1、测控系统设计实践指导书（B 方向）中原工学院电子信息学院测控与仪器课程组2010.6目 录第一章 概述 4第二章 实践要求及注意事项 2第三章 实践项目 3第四章 参考文献 6第五章 实践项目涉及的主要仪器设备简介 71、ICL7106 的性能特点 72、ICL7106 的工作原理 7附录 实验报告的要求 10前 言为了适应测控系统设计实践课程实践性较强的特点，提高教学质量，我们编写了这本测控系统设计实践指导书 。本实践指导书是结合测控技术与仪器专业 B 方向进行编制的。该指导书是利用传感器实验台，使学生更好地掌握测控系统设计结构原理、熟悉硬件电路设计及指导实践课而编写的。实践由浅入深，由易到
2、难，力求最大程度地发挥学生的主观能动性。第一章 概述测控系统设计实践课程教学的特点是实践性强，以实例教学的方式引导学生从书本中的理论走向应用，提高动手能力。通过实验学生可加深对测控系统设计认识理解，熟练掌握测控系统的设计与实践。并有助于学生提高动手能力、创造性分析问题，解决问题的能力。有助于学生逻辑思维的提高。学生从丰富多样的实验操作中增加实践经验，从实例中学习和模仿，就能缩短他们与用人部门的差距，更快地适应工作。2第二章 实践要求及注意事项一、实践前必须认真预习实践指导书及实践内容，明确实践目的、步骤、原理，按要求写出实践预习报告。二、做实验时必须严格遵守实验室的规章制度和仪器设备的操作规程
3、，服从教师和实验技术人员的指导。三、爱护仪器设备，节约使用材料；使用前详细检查，使用后要整理就位，发现丢失或损坏应立即报告。未经许可不得动用与本实验无关的仪器设备及其它物品，不准将任何物品带出室外。四、实践时必须注意安全，防止人身和设备事故的发生。若遇到事故或发生异常现象应立即切断电源，及时向指导教师报告，并保持现场，不得自行处置。待指导教师查明原因排除故障后，方可继续实验。五、进入实验室后应保持安静，不得高声喧哗和打闹，不准抽烟，不准随地吐痰，不准乱抛纸屑杂物，要保持实验室和仪器设备的整齐清洁。六、实验完毕，实验结果须经指导教师审阅无误后方可拆线。经实验室工作人员检查仪器设备、工具、材料后，
4、并清理完本实验台及地面卫生方可离开。七、实践后要认真完成实践报告,包括分析结果,处理数据,绘制曲线及图表等。八、对违反实验规章制度和操作规程、擅自动用与本实验无关的仪器设备、私自拆卸仪器而造成事故和损失的，肇事者必须写出书面检查，视情节轻重和认识程度按章予以处理。九、在进入实验室前，务必搞好个人卫生，不得将脏物带入室内。十、凡属下列情况之一者，不准进行实践：没有按要求完成预习报告者；实践开始迟到十分钟以上者；不遵守实验规程，不爱护仪器设备又不听批评教育者。3第三章 实践项目1、 实训题目：电子秤的设计与制作2、 实训目的(1) 使同学们掌握金属箔应变片组成的称重传感器的正确使用方法；了解压力测
5、量仪的工作原理及其在电子天平中的应用。(2) 通过设计、安装、调试电路等实践环节，提高学生的动手能力，提高分析问题、解决问题的能力。3、 设计要求 (1) 设计一个电子天平，量程为 0 1.999Kg，传感器采用悬臂梁式的称重传感器（悬臂梁上贴有应变片） 。显示电路采用共阳极数码管。3 位半 A/D 转换电路。(2) 安装、调试电路。首先对电路进行调零、定标，然后再对电路进行稳定性、漂移（零漂、温漂） 、重复性、线性等参数的测试和分析。(3) 写出总结报告。报告中应包括在调试过程中遇到的问题、改进方法及总结体会等。4、电子秤的基本原理 压力测量仪由以下五个部分组成：传感器、传感器专用电源、信号
6、放大系统、模数转换系统及显示器等组成。其原理框图如图 1 所示：（1）传感器测量电路称重传感器的测量电路通常使用电桥测量电路，应将应变电阻值的变化转换为电压的变化，这就是可用的输出信号。电桥电路由四个电阻组成，如图 2 所示：桥臂电阻 R1，R 2，R 3，R 4 ，其中两对角点AC 接电源电压 USL=E（+10V） ，另两个对角点 BD 为桥路的输出 USC 桥臂电阻为应变电阻。 ， R1R2=R3R4 时，电桥平衡，则测量对角线上的输出 USC为零。当传感器受到外界物体体重量影响时，电桥的桥臂阻值发生变化，电桥失去平衡，则测量对角线上有输出，USC0。 4(2) 放大系统压力测量仪的放大
7、系统是把传感器输出的微弱信号进行放大，放大的信号应能满足模数转换的要求。该系统使用的模数转换是 3 位半 A/D 转换，所以放大器的输出应为 0V 1.999V。为了准确测量，放大系统设计时应保证输入级是高阻，输出级是低阻，系统应具有很高的抑制共模干扰的能力。(3) 模数转换及显示系统传感器的输出信号放大后，通过模数转换器把模拟量转换成数字量，该数字量由显示器显示。显示器可以选用数码管或液晶显示器。(4) 传感器供电电源对于恒压源供电，参考图 2，设四个桥臂的初始电阻相等且均为 R，当有重力作用时两个桥臂增加R，而另外两个桥彼的电阻减小，减小量也为R。由于温度变化影响使每个桥彼电阻均变化R T
8、 。这里假设R 远小于 R，并且电桥负载电阻为无穷大，则电桥的输出为：USC =E（R+R+ R T）/（R-R+ R T +RR+ R T ）- E（R-R+ R T）/（RR+ R T +RR+ R T ）= ER/（R + R T ）即 U SC = ER/（R + R T ） 说明电桥的输出与电桥的电源电压 E 的大小和精度有关，还与温度有关。如果R T =0，则电桥的电源电压 E 恒定时，电桥的输出与R/R 成正比。当R0 时，即使电桥的电源电压 E 恒定，电桥的输出与R/R 也不成正比。这说明恒压源供电不能消除温度影响。对于恒流源供电：供电电压为 1，设四个桥臂的电阻相等，则IAB
9、C=IADC=0.5I有重力作用时,仍有IABC=IADC=0.5I则电桥的输出为USC =0.5I（R+R+ R T）-0.5I（R-R+ R T）=IR即: U SC =IR5因此,采用恒流源供电, 电桥的输出与温度无关.因此,一般采用恒流源供电为好.由于工艺过程不能使每个桥臂电阻完全相等,因此,在零压力时,仍有电压输出,用恒流源供电仍有一定的温度误差.5、设计提示 (1) 放大电路设计首先，由于传感器测量范围是 0 2Kg，灵敏度为 1mV/V，其输出信号只有 0 10mV 左右；而 A/D 转换的输入应为 0V 1.999V，对应显示 0 1.999Kg，当量为1mV/g，因此要求放大
10、器的放大倍数约为 200 倍，一般采用二级放大器组成。其次，在电路设计过程中应考虑电路抗干扰环节、稳定性。选择低失调电压，低漂移，高稳定性，经济性的芯片。电源电压12V 或15V。最后，电路中还应有调零和调增益的环节；才能保证电子电平没有称重时显示零读数；测压力时读数正确反映被测压力。(2) 传感器专用直流稳压电源：传感器要求的电源是+10V 电压。对于给定的传感器其输入电阻为 400；输出电阻为350。采用恒流源比采用恒压源可以减小非线性误差，因此本实验中要求恒流源供电，即电流在 25mA 左右的恒流源。(3) 按照要求查阅相关电路和元器件功能的资料，完成传感器恒流源、放大电路 A/D转换及
11、显示电路的设计，画出电路图。(4) 电路调试将+10V 电压接到传感器的输入端，测量传感器的输出。在空载时，传感器的输出应为零，但由于有一个称盘，输出不为零，记下初始数据，然后在称盘上放砝码，测量传感器输出端的变化。正确的变化应为：测量 0 2Kg，输出电压变化为 0 10mV。调零：当传感器上不放砝码时，放大电路的输出应为零。若不为零，调整放大器的调零环节，使其输出为零。定标：当传感器放上 2Kg 的砝码时，放大器的输出应为 2V。小于 2V 或大于 2V 时应调节放大器的增益。6、注意事项 （1）为避免损坏传感器，使用过程中要注意轻拿轻放。定标时，要反复调零和调增益，最后的显示才能准确。（
12、2）在电路调试、定标等过程中应使用电压表、电流表监测传感器的供电电源(数字万用表电压挡测量输出电压；用模拟表电流挡测量电流)。必须保证供给传感器的电压、电流是恒定值，才能保证传感器的输出信号与被测量呈线性关系。（3）接线或插拔元器件、芯片时要断电。6第四章 参考文献1：常健生主编 检测与转换技术 机械工业出版社 19972：张国雄编著，测控电路 机械工业出版社，2002 年 7 月3：沙占友主编 智能仪表原理、使用与维修 电子工业出版社 19914：周培森主编 自动检测与仪表 清华大学出版社 19865：凌志浩编著 智能仪表原理与设计技术 华东理工大学出版社 20036：郁有文等编著，传感器原
13、理与应用，哈尔滨工业出版社，2004 7第五章 实践项目涉及的主要仪器设备简介1、ICL7106 的性能特点ICL7107/IC7106 是一块应用非常广泛的集成电路。它包含 3 1/2 位数字 A/D 转换器，可直接驱动 LED 数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。本次设计显示模块推荐采用 ICL7106 设计方案。ICL7106 具有以下特点：（1）7V15V 单电源供电，可选 9V 叠层电池，有助于实现仪表的小型化。低功耗（约 16mW） ，一节 9V 叠层电池能连续工作 200 小时或间断使用半年左右。（2）输入阻抗高（1010） 。内设时钟电路
14、、2.8V 基准电压源、异或门输出电路，能直接驱动 3位 LCD 显示器。（3）属于双积分式 A/D 转换器，A/D 转换准确度达0.05，转换速率通常选 2 次秒5 次秒。具有自动调零、自动判定极性等功能。通过对芯片的功能检查，可迅速判定其质量好坏。（4）外围电路简单，仅需配 5 只电阻、5 只电容和 LCD 显示器，即可构成一块 DVM。其抗干扰能力强，可靠性高。2、 ICL7106 的工作原理ICL7106 内部包括模拟电路和数字电路两大部分，二者是互相联系的。一方面由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路模拟开关接通或断开，保证 A/D 转换正常进行；另一方面模拟电路中的比较器输出信号
15、又控制着数字电路的工作状态和显示结果。下面介绍各部分的工作原理。（1）模拟电路模拟电路由双积分式 A/D 转换器构成。 主要包括 2.8V 基准电压源（E0） 、缓冲器（A1） 、积分器（A2） 、比较器（A3）和模拟开关等组成。缓冲器 A4 专门用来提高 COM 端带负载的能力，可谓设计数字多用表的电阻挡、二极管挡和 hFE 挡提供便利条件。欲测量 2V 以上的直流电压，必须利用精密电阻分压器对 UIN 进行衰减。积分电阻应采用金属膜电阻，积分电容宜选绝缘性好、介质吸收系数小的聚苯乙烯电容或聚丙烯电容。8为了提高仪表抗串模干扰的能力，正向积分时间（亦称采样时间）T1 应胜频周期的整倍数。我国
16、采用 50Hz 交流电网，其周期为 20ms，应选T1n20（ms）式中，n1，2，3，。例如取 n2、4、5 时，T140ms、80ms、100ms，能有效地抑制 50Hz 干扰。这是因为积分过程有取平均的作用，只要干扰电压的平均值为零，就不影响积分器输出。但 n 值也不宜过大，以免测量速率太低。（2）数字电路数字电路如下图所示。主要包括 8 个单元：时钟振荡器；分频器；计数器；锁存器；译码器；异或门相位驱动器；控制逻辑；LCD 显示器。时钟振荡器由ICL7106 内部反相器 F1、F2 以及外部阻容元件 R、C 组成。若取 R120k，C100PF，则 f040kHz。f0 经过 4 分频
17、后得到计数频率 fCP10kHz，即 TCP0.1ms。此时测量周期 T16000T04000TCP0.4s，测量速率为 2.5 次秒。f0 还经过 800 分频，得到50Hz 方波电压，接 LCD 的背电极 BP。LCD 须采用交流驱动方式，当笔段电极 ag 与背电极 BP 呈等电位时不显示，当二者存在一定的相位差时，液晶才显示。因此，可将两个频率与幅度相同而相位相反的方波电压，分别加至某个笔段引出端与 BP 端之间，利用二者电位差来驱动该笔段显示。驱动电路采用异或门。就能显示所需数字。9ICL7106/ICL7107 管脚图附录 实验报告的要求课程设计报告要求（仅供参考）1 题目（三个题任
18、选一题，第一题分量较少，成绩较低）2 目录3 设计要求使用 MCS-51 单片机，设计数据采集系统，对温度、电压信号通过 A/D 转换，通过八段码显示（十进制数） ，按键控制显示的状态（温度、电压） ，也可以通过并行口（8255）驱动 LED 发光二极管显示， （并通过串行通讯，把采集的温度、电压值传送到另一台 MCS-51 单片机系统，并显示温度、电压值） 。设计系统硬件电路及编写程序实现该系统要求。该部分内容根据我们布置的设计要求（一人一页纸上的内容）及自己设计和完成情况自己综合考虑。4 设计内容1) 硬件设计（每部分的硬件电路设计，如译码、A/D 、8255 显示，374 形成的键盘、八段码显示、MAX232 通讯等）2) 软件设计（主要是设计程序的流程图，并说明该程序及流程图的功能，设计思路、方法等） 。5系统调试6心得体会7参考文献8附件（源程序清单，整个系统硬件图等）注意：以上几个方面内容仅供参考，千万不要照搬照抄，报告形式自己灵活掌握。软件内容一人一个设计思路和方法，尽可能不类同（硬件结构差不多，但译码形成的各个芯片端口地址可以不同） 。另报告的封面和纸张规格要满足学校要求。
