电子信息工程综合实验

电子信息工程综合实验实验报告实验名称：实验一转速测量与控制实验二温度测量与控制实验三电量测量与分析实验四LabVIEW编程环境与基本操作实验实验五虚拟信号发生器实验实验六数据采集实验指导老师：班级：班姓名：学号：学院：自动化学院实验一转速测量与控制一、实验目的1．熟悉速度传感器工作原理2．熟悉硬件设计原理3．熟悉软件编程方法二、实验仪器PC机、示波器、综合实验板、数字表，频率计三、实验设计原理1.硬件设计原理整体设计框图图1-1整体设计方框图其中，图的上半部分为测量部分，下半部分为控制部分CPU：AT89C52I/O：人机接口，7290D/A：5618直流电机：mV=24v2.软件设计原理速度传感器放大整形CPUI/O显示键盘D/A信号放大直流电机4.89硬件初始化555定时ZLG7290显示初始化从T0计数器读入数据处理数据TLV5618转换控量控制电机转速读取当前转速进入ZLG7290中断键值处理退出中断更新显示数组刷新显示等待中断图1-2软件设计流程图四、实验步骤1.按实验要求连接电路，检查没有连接错误后，给综合实验板上电，开始实验。在实验的整个过程中要注意安全。2.用键盘设置电机转速，从500R/min开始，当数码管显示的当前转速在设定转速附近上下小幅波动时或稳定在设定转速时，用示波器测量TLV5618的OUTB端的信号频率，用万用表测量OUTB端的信号电压、直流电机的输入电压mV（测试点为f对应m2，VOUTB对应R23，mV对应m+）.3.改变设定的转速，依次输入500R/min～2500R/min之间的值，重复步骤2。4.记录数据，处理数据。五、数据的采集和分析1．数据采集表1-1所测参数设定参数R/m出f/Hz误差η/%outBV/vmV/vA转速方程60035710.8051.445.50outBV=1f（R）90052632.5371.917.70120071430.7912.3510.01150086214.2112.7912.16mV=2f（R）1800104173.5463.2114.192000116283.1003.5515.874.835.254.944.682．数据分析经过表1-1中数据计算，__A=4.918（1）在实验数据选择上，设定参数的前五个转速由上而下的以300R/m递增，同时测得数据outBV的值也相应以相似的差值递增，因此，我们设想outBV和转速R成线性关系。设outBV=aR+c——式①其中a和c为未定常量。因为doutBV/Dr=a=ΔoutBV/ΔR——式②将表1-1中数据代入式①和式②，可得到表1-2表1-2参数a和c的值a(10e-3)1.571.471.471.4c0.5530.580.5770.57360.55因此，_a=1.4775*10e-3_c=0.56672因此，outBV=1.4775*10e-3*R+0.56672（2）由表1-1可知，outBV和mV成倍的关系。由（1）中同样的分析方法可得：mV=7.235*10e-3*R+1.23013.用Matlab画出转速特性曲线（1）outBV（2）mV实验二温度测量与控制一、实验目的1．熟悉温度传感器；2．熟悉温度测量硬件设计原理；3．熟悉温度测量软件设计原理。二、实验仪器PC机、示波器、综合实验板、电热水器、数字表三、设计原理1．硬件设计原理（1）原理框图图2-1硬件设计原理框图（2）硬件部分主要包括4块集成芯片、电热水器、温度传感器和双向可控硅等。①信号产生与放大温度传感器：图2-2温度传感器结构示意图本实验是采用的是铂热电阻式温度传感器，它是一种负温度系数热敏电阻（NTC），特点是热电特性稳定，测温准确度高，可作标准热电偶。铂热电阻温度传感器的特点：铂的物理、化学性能非常稳定，是目前制造热电阻的最好材料。铂丝的电阻值与温度之间的关系在0～630.755°C范围内为：20(1)tRRAtBt，B的值在710量级。故电阻随温度变化的线性度很好。电阻值随温度T的线性变化将引起铂热电阻两端的电位差tV的线性变化，从而实现将温度信号转换为电信号。其具体结构如下：图2-3温度传感器等效电路图信号放大：传感器的输出电压信号比较小，一般只有几毫伏到几十毫伏，不足以驱动后边与之相连的芯片，并混有许多干扰信号，因此必须将信号放大到与下一极芯片驱动电压相匹配的程度，并去除干扰。该部分的功能是将tV随温度的变化灵敏度放大200倍，即交流放大倍数为200，使进入AD7865的采样信号变换范围扩大到0～5V，使数据的处理精度提高。这部分电路在实验板上是一个集成模块，在电路板下方中部。其等效电路图为：图2-4温度传感器放大电路②信号采集与处理由于温度传感器输出的信号为模拟量，必须经过模数转换才能为CPU处理。将模拟电信号转换成数字信号的过程称为A/D变换。本实验采用的芯片是AD7856，主要应用在温度测量系统中。芯片特点：高速，低耗，有4个采样通道，同时可以进行4路采样，输出14位位宽的并行数据。转换时间是2.4us，信号分辨率位142refVV。电路连接图：图2-5信号采集与处理电路原理图单片机：本实验中，单片机的型号使AT89C52，是整个实验的核心，主要负责数据的数据采集、数据处理和显示，并控制直流电机。AT89C52是一款具有低功耗和高性能的、CMOS制造工艺的8位微处理器，有8K字节的FLASH可编程和可擦除只读存储器（PEROM）。有片内256×8位内部RAM，32根可编程I/O线，3个16位定时/计数器，八个中断源，和可编程串行通道等。单片机将采集来的数据经过一定的算法处理后，输出给D/A，来控制热水器状态。电路图与实验一相同。③状态显示与键值设置本实验中用ZLG7290作为键盘接口和LED显示驱动。特点：2IC串行总线接口，提供键盘中断信号，方便与处理器接口；可驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键；8个功能键，可检测任意键的连击次数。因为ZLG7290采用2IC串行总线，而AT89C52内部没有集成2IC总线接口，因此利用软件模拟2IC总线接口功能。④控制电路本实验中，要通过设置温度来控制电热水器工作状态，需要将数字信号转换位模拟信号，电路中使用了D/A转换芯片TLV5618。芯片特点：12位双通道串行接口；可编程设置转换时间，高速模式下为2.5us，低速模式下为12us；89C52将保存的设置预期转速值转换成串行数据输出到5618的SDI端，从SDI端输入的数字信号经TLV5618转换成模拟信号，由OUTA端输出。当当前温度值比设定的温度值小于2℃以下时，OUTA端输出5V，双向可控硅导通，热水器开始加热；当当前温度值比设定的温度值不小于2℃时，OUTA端输出0V，双向可控硅截止，热水器停止加热。达到闭环控制目的。电路图：图2-6控制电路原理图（5）电热水器本实验中作为受控对象，受单片机控制。2．软件设计原理CPU初始化7865AD转换请求ZLG7290显示初始化从AD78665采集温度数据数据处理TLV5618转化控制量控制热水器等待中断进入ZLG67290中断键值处理退出中断更新显示数组刷新显示读取当前温度图2-7软件设计原理示意图源程序见附录四、实验步骤1．按实验要求连接电路，检查没有连接错误后，给综合实验板上电，开始实验。在实验的整个过程中要注意安全。2．用键盘设置一个温度值，当数码管显示的温度与设定值相等时，用万用表测量温度传感器的输出电压tV和放大后的电压outV（测试点为：tV等于T1与T2或T3之间的电位差；outV等于outV与参考地之之间的电位差）。3．测量电热水器的控制电压adjV。分别测量电热水器工作和停止时的控制电压adjV。4．测量温度阀值t阀。由软件设计原理可知，当当前温度比设定温度值不低于2℃时，电热水器断电停止加热；而当当前温度比设定温度值低于2℃时，电热水器通电开始加热。我们称刚断电停止加热和重新通电开始加热时的温度称为温度阀值。5．设定温度值从20℃～90℃，每10℃设定一个值。重复步骤2～4。6．记录数据，处理数据。五、数据采集与处理表2-1所测参数t℃2535455565758590tV/mv50．252.154.055.957.859.761.662.6outV/v2.02.422.813.193.603.994.394.59tV=1f(t)0.1904t+45.433outV=2f(t)0.0397t+1.0188Δt=1℃tV=0.1904,outV=0.0397A221205200215.7210210.5200γt/℃7.922e-3adjV/v4.990.318t设-t阀/℃22222222参数的物理意义：tV：温度传感器的变换电压A：增益。A=21KK=∆Vout∆Vt分辨率tr：AD7865工作使的参考电压为5refVV，14位宽度，则此芯片的电压分辨率为14320.305*10VrefrVV，Δ_outV=0.0385V/0C,所以温度分辨率为rt=rv/Δ_outV=7.922e-3利用Matlab绘制温度特性曲线：图2-8温度特性曲线实验三电量测量与分析一、实验目的1．熟悉电压互感器和电流互感器的工作原理2．掌握电量测量与分析原理3．熟悉电量测量硬件设计原理4．熟悉电量测量软件设计方法二、实验仪器PC机、示波器、综合实验板、数字表、电热水器三、实验设计原理1．硬件设计原理（1）电量分析原理实际负载并不是完全的纯电阻特性，是既包括线性的电阻、电容和电感器件，也包括二极管、三极管等非线性器件，所以在220V正弦电压的作用下，负载两端的电流不在是正弦信号，而是含有丰富谐波分量的非正弦周期信号，电量参数的测试较为复杂。但是利用高度集成化的计算电量芯片CS5460A可以方便地设计出一个电量测试系统。为了便于分析测量地数据，现将相关电路理论阐述如下：①对于正弦周期信号瞬时电压：max()cos()uutUt瞬时电流：max()cos()iitIt瞬时功率：maxmax1cos()cos(2)2uiuipuiUIt有效电压：max2UU有效电流：max2II有效功率：maxmax00111cos()cos(2)2TTuiuiPpdtUItdtTTcos()uiUI视在功率:SUI无功功率：sin()uiQUI功率因素：cos()uiPS电压与电流的相位差：ui②非正弦周期信号任一周期电流i地有效值I定义为：201()TIitdtT假设一非正弦周期电流i可以分解为傅立叶级数：0max11()sin()kkkitIIkwt将i带入有效值公式，则得此电流得有效值为：20max1011sin()()TkkkIIIkwttdtT计算得2222201201kkIIIIII瞬时功率为：0max10max111sin()sin()kukkikkkpuiUUkwtIIkwt平均功率为：0011122201coscosTPpdtUIUIUIT其中：max2kkUU，max2kkII，kukik，1,2k负载特性：①纯阻状态下，i图与u图一样，为正弦波；②非纯阻状态下，u图为正弦波，i图为非正弦波。（2）硬件框图图3-1硬件原理框图2．软件设计原理CPU初始化CS6450A初始化ZLG7290显示初始化等待中断进入ZLG67290中断键值处理更新显示数组等待中断进入CS5460A中断测量参数处理退出中断退出中断刷新显示图3-2软件设计原理示意图实验程序见附录四、实验步骤1．按实验要求连接电路，检查没有连接错误后，给综合实验板上电，开始实验。在实验的整个过程中要注意安全。2．在实验板上测量。将电热水器作为负载接入电路，键盘设置一温度值启动电热水器工作，按实验原理测