |
指导学生实训 |
6 |
开放实验室信息管理系统 |
套 |
1 |
附一 |
附一：开放实验室信息管理系统：（全室配一套）
A、．开放实验室信息管理系统的必要性
学生动手能力的培养、分折问题解决问题能力的培养、自主实验和创新实验能力的培养均需要一个宽松的、开放的、设备齐全的实验环境。但是目前很多学校因师资力量有限无法将实验室开放,这一方面造成资源浪费另一方面学生又得不到煅炼。针对这一问题,配备本实验室信息化管理系统,它可有效解决上述矛盾。具备这样条件的实验室可以不必配备固定的老师管理和辅导,学生可以自主按排实验时间并通过刷卡确定机位,并通过学生终端计算机中的实验课件、仪器仪表介绍课件、自主实验题库、在线帮助等资源完成各类实验。
B、智能开放实验室管理系统简介
智能实验室管理系统（以下称：本系统）是以标准化实验室管理思想为基础、网络技术为驱动最新开发的管理系统。本系统能对实验室设备及学生实验过程进行智能化管理,以实时了解实验室设备状态及学生实验完成状况,跟踪记录实验痕迹,确保老师能了解学生做实验的流程。
实验室管理手段包括：短信,邮件,web页面。
C．开放实验室资源配置
建设开放实验室应具备必要的硬件和软件资源：
（一）硬件资源：
1、手机（可选）：发送和接收实验室设备管理及状态信息。
2、管理员PC：用于发送和接收实验室管理及状态信息,接收学生的实验数据（波形,数据包等实验数据）,发送提示信息及试题到学生实验设备上。
3、服务器：服务器为本系统的核心部分,完成接收管理员控制信息,发送采集到的终端实验数据到web页面,对终端设备的控制,终端实验数据的采集。
4、网络设备：路由器等,传输各种数据。
5、终端：虚拟示波器,发送及接收数据,直接控制设备
（二）软件资源：
1.web页面系统,通过web页面设置本系统的各项参数,个性化定制,实时接收并显示学生实验数据,发送控制命令到服务器,并由服务器发送控制命令到终端,达到控制实验室设备的目的。
2.短信控制系统,向特定的手机发送实验室设备状态,接收特定手机的控制命令,并由服务器发送控制命令到终端,达到控制实验室设备的目的。
3.邮件控制系统,向特定的邮箱发送实验室设备状态,接收特定邮箱的控制命令,并由服务器发送控制命令到终端,达到控制实验室设备的目的。
4.数据库存储系统,存储学生实验过程数据,以便老师后续查看学生的实验过程。
九、基本实验项目
(一)传感器实验项目
(1)金属箔式应变片一单臂电桥性能实验
(2)金属箔式应变片一半桥性能实验
(3)金属箔式应变片一全桥性能实验
(4)直流全桥的应用一电子秤实验
(5)交流全桥的应用一振动测量实验
(6)扩散硅压阻压力传感器差压测量实验
(7)差动变压器的性能实验
(8)激励频率对差动变压器特性的影响实验
(9)差动变压器零点残余电压补偿实验
(10)差动变压器的应用一一振动测量实验
(11)电容式传感器的位移特性实验
(12)电容传感器动态特性实验
(13)直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验
(14)交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验
(15)霍尔测速实验
(16)霍尔式传感器振动测量实验
(17)磁电式转速传感器的测速实验
(18)压电式传感器振动实验
(19)电涡流传感器的位移特性实验
(20)被测体材质、面积大小对电涡流传感器的特性影响实验
(21)光纤传感器的位移特性实验
(22)光电转速传感器的转速测量实验
(23)PTl0温度控制实验
(24)集成温度传感器AD590的温度特性验
(25)铂电阻温度特性实验
(26)K型热电偶测温实验
(27)E型热电偶测温实验
(28)气敏传感器实验
(29)湿敏传感器实验
(30)转速控制实验
选配模块实验：
（31）光栅尺测量实验
（32）光电编码器实验
（33）环境噪声测量实验
（34）光照强度测量实验
（35）红外反射式传感器物件计数实验
（36）色标传感器颜色识别实验
(二)单片机实验项目
1、MCS-51单片机实验项目：
软件部分实验：
1．清零程序
2．拆字程序
3．拼字程序
4．数据区传送子程序
5．数据排序实验
6．查找相同数据个数
7．无符号双字节快速乘法子程序
8．多分支程序
9．多分支程序
10．电脑时钟实验
硬件部分实验：
1．P1口亮灯实
2．P1口转弯灯实验
3．P3.3口输入,P1口输出实验
4．工业顺序控制实验
5．8255 A、B、C口输出方波实验
6．8255 PA口控制PB口
7．8255控制交通灯
8．简单I/O扩展实验
9．并行ADC 0809转换实验
10．并行DAC 0832转换实验
11．8279键盘显示实验
*12.通用打印机实验
13.微型打印机实验
14.I2C储存卡读写实验
15.语音芯片ISD173控制实验（录音）
16.语音芯片ISD1730控制实验（放音）
17.继电器控制实验
18.步进电机控制
19.8253方波实验
20.小直流电机调速实验
21.16*16 LED点阵显示实验
22.128*64 LCD液晶显示实验
23.8250可编程异步通讯接口实验
24.8251可编程通讯接口实验
25.单片机RS232/485串行发送实验
26.单片机RS232/485串行接收实验
27.DS18B20单总线温度测量实验
28.红外线遥控收发实验
29.串行A/D TLC549转换实验
30.串行10位D/A TLC5615转换实验
31.PCF8563? I?C日历时钟实验
32.MAX813看门狗实验
33.PWM脉宽调制实验
34.74LS164串并转换
35.74LS165并串转换
36.LM331 V/F转换实验
37.AT24C02? I2C总线存储器读写实验
38.串行存储芯片93C46读写实验
39.电子音乐演奏实验
40.CAN总线通讯接口实验
41.以太网TCP/IP协议接口实验
42.USB2.0通讯接口实验
43.LM331 F/V转换实验
44.LM331 V/F转换实验
45.AD574 12位并行模数转换实验
46.TLV5613 12位并行数模转换实验
47.4*4行列式键盘实验
48.8位静态显示器实验
49.8位动态显示器实验
50.光耦隔离模块实验
51.模拟十字路口交通灯实验
2．嵌入式单片机(C8051)实验
(1)数字I／O口交叉开关设置实验
(2) UART串能通讯实验
(3)配置内部和外部振荡器实验
(4)片内模数转换(ADC)实验
(5) I／O输入、输出实验
(6)片内数模转换(DAC)实验
(7)定时器实验
(8) SRAM外部数据存储器扩展实验
(9)外部中断实验
(10) SPI串行Flash存储器数据读写实验
(11)计数器实验
