1、基于傳感器的測控電路課程設計揚州大學能源與動力工程學院課程設計報告題 目： 基于測溫二極管傳感器的溫度測控電路設計 課 程： 傳感器與測控電路課程實習 專 業： 測控技術與儀器 班 級： 測控0802 姓 名： 學 號： 總 目 錄第一部分：任務書 第二部分：課程設計報告第三部分：設計電路圖第 一 部 分任務書傳感器與測控電路課程實習課程設計任務書課題：基于測溫二極管傳感器的溫度測控電路設計溫度是一個與人們的生活環境、生產活動密切相關，也是儀器科學和各類工程設計中必須精確測定的重要物理量。隨著科學技術的發展，使得測溫技術迅速發展，測溫范圍不斷拓寬，測溫精度不斷提高，新的溫度傳感器不斷出現，如光

2、纖溫度傳感器、微波溫度傳感器、超聲波溫度傳感器等。由于檢測溫度的傳感器種類不同，采用的測量電路和要求不同，執行器、開關等的控制方式不同，所以相應的硬件和軟件也就不同。但對于初次涉足電子產品的設計、制作來說，了解并實踐一下傳感器選擇與測控電路的設計、制作的基本過程是很有必要的。由于所涉及的知識面很廣，相應的具體內容請參考本文中提示的傳感器原理及應用，測控電路，模擬電子技術基礎實驗與課程設計，電子技術實驗等書的有關章節。一、基于測溫二極管傳感器的溫度測量控制電路設計簡介應用1n4148二極管的溫度傳感器與集成運放設計溫度測量與控制控電路，測量溫度的范圍為-65200，工作電路輸出二值輸出；電路輸出

3、控制繼電器工作，實現加熱與制冷的轉換控制，把控制對象溫度控制在要求的范圍之內（4060）。要求測控電路具有加熱和制冷的指示功能。二、基于測溫二極管傳感器的溫度測控電路設計的工作原理本課題中測量控制電路組成框圖如下所示：電路工作過程為：由二極管in4148作為溫度傳感器采集溫度信號，經差動放大后，送到預先調試好的相關溫度控制比較電路進行比較，當溫度低于控制溫度下限值時，紅色發光二極管亮，繼電器1動作，控制加熱器開始加熱。當溫度高于控制溫度上限值時，綠色發光二極管亮，繼電器2動作，控制制冷器開始制冷。當溫度在設定溫度上下限之間時，紅色和綠色發光二極管全熄滅，繼電器全斷開，不加熱也不制冷。因此從以上

4、不同的狀態顯示就可以知道溫度情況及溫度控制情況。注意事項 為避免測溫二極管本身通電產生的溫度升高對測溫的影響，電路設計時注意不要使通過 測溫元件的電流超過1ma。三、設計目的 通過設計了解如何運用電子技術來實現溫度測量和控制任務，完成溫度測量和控制電路的連接和調試，學會對電子電路的檢測和排除電路故障，進一步熟悉常用電子儀器的使用，提高分析電路設計、調試方面問題和解決問題的能力。1、掌握傳感器選擇的一般設計方法；2、掌握模擬ic器件的應用；3、掌握測量電路的設計方法；4、培養綜合應用所學知識來指導實踐的能力。四、設計要求及技術指標1、設計、組裝、調試測控電路； 2、溫度控制范圍：4060；3、使

5、用環境溫度：常溫 4、輸出信號：二值輸出控制繼電器工作；5、溫度范圍控制，制熱和制冷指示功能；6、非線性誤差：1。五、設計所用儀器及器件1直流穩壓電源2萬用表3運放lm3244電阻、電容若干、紅、綠發光二極管5溫度傳感器1n41486萬能電路板7電烙鐵等六、日程安排1布置任務、查閱資料，方案設計；（2天）根據設計要求，查閱參考資料，進行方案設計及可行性論證，確定設計方案，畫出電路圖。2上機用eda軟件對設計電路進行模擬仿真調試； （2天）要求在虛擬儀器上觀測到正確的波形并達到規定的技術指標。3電路的裝配及調試；（3天）在萬能板上對電路進行裝配調試，使其全面達到規定的技術指標，最終通過驗收。4總

6、結撰寫課程設計報告。 （1天）七、課程設計報告內容：總結設計過程，寫出設計報告，設計報告具體內容要求如下：1課程設計的目和設計的任務2課程設計的要求及技術指標3總方案的確定并畫出原理框圖。4各組成單元電路設計，及電路的原理、工作特性(結合設計圖寫) 5總原理圖，工作原理、工作特性（結合框圖及電路圖講解）。6電路安裝、調試步驟及方法，調試中遇到的問題，及分析解決方法。7實驗結果分析，改進意見及收獲。8體會。八、電子電路設計的一般方法：1仔細分析產品的功能要求，利用互連網、圖書、雜志查閱資料，從中提取相關和最有價值的信息、方法。（1）設計總體方案。（2）設計單元電路、選擇傳感器、測量電路元器件、根

7、據需要調整總體方案（3）計算電路（元件）參數。（4）繪制總體電路初稿（5）上機在edb（或eda）電路實驗仿真。（6）繪制總體電路。2明確電路圖設計的基本要求進行電路設計。并上機在edb（或eda）上進行電路實驗仿真，電路圖設計已有不少的計算機輔助設計軟件，利用這些軟件可顯著減輕了人工繪圖的壓力，電路實驗仿真大大減少人工重復勞動，并可幫助工程技術人員調整電路的整體布局，減少電路不同部分的相互干擾等等。3掌握常用元器件的識別和測試。電子元器件種類繁多，并且不斷有新的功能、性能更好的元器件出現。需要通過互連網、圖書、雜志查閱它們的識別和測試方法。對于常用元器件，不少手冊有所介紹。4、熟練使用儀表，

8、了解電路調試的基本方法。通過排除電路故障，提高電路性能的過程，鞏固理論知識,提高解決實際問題的能力。5、獨立撰寫課程設計報告。 第 二 部 分課程設計報告目 錄一、課題簡介（1）1關于溫度測控（1）2 溫度測量的主要方法和分類（1）二、設計要求及技術指標（2）1設計的目的和設計的任務（2）1.1 課程設計的目的（2）1.2 課程設計的任務（2）2 課程設計的要求及技術指標（3）2.1 課程設計的要求（3）2.2 課程設計的技術指標（3）3 總方案及原理框圖（4）3.1 設計總方案（4）3.2 原理框圖（4）4 電路各組成部分的工作原理（5）4.1 溫度轉換電路的工作原理（5）4.2 差動放大電

9、路的工作原理（6）4.3比較電路的工作原理（7）4.4驅動電路的工作原理（8）4.5總電路圖（9）4.6電路的參數選擇及計算（11）5 電路的設計、電路各部分工作特性及元件的作用（11）5.1傳感器測控電路設計的一般步驟（11）5.2設計方案的選擇（11）5.3傳感器工作原理的分析、參數的計算與選擇、傳感器誤差分析（11）5.4 基于傳感器測控電路的結構設計（14）6 電路安裝調試步驟及方法（15）6.1 總電路的安裝與調試（15）6.2 電路安裝與調試中遇到的問題及分析解決方法（15）7實驗結果分析（16）7.1實測數據記錄及圖形（16）7.2誤差分析及改進方法（17）8 改進意見、收獲、體

10、會與總結（18）9 儀器儀表清單（19）參考文獻（20）一、 課題簡介1關于溫度測控溫度是一個與人們的生活環境、生產活動密切相關，也是儀器科學和各類工程設計中必須精確測定的重要物理量。隨著科學技術的發展，使得測溫技術迅速發展，測溫范圍不斷拓寬，測溫精度不斷提高，新的溫度傳感器不斷出現，如光纖溫度傳感器、微波溫度傳感器、超聲波溫度傳感器等。由于檢測溫度的傳感器種類不同，采用的測量電路和要求不同，執行器、開關等的控制方式不同，所以相應的硬件和軟件也就不同。溫度與溫標溫度不能直接加以測量，只能利用冷熱不同的物體之間的熱交換，以及物體的某些物理性質隨著冷熱程度不同而變化的特性進行間接測量。為了定量描述

11、溫度的高低，必須建立溫度標尺，即溫標。它是溫度的數值表示。溫度不僅是熱學中主要熱學量，而且也是國際單位制(si)中七個基本量之一。國際溫標規定熱力學溫度(t)單位為開爾文(k)，1k等于水三相點熱力學溫度的1/27316。而習慣上把水的冰點定為0，它比水三相點低001，所以攝氏度(t)與熱力學溫度(71)的關系為t=t-273.15 2 溫度測量的主要方法和分類溫度傳感器由現場的感溫元件和控制室的顯示裝置兩部分組成。溫度測量方法按感溫元件是否與被測介質接觸分成接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。接觸式測溫是使測溫敏感元件和被測介質接觸，當被測介質與感溫元件達到熱平衡時，感溫元件與被測介質的溫度相等

12、。這類溫度傳感器結構簡單、工作可靠、精度高、穩定性好、價格低、應用廣泛。非接觸式測溫是應用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。它可測高溫、腐蝕、有毒、運動物體和固體、液體表面的溫度，但精度偏低。二、 設計要求及技術指標1設計的目的和設計的任務1.1課程設計的目的通過設計了解如何運用電子技術來實現溫度測量和控制任務，完成溫度測量和控制電路的連接和調試，學會對電子電路的檢測和排除電路故障，進一步熟悉常用電子儀器的使用，提高分析電路設計、調試方面問題和解決問題的能力。1、掌握傳感器選擇的一般設計方法；2、掌握模擬ic器件的應用；3、掌握測量電路的設計方法；4、培養綜合應用所學知識來指導實踐的能

13、力1.2 課程設計的任務應用1n4148二極管的溫度傳感器與集成運放設計溫度測量與控制控電路，測量溫度的范圍為-65200，工作電路輸出二值輸出；電路輸出控制繼電器工作，實現加熱與制冷的轉換控制，把控制對象溫度控制在要求的范圍之內（4060）。要求測控電路具有加熱和制冷的指示功能。2 課程設計的要求及技術指標2.1課程設計的要求 通過設計了解如何運用電子電路來實現溫度測量和控制任務，完成溫度測量和控制電路的連接和調試，學會對電子電路的檢測和排除電路故障，進一步熟悉常用電子儀器的使用，提高分析電路設計、調試方面問題和解決問題的能力。2.2 課程設計的技術指標1、設計、組裝、調試測控電路； 2、溫

14、度控制范圍：4060；3、使用環境溫度：常溫 4、輸出信號：二值輸出控制繼電器工作；5、溫度范圍控制，制熱和制冷指示功能；6、非線性誤差：1。3 總方案及原理框圖3.1 設計總方案如圖1所示，電路的總體設計思路為：將二極管因為溫度不同而不同的電流值通過轉換電路轉換成電壓值，再通過差動放大器，之后分成兩路。一路通過同相比較器，當電壓值大于設定值，則綠色指示燈亮，并通過驅動電路使制冷繼電器帶動電器工作。而另一路通過反相比較器，當電壓值小于設定值時紅指示燈亮，通過驅動電路帶動制熱繼電器工作。使輸出電壓和溫度維持在一定的范圍之內。3.2 原理框圖圖3-2-1 總原理框圖4 電路各組成部分的工作原理4.

15、1 溫度轉換電路的工作原理 圖4-1-1 溫度轉換電路原理圖 圖4-1-2 in4148電流隨溫度變化特性曲線 如圖4-1-1，該電路將二極管in4148隨溫度變化的電流值轉換為電壓值。該電路為反向輸入型轉換電路， lm243為運算放大器，其輸出電壓正比于二極管電流，從而實現i/v轉換。為保證一定的轉換精度和適應范圍，要求該轉換電路有低的輸入阻抗和輸出阻抗。轉換后的電壓值與輸入電流值成線性關系4.2 差動放大電路的工作原理圖4-2-1 差動放大電路原理圖 如圖4-2-1所示為差分比例放大電路，輸入電壓、+12v的vcc分別加在運放的反相端和同相端，為了保證運放輸入平衡，要求輸入電阻相等，故在實

16、際操作時應當調節rp1使其左邊電阻加上r6與r4相等，右邊電阻加上r7與r5加上rp2的值相等。該電路的放大倍數為，這個值可以通過調節rp2來變化。電路的輸出與兩個輸入端電壓的差值成比例，實現差分比例運算。差分輸入電路可有效地抑制共模干擾電壓的影響。 4.3比較電路的工作原理圖4-3-1 同相比較器電路原理圖 圖4-3-2 反相比較器電路原理圖 如圖4-3-1所示為同相比較器，所設定進行檢測的門限電平由rp3調節，接至比較器的反相輸入端，用來和同相輸入端的輸入電壓進行比較，當輸入電壓大于設定值時輸出正電壓。圖4-3-2所示為反相比較器，所設定進行檢測的門限電平由rp4調節，接至比較器的同相輸入

17、端，用來和反相輸入端的輸入電壓進行比較，當輸入電壓小于設定值時輸出正電壓。4.4驅動電路的工作原理 圖4-4-1 驅動電路原理圖 如圖4-4-1所示電路，當輸入電壓為一定的正值時，發光二極管發光，同時使得三極管9013導通，帶動繼電器打開開關使設備開始工作。4.5 總電路圖圖4-5-1圖4-5-2 4.6電路的參數選擇及計算4.6.1方案一 見圖4-5-1標注4.6.2方案二 見圖4-5-2標注5 電路的設計、電路各部分工作特性及元件的作用5.1傳感器測控電路設計的一般步驟圖5-1-1設計一般步驟框圖5.2設計方案的選擇根據設計任務給定的被測參數(被測量)的種類及類型及精度要求和使用條件等因素

18、，選擇完成此設計任務的傳感器的種類并組成框圖，如圖1l所示。圖5-2-1設計傳感器測控電路組成框圖需要確定以下環節的種類及類型：(1) 了解敏感元件的種類及類型；傳感(轉換)元件的種類及類型；(2) 測量、控制電路的種類及類型及其要求；(3) 測控電路、主電路電源的種類及類型；(4) 輔助電源的種類及類型。以上幾個環節，每種電路設計時不一定全用，可根據任務確定所需要的組成環節。5.3 傳感器工作原理的分析、參數的計算與選擇、傳感器誤差分析5-3-1傳感器工作原理的分析根據測量的傳感器性質，利用相關理論或數據推導或擬合出所設計傳感器的數學模型。(1)對于擬合的數學模型可采用如下方法：采用數學歸納

19、法找出實驗數據的數學規律并用已知函數表示數學模型。將實驗數據繪成光滑曲線與已知函數的曲線相對比，找出誤差最小的已知曲線并用該已知曲線的函數作所求傳感器的數學模型，該方法稱經驗模型法。采用高次多項式作所設計傳感器的數學模型的方法。設：設計傳感器的數學模型為 （11）再用判別法則(參見式(11)式(16)確定多項式的方次數，并要注意使用時次數和系數對曲線的影響。(2)利用相關理論推導數學模型的方法：將傳感器的結構原理圖，簡化成物理模型(或力學模型)，根據物理(力學)模型應用相關理論建立數學模型的方法(見磁電式傳感器建立數學模型的方法)。5-3-2傳感器參數的計算與選擇根據所建立的數學模型，設計、計

20、算數學模型中的結構系數及相關系數。(1)對于用實驗數據擬合的數學模型式(1-1)中的結構系數的確定，可采用最小二乘法求得其值的大小。(2)對于通過相關理論建立的數學模型，一般情況下都是動態數學模型，且通常為二階系統模型，即 （1-2）式中：為結構系數。其求法是，先求式(3-2)的傳遞函數： （1-3）式中 固有頻率， 阻尼比，再求出頻率傳遞函數： （1-4）式（3-4）的幅值比為 （1-5）由題目給定的線性度%fs，則式（3-5）應滿足y/x%fs則有 （1-6）因此當時，求得（數值）因此當時，求得（數值）通常有ab，理論分析可知：當/03，且=0.60.7時，yx，取a，b中大于3的那個值，

21、如取a，則有/0=a，因為輸入x的變化角頻率是已知的，故求得0=/a （1-7）再由及，求得結構系數各值。5-3-3傳感器誤差分析根據以上求得的數學模型，將其進行線性化處理得到線性數學模型，再進行下面的誤差分析：（1）非線性誤差（線性度）（2）零位誤差（3）靜態誤差（4）動態誤差（5）綜合靜態誤差（6）溫度誤差以上誤差的計算按教材中定義或計算公式進行。5,.4 基于傳感器測控電路的結構設計根據以上誤差分析的結果，來確定所設計的測控電路是否需要采用差動式、補償式或閉環式等結構形式，或采用電路補償或軟件處理等方式來消除誤差因素的影響，最后確定所設計測控電路的結構形式。在結構設計中還要通過結構的穩定

22、性(主要是溫度的影響)的分析設計，求得結構中各組成元件滿足溫度補償條件的各種材料的溫度系數值，按計算出的溫度系數各值，來確定結構中各組成元件的材料種類。6 電路安裝調試步驟及方法6.1 總電路的安裝與調試 1)安裝u1a及外圍電路。 注意二極管vdl需要焊接兩根長線，引出電路板。 分析：為什么隨著溫度的升高，uo1降低。 2)安裝u1b及外圍電路。 在室溫下調整rpl，使u1b的輸出uo2為室溫時的電壓輸出(當量為10mv)。將vdl放入熱水(4050c)中，調整rp2，使u1b的輸出uo2正確。注意應反復調整電位器rpl、rp2，使uo2輸出正確。 3)安裝u1c和u1d及它們控制的繼電器。

23、 調整rp3，使a點的電位對應控制溫度上限值y1；調整rp4，使b點的電位對應控制溫度下限值y2，u1c和u1d分別控制繼電器k1和k2。 當溫度低于控制溫度下限值y2時，紅色發光二極管亮，k2繼電器吸合，控制加熱器開始加熱。 當溫度高于控制溫度上限值y1時，綠色發光二極管亮，kl繼電器吸合，控制制冷器開 始制冷。 當溫度在設定溫度上下限之間時，紅色和綠色發光二極管全熄滅，k1、k2繼電器全斷 開，不加熱也不制冷。因此從以上不同的狀態顯示就可以知道溫度情況及溫度控制情況。6.2 電路安裝與調試中遇到的問題及分析解決方法測溫二極管本身通電產生的溫度升高對測溫的影響，電路設計時注意不要使通過測溫元

24、件的電流超過1ma。7實驗結果分析7.1實測數據記錄及圖形紅燈綠燈溫度電壓滅亮893.9495滅亮863.9270滅亮823.9014滅亮793.8845滅亮763.8562滅亮733.8298滅亮713.8013滅亮683.7773滅亮653.7460滅亮623.7184滅滅593.6824滅滅563.6536滅滅533.6226滅滅503.5889滅滅473.5563滅滅443.5262滅滅413.4891亮滅383.4570亮滅353.4175亮滅323.3867亮滅293.3584亮滅263.3320亮滅233.3144亮滅203.2938亮滅173.2832亮滅143.2650表7-

25、1-1 實測數據記錄表7.2誤差分析及改正方法7.2,1非線性誤差（線性度）圖7-2-1 差動輸出電壓與溫度之間關系圖及最小二乘法擬合直線如圖7-2-1所示虛線段為實測曲線，實線段為最小擬合直線由最小二乘法擬合直線公式 得擬合直線的表達式為：y=kx+b=0.00992x+3.090964非線性誤差：=0.5494%7.2.3造成誤差的可能原因及改正方法1）使用條件如溫度振動或電源電壓的變化。我們可以盡量避免實驗桌面的振動，用袋子將溫度計與傳感器放一起，保證兩者的溫度相同等。2）實驗儀器的電氣或機械性能不完善所造成的誤差，例如儀器校準不好、刻度不準等。為了消除這類誤差，測量儀器的安防必須遵守使用規則，例如水平放置，電表間必須遠離，并注意避開過強的外部電磁場影響等。3）因測量者自身特點引起的誤差，例如溫度計示數隨溫度變化時，有人習慣等溫度到特定值時再計數，而有人習慣在溫度快降到特定值時就等著計數。為消除這類誤差，應提高測量技能，改變不正確的測量習慣和改進測量方法，并在整個測量過程由一個人讀數另一人計數。8 改進意見、收獲、體會與總結 這周的實習是在我們完成模電和數電設計之后的又一次課程設計。有了之前的基本設計方法和經驗，這次得設計任務可以說是得心應手，完成的速度快了很多。課程設計可以總分為兩部分。一部分是計算出溫度傳感器的各部分器件參數，設計