半导体传感器应用电路设计

1、东北石油大学课程设计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2012 年 6 月 25任务书课程传感器课程设计题目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：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：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

2、元器件。主要参考资料：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.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.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.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20126252012629指导教师专业负责人2012年 6 月 25 日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

3、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目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 一 、设计要求 1 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document

4、 二、方案设计 1 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1、方案说明 1 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2、方案论证 2 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 三、传感器工作原理 2 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 四、电路的工作原理 2五、单元电路设计、参数计算和器件选择 3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 1、单元电路设计 4 HYPERLI

5、NK l bookmark42 o Current Document 2、参数计算 6 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3、器件选择 6 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 六、总结 7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Pro tel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

6、计1、方案说明1、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-200500C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、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

7、现对温度的检测。VREkTqVREkTqln I1)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25C时输出2.9815V。电流 输出型的灵敏度一般为1UA/K, 25C时输出298.15UA。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：AD590 的测量范围为-55+150C。AD5

8、90的电源电压范围为430V。电源电压从46V变化，电流1丁变化WA,相 当温度变化IK。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。输出电阻为710MQ。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+150C范围内，非线性误差为土0.3C。I档误差较大，误差 为10C，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。三、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

9、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，

10、非 接触型温度传感器响应速度快，还可以应该用测量高温、有腐蚀性的场四、电路的工作原理传感器前端信号调理如图I所示。要求的测量范围为室温，这里定位0 80oC。0oC时，A点输出电压为273.2mv； 80oC时，A点输出电压为（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v 与温度 的关系为1mv/oC。经过传感器前端调整后的信号V 要经过放大才能够被单片AB机采样。图中LM336提供2.5伏参考电压源。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05v的标准信号，

11、对应采样结果位0 255。基本能满足设计要求（范围080度，误差为1 oC ）。信号数据在测量系统 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02v；单 片机接入通道参考电压为2.5v，故02.5v的信号相应地被转换为0255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V 放大成为预采样为02v的标准信号的增益。AB表 1 测量数据在系统中流程变化8080温度78080V AB差分信号mV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

12、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。图 2 芯片引脚 TOPVIEWRc图 2 芯片引脚 TOPVIEW+VsOUTPUTREF因为AD620工作需要12的电压接在+VS和-VS上，这里采用一个直流电压 模块SAPS

13、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。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=0oC时,=0V；档T=80oC0时，V=2V；及灵敏度为25mv/oC。02、参数计算因ADC0809的参数电压为V2.5V，单片机从ADC0809上采样的接口数据NREF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、DDC,锁存器的锁存信号是89C52的CLK管脚， 给 ADC0809 提供 666K

14、Hz 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7FF8H7FFFH。 在软件编制时，令p2.7 (A15) =0, AO、Al、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EOC接8051的 INTO)，此时可以将0809作为外扩的并行I/O 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

15、端A、B、C分别与地址线A0、Al、A2相连。其端口 地址分别为7FF8H7FFFH/。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, ct 104,104、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

16、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, 4-5.08ZU0、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

17、, 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。系统需要的元器件清单表 2 元器件清单序号兀器件类型兀器件规格数量备注1晶振瓷片电容RAD-0.3,30PF22聚脂电容ctl04,10463稳压管L

18、M336-2.5V14共阳LED数码管DIP1045接插件4-5.08ZU046单片机DIP4017温度传感器AD59018信号可变电阻102、 202、 10339放大器座DIP8110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

19、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。 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

20、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