电子系统综合设计实验教学大纲

电子系统综合设计实验教学大纲

目录

一、课程简介..............................................................2

二、课程实验教学的目的、任务与要求........................................2

三、实验方式与基本要求....................................................3

四、实验项目设置..........................................................3

五、教材（讲义、指导书）：.................................................4

六、实验报告要求..........................................................4

七、考试（考核）方式.........................................................4

八、使用说明..............................................................4

《电子系统综合设计》课程实验项目1.........................................................................................5

《电子系统综合设计》课程实验项目2.......................................................................................19

《电子系统综合设计》课程实验项目3......................................................................................32

《电子系统综合设计》课程实验项目4......................................................................................41

《电子系统综合设计》课程实验项目5......................................................................................49

课程名称：电子系统综合设计

课程编号:056131

英文名称:ElectronicSystemDesign

课程性质：独立设课

课程属性：专业

应开实验学期：第7学期

学时学分：课程总学时一Y8实验学时--16课程总学分一-3实验学分一-

实验者类别：本科生

适用专业：电子信息工程

先修课程：电路分析、模拟电子技术、模拟电子技术实验、数字电子技术和电路CAD

实训

一、课程简介

本课程是电子信息类学科的一门专业课，主要讲授各种基本电路的应用。通过

本课程学习，使学生系统掌握数字、模拟电子系统的设计能力，逐步具备数字、模

拟电子系统的设计能力，熟悉现代电子线路结构、工作原理及实现设计功能的独立

制作能力，具有对方案实现过程中出现问题的独立分析及解决的能力，要求学生掌

握所用传感器、报警器、显示器，及控制用各种集成电路及其设计应用，最终达到

实现学生独立设计，独立制作，具备独立解决问题的综合能力。

二、课程实验教学的目的、任务与要求

《电子系统综合设计》是一门实践性很强的课程，其目的是通过一个以工程实

践或社会生活为背景的电子系统的研究、设计与实现，使学生能将已学过的模拟电

路、数字电路以及单片机等知识综合运用于电子系统的设计中，从而培养学生知识

综合应用及电子系统设计的能力，这是在所有实践性课程中最具活力，最能培养学

生的自主学习与实践能力、培养学生创新思维的课程之一。在教学中可以根据学生

所在的各学科专业的实际要求，选择不同的实践课题。进入本实验环节，有助于学

生深入理解课程内容，有利于提高学生的实践能力，提高分析和解决问题的能力，

创造独立思维的氛围，培养创新能力，激发学习兴趣。通过实验，要求学生掌握嵌

入式系统的基础概念、基本原理、开发流程和步骤、工程设计的方法和解决技术问

题的方法。为学生今后从事电子系统设计研究与开发打下坚实的基础。总之，通过

上述实验环节，使学生加深了解和更好地掌握课程教学大纲要求的内容。

三、实验方式与基本要求

实验分为两个部分。第一部分是上机操作，包括检查程序运行和即时提问。第

二部分是提交书面的实验报告。此外，针对以前教学中出现的问题，将采用每次实

验验收检查方式，每个实验都将应当在规定的时间内完成并检查通过，过期视为未

完成该实验，不计成绩。以避免期末集中检查方式产生的诸多不良问题。

在课程实验过程中，要求学生做到：

(1)预习实验指示书有关部分，认真做好实验内容的准备，就实验可能出现的

情况提前作出思考和分析。

(2)仔细观察实验操作时出现的各种现象，记录主要情况，作出必要说明和分

析。

(3)认真书写实验报告。实验报告包括实验目的和要求，实验情况及其分析。

对需编程的实验，写出程序设计说明，给出源程序框图和清单。

(4)遵守实验室纪律，服从辅导教师指挥，爱护实验设备。

(5)实验课程不迟到，不早退。如有事不能出席，需要向辅导教师请假，所缺

实验一般不补。

四、实验项目设置

实验实验实验实验每组

序号实验编号实验项目名称实验内容提要

时数类型类别要求人数

1055132-01电源模块设计6窗十专业凶多4

2055132-02输入通道设计6设计专业必修4

3055132-03输出通道设计6蚓专业必修4

4055132-04显示单元设计6设计必修4

5055132-05综合系统的设计及调试8设计必修4

等十32

注羽维：1.流祢■躺汐3.综等4.谓恂肱期也翅掰“1.基ill/2.号崎23.榭留.其&期藏1.必像2

3

五、教材（讲义、指导书）：

《电子系统综合设计实验指导书》自编

参考书：

[1]宋晓梅,现代电子系统设计教程，北京大学出版社,2011.2

[2]刘克刚,复杂电子系统设计与实践，电子工业出版社，2011.6

[3]林建英，吴振宇编著.电子系统设计基础.电子工业出版社,2011.05

[4]张金主编.电子系统设计基础.电子工业出版社,2011.01

⑸贾立新，王涌等编著.电子系统设计与实践第2版.清华大学出版社,2011.02

[6]刘克刚等编著.复杂电子系统设计与实践.电子工业出版社,2010

[7]余小平，奚大顺编著.电子系统设计.基础篇.北京航空航天大学出版社,2007.10

[8]陆应华主编.电子系统设计教程.2版.国防工业出版社，2009.10

[9]杨刚，龙海燕编著.电子系统设计与实践：第2版.电子工业出版社,2009.03

六、实验报告要求

1、预习实验指示书有关部分，认真做好实验内容的准备，就实验可能出现的情

况提前做出思考和分析。

2、仔细观察实验时出现的各种现象，记录主要情况，做出必要说明和分析。

3、认真书写实验报告。实验报告包括实验目的和要求，实验情况及其分析。对

需编程的实验，写出程序设计说明，给出源程序框图和清单。

七、考试（考核）方式

实验将采用每次实验验收检查方式，每个实验都将应当在规定的时间内完成并

检查通过，过期视为未完成该实验，不计成绩。

课程结束后，统计每次实验的成绩作为平时成绩，计入最后的成绩。

八、使用说明

4

附件:

《电子系统综合设计》课程实验项目1

一、实验项目名称及实验项目编号

电源模块设计，055132-01

二'课程名称及课程编号

电子系统综合设计，055132

三、实验目的

通过制作一个完整的电子系统设计作品，培养工程实践能力。要在相关课程知

识的拓宽、提高和综合应用的基础，强化培养理论联系实际能力、系统设计能力、

实际动手能力。通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求掌握：

1.选择适当的变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电

源；

2.掌握直流稳压电路的调试方法及主要性能指标的测试方法。

四'实验原理

1.直流稳压电源的基本原理

直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路组成，如图1.1所

示。其中电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要

的交流电压变压器副边与原边的功率比为：

式中〃为变压器的效率；P2为副边功率；P］为原边功率。

图1.1直流稳压电源基本组成框图

整流滤波电路中的整流电路将交流电压3变换成脉动的直流电压。再经滤波电

路滤除纹波，输出直流电压常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤

5

波、倍压整流滤波电路，如图1.2所示。

（a）全波整流滤波电路（b）桥式整流滤波电路（c）倍压整流滤波电路

图1.2几种常见的整流滤波电路

各滤波电容C满足：

"=（3~5g

式中「为输入交流信号周期；Ru为整流滤波电路的等效负载电阻。

大部分集成稳压器都具有输出电压稳定的功能。集成稳压器本身不能产生功率，

只是将输入端功率取出传给负载，通过控制该功率的大小使输出电压不变。电源的

工作方式有线性和开关两种，集成稳压器也一样有线性集成稳压器和开关集成稳压

器。一般来说，线性集成稳压器的功耗较大，变换效率只有40%左右，不适用于大

功率电源，而小功率电源采用线性稳压器较好。常用的集成稳压器有固定式三端稳

压器和可调式三端稳压器（均属电压串联型），下面分别介绍其典型应用。

固定三端集成稳压器分正压和负压两个系列，两系列除输出电压极性、引脚定

义不同外，其他特点相同。三端稳压器的三端是输入端子。八输入出端子和公共

端子COM,使用时公共端子COM通常接地，其内部等效电路如图1.3所示。它由调

整管、保护电路、控制电路、误差放大器等组成，U。一COM端子间电压与基准电压

U向进行比较，工作时经常保持一致，当输入电压5或输出电流/。变化时，使输出

电压。。保持稳定。

6

图1.3三端稳压器的内部等效电路

正压系列以78XX系列为代表，输出电压有5、6、8、10、12、15,18,20、24V

等品种，输出电压精度基本上为4%。该系列稳压块有过流、过热和调整管安全工作

区保护，以防过载损坏。一般不需要外接元件即可工作，有时为改善性能也加少量

元件。78XX系列又分三个子系列：78XX、78MxX和78LXX,其差别只在输出电流和

外形，78XX输出电流为1A,78MxX输出电流为0.5A,78LXX输出电流为0.1A。负

压系列以79XX为代表。78XX系列、79XX系列典型电路如图1.4所示，封装形式如

图1.5所示，主要参数如表1.1所示。

(c)正、负电压输出

图1.4固定三端稳压器的典型应用

7

(b)

（a）T03封装（b）TO220封装（c）TO92封装

图1.5三端固定式集成稳压器的封装形式

表1-17805、7905的主要参数

输入最小输输电压电流静态输出输出纹静态最大

电压输入出出调整调整电流电压噪声波电流

电压电电率率温漂电压抑变化电压

压流制

比

符号%■min7。IoSvSiIm5rUNOSR△/m■max

单位VVVAmVmVmAmV/℃VdBmAV

780510751.572081.040630.535

7905-10-7-51.572081.040630.5-35

可调式三端集成稳压器也分为正压系列和负压系列。正压系列以W317系列为

代表，负压系列以W337系列为代表，两者除了输出电压极性、引脚定义不同外，

其他特点都相同。W317系列稳压块能在输出电压为1.25~37V的范围内连续可调，

外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内也有过流、过热和安全工作保

护区，最大输出电流为1.5A,其典型电路如图1.6所示。

8

(a)可调正压输出(b)可调负压输出

图1.6可调式三端集成稳压器的典型应用

其中电阻以与电位器以组成电压输出调节电器，输出电压U。的表达式为:

t/o»1.25(1+7?/,//?,)

式中&一般取值为120~240Q,

输出端与调整压差为稳压器的基准电压(典型值为1.25V),所以流经电阻的

泄放电流为5~10mA„

若要连续取出1A以上的电流，采用加接三极管增大电流的方法，对集成稳压器

电流进行扩展，如图所示。图中称为扩流功率管，应选大功率三极管。

1.7VTiVT2

为过流保护三极管，正常工作时该管处于截止状态。其中，三级管VTi的直流电流

放大倍数6必须满足：

另外，人的最大值由VTi的额定值决定，如需更大的电流，可把三极管接成达林

顿管方式。

图1.7输出电流扩展电路

由图1.7可以得出输出电流为:

9

[L=1。+

此时，三端稳压器内部过流保护电路已失去作用，而使用VT2和&构成的外部

保护电路。当电流/,在自上产生的电压降达到VT2的。8£2时，VT2导通，于是VT1的

UB”值下降，使VT1关断，从而达到限制电流的目的。保护电路的动作点是：

11

Lmaximax-D

三极管的外£2具有负温度系数，当确定心的数值时，必须考虑此温度系数的影

响。

这种通过外接功率管VTi来扩流方法的缺点是降低系统稳压精度，增加稳压器

的输入与输出压差，这对大电流工作的电源是不利的。若希望稳压精度不变，可采

用集成稳压器并联方法来扩大输出电流，具体电路请参考有关电源类资料。

2.稳压电源的性能指标及测试方法

稳压电源的技术指标分为两类：一类是性能指标，包括输入电压、输出电压、

输入电流及输出电流等；另一类是技术指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，

包括稳压系数(或电压调整率)、输出电阻(或电流调整率)、温度系数及纹波电压

等。其测试电路如图1.8所示。

〜220V

图1.8稳压电源性能指标测试电路

(1)纹波电压

纹波电压是指叠加在输出电压U。上的交流分量。用示波器观测其峰一峰值

MI。"),一般为毫伏量级，也可以用交流电压表测量其有效值，但因不是正弦

波，所以用有效值测量其波纹电压时会产生一定误差。

(2)稳压系数

稳压系数是指在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起

输出电压的相对变化，即：

10

S

"\Ui!Ui

(3)电压调整率

电压调整率是指输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量，即

"5,

稳压系数S”和电压调整率均均说明输入电压相对变化对输出电压的影响，因此

只需计算其中之一即可。

(4)输出电阻

输出电阻是指当输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝

对值，即：

"Ml

(5)电流调整率

电流调整率是指输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值,

即：

K产生

输出电阻分和电流调整率K均说明负载电流变化对输出电压的影响，因此只需

计算其中之一即可。

3.设计指导

直流稳压电源的一般设计思路为：

(1)由输出电压U。、电流确定稳压电路形式，通过计算极限参数(电压、

电流和功率)选择器件；

(2)由稳压电路所要求的直流输入电压5、直流电流/,•确定整流滤波电路形式，

选择整流二极管及滤波电容，并确定变压器的副边电压3的有效值、电流力的有效

值及变压器功率小

(3)由电路的最大功耗及工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施。

图1.9为集成稳压电源LM7805的典型电路。其主要器件有变压器T、整流二极

11

管、滤波电容、集成稳压器。

>I

9L>

9

一C2

三

三T-

-220Voo

mgTz

图1.9集成稳压电源的典型电路

4.器件选择原则

（1）集成稳压器

稳压电路输入电压S的确定：为保证稳压器在电网电压低时仍处于稳压状态,

要求:

式中（U-UJmin是最小输入输出电压差，典型值为3V。按一般电源指标的要求，当

输入交流电压220V变化±10%时，电源应稳压。因此，稳压电路的最低输入电压为:

。.。”,皿+©一4焉］/0・9

另一方面，为保证稳压器安全工作，要求:

q—《Lx

式中（U,-U°）max是稳压器允许的最大输入输出电压差，典型值为35V。

（2）电源变压器

确定整流滤波电路形式之后，由稳压器的最低输入直流电压5nM计算出变压器

的副边整流后的电压5、电流ho

5.设计示例

设计一个集成直流稳压电源，性能指标要求：U。为5~12V连续可调；输出电流

/omax为1A;纹波电压45mV;电压调整率K“43%;电流调整率

选可调式三端稳压器W317,其典型指标满足设计要求，电路形式如图1.10所

不O

12

图1.10设计示例

首先选择器件，电路参数计算如下。

(1)确定稳压电路的最低输入直流电压Umm

。20四+(4-47/09

代入各指标，计算得:

Gmin*[12+3]/0.9=16.67V

根据经验，可取电压值17V。

(2)确定变压器副边整流后的电压、电流及功率

SminNSmax/Ll

AN小

根据经验，可取为1.1A。

4—17/1.1=15.5V

变压器副边功率为:

>16.67x1

>16,67

根据经验，可取P2=17W。

设变压器的效率〃=0.7,则原边功率已为:

>1

>21

-0.7

>24.3

13

由上分析，可选购副边电压为16V,输出1.1A,功率30W的变压器。

（3）确定整流二极管及滤波电容

选择电路形式为桥式整流方式，可通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流

求出滤波电容值。已知整流二极管1N5401,其极限参数为URM=50V,/°=5A。

滤波电容G为：

G=（3~5）5

=（1941~3235）〃尸

式中T=2X104〃5。

根据经脸，可取2200〃F/25V的电解电容做滤波电容。

（4）散热器及稳压功耗计算

当输入交流电压增加10%时，稳压器输入直流电压最大，即

—=L1XL1X16=19.36V

因此，稳压器承受的最大压差为：

19.36-5-15」

最大功耗为：

aaX/,a=15xl.l=16.5W

因此，应选用散热功率大于16.5W的散热器。

（5）其他措施

如果集成稳压器离滤波电容C1较远时，应在W317靠近输入端处接上一只0.33/

的旁路电容C2。电容C3用来旁路电位器RP两端的波纹电压。当C3的容量为104时，

纹波抑制比可以提高20dB,减少到原来的1/10。另一方面，由于电路中接入了电容

G,此时一旦输入端或输出端发生短路，C3中存储的电荷会通过稳压器内部的调整

管和基准放大管而损坏稳压器。为了防止在这种情况下C3的放电电流通过稳压器，

在&两端并接一只二极管VD2。

W317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定的工作。当输出端有

500~5000pF的容性负载时，就容易发生自激。为了抑制自激，在输出端接一只1圻

14

的锂电容或25〃F的铝电解电容C”，该电容还可以改善电源的瞬态响应，但是接上该

电容以后，集成稳压器的输入端一旦发生短路，Q将对稳压器的输出端放电，其放

电电流可能损坏稳压器，故在稳压器的输入与输出端之间，接一只保护二极管VDi。

（6）总装及指标测试

在电路总装时，首先应在变压器的副边接入保险丝FU,以防电源输出端短路损

坏变压器及其它器件；整流二极管的方向不要接反，否则会损坏变压器；散热器安

装时应根据其位置决定是否需要与集成稳压器间的绝缘；调试时，可用滑线变阻器

或电位器作等效负载，调节电位器加，若输出电压随之变化，说明稳压电路正常工

作；应随时注意检查在额定负载电流下稳压器的发热情况。

将整流滤波电路与稳压电路相连接并接上等效负载，测量下列各值是否满足设

计要求：

①U,•为最高值（电网电压有效值为220xl.l=242V）,U。为最小值（此例为+5V）,

测试稳压输入、输出端压差是否小于计算值，并检查散热器的温升是否满足要求（此

时应使输出电流为最大负载电流）。

②5为最低值（电网电压有效值为220x0.9=198V）,U。为最大值（此例为+12V）,

测稳压输入、输出端压差是否大于3V,并检查稳压输出情况。

如果上述结果符合设计要求，便可按照前面介绍的测试方法，进行质量性能测

试。

五、实验内容

设计一个集成稳压电源，主要技术指标如下：

1.同时输出±15V电压、+5V电压、输出电流为0.5A；

2.输出纹波电压小于5mV,稳压系数小于5x10-3；

3.输出内阻小于0.1Q;

4.加输入保护电路，最大输入电流不超过2A。

其中电源变压器只作理论设计，保护电路拟采用限流型。

六、实验方法与步骤

拿到电子设计任务之后，总体方案论证及选择是电子系统设计成功的开始，也

是成功的关键所在。可以按以下步骤进行：

15

1、题目分析

>认真分析设计要求，找出设计对象的主要功能及指标实现的原理和方

法。

>搜集、阅读相关的资料，比如各种教材的相关内容，期刊杂志上的相

关文章，查询网上资料。

>比较各种现有资料或方案，选择一种技术上先进、合理、可行、性能

价格比比较高的最佳方案。考虑的因素有：各方案的优缺点；设计工

作量；以往的经验和熟悉程度等等。

2.设计任务的分解、细化

根据设计题目的要求和指标，采用自顶向下方法，建立系统框图。划分出

功能模块。

3、细节设计

>电路设计(自下而上)

■选用经典电路：个人技术文档-用过的电路；杂志、技术书籍-介

绍过的应用实例；器件应用手册-专门介绍的电路。根据实际情况进

行修改、增补、删减、创新。

■选择核心器件或组件自行设计：数据手册(DataSheet)；应用笔记

(ApplicationNote)；第三方应用实例。

>关键或疑难电路的试验

■电路功能试验：实际功能难以把握需要进一步确认的电路

■电路参数试验：实际应用中对参数影响因素较多的电路

>整体电路的综合考虑

■各电路模块之间的衔接：插接方式；接口参数

■各电路模块之间的共享和复用

4、程序设计

>程序完成的工作主要有：数据采集、处理、储存、管理、传送；过程控制

或管理。

>程序设计任务

■总体结构规划--分为相对独立、互相联系的若干功能模块

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■各功能模块具体任务规划

■各功能模块任务实现方法设计

>系统资源分配设计

>容错设计

5、其他设计考虑

经济性；安全性、稳定性及可靠性；人性化；结构；测试；环保。

七'实验要求

对设计报告和实际作品完成情况进行考核。指导教师根据各题目的难度和完成

的工作量进行评分，按照作品的完整性给出实际制作部分的成绩。考核成绩是课程

总成绩的主要依据。

1、文档包括

设计要求、指标；总体框图、各功能块电路图、计算机仿真波形图或曲线图、

总的完整的电路图；PCB图；元器件清单；软件流程图、执行程序及源程序，源程

序各部分要注释清楚；重要的理论分析与算法；测试步骤及测试结果。

2、报告一般分两部分，一部分是技术报告，或称研制报告；另一部分是使用报

告。技术报告要包含以下部分：系统设计目标及性能要求；方案论证及选择；理论

分析、算法研究及参数计算；系统组成、各子系统的指标分配；系统实现包括硬件

设计和软件设计；系统调试包括出现问题及解决的方法；测试结果包括测试仪器，

测试的曲线、数据、波形等；误差分析；结论。

在实验前应该认真准备实验，根据实验讲义和课堂上学到的知识写出实验预习

报告，带到实验现场。

要求按图1.11完成全电路理论计算、系统设计、安装调试、绘制ProtelDXP电

路原理图及PCB图，提交电路原理图、PCB图、设计实物、实验报告及使用说明书，

其中实验报告内容部分要包含电路原理、电路中各部分参数的计算方法及计算结果,

结论部分要包含实验过程中问题的解决的方法，具体要求见实验报告写作规范。

17

LM7812CT

AI>-12V

TFUSE2c59

TT三

C2贯

-220V-3

AI>12VGND

—)9

-C3C6T三

T贯

-12V

八、场地、设备与器材

参考元器件：

副边输出电压为15Vx2,输出电流为0.5A,功率为20.1W的变压器

LM7815

LM7915

LM7905

整流二极管（桥堆）

保险管

散热片

开关

排线

系列电阻、电容若干

实验仪器：PC机、示波器、工具盒、万用表。

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《电子系统综合设计》课程实验项目2

一、实验项目名称及实验项目编号

输入通道设计，055132-02

二、课程名称及课程编号

电子系统综合设计，055132

三、实验目的

通过制做一个完整的电子系统设计作品，培养工程实践能力。要在相关课程知

识的拓宽、提高和综合应用的基础，强化培养理论联系实际能力、系统设计能力、

实际动手能力。通过本实验了解单片机输入通道的工作原理，掌握常用单片机输入

通道的电路设计方法。

四'实验原理

输入通道是测控系统的重要组成部分，典型测控系统的组成如图2.1所示。单

片机系统为核心，以人机通道、前向通道、后向通道和相互通道为桥梁，实现功能

扩展，完成对被控对象的测控任务。单片机系统主要是由CPU、ROM和RAM等部

分组成。前向、后向通道的信号形式有模拟量、数字量、开关量和脉冲量。由模拟

量传感器、数字量传感器、开关量传感器和脉冲量传感器以及相应的接口组成输入

通道，也称为前向通道。输出通道可以产生相应的控制量：模拟量输出、数字量输

出'开关量输出和脉冲量输出，输出通道也被称为后向通道。在较大规模的测控系

统中，不可避免地要采用多机系统，各处理器之间实现相互通信与控制，其通道接

口被称为相互通道。

19

图2.1测控系统组成框图

(1)霍尔传感器转速测量原理

霍尔传感器是利用霍尔效应的原理制成的。霍尔效应是指在一个矩形半导体薄

片上有一电流通过，此时如有一磁场也作用于该半导体材料上，则在垂直于电流方

向的半导体两端，会产生一个很小的电压，该电压称为霍尔电压，如图2.2所示。

图2.2霍尔效应原理图

在进行转速测量时，当磁性材料制成的传感器转子上的凹凸齿交替经过永久磁

铁的空隙时，就会有一个变化的磁场作用于霍尔元件(半导体材料)上，使霍尔传

感器产生脉冲信号，根据所产生的脉冲数目即可实现转速的测量。

(2)光电传感器转速测量原理

光电传感器是一种将转速通过光量的变化转化为电量变化的传感器。直射式光

电转速传感器的结构如图2.3所示。它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组

成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照

射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多

小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，

可通过测量光敏元件输出的脉冲频率计算被测转速，即：

式中〃为转速；f为脉冲频率；N为圆盘开孔数。

20

(3)接近开关转速测量原理

接近开关传感器是一种将转速转化为电感量变化的传感器，如图24所示。例

如，涡流式接近开关传感器，当金属导体在磁场中运动时，内部会产生闭合的感应

电流，该电流叫电涡流。在转轴上开一个或多个键槽，当轴转动时，涡流式接近开

关传感器将周期性地改变输出信号，该信号经放大、整形后，可以用频率计指示输

出频率值，由此即可计算转速。

图2.4涡流式接近开关传感器示意图

(4)键盘扫描电路

扩展一个4x4键盘电路，如图2.5所示。图中键盘的行线X0~X3通限流电阻接

电源VCC,当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线都断开，行线都呈高电平。

当键盘上某一键闭合时，则该键所对应的行线和列线被短路。例如，S9被按下闭合

时，行线XI和列线Y2被短路，此时XI的电平由Y2的电位所决定。如果把行线

21

接到单片机的输入口，列线接到单片机的输出口，则在单片机的控制下，先使列线

Y0为低电平，其余三根列线Yl、Y2、Y3都为高电平，读行线状态。如果X0、XI、

X2、X3都为高电平，则Y0这一列上没有键闭合。如果读出的行线状态不全为高电

平,则为低电平的行线和Y0相交的键处于闭合状态。如果Y0这一列上没有键闭合，

接着使列线Y1为低电平，其余列线为高电平，用同样方法检查Y1这一列上有无键

闭合。以此类推，最后使列线Y3为低电平，其余的列线为高电平，检查Y3这一列

上是否有键闭合。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。

单片机对键盘扫描可以采取程序控制的随机方式，CPU空闲时扫描键盘，也可

以采取定时控制方式，每隔一定时间，CPU对键盘扫描一次，CPU可随时响应键盘

输入中断，对键盘扫描，以识别哪一个键处于闭合状态，并对键输入信息做出相应

处理。CPU对键盘上闭合键号的确定，可以根据行线和列线的状态计算求得，也可

以根据行线和列线的状态查表求得。

在图2.5中，若Y0为低电平，按下S*键时，X0上的电压波形如图2.6所示。

图中口和t3分别为键的闭合和断开过程中的抖动期，抖动时间的长短和开关的机械

特性有关，一般为5-10ms；t2为稳定的闭合期，其时间由操作员的按键动物所决定，

一般为几百毫秒到几秒；to和Q为断开期。为了保证CPU对键的闭合做一次且仅做

一次处理，必须去除抖动，在键的稳定闭合和断开时读键的状态。

22

图2.6键按下和释放时的电压波形

给出一个键盘扫描的源程序。

;P3口接键盘，P3.0接键盘靠近S1的脚

；P0口接数码管段码端J7,再将任一数码管的位码接地

ADEQU30H

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0030H

MAIN:MOVP3,#0FH;P0-3输出1,作为输入位

MOVA,P3

ANLA,#0FH

CJNEA,#OFH,DELAY

SJMPMAIN

DELAY:ACALLDELAY1;延时去键抖

MOVA,P3

ANLA,#0FH

CJNEA,#OFH,HAVE

SJMPMAIN

HAVE:MOVA,#0EFH;行扫描码

NEXT:MOVB,A

MOVP3,A

MOVA,P3

ANLA,#0FH;检测列

CJNEA,#OFH,YES

MOVA,B

23

RLA

CJNEA,#OFEH,NEXT

YES:ORLA,#OFOH;高四位置1

CPLA

MOVR2,#00H

MOVR2,A;存列码

MOVA,B;取行码，

CPLA

ORLA,R2;列码+行码=键植

MOVP2,A;用P2口接发光二极管查看结果

MOVAD,#OOH

ACALLDISPKEYV

JMPMAIN

DISPKEYV:

KEYO:CJNEA,#11H,KEY1

AJMPWORDO

KEY14:CJNEA,#84H,KEY15

AJMPWORD14

KEY15:CJNEA,#88H,PASS

AJMPWORD15

WORDO:MOVAD,#00

ACALLDISP

AJMPPASS

WORD1:MOVAD,#01

ACALLDISP

AJMPPASS

24

WORD14:MOVAD,#14

ACALLDISP

AJMPPASS

WORD15:MOVAD,#15

ACALLDISP

PASS:RET

DISP:MOVA,AD

MOVDPTR,#NUMTAB

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

RET

NUMTAB:

DB

0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0AlH,86H

,8EH

DELAY1:MOVR5,#10

DI:MOVR6,#250

DJNZR7,$

DJNZR5,D1

RET

(5)A/D转换原理

A/D转换器用以实现模拟量向数字量的转换。按转换原理可分为四种：计数式、

双积分式、逐次逼近式以及并行式A/D转换器。逐次逼近式A/D转换器是一种速度

较快，精度较高的转换器，其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。逐次比较型

A/D转换器是具有反馈回路的闭环系统，包括D/A转换器、数码设定器、电压比较

器和控制器四部分如图2.7所示。逐次比较型转换原理是由数码设定器给出二进制

25

数，经D/A转换为模拟电压⑺，这个反馈电压作为比较标准电压，与输入的模拟电

压U在比较器进行比较，比较结果通过控制器去修正输入到D/A转换器的数字量。

这样逐次比较，直到加到比较器两个输入端的模拟量十分接近为止，此时数码设定

器输出的二进制数就是对应于输入模拟量的数字量。

数码

输出

图2.7逐次比较型A/D转换框图

量化间隔和量化误差是A/D转换器的主要技术指标之一。量化间隔由下式计算:

人满量程输入电压

A=-----------

2"-1

式中n为A/D转换器的位数。

量化误差有两种表示方法，一种是绝对量化误差，另一种是相对量化误差。其

中，绝对量化误差为：

量化间隔A

£=------=—

22

相对量化误差为：

1

ADC0809是8路模拟输入8位数字输出的逐次逼近法A/D器件，其芯片内部结

构如图2.8所示，与与单片机接口如图2.9所示，引脚如图2.10所示，地址码与输

入通道的对应关系如表2.1所示。

26

起动时钟ADC0808/ADC0809

8L转换结束

路控制与时序I(中断)

I

——

模

——

8路模拟输入,拟-

锁

十

开

三

存

工

关

态

缓

^士

输位输出

冲>8

士

出

器

十

令

3位地址f王

I

I

I256R电阻阶梯

地址锁存允许」-

vccGNDREF(+)REF(-)输出允许

图2.8ADC0809内部结构

L|D汨

REF(+)

—CKQ一CLK

REF(-)

51ADDA

ADDB