SBJCS-1112單片機傳感器綜合實驗實訓平臺
一、概述
1．傳感器單片機實驗平臺能滿足實驗平臺能滿足《單片機原理與應用》與《生物醫(yī)學傳感器原理與應用》課程的實驗需求，從基本實驗到構成完整系統(tǒng)在一臺實驗裝置上便可以全部實現(xiàn)。具有占用空間小、掛箱設計規(guī)范、互換性強，避免了不同課程需要不同實驗裝置、占用空間大、難以構成完整系統(tǒng)、不方便實施綜合性和設計型實驗的麻煩。
2．能適應不同專業(yè)和不同層次的教學需要，可按不同需求選擇不同的配置，并可根據(jù)用戶的要求增添實驗掛箱。
3．實驗裝置能完成傳感器與檢測技術相關課程實驗，通過實驗能掌握各種傳感器原理、信號處理電路及檢測方法。
4．傳感器部分包括壓阻、壓電、應變、電容、霍爾、磁電、溫度、光敏、氣敏(酒、C0)、電渦流、光纖位移、長光柵位移、差動變壓器、光電耦合等各種常見傳感器。豐富的傳感器配置有利于學員進行綜合性、創(chuàng)新性實驗設計。
5．單片機部分配備控制器單元掛箱、信號轉換單元掛箱、通信單元掛箱、顯示與鍵盤單元掛箱、對象掛箱。
6．通過使用本實驗平臺，有利于廣大學生對書本知識的理解和深化，在完成傳感器與檢測技術等一系列基本實驗后，便能掌握傳感器與檢測技術課程群所要求的基本原理、操作技能和動手能力。若再完成一個或幾個綜合型實驗，則對系統(tǒng)有一個較為全面的認識，形成基本的解決實踐問題的知識體系。如果能進一步完成設計型乃至創(chuàng)新型實驗，則將形成解決實踐問題的能力和積累解決實踐問題的經驗，進而培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。
二、特點
1．模塊化設計：采用標準的模塊化設計，增強系統(tǒng)的結構性和互換性。
2．總線標準：建立統(tǒng)一的內總線和接口約定，以實現(xiàn)最靈活的個性化配置、擴展和系統(tǒng)管理。
3．快速連接線設計：提供三種連線方式
①采用金質縮緊孔單線接線；
②采用排線集中接線；
③自動免連線模式接線。各模塊在設計時均融入三種連線方式于設計過程。
4．一機多用：采用實驗現(xiàn)場與實驗準備室相結合的設計構思，在實驗裝置上僅配備最常用的模塊，在實驗裝置內放置次常用模塊，在實驗準備室中放置其他模塊。由此實現(xiàn)了該實驗裝置能夠實現(xiàn)一機多用、便于擴展和綜合的目標。
5．接近工程實際：實驗裝置上采用多種工業(yè)型傳感器，既可以用來完成傳感器原理、結構與調理電路的教學，也可以用解決工業(yè)工程和過程中的實際問題。
6．開放式設計：實驗裝置中的軟、硬件及系統(tǒng)均按照全開放的思想進行設計，以便于學生開展研究型和創(chuàng)新型的實驗。
7．最小知識單元：為每個模塊均可拆分到該知識層次的最小知識單元。
三、適用范圍
實驗臺主要針對高校大學生課程設計、畢業(yè)設計和電子設計競賽的開發(fā)平臺，體現(xiàn)了靈活、開放、創(chuàng)新、綜合、跨領域、跨專業(yè)的設計理念。其功能擴展模塊覆蓋了多個專業(yè)多門課程，適合電子類、通信類、自動化類、計算機類、機電類、測控儀器類等專業(yè)的學生進行綜合、創(chuàng)新設計。
四、結構簡介
本裝置由控制屏，實驗桌、活動掛箱及擴展模塊、實驗箱組成。實驗臺美觀大方，尺寸可選；活動掛箱包括CPU掛箱、接口掛箱、對象掛箱；其功能擴展模塊覆蓋了多個專業(yè)多門課程，包含CPU類、通用接口類、人機界面類、信號變換隔離類、通信類、執(zhí)行機構類、傳感器類共40多項。
五、技術指標
1．輸入電源：單相三線220V±10％ 50Hz
2．工作環(huán)境：溫度10℃～+40℃相對濕度<85％(25℃) 海拔<4000m
3．絕緣電阻：大于3MΩ
4．漏電保護：漏電動作電流不大于30mmA，動作時間不大于0．1秒
5．裝置容量：<200VA
6．外形足寸：1620mm×750mm×1600mm，以實物為準。
六、裝置的配備及技術性能
本裝置主要由實驗控制屏和實驗桌兩部分組成。
（一）實驗控制屏
A.電源及保護體系
（1）直流穩(wěn)壓電源，每套功能配置如下：
①±5V／lA，±12V／1A和±15V／1A各兩路，均具有短路軟截止自動恢復保護功能；
②O～3OV／1A連續(xù)可調電源一路，具有短路軟截止自動恢復保護功能，帶數(shù)顯電壓表切換指示；
③0~20mA連續(xù)可調恒流源、具有開路保護功能，帶數(shù)顯指示功能。
（2）實驗裝置設有漏電保護，控制屏若有漏電現(xiàn)象，漏電流超過一定值，即切斷電源，對人身安全起到一定的保護。
B．儀器儀表
1、直流數(shù)字電壓表：200mV,2V,20V三檔可調。
2、直流數(shù)字電流表：范圍0~200mA，三位半數(shù)顯，配合可調恒流源使用。
3、功率函數(shù)信號發(fā)生器
● 頻率范圍： 2HZ,20HZ,200HZ,2KHZ,20KHZ,200KHZ,2MHZ，分七檔
● 輸出波形：正弦波、三角波、方波
● 占空比調節(jié)：20%~80%
● 輸出電壓幅度：20VP-P 輸出阻抗：50?
● 5位LED頻率顯示
● 3位LED幅度顯示
● 外測范圍：10MHZ
● 兩檔衰減：20dB,40dB
● 有直流偏置功能
● 有VCF功能
● 有TTL輸出
● 有輸出保護不易損壞
4、低頻振蕩器部分
（1）頻率調節(jié)電位器可調振蕩頻率從1Hz～30Hz。
（2）幅度從0-8VP-P連續(xù)可調。
5、音頻振蕩器部分
（1）頻率調節(jié)電位器可調振蕩頻率從400Hz～10KHz，精度±5%。
（2）幅度可從0-10VP-P連續(xù)可調。
6、頻率/轉速表：頻率測量范圍1～9999Hz，轉速測量范圍1～9999rpm；
7、溫度控制器，加熱源：提供一只XMTD3000溫度控制器，可以顯示設定溫度和當前溫度。
8、數(shù)據(jù)采集卡，配套相應PC機上位軟件，用于電信號的采集、處理、顯示。
C．傳感器由多種傳感器和信號調理模塊組成
（1）轉動源部分：轉動源、霍爾傳感器、光電傳感器；應變片稱重傳感器；可更換的傳感器：差動變壓器傳感器、電容傳感器、渦流傳感器、霍爾位移傳感器、磁電式傳感器、光纖位移傳感器、濕敏傳感器、酒精傳感器。
（2）振動源部分：應變片振動臺、壓電電傳感器；
（3）氣體壓力傳感器部分：氣壓源、兩氣壓計、氣體壓力傳感器。
（4）熱敏電阻傳感器，熱電偶傳感器，PTl00鉑電阻等。
（5）（選配模塊）長光柵位移傳感器部分：長光柵位移傳感器；圓光柵角位移部分：光電編碼器，配多功能智能計數(shù)器、環(huán)境噪聲傳感器、光照傳感器、色標傳感器、紅外反射式傳感器
D.嵌入式多功能網絡虛擬儀器（不需電腦配合使用）：
A、終端部分采用7寸彩色觸摸屏（裝學生實驗屏上）同時配有虛擬示波器、虛擬邏輯分折儀、虛擬頻譜儀、虛擬三用表、虛擬數(shù)字量輸入輸出模塊。
B、參數(shù)：
1）、雙蹤存貯示波器，多種同步方式，存貯深度可編程；
通道數(shù)：2路
帶寬：20MHZ
分辨率：8位
電壓范圍：-10~+10V
存貯深度：64K
2）、雙通道頻譜分折儀；
3）、數(shù)字三用表，可測電阻、電流、電壓等；
數(shù)字IO口
通道數(shù)：8路IO
輸入電平：TTL
輸出電平：TTL
電流驅動：20mA/通道
4）、四路智能遠程電源控制
5）、數(shù)據(jù)具有上傳與保存功能并能通過服務器顯示
E．實驗掛箱及實驗模塊
（1）控制器單元掛箱：配有8051單片機模塊、C8051嵌入式單片機模塊、其他CPU外圍單元、譯碼模塊、和常用接口模塊。
（2）信號轉換單元掛箱：
配有8位并行AD模塊、12位并行AD模塊、8位并行DA模塊、12位并行DA模塊、I／O口擴展模塊、轉換模塊。
（3）通信與打印機單元掛箱：
配有RS232／RS485通信模塊、USB通信模塊，網絡控制器模塊、CAN總線模塊、打印機放在掛箱底板上
（4）鍵盤與顯示單元掛箱：
配有顯示(靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示、液晶顯示)模塊、16*16點陣顯示模塊、4X4鍵盤模塊
（5）對象控制單元掛箱（一）：
配備有開關量輸出模塊、開關量輸入模塊、光耦隔離模塊、繼電器模塊
（6）對象控制單元掛箱（二）：
配備有IC卡讀寫模塊、步進電機模塊、直流小電機模塊、語音處理模塊、交通燈模塊、 PWM調制模塊
七、實驗掛箱具體硬件資源
1．控制器單元掛箱：掛箱主要用于插接不同的CPU模塊。掛箱上包含了CPU模塊的接口插座和基本實驗電路及系統(tǒng)擴展電路，可單獨完成大部分的基本實驗，掛箱上有三個(40P、40P、20P)扁平電纜接口槽用于和其他掛箱連接。
掛箱上的資源如下：
（1）8155接口模塊
（2）8255接口模塊
（3）8279鍵盤顯示接口模塊
（4）8253可編程定時器模塊
（5）硬件看門狗電路模塊
（6） I2C EEROM模塊
（7）8250模塊
（8）8251模塊
（9）I2C存儲器模塊
（10）I2C時鐘模塊
（11）單次脈沖模塊
（12）93C46串行EEPROM模塊
（13）紅外線收發(fā)模塊
（14）DS18B20數(shù)字溫度傳感器模塊
（15）開關量輸入模塊
（16）關量輸出模塊
控制器單元掛箱支持CPU模塊和譯碼模塊：
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模塊名稱 |
功能指標 |
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51系列CPU模塊 |
支持80C31、80C51，含32K SRAM、64K ROM組成數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線 |
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Cygnal51CPU模塊 |
采用美國Cygnal公司的嵌入式單片機C8051F020芯片，含32K SRAM，組成數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線 |
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譯碼模塊 |
采用LATTICE公司的ispLSI1016E完成整個系統(tǒng)的譯碼工作 |
2.信號轉換單元掛箱：
掛箱上有三個（40P、40P、20P）扁平電纜接口槽用于和控制器單元掛箱信號連接。
掛箱支持的模塊：
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模塊名稱 |
功能指標 |
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8位并行AD模塊 |
由AD0809模數(shù)轉換電路組成8路8位AD。 |
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8位并行DA模塊 |
由兩只DA0832數(shù)模轉換電路組成2路8位DA。 |
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12位并行AD模塊 |
由AD574模數(shù)轉換電路組成12位AD。 |
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12位并行DA模塊 |
由TLV5613數(shù)模轉換電路組成12位DA。 |
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I/O 擴展模塊 |
由兩塊74LS244芯片擴展成16路并行輸入電路。 由兩塊74LS273芯片擴展成16路并行輸出電路。 用74LS164芯片組成串轉并輸出電路。 用74LS165芯片組成并轉串輸入電路。 |
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轉換模塊 |
用LM311實現(xiàn)V/F電路和F/V電路 用TLC549芯片組成串行AD轉換電路。 用TLC5615芯片組成串行DA轉換電路。 |
3．通信與打印機單元掛箱：掛箱上有三個（40P、40P、20P）扁平電纜接口槽用于和其他掛箱信號連接，打印機裝在掛箱的底板上。
掛箱支持的模塊：
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模塊名稱 |
功能指標 |
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RS232/RS485/CAN總線通信模塊 |
由MAX232芯片組成RS232通信電路，MAX485芯片組成RS485通信電路。 由SJA1000芯片和TJA1050芯片組成CAN總線電路。 |
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USB通信模塊 |
由1581芯片組成USB2.0通信模塊 |
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網絡控制器模塊 |
采用RTL8019AS芯片 |
4．顯示與鍵盤單元掛箱：掛箱上有三個（40P、40P、20P）扁平電纜接口槽用于和其他掛箱信號連接。
掛箱支持的模塊：
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模塊名稱 |
功能指標 |
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靜態(tài)顯示模塊 |
由74LS164芯片驅動 |
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動態(tài)顯示模塊 |
采用8位8段LED數(shù)碼管。 |
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液晶顯示模塊 |
提供128*64點陣的液晶顯示屏 |
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CPLD模塊 |
采用LATTICE公司1032芯片 |
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4*4行列式鍵盤 |
公共鍵盤 |
5、對象掛箱(一) ：掛箱上有三個（40P、40P、20P）扁平電纜接口槽用于和其他掛箱信號連接。
掛箱支持的模塊：
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模塊名稱 |
功能指標 |
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繼電器模塊 |
由兩個5V繼電器、2個12V繼電器和2個24V繼電器組成。 |
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光耦隔離模塊 |
由3個TLP521-4芯片組成12入12出。 |
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LED顯示模塊 |
用16個LED燈組成邏輯電平測試電路 |
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開關量模塊 |
用16個按鍵組成高低電平輸出電路 |
6、對象掛箱(二) ：掛箱上有三個（40P、40P、20P）扁平電纜接口槽用于和其他掛箱信號連接。
掛箱支持的模塊：
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模塊名稱 |
功能指標 |
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IC卡讀寫模塊 |
I2C總線實現(xiàn)IC卡的讀寫及識別 |
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直流電機 |
帶驅動小直流電機，測速部分由1個霍爾傳感器組成 |
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步進電機 |
采用四相步進電機，帶驅動電路 |
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交通燈模塊 |
采用16個LED燈和四位數(shù)碼管組成。 |
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語音處理模塊 |
采用1730專用語音芯片組成 |
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PWM調制模塊 |
由324運放芯片組成,用于小直流電機調速 |
八、 裝置的配備表
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序號 |
名稱 |
單位 |
數(shù)量 |
備注 |
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1 |
實驗控制屏 |
套 |
1 |
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2 |
實驗桌 |
張 |
1 |
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3 |
掛箱與模塊 |
套 |
1 |
傳感器由多種傳感器和信號調理模塊 |
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控制器單元掛箱 |
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信號轉換單元掛箱 |
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通信與打印機單元掛箱 |
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鍵盤與顯示單元掛箱 |
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對象控制單元掛箱（一） |
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對象控制單元掛箱（二） |
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4 |
常用工具 |
套 |
1 |
一字螺絲刀1把；十字螺絲刀1把；剝線鉗1把；尖嘴鉗1把。 |
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5 |
實驗說明書 |
套 |
1 |
指導學生實訓 |
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6 |
開放實驗室信息管理系統(tǒng) |
套 |
1 |
附一 |
附一：開放實驗室信息管理系統(tǒng)：（全室配一套）
A、．開放實驗室信息管理系統(tǒng)的必要性
學生動手能力的培養(yǎng)、分折問題解決問題能力的培養(yǎng)、自主實驗和創(chuàng)新實驗能力的培養(yǎng)均需要一個寬松的、開放的、設備齊全的實驗環(huán)境。但是目前很多學校因師資力量有限無法將實驗室開放，這一方面造成資源浪費另一方面學生又得不到煅煉。針對這一問題，配備本實驗室信息化管理系統(tǒng)，它可有效解決上述矛盾。具備這樣條件的實驗室可以不必配備固定的老師管理和輔導，學生可以自主按排實驗時間并通過刷卡確定機位，并通過學生終端計算機中的實驗課件、儀器儀表介紹課件、自主實驗題庫、在線幫助等資源完成各類實驗。
B、智能開放實驗室管理系統(tǒng)簡介
智能實驗室管理系統(tǒng)（以下稱：本系統(tǒng)）是以標準化實驗室管理思想為基礎、網絡技術為驅動最新開發(fā)的管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)能對實驗室設備及學生實驗過程進行智能化管理，以實時了解實驗室設備狀態(tài)及學生實驗完成狀況，跟蹤記錄實驗痕跡，確保老師能了解學生做實驗的流程。
實驗室管理手段包括：短信，郵件，web頁面。
C．開放實驗室資源配置
建設開放實驗室應具備必要的硬件和軟件資源：
（一）硬件資源：
1、手機（可選）：發(fā)送和接收實驗室設備管理及狀態(tài)信息。
2、管理員PC：用于發(fā)送和接收實驗室管理及狀態(tài)信息，接收學生的實驗數(shù)據(jù)（波形，數(shù)據(jù)包等實驗數(shù)據(jù)），發(fā)送提示信息及試題到學生實驗設備上。
3、服務器：服務器為本系統(tǒng)的核心部分，完成接收管理員控制信息，發(fā)送采集到的終端實驗數(shù)據(jù)到web頁面，對終端設備的控制，終端實驗數(shù)據(jù)的采集。
4、網絡設備：路由器等，傳輸各種數(shù)據(jù)。
5、終端：虛擬示波器，發(fā)送及接收數(shù)據(jù)，直接控制設備
（二）軟件資源：
1.web頁面系統(tǒng)，通過web頁面設置本系統(tǒng)的各項參數(shù)，個性化定制，實時接收并顯示學生實驗數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令到服務器，并由服務器發(fā)送控制命令到終端，達到控制實驗室設備的目的。
2.短信控制系統(tǒng)，向特定的手機發(fā)送實驗室設備狀態(tài)，接收特定手機的控制命令，并由服務器發(fā)送控制命令到終端，達到控制實驗室設備的目的。
3.郵件控制系統(tǒng)，向特定的郵箱發(fā)送實驗室設備狀態(tài)，接收特定郵箱的控制命令，并由服務器發(fā)送控制命令到終端，達到控制實驗室設備的目的。
4.數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)，存儲學生實驗過程數(shù)據(jù)，以便老師后續(xù)查看學生的實驗過程。
九、基本實驗項目
(一) 傳感器實驗項目
(1)金屬箔式應變片一單臂電橋性能實驗
(2)金屬箔式應變片一半橋性能實驗
(3)金屬箔式應變片一全橋性能實驗
(4)直流全橋的應用一電子秤實驗
(5)交流全橋的應用一振動測量實驗
(6)擴散硅壓阻壓力傳感器差壓測量實驗
(7)差動變壓器的性能實驗
(8)激勵頻率對差動變壓器特性的影響實驗
(9)差動變壓器零點殘余電壓補償實驗
(10)差動變壓器的應用一一振動測量實驗
(11)電容式傳感器的位移特性實驗
(12)電容傳感器動態(tài)特性實驗
(13)直流激勵時霍爾式傳感器的位移特性實驗
(14)交流激勵時霍爾式傳感器的位移特性實驗
(15)霍爾測速實驗
(16)霍爾式傳感器振動測量實驗
(17)磁電式轉速傳感器的測速實驗
(18)壓電式傳感器振動實驗
(19)電渦流傳感器的位移特性實驗
(20)被測體材質、面積大小對電渦流傳感器的特性影響實驗
(21)光纖傳感器的位移特性實驗
(22)光電轉速傳感器的轉速測量實驗
(23)PTl0溫度控制實驗
(24)集成溫度傳感器AD590的溫度特性驗
(25)鉑電阻溫度特性實驗
(26)K型熱電偶測溫實驗
(27)E型熱電偶測溫實驗
(28)氣敏傳感器實驗
(29)濕敏傳感器實驗
(30)轉速控制實驗
選配模塊實驗：
（31）光柵尺測量實驗
（32）光電編碼器實驗
（33）環(huán)境噪聲測量實驗
（34）光照強度測量實驗
（35）紅外反射式傳感器物件計數(shù)實驗
（36）色標傳感器顏色識別實驗
(二)單片機實驗項目
1、MCS-51單片機實驗項目：
軟件部分實驗：
1．清零程序
2．拆字程序
3．拼字程序
4．數(shù)據(jù)區(qū)傳送子程序
5．數(shù)據(jù)排序實驗
6．查找相同數(shù)據(jù)個數(shù)
7．無符號雙字節(jié)快速乘法子程序
8．多分支程序
9．多分支程序
10．電腦時鐘實驗
硬件部分實驗：
1．P1口亮燈實
2．P1口轉彎燈實驗
3．P3.3口輸入，P1口輸出實驗
4．工業(yè)順序控制實驗
5．8255 A、B、C口輸出方波實驗
6．8255 PA口控制PB口
7．8255控制交通燈
8．簡單I/O擴展實驗
9．并行ADC 0809轉換實驗
10．并行DAC 0832轉換實驗
11．8279鍵盤顯示實驗
*12.通用打印機實驗
13.微型打印機實驗
14.I2C儲存卡讀寫實驗
15.語音芯片ISD173控制實驗（錄音）
16.語音芯片ISD1730控制實驗（放音）
17.繼電器控制實驗
18.步進電機控制
19.8253方波實驗
20.小直流電機調速實驗
21.16*16 LED點陣顯示實驗
22.128*64 LCD液晶顯示實驗
23.8250可編程異步通訊接口實驗
24.8251可編程通訊接口實驗
25.單片機RS232/485串行發(fā)送實驗
26.單片機RS232/485串行接收實驗
27.DS18B20單總線溫度測量實驗
28.紅外線遙控收發(fā)實驗
29.串行A/D TLC549轉換實驗
30.串行10位D/A TLC5615轉換實驗
31.PCF8563 I?C日歷時鐘實驗
32.MAX813看門狗實驗
33.PWM脈寬調制實驗
34.74LS164串并轉換
35.74LS165并串轉換
36.LM331 V/F轉換實驗
37.AT24C02 I2C總線存儲器讀寫實驗
38.串行存儲芯片93C46讀寫實驗
39.電子音樂演奏實驗
40.CAN總線通訊接口實驗
41.以太網TCP/IP協(xié)議接口實驗
42.USB2.0通訊接口實驗
43.LM331 F/V轉換實驗
44.LM331 V/F轉換實驗
45.AD574 12位并行模數(shù)轉換實驗
46.TLV5613 12位并行數(shù)模轉換實驗
47.4*4行列式鍵盤實驗
48.8位靜態(tài)顯示器實驗
49.8位動態(tài)顯示器實驗
50.光耦隔離模塊實驗
51.模擬十字路口交通燈實驗
2．嵌入式單片機(C8051)實驗
(1) 數(shù)字I／O口交叉開關設置實驗
(2) UART串能通訊實驗
(3) 配置內部和外部振蕩器實驗
(4) 片內模數(shù)轉換(ADC)實驗
(5) I／O輸入、輸出實驗
(6) 片內數(shù)模轉換(DAC)實驗
(7) 定時器實驗
(8) SRAM外部數(shù)據(jù)存儲器擴展實驗
(9) 外部中斷實驗
(10) SPI串行Flash存儲器數(shù)據(jù)讀寫實驗
(11) 計數(shù)器實驗
