半导体传感器应用电路设计.doc

东北石油大学 课 程 设 计 2012 年 6 月 25 课 程 传感器课程设计 题 目 半导体传感器应用电路设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 测控 09 学生姓名 学生学号 指导教师 任务书 课程课程 传感器课程设计传感器课程设计 题目题目 半导体传感器应用电路设计半导体传感器应用电路设计 专业 测控技术与仪器 姓名 学号 主要内容 主要内容 利用温度传感器和热电偶设计制作一个温度测量系统 参考利用半导体温度传 感器 AD590 和单片机技术设计制作一个显示室温的数字温度计的设计提示与分析 进一步了解有关温度传感器的工作原理 制定设计方案 确定温度传感器的型号等 参数 掌握温度的检测方法 基本要求 基本要求 1 详细了解所选用的温度传感器的工作原理 工作特性等 2 设计合理的信号调理电路 并列出制作该装置的元器件 主要参考资料 主要参考资料 1 刘爱华 满宝元 传感器原理与应用技术 M 北京 人民邮电出版社 2006 45 48 2 王雪文 张志勇 传感器原理及应用 M 北京 航空大学出版社 2004 27 34 3 张福学 现代实用传感器电路 M 北京 中国计量出版社 1997 16 24 4 缪家鼎 徐文娟 牟同升 光电技术 M 杭州 浙江大学出版社 1987 22 27 完成期限 2012 6 25 2012 6 29 指导教师 专业负责人 2012 年 6 月 25 日 传感器课程设计 摘 要 传感器属于信息技术的前沿尖端产品 尤其是温度传感器被广泛用于工农业 生产 科学研究和生活等领域 数量高居各种传感器之首 半导体传感器是利用 某些半导体的电阻随温度变化而变化的特性制成的 半导体具有很宽的温度反应 特性 各种半导体的温度反应区段不同 利用半导体温度传感器 AD590 设计制作 一个温度测量系统 AD590 是一种集成温度传感器 其实质是一种半导体集成电路 集成温度传感器的线性度好 精度适中 灵敏度高 体积小 使用方便 得到广 泛应用 集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种 关键词 关键词传感器 半导体 温度传感器 AD590 传感器课程设计 目 录 一一 设计要求 设计要求 1 1 二 方案设计二 方案设计 1 1 1 方案说明 1 2 方案论证 1 三 传感器工作原理三 传感器工作原理 2 2 四 电路的工作原理四 电路的工作原理 2 2 五 单元电路设计 参数计算和器件选择五 单元电路设计 参数计算和器件选择 2 2 1 单元电路设计 4 2 参数计算 6 3 器件选择 6 六 六 总结总结 7 7 传感器课程设计 0 半导体传感器应用电路设计半导体传感器应用电路设计 一 设计要求 参考下面的利用半导体温度传感器 AD590 和单片机技术设计制作一个显示室 温的数字温度计的设计提示与分析 用单片机和 AD 芯片进行信号的采集等相关 处理 要有 Protel 画的硬件接线原理图 利用 c 语言在单片机开发软件中编写 相关程序 并对单片机的程序制作详细解释 二 方案设计 1 方案说明 1 1 方案一 方案一 利用热敏电阻测量温度 热敏电阻的电阻值随温度变化而改变 通过测量其 阻值推算出被测物体的温度 利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器 这 种传感器主要用于 200 500 温度范围内的温度测量 纯金属是热电阻的主要 制造材料 热电阻的材料应具有以下特性 电阻温度系数要大而且稳定 电阻值 与温度之间应具有良好的线性关系 电阻率高 热容量小 反应速度快 材料的 复现性和工艺性好 价格低 在测温范围内化学物理特性稳定 2 2 方案二 方案二 AD590 是一种集成温度传感器 其实质是一种半导体集成电路 它利用晶体 管的 b e 结压降的不饱和值 VRE与热力学温度 T 和通过发射极电流 I 的下述关系 实现对温度的检测 1 式中 k 是波耳兹曼常数 q 是电子电荷绝对值 集成温度传感器的线性度好 精度适中 灵敏度高 体积小 使用方便 得 到广泛应用 集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种 电压输 出型的灵敏度一般为 10mV K 温度 0K 时输出 0 温度 25 时输出 2 9815V 电 I q kT VREln 传感器课程设计 1 流输出型的灵敏度一般为 1 A K 25 时输出 298 15 A 选择方案二 2 方案论证 AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端温度传感器 流过器件电流 的微安数等于器件所处环境温度的热力学温度度数 它主要特性如下 1 AD590 的测量范围为 55 150 2 AD590 的电源电压范围为 4 30V 电源电压从 4 6V 变化 电流 IT变化 1 A 相当温度变化 1K AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 的反向电压 因而器件反 接也不会损坏 3 输出电阻为 710M 4 AD590 在出厂前已经校准 精度高 AD590 共有 I J K L M 五挡 其中 M 档精度最高 在 55 150 范围内 非线性误差为 0 3 I 档误差较大 误差 为 10 应用时应校正 由于 AD590 的精度高 价格低 不需辅助电源 线性度好 因此常用于测量 和热电偶的冷端补偿 3 传感器工作原理 工业生产中最常见的一种传感器就是温度传感器了 温度传感器将 物体的温度转化为电信号输出 不同的温度传感器制作方法不同 常见 的有热敏电阻 热电偶和集成型产品 温度传感器的特点为 结构简单 测量范围宽 稳定性好 精度高等优点 其发展大体经历了从分体式 模拟集成到智能型阶段 现在的温度传感器不仅温度信号输出 还可以 集成湿度测量 信号输出也由原来的单一信号变成多样化的输出形式 可以进行远距离通信 数据可以根据需要进行记录 上限报警和自控控 制等多种功能 温度传感器是通过测量物体的某些参数随着温度的变化而间接测量 温度的 一个好的温度传感器要有应具备很多条件 比如温度范围宽 精度高 响应快 可靠性好 价格低等 温度传感器有接触型和非接触 型两类 接触型温度传感器价格低 响应速度慢 结构简单等特点 非 接触型温度传感器响应速度快 还可以应该用测量高温 有腐蚀性的场 合 4 电路的工作原理 传感器课程设计 2 传感器前端信号调理如图 1 所示 要求的测量范围为室温 这里定位 0 80 0时 A 点输出电压为 273 2mv 80时 A 点输出电压为C 0 C 0 C 0 273 2 80 mv 调整 B 点的电压使之为 273 2mv 这样就可以得到差分电压 信号与温度的关系为 1mv 经过传感器前端调整后的信号要经过放 VAB C 0 VAB 大才能够被单片机采样 图中 LM336 提供 2 5 伏参考电压源 15v AD590 2 2K 1MV K A B 273 2mv 2 5V LM336 100欧 10k 950欧 470 图 1 AD950 信号调理电路 这里预定采用通用 MCS 51 单片机和 AD590 芯片进行数据采样 处理 AD590 是一个 8 通道 8 位 ADC 芯片 预计采样为 0 5v 的标准信号 对应采样结果位 0 255 基本能满足设计要求 范围 0 80 度 误差为1 信号数据在测量 C 0 系统中流程变化如表 1 所示 表 1 中 假如放大后温度信号数据取值范围为 0 2v 单片机接入通道参考电压为 2 5v 故 0 2 5v 的信号相应地被转换为 0 255 这数据 单片机显示温度数据等于单片机采样结果乘上 80 后在除去 204 这里要求出差分电压放大成为预采样为 0 2v 的标准信号的增益 VAB 表 1 测量数据在系统中流程变化 温度C 0 080 差分信号 mv VAB 080 传感器课程设计 3 放大后信号 v02 单片机采样结果02 2 5 255 204 单片机显示0240 80 204 80 五 单元电路设计 参数计算和器件选择 1 单元电路设计 放大器可选用 LM318 LM741 121 等 Op Amp 我们实验室有一种更好使用的 放大器 AD620 在一般信号放大的应用中通常只要透过差动放大电路即可满足要求 然而基本的差动放大电路精密度较差 且差动放大电路上改变放大增益时 必须 调整两个电阻 影响整个信号放大精确度就更加复杂 仪表放大器则无上述的缺 点 简单地说就是使用方便简单 缺点是价格高 这里就采用该芯片作为我们 的放大器 该芯片引脚如图 2 所示 Rc Rc IN Vs IN OUTPUT Vs REF 图 2 芯片引脚 TOPVIEW 因为 AD620 工作需要的电压接在 VS 和 VS 上 这里采用一个直流电V12 压模块 SAPS 的 SR5D12 100 需要 5 伏电压供电 输出为 12V 和 12V 的电压 如图 3 所示 AD620 1 2 4 3 5 6 7 8 传感器课程设计 4 Vin Vout O 图 3 SR5D12 100 芯片引脚图 这样传感器信号调理电路就基本完成了 如图 4 档 T 0时 V0 0V 档C 0 T 80时 V0 2V 及灵敏度为 25mv C 0 C 0 15V AD590 2 2K 1mv k 273 2mv 2 5V V V 10K 100欧 10k LM336 470 ADAADADAAD 950欧 V V 图 4 AD590 信号调理电路 Vin Vout 0 RG RG IN VS IN OUT VS AD620 REF 传感器课程设计 5 2 参数计算 因 ADC0809 的参数电压为 单片机从 ADC0809 上采样的接口数据V VREF 5 2 N 还原为要显示的温度数据 T 的计算式子 从上面的接口电路可知 p0 口直接与 ADC0809 的数据线相连接 p0 口的低 三位通过锁存器 74LS373 连接到 ADDA ADDC 锁存器的锁存信号是 89C52 的 CLK 管脚 给 ADC0809 提供 666KHz 的时钟信号 P2 7 口作为读写口的选通地址 片外 A D 转换通道的地址为 7FF8H 7FFFH 在软件编制时 令 p2 7 A15 0 A0 A1 A2 给出被选择的模 拟通道地址 执行一条输出指令 就产生一个正脉冲 锁存通道地址和启动 A D 转换 执行一条输出指令 读取 A D 转换结果 可采用延时等待 AD 转换结束方式 分别对 8 个通道模拟信号轮流采样一次 并依次大结果存放在数据存储器 也可以采用 8051 的中断方式的接口来编写程序 ADC0809 的 E0C 接 8051 的 INT0 此时可以将 0809 作为外扩的并行 I 0 口 由 p2 7 口和 WP 口脉冲同时有 效来启动 A D 转换 通道选择端 A B C 分别与地址线 A0 A1 A2 相连 其端 口地址分别为 7FF8H 7FFFH A D 转换结束信号 E0C 经反相后 接 80C51 的外 部中断管脚 3 器件选择 晶振瓷片电容 C1 C2 RAD 0 3 30PF 复位电容 C3 RAD 0 3 10UF 铝电解 电容 C4 50V1000UF 铝电解电容C8 C9 C13 35V1000UF 聚脂电容 C5 C7 C10 C11 C12 C14 ct104 104 铝电解电容 C6 铝电解电容 C16 C18 2 2UF 铝电解电容 C13 C15 35V100UF 铝电解电容 C17 1UF 220V 插座带 1m 接受线 LN PE POWER CZ 整流桥 D1 D2 2W10 稳压管 D3 LM336 2 5V 共阳 LED 数码管 DS1 DS4 DIP10 4 芯片 5 08 接插件 JP1 JP4 JP5 4 5 08ZUO 复位电阴 10 R1 AXIAL 0 4 10K 限流电阴 10 R2 R14 510 复位开关 S1 SPST 2 SW PB 变压器 AC8V GND AC15GND AC15T1 DIP40 单片机座 单片机 U1 AT89S52 DIP20 741S373 座 DIP28 ADC0809 座 ADC0809U3 DIP14 74LS02 座 74LS02U4 DIP 14 D19 7 74AC02PC 铁壳的 买散热片 以膈供 DC5V 电机用 U5 7815U6 7815U7 AD590 温度传感器 U8 DIP8 放大器座 DIP8 MAX6225 座 MAX6225U10 调整信号可变电阻 VR2 102 调整信号可变电阻 VR2 202 调 整信号可变电阻 VR2 103 晶振 ale 六份频为 666KHZ Y1 实验板 Z1 Z2 铜 螺柱四个 导线若干 传感器课程设计 6 系统需要的元器件清单 表 2 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 1 晶振瓷片电容 RAD 0 3 30PF2 2 聚脂电容 ct104 1046 3 稳压管 LM336 2 5V1 4 共阳 LED 数码管 DIP104 5 接插件 4 5 08ZUO4 6 单片机 DIP401 7 温度传感器 AD5901 8 信号可变电阻102 202 103 3 9 放大器座 DIP81 10 电源 220V1 六 总结 温度是工业中非常关键的一项物理量 在农业 工业 各种高新技术开发和 研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数 目前 随着信息技术的发展 传感 技术的广泛应用 温度测试技术已向自动化 智能化方向发展 基于此 提出了 温度的数字化测量 随着人们生活水平的不断提高 数字温度计的要求也越来 越高 为现代人工作 科研 生活 提供更好 更方便的设施就需要从新技术入 手 一切向着数字化控制 智能化控制方向发展 本设计需要采用传感器技术与 电子技术相结合 设计的数字温度计与传统的温度计相比 输出温度采用数字显 示 具有读数方便 测温范围广 测温准确等重要特点 主要用于测温比较准确 的场所 数字温度计与传统的温度计相比 具有读数方便 测温范围广 测温准确 其输出温度采用数字显 主要用于对测温比较准确的场所 或科研实验室使用 检测是控制的基础和前提 而检测的精度必须高于控制的精确度 否则无从实现 控制的精度要求 不仅如此 检测还涉及国计民生各个部门 可以说在所以科学 技术领域无时不在进行检测 科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的 传感器课程设计 7 现代化的检测手段能达到的精度 灵敏度及测量范围等 在很大程度上决定了科 学技术的发展水平 同时 科学技术的发展达到的水平越高 又为检测技术 传 感器技术提供了新的前提手段 目前温度计的发展很快 从原始的玻璃管温度计 发展到了现在的热电阻温度计 热电偶温度计 数字温度计 电子温度计等等 目前的温度计中传感器是它的重要组成部分 它的精度灵敏度基本决定了温度计 的精度 测量范围 控制范围和用途等 传感器应用极其广泛 目前已经研制出 多种新型传感器 经过传感器课程设计 终于完成了我组的数字温度计的设计 虽然没有完全 达到设计要求 但从心底里说 还是高兴的 很感谢老师提供一个机会 让我更 深刻的了解了温度传感器和单片机 经过辛勤努力查找资料 终于按计划完成了 数字温度传感器的设计 单片机也能实现测温 从这次的课程设计中 我学习到 很多知识 也知道了自己的一些不足 在以后的学习中 仔细认真 注重细节 要理论联系实际 把我们所学到的知识应用到实际当中 并把实践中遇到的问题 弥补理论