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電子秤實驗報告

時間:2023-04-30 22:46:45 工作報告 我要投稿
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電子秤實驗報告

便攜式電子秤的設(shè)計實現(xiàn)

電子秤實驗報告

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學(xué) 號:

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摘 要

手提電子秤具有稱重精確度高,簡單實用,攜帶方便成成本低,制作簡單,測量準(zhǔn)確,分辨率高,不易損壞和價格便宜等優(yōu)點。是家庭購物使用的首選。本次實驗?zāi)康脑谟?通過對便攜式電子秤的設(shè)計與制作,了解電阻應(yīng)變片的工作原理,掌握其使用方法;掌握數(shù)碼顯示電路的設(shè)計使用方法;掌握模數(shù)轉(zhuǎn)換器、儀用放大器的使用方法;掌握電子電路系統(tǒng)設(shè)計的基本方法,培養(yǎng)提高綜合利用多學(xué)科相關(guān)知識進(jìn)行初步工程設(shè)計與實際裝調(diào)系統(tǒng)電路的能力。本次便攜式電子秤設(shè)計采用箔式電阻應(yīng)變片E350~ZAA作為傳感器,將力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,差動電路采用INA114來放大微小電壓信號,轉(zhuǎn)換電路采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,顯示電路采用LED數(shù)碼管。最終實現(xiàn)了將被稱重物體的質(zhì)量顯示在數(shù)碼管上的功能,稱重范圍為2kg以內(nèi),單位為g。經(jīng)過最終測量,所設(shè)計制作完成的電子秤稱重最大絕對誤差為5g,

關(guān)鍵詞:便攜式; 電子秤; 應(yīng)變片; 7107

一、 設(shè)計選題及設(shè)計任務(wù)要求

設(shè)計選題:便攜式電子秤的設(shè)計實現(xiàn)

任務(wù)與要求:

設(shè)計一個LED數(shù)碼顯示的便攜式電子秤,要求如下

1. 采用電阻應(yīng)變式傳感器

2. 稱重范圍為0 ~ 2kg

3. 測量精度:不低于20克

二、 方案設(shè)計與論證

設(shè)計方案:

方案一:基于單片機(jī)的便攜式電子秤

1) 原理框圖

圖1-1 基于單片機(jī)的便攜式電子秤原理框圖

2)系統(tǒng)設(shè)計思路、工作原理及單片機(jī)程序流圖

稱重傳感器根據(jù)壓力的變化提供相應(yīng)的線性變化的電信號,該電信號經(jīng)過高精度差動放大器放大。輸入給雙積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,數(shù)字信號可直接由單片機(jī)以串行方式讀入。

單片機(jī)選用STC89C52型單片機(jī),P0口定義為輸出口,其中P0.0~P0.6輸出要顯示數(shù)據(jù)的段碼。P1口中的P1.0~P1.3也定義為輸出,顯示輸出數(shù)據(jù)的位碼。顯示器用動態(tài)掃描。

3) 該設(shè)計方案優(yōu)缺點

a.優(yōu)點:該系統(tǒng)采用了單片機(jī)作為顯示模塊的驅(qū)動電路,具有較好的系統(tǒng)擴(kuò)展性,在顯示壓力的同時,還可以通過單片機(jī)的其他管腳輸出信號以達(dá)到的功能的擴(kuò)展。例如,在平時日常使用外,也可以作為工程應(yīng)用中顯示及反饋模塊,通過對壓力測量進(jìn)行閾值的設(shè)定,來判定是否對系統(tǒng)的輸入進(jìn)行修正。

b.缺點:

系統(tǒng)的組成模塊相對較多,在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時可能會出現(xiàn)較多問題,也提高了系統(tǒng)的成本。并且單片機(jī)的編程時將會需要大量的時間,對系統(tǒng)的標(biāo)定比較困難。不適合僅僅應(yīng)用為日常生活。

方案二:基于普通A/D轉(zhuǎn)換器及編碼器的便攜式電子秤

1) 原理框圖

圖1-2基于普通A/D轉(zhuǎn)換器及編碼器的便攜式電子秤原理框圖

2) 系統(tǒng)設(shè)計思路、工作原理

壓力傳感器實現(xiàn)壓電轉(zhuǎn)換,將壓力轉(zhuǎn)換為電信號。經(jīng)過高精度差動放大器放大后。輸入給模數(shù)轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,由該數(shù)字信號控制編碼器的編碼,從而控制數(shù)碼管顯示。

3) 設(shè)計的優(yōu)缺點該

a. 優(yōu)點:每個模塊的功能單一,且沒有復(fù)雜的編程問題。在整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時,可以比較方便的對每個模塊 進(jìn)行測試,能夠迅速找到出現(xiàn)問題的模塊。比較容易制作。

b. 缺點:使用的芯片較多,信號的噪聲較大,且數(shù)碼管與編碼器的電路比較繁雜,在實際焊接中容易出現(xiàn)問題。

方案三:基于普通ICL7107的便攜式電子秤

1) 原理框圖

圖1-3 基于普通ICL7107的便攜式電子秤原理框圖

2) 系統(tǒng)設(shè)計思路、工作原理

壓力傳感器實現(xiàn)壓電轉(zhuǎn)換,將壓力轉(zhuǎn)換為電信號。經(jīng)過高精度差動放大器放大后。輸入給模數(shù)轉(zhuǎn)換器,從而控制數(shù)碼管顯示。

3) 該設(shè)計的優(yōu)缺點

a. 優(yōu)點:每個模塊的功能單一,且沒有復(fù)雜的編程問題。ICL7107可直接驅(qū)動數(shù)碼管,在整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時,可以比較方便的對每個模塊進(jìn)行測試,能夠迅速找到出現(xiàn)問題的模塊。比較容易制作。

b. 缺點:功能單一,僅能作為日常生活使用。不可有其他的功能擴(kuò)展。 方案論證:

方案介紹中時已經(jīng)對每個方案的優(yōu)劣進(jìn)行了闡述。通過下表對每種方案的突出特點進(jìn)行比較。

綜述:

鑒于本實驗僅要求實現(xiàn)一個普通功能的電子秤,沒對其有更高的要求,所以方案一并不是十分合適,它的制作流程過于復(fù)雜,難以調(diào)試,且成本較高。所以這里并不采用方案一。

對于方案二,它的電路連接與方案三相比較為復(fù)雜。且功能模塊也較多,沒有方案三易于調(diào)試。成本也相對較高。這里也不采用。

綜上所述,本次實驗選擇實驗三為最終的設(shè)計方案。

三、 單元電路設(shè)計與分析

1. 測量電路:

電阻應(yīng)變式傳感器可將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化 , 再經(jīng)相應(yīng)的測量電路而最后顯示或記錄被測量值的變化。在這里,我們用電阻應(yīng)變式傳感器作為測量電路的核心。并應(yīng)根據(jù)測量對象的要求,恰當(dāng)?shù)剡x擇精度和范圍度。

(1)電阻應(yīng)變式傳感器的組成以及原理:

電阻應(yīng)變式傳感器簡稱電阻應(yīng)變計。當(dāng)將電阻應(yīng)變計用特殊膠劑粘在被測構(gòu)件的表面上時,則敏感元件將隨構(gòu)件一起變形,其電阻值也隨之變化,而電阻的變化與構(gòu)件的變形保持一定的線性關(guān)系,進(jìn)而通過相應(yīng)的二次儀表系統(tǒng)即可測得構(gòu)件的變形。通過應(yīng)變計在構(gòu)件上的不同粘貼方式及電路的不同聯(lián)接,即可測得重力、變形、扭矩等機(jī)械參數(shù)

(2)電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路:

圖2-1電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路

電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍為0.0005—0.1歐姆。所以測量電路應(yīng)當(dāng)能精確測量出很小的電阻變化,在電阻應(yīng)變傳感器中做常用的是橋式測量電路。 橋式測量電路有四個電阻,電橋的一個對角線接入工作電壓E,另一個對角線為輸出電壓Uo。其特點是:當(dāng)四個橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時,電橋輸出為零,否則就有電壓輸出,可利用靈敏檢流計來測量,所以電橋能夠精確地測量微小的電阻變化。 測量電橋如圖2-1

它由箔式電阻應(yīng)變片電阻R1、R2、R3、R4組成測量電橋,測量電橋的電源由穩(wěn)壓電源E供給。物體的重量不同,電橋不平衡程度不同,指針式電表指示的數(shù)值也不同;瑒邮骄性可變電阻器RP1作為物體重量彈性應(yīng)變的傳感器,組成零調(diào)整電路,當(dāng)載荷為0時,調(diào)節(jié)RP1使數(shù)碼顯示屏顯示零。這里若考慮系統(tǒng)高穩(wěn)定性,可選用E350-ZAA的2kg稱重傳感器。E350-ZAA表示圖形如下:

圖2-2 E350-ZAA實物圖型

由圖可知上下各貼一個電阻應(yīng)變片,組成半橋測量電路,記兩個電阻應(yīng)變片分別是、

設(shè)計時要求:R5=R6;

△R1=△R4=△R;

2. 差動放大電路:

原理:

由于應(yīng)變片收到力作用阻值變化很小,輸出電壓也很微弱,只有幾mV,必須通過一個模擬放大器對其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大,才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求。因此本次設(shè)計中,要求用一個放大電路,即差動放大電路,主要的元件為差動放大器。

圖2-3 差動放大電路結(jié)構(gòu)圖

放大倍數(shù)的推導(dǎo)過程:

在此情況下,就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表儀器放大器的選型很多,在這里使用一種用途非常廣泛的放大器,業(yè)自動控制、儀器儀表、電氣測量等數(shù)字采集的系統(tǒng)就是典型的差動放大器INA126P。它只需高精度和幾只電阻器,即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應(yīng)用于工中。原理框圖及封裝圖如下:

圖2-4 INA126P原理圖

根據(jù)差動放大器原理可計算出:

圖2-5 INA126P封裝圖

3. A/D轉(zhuǎn)換及顯示電路:

A/D轉(zhuǎn)換的作用是進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。在選擇A/D轉(zhuǎn)換時,先要確定A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù),該設(shè)計運用的是雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107,A/D轉(zhuǎn)換誤的位數(shù)確定與整個測量控制系統(tǒng)所需測量控制的范圍和精度有關(guān),系統(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)很多,包括傳感器的變換精度,信號預(yù)處理電路精度A/D轉(zhuǎn)換器以及輸出電路等。

(1)ICL7107雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換器的特點:

① ICL7107是31/2位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,屬于CMOS大規(guī)模集成電路,它的最大顯示值為士1999,最小分辨率為100uV,轉(zhuǎn)換精度為0.05士1 個字。

② 能直接驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管,不需要另加驅(qū)動器件,使整機(jī)線路簡化,采用士5V兩組電源供電,并將第21腳的GND接第30腳的IN 。

③ 在芯片內(nèi)部從V+與COM之間有一個穩(wěn)定性很高的2.8V基準(zhǔn)電源,通過電阻分壓器可獲得所需的基準(zhǔn)電壓VREF 。

④ 能通過內(nèi)部的模擬開關(guān)實現(xiàn)自動調(diào)零和自動極性顯示功能。

⑤ 輸入阻抗高,對輸入信號無衰減作用。

⑥ 整機(jī)組裝方便,無需外加有源器件,配上電阻、電容和LED共陽極數(shù)碼管,就能構(gòu)成一只直流數(shù)字電壓表頭。

⑦ 噪音低,溫漂小,具有良好的可靠性,壽命長。

⑧ 芯片本身功耗小于15mw(不包括LED)。

⑨ 不設(shè)有一專門的小數(shù)點驅(qū)動信號。使用時可將LED共陽極數(shù)數(shù)碼管公共陽極接V+.

⑩ 可以方便的進(jìn)行功能檢查。

(2) ICL7107引腳功能

V+和V-分別為電源的正極和負(fù)極,

A1-G1,A2-G2,A3-G3:分別為個位、十位、百位筆畫的驅(qū)動信號,依次接個位、十位、百位LED顯示器的相應(yīng)筆畫電極。

AB4:千位筆畫驅(qū)動信號。接千位LEO顯示器的相應(yīng)的筆畫電極。

POL:液晶顯示器背面公共電極的驅(qū)動端,簡稱背電極。

Oscl-OSc3 :時鐘振蕩器的引出端,外接阻容或石英晶體組成的振蕩器。

COM :模擬信號公共端,簡稱“模擬地”,使 用時一般與輸入信號的負(fù)端以及基準(zhǔn)電壓的負(fù)極相連。

TEST :測試端,該端經(jīng)過500歐姆電阻接至邏輯電路的公共地,故也稱“邏輯地”或“數(shù)字地”。當(dāng)其接高電平時數(shù)碼管全亮。

VREF+ VREF- :基準(zhǔn)電壓正負(fù)端。

CREF:外接基準(zhǔn)電容端。

INT:27是一個積分電容器,必須選擇溫度系數(shù)小不致使積分器的輸入電壓產(chǎn)生漂移現(xiàn)象的元件

IN+和IN- :模擬量輸入端,分別接輸入信號的正端和負(fù)端。

AZ:積分器和比較器的反向輸入端,接自動調(diào)零電容CAz 。BUF:緩沖放大器輸出端,接積分電阻Rint。

(3) ICL7107的工作原理

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它通過對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分,將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔,然后利用脈沖時間間隔,進(jìn)而得出相應(yīng)的數(shù)字性輸出。

ICL7107包括積分器、比較器、計數(shù)器,控制邏輯和時鐘信號源。積分器是A/D轉(zhuǎn)換器的心臟,在一個測量周期內(nèi),積分器先后對輸入信號電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分。比較器將積分器的輸出信號與零電平進(jìn)行比較,比較的結(jié)果作為數(shù)字電路的控制信一號。時鐘信號源的標(biāo)準(zhǔn)周期Tc 作為測量時間間隔的標(biāo)準(zhǔn)時間。它是由內(nèi)部的兩個反向器以及外部的RC組成的。其振蕩周

(4). 顯示電路

顯示部分可以將處理得出的信號在顯示器上顯示,讓人們直觀的看到被測體的質(zhì)量。本實驗采用LED數(shù)碼管,LED數(shù)碼管具有功耗低的特點。

本設(shè)計中LED顯示電路采用4個1位的共陽數(shù)碼管。其原理圖如下:

圖2-6 共陽數(shù)碼管原理圖

要點:

(1).辨認(rèn)引腳:芯片的第一腳,是正放芯片,面對型號字符,然后,在芯片的左下方為第一腳。

(2).關(guān)鍵點的電壓:芯片第一腳是供電,正確電壓是 DC-5V 。第 36 腳是基準(zhǔn)電壓,正確數(shù)值是 100mV,第 26 引腳是負(fù)電源引腳,正確電壓數(shù)值是負(fù)的。芯片第 31 引腳是信號輸入引腳,可以輸入 ±199.9mV 的電壓。在一開始,可以把它接地,造成“0”信號輸入,以方便測試。

(3).注意芯片 27,28,29 引腳的元件數(shù)值,它們是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容網(wǎng)絡(luò),這三個元件屬于芯片工作的積分網(wǎng)絡(luò),不能使用磁片電容。芯片的 33 和 34 腳接的 104 電容也不能使用磁片電容。

(4).注意接地引腳:芯片的電源地是 21 腳,模擬地是 32 腳,信號地是 30 腳,基準(zhǔn)地是 35 腳,通常使用情況下,這 4 個引腳都接地。

(5).比例讀數(shù):把 31 腳與 36 腳短路,就是把基準(zhǔn)電壓作為信號輸入到芯片的信號端,這時候,數(shù)碼管顯示的數(shù)值最好是 100.0 ,通常在 99.7 - 100.3 之間,越接近 100.0 越好。這個測試是看看芯片的比例讀數(shù)轉(zhuǎn)換情況,與基準(zhǔn)電壓具體是多少 mV 無關(guān),也無法在外部進(jìn)行調(diào)整這個讀數(shù)。如果差的太

多,可以通過調(diào)節(jié)與36腳與+5V之間的電位器使36腳的電壓接近100mV。

圖2-7 ICL7107的引腳圖及典型電路

ICL7107的引腳圖及典型電路以及各電阻電容參數(shù)如圖3-4-1所示

四·安裝調(diào)試及測量數(shù)據(jù)分析

1.組成

本裝置由稱重傳感器、差分放大電路、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)碼顯示電路四部分組成,總體電路圖見附錄。R1~R4為稱重傳感器的4片電阻,其中R1、R4為箔式電阻應(yīng)變片。R5、R6與Rp1組成零調(diào)整電路(當(dāng)載荷為零時,調(diào)節(jié)Rp1(原理圖中為R8)使數(shù)碼管顯示為零)。放大電路采用集成儀用放大器INA126P,電位器RG(原理圖中為R10)用來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換器采用了ICL7107雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。顯示屏采用4個單位共陽極數(shù)碼管。根據(jù)電路圖將個單元電路中各部件焊接在印制板上。

2.各單元電路安裝及數(shù)據(jù)測量過程

(1) A/D轉(zhuǎn)換電路及數(shù)碼管顯示單元電路的安裝及數(shù)據(jù)測量

將A/D轉(zhuǎn)換電路及數(shù)碼管顯示電路焊接好后,對此部分電路進(jìn)行測試:

將1腳接+5V電壓,26腳接-5V電壓,21腳與30腳短接并接地,調(diào)節(jié)電位器R4的阻值使36腳電壓為100mV。把 31 腳與 36 腳短路,實驗中觀察到此時數(shù)碼管顯示在100與100.2間跳動,在正常范圍99.7-100.3實驗,說明芯片狀況良好。斷開31與36引腳,向31腳加不同的電壓信號,觀察數(shù)碼管顯示情況,得到一組數(shù)據(jù)如下表所示

表1-2 A/D轉(zhuǎn)換電路輸入信號及數(shù)碼管顯示關(guān)系

由上表可知,ICL7107在誤差允許范圍內(nèi)比例關(guān)系很好,基本滿足了數(shù)碼管顯示與輸入電壓數(shù)值上10倍的關(guān)系

(2) 差動放大電路單元安裝及數(shù)據(jù)測量

在INA114P的1、8兩個引腳跨接10kΩ電位器RG(原理圖中為R10)。所有焊點焊好后將4腳接-5V,7腳接+5V,5腳接地,然后從2、3腳給輸入信號,注意正負(fù)極性,測量6腳與5腳之間的輸出信號。測出一組輸出數(shù)據(jù)如下表所示:

表1-3 差動發(fā)達(dá)電路輸入與輸出關(guān)系表

由上表可算得差放的放大倍數(shù)為:82.5 由公式

可算得RG=1.03K

(3) 傳感器電路安裝及數(shù)據(jù)測量

按電路圖焊接好箔式電阻應(yīng)變片E350-ZAA與調(diào)零電路。

在E350-ZAA兩端加上+5V電壓,用萬用表測量輸出端信號,當(dāng)應(yīng)變片上不受力時調(diào)節(jié)Rp1,使輸出電壓為零。在應(yīng)變電阻傳感器上放質(zhì)量不同的重物,記錄輸出電壓信號。由于實驗室中只有3個標(biāo)準(zhǔn)400g重物,因此連同不放重物時只能得到傳感器電路3組輸入輸出數(shù)據(jù),見下表:

由表格可知:輸出電壓信號與傳感器所承受質(zhì)量近似成正比

3.系統(tǒng)整體電路安裝及數(shù)據(jù)測量

將各單元電路按照原理電路圖焊接起來組成整體電路,將+5V電源、-5V電源以及地端分別接在便攜式電子秤系統(tǒng)電路的響應(yīng)輸入端。

調(diào)試過程:

(1)首先在秤體上無負(fù)載時調(diào)整Rp1(原理圖中為R8),使顯示器準(zhǔn)確顯示零。

(2)在秤體上放置400g重物,再調(diào)整Rp2(原理圖中為R10),使數(shù)碼管顯示400。(調(diào)節(jié)Rp2增益比)

(3)將重物拿下,觀察數(shù)碼管是否顯示在0附近。若相差超過20則繼續(xù)調(diào)節(jié)Rp1(原理圖中為R8)至0左右。

(4)重新進(jìn)行2、3步驟,直到數(shù)碼管顯示質(zhì)量誤差在20g以內(nèi),越精確越好。

數(shù)據(jù)測量及計算過程

電子秤所放重物質(zhì)量與數(shù)碼管顯示數(shù)值如下表所示

11

根據(jù)表中所測量記錄的實際數(shù)據(jù)

最大絕對誤差為: 5g 滿足設(shè)計要求測量精度不低于20g。

五 結(jié)果分析

通過對各單元電路的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可得出結(jié)論:各部分單元電路線性度都良好偏差較小,級聯(lián)后電子秤整體狀況良好,精度較高。

實驗中仍然有誤差的存在,主要原因包括外界噪聲的干擾,萬用表測量誤差,儀用放大器零點漂移,電阻電容等器件精度不高等原因。

六 結(jié)束語

隨著集成電路和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,使電子儀器的整體水平發(fā)生巨大變化。越來越多的領(lǐng)域需要用到各類集成芯片。傳感器作為測控系統(tǒng)中對象信息的入口,越來越受到人們的關(guān)注。傳感器好比人體“五官”的工程模擬物,它是一種能將特定的被測量信息(物理量、化學(xué)量、生物量等)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置。本次課設(shè)中的手提電子秤就是在以上儀器的基礎(chǔ)上設(shè)計而成的。因此,只有充分了解有關(guān)集成芯片、傳感器以及各部分之間的關(guān)系才能達(dá)到要求。

首先是傳感器的精密度,它將直接影響電子秤的稱重準(zhǔn)確度。課程設(shè)計時由于傳感器發(fā)出的信號不是很穩(wěn)定,所以電子秤實驗報告稱重時數(shù)碼管有一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)跳動。如果使用精密度較高的傳感器,效果會好的多。其次是數(shù)據(jù)采集處理階段,此階段是對傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行量化、采集,主要分為信號放大、采集,然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。該階段需注意的地方是對傳感器輸出的信號進(jìn)行放大時,應(yīng)選取合適的運算放大電路。最好是預(yù)先計算好應(yīng)放大的倍數(shù),以便選取。另外進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時,選取適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系數(shù),使輸出滿足量程要求。 參考文獻(xiàn):

1. 《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》謝紅 ,哈爾濱工程大學(xué)出版社 2. 《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》閻石. 高等教育出版社.

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附 錄1元器件清單表

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附錄2:電路原理圖

PCB圖:

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