手持现场校准源 - jyk.xidian.edu.cnjyk.xidian.edu.cn/jpkcs/wclqlsy/anli/shouchi.pdf ·...
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手持现场校准源
一、实验目的
手持校验仪以 MSP430F4250 为处理核心，熟练运用 MSP430F4250 自带的 DAC12 和 SD16 模块完成
4~20mA 的反馈电流检测和 4~20mA 电流的可设定输出，在工业现场可以作为操作器来产生设定信号以控
制执行器工作，或是现场校准执行器的行程，也可作为 4~20mA 信号源来使用。该校验仪输出步进量应能
够达到 0.016mA （即 0.1%）可按百分比进行输出，方便工业现场调试。
二、实验模块简介
实物照片
原理图
PCB 板图
三、实验要求
1. 熟练掌握 MSP430F4250 自带的 DAC12 和 SD16 模块的使用方法。
2. 使用 MSP430F4250 驱动 SED1520 点阵液晶
3. 熟悉 V/I 变换模块电路的原理及用法
4. 熟悉 IDC3506 型隔离变送模块的使用及调试方法
四、实验注意事项
1. 由于MSP430F4250 自带的SD16 模块的基准虽为 1.2V但其采样值 0~32767 代表VA+<VA-0.6V至
VA+=VA-而 32768~65535 代表VA+=VA-至VA+>VA-0.6V,系统中实际只用到了 32768~65535 部分。推导转化公
式时应注意这一点。
2. 由于 SD16 模块的基准虽实际只有 0.6V 注意抗干扰。
3. 注意熟悉 V/I 变换电路的反馈类型，独立分析该电路，有助于加深对模电知识的理解与巩固。
4. 熟练使用校准源对 IDC3506 型隔离变送模块的线性度进行校准，掌握点斜式的曲线校准方法。
五、实验结果
该实验要求写出完整的实验报告，要求如下：
1.实验方法分析：对实验要求的理解和认识、与实验有关的硬件电路分析、所采用的程序设计方法
2.流程图：按实验要求给出 C 程序流程图。
3.控制方法分析：对控制方法进行必要的说明和分析。
4.C 程序：给出注释不少于 50%的 C 程序清单。
六、发挥部分
1. 完成软件校准功能。
2. 将精度提高到 0.01%
第五节 智能化流量计
一、实验目的
1.了解电磁式流量计的工作原理。
2.学习单芯片系统设计方法，学习最新的传感器知识，并且学习和掌握常用的仪用数据处理方法。
二、实验参考资料
智能化电磁流量计采用 MSP430F413 为核心，采用 4MUX 型段码液晶显示器 LCD048 和 4MUX 型段
码液晶显示器 LCD5711 作为显示模块。整个系统有 3.6V 1200mAH 的锂干电池供电。
由于无磁流量计输入信号为 0 到 3KHz 的 20mV 的脉冲信号，所以还需要采用运放将输入信号放大，
接入到单片机的 P1 口，因为 P1 口带有中断能力，所以每当脉冲到来，就会产生中断将脉冲计数。此外还
有一个采用基础定时器（BasicTimer）作成的 1 秒等定时中断。
在 1 秒中计数到的脉冲次数就是流量计输入的信号频率，信号频率表示着流量的大小。
在每 1 秒中断中，进行数据的处理显示工作，然后进入超低功耗模式。在处理和显示数据的是时候并
不会影响到脉冲的计数，因为脉冲的计数是在中断中进行的。
显示的数据分两部分，上面部分显示累计流量，下面的部分显示瞬时流量。流量的单位可以设置为
mL/s、kg/s、M3/h和T/h。
此外在程序还做出菜单，让用户可以方便的设置无磁流量计的频率流量比以及液体密度。还可以选择
显示单位。
程序设计的关键是处理好定时中断和脉冲中断的关系，以及将脉冲信号换算为流量数据，以及菜单的
制作。
电路原理图
印刷电路板图
三、实验要求
1.可通过不同流量计传感器检测液体、饱和水蒸气及其它气体流量并显示。
2.可显示瞬时流量和累计流量。
3.具备现场分段标定功能。
4.可设置密度值，同时显示流体累积质量和瞬时质量。
5.具有单位选择，可选择“毫升/分”、“升/小时”、“千克/分”和“吨/小时”。
6.具有流量脉冲输出。
7.采用锂干电池供电。
四、实验注意事项
1. 对传感器输出信号的放大处理。
2. 由于是电池供电，单片机要在超低功耗模式下运行。
3. 超低功耗模式下频率的测量，定时器的使用。
4. 由于需要设置参数，菜单的设计。
五、实验结果
该实验要求写出完整的实验报告，要求如下：
1.实验方法分析：对实验要求的理解和认识、与实验有关的硬件电路分析、所采用的程序设计方法
2.流程图：按实验要求给出汇编程序流程图。
3.控制方法分析：对控制方法进行必要的说明和分析。
4.汇编程序：给出注释不少于 50%的汇编程序清单。
六、发挥部分
1.由于整个系统的低供耗，可以采用 M-BUS 仪表总线结合电池供电，并且同时可以传输数据。
2.由于整个电路板将会被密封到壳体中，所以按键可以改进为红外线按键，或者用红外遥控器操作
第六节 单芯片电子秤
一、实验目的
了解电阻式应变片的工作原理及其在称重上的应用。掌握微弱信号的采集与数据处理的方法，了解
Sigma-Delta 型 ADC 的工作原理及其特性。学习单芯片系统设计方法，训练单片机数据采集、结果显示等
系统软硬件设计能力。
二、实验参考资料
电路原理图
印刷电路板图
三、实验要求
1.编写液晶驱动程序，能显示数字。
2.编写 SD16 模块的软件，PGA 配置在 32 倍，读取差分电压。
3.将差分电压转换成压力值，并显示
4.编写校准程序，用 10Kg 砝码对显示的压力值进行较准。
四、实验注意事项
1.传感器输出的信号微弱，干扰较大，可测量若干次求平均值以减小波动。
2.电池供电，单片机大部分时间要工作在休眠模式下
五、实验结果
该实验要求写出完整的实验报告，要求如下：
1.实验方法分析：对实验要求的理解和认识、与实验有关的硬件电路分析、所采用的程序设计方法
2.流程图：按实验要求给出汇编程序流程图。
3.控制方法分析：对控制方法进行必要的说明和分析。
4.汇编程序：给出注释不少于 50%的汇编程序清单。
六、发挥部分
利用按键，可以在平时作为时钟，使用时作为电子称
第七节 超声波测距仪
一、实验目的
了解超声波测距的原理；掌握超声波的物理特性；学会产生和探测超声波的方法；分析影响超声波测距
精度的因素。
二、实验参考资料
原理图：
PCB 图：
三、实验要求
1.产生 40KHz 的方波，用示波器观察超声发射器和接收器上的波形。在前方放置障碍物，观察发射与
回波之间的波形差异。
2.产生频率 40KHz 的 24 个脉冲并发射，利用 TimerA 模块测量回波延时。
3.推导距离计算公式，并将距离计算、显示出来。
四、实验注意事项
1. 超声波到达被测物体后，除了反射，还会有散射，容易通过墙面等物体引起二次或多次回波。实
验时应避免倾斜入射。
2. 不要多人对同一物体测量，会互相干扰
3. 结果若噪音较大，可多测几次求平均。
五、实验结果
该实验要求写出完整的实验报告，要求如下：
1.实验方法分析：对实验要求的理解和认识、与实验有关的硬件电路分析、所采用的程序设计方法
2.流程图：按实验要求给出汇编程序流程图。
3.控制方法分析：对控制方法进行必要的说明和分析。
4 程序清单：给出注释不少于 50%的程序清单。
六、发挥部分
1. 查阅相关资料，了解温度、气压等对超声测距的影响。
2. 推导消除温度影响的公式，利用板载的 DS18B20 温度传感器测温度值，消除温度影响。
第八节 自动量程电容表
一、实验目的
了解容抗法测量电容容量的原理，学习用 DDS 方法产生稳定正弦波作为激励源，练习 430 单片机内部
SD16 模块的使用。学会运用 485 接口进行通讯，了解 MODBUS 协议的实现方法。
二、实验参考资料
该模块大部分信号处理电路都已集成在 430 芯片上，只有很少的外围电路，基本原理如下：430 单片
机内部的 DAC12 模块按 CPU 指令，通过 12 位 DAC 产生稳定度优于 1/1000，失真度小于 1/1000 的稳定
正弦波，作为测量的激励源。待测电容在该交流激励源作用下呈现出固定的容抗 Z。1/Z 的大小正比于电
容值的大小。通过一个 1/容抗-电压变换电路即可得到与电容值成正比的电压信号。该电压信号被 430 内部
的 16 位 ADC 采样后，计算出电容值。
测量的数据会在液晶上显示，也可通过 485 接口，按 Modbus-RTU 协议被其他设备读取。
硬件电路及原理：
本模块的核心是一片 MSP430F4270 混合信号处理器，它内部集成有 16 位 RISC 处理器、32K 代码存储
器、12 位 DAC、16 位 ADC、精密基准源、液晶驱动器、液晶偏压发生器、看门狗等大量资源。如下图所示，
只需要很少的外围器件。
精密电容模块硬件电路
利用 4270 单片机的 12 位 DAC，在中断中以查表 DDS 的方式产生 1KHz 的正弦波（图中 Vsin）作为测
量电路的激励源。测量结果（图中 VCAP）被 4270 单片机的 16 位 ADC 采样后换算成电容值。最终的测量结
果显示在段码液晶上。由于内部集成液晶控制器和偏压发生电路，硬件上只需要将液晶和段码控制脚直连
即可。液晶的对比度由内部电荷泵寄存器控制，硬件上只需要一只 4.7uF 外接电容（C10）即可。转换结
果也可通过 485 接口被 2410 主系统读取。4270 单片机没有串口，只能用软件模拟实现串口。
正弦波表 ROM 内存有 64 点的正弦波表，在 1KHz 正弦波的输出下，中断频率达 64000 次／秒；加之模
拟串口的工作对 CPU 开销都很大，因此系统工作在 8MHz 时钟下（4270 允许的最大值）。4270 的手册推荐
用 32K 外部晶体，倍频得到 CPU 时钟。但考虑到内部倍频的锁频环（FLL）存在频率抖动，会造成 DDS 输
出正弦波的噪音，故倍频率应尽量低。本系统选 4MHz 外晶体，2 倍频（FLL 最低倍频值）得到 8MHz 系统
时钟。
保持 DDS 频率不变，将波表峰值提高 10 倍，量程可缩小 10 倍；改变正弦波表的点数为 640 点，即可
得到 100Hz 正弦，量程则扩大 10 倍。因此可以通过纯软件的方法切换量程。
测量电路方框内的电路如下：
电容测量电路（模拟部分）
DDS 产生的 Vsin 是电压范围 0－1.2V 的正弦波，即直流 0.6V，峰峰值 1.2V 的正弦波。首先被 C5 隔
除直流分量，再被运放 U3A 放大 10 倍，变成正负对称，峰峰值 12V 的正弦波。DDS 产生的正弦波还残留有
高频分量，C15 和 R3 构成低通滤波器，转折频率 3KHz，保留激励正弦波，滤除残余高频分量。放大后的
正弦电压加在被测电容 Cx 上，在此激励之下流过 Cx 的电流被 U3B 转换成电压值。U3B 输出的是输幅度正
比于 Cx 的大小的正弦电压，且与屏蔽引线长度无关。C18 用于进一步滤除残余高频。U3C 和 U3D 构成精密
检波电路，将 U3B 的输出交流电压转化成直流电压。精密检波电路的二极管选用做在同一硅片上的双二极
管 BAV99（Q2），两只二极管具有几乎完全一致的特性。
PCB 图：
三、实验要求
1. 利用 DAC 产生一个电压，并能通过程序改变电压大小。
2. 利用计算器或 PC 机生成 64 点 SIN 表；利用 430 单片机定时中断来产生 1KHz 正弦波。
3. 调试并编写 16 位 ADC 模块的软件，接入被测电容，看转换结果的变化。
4. 推导采样值与被测电容之间的换算关系，计算电容值并将电容值显示出来。
四、实验注意事项
1. 注意该电路容易受干扰，接入电容时，如果引线较长，请参考下面的电路：
五、实验结果
该实验要求写出完整的实验报告，要求如下：
1.实验方法分析：对实验要求的理解和认识、与实验有关的硬件电路分析、所采用的程序设计方法
2.流程图：按实验要求给出程序流程图。
3.控制方法分析：对控制方法进行必要的说明和分析。
4.程序清单：给出注释不少于 50%的程序清单。
六、发挥部分
1.通过改变正弦波的频率和幅度，实现量程切换，并加入自动量程功能。
2.4250 没有串口，尝试软件实现串口收发，调通 485 接口，并参考 MODBUS 协议或自定协议，实现通
讯。