傳感器課程設(shè)計

1、目錄第一章方案設(shè)計與論證第一節(jié)傳感器的選擇第二節(jié)方案論證第三節(jié)系統(tǒng)的工作原理第四節(jié)系統(tǒng)框圖第二章硬件設(shè)計第一節(jié)PT100傳感器特性和測溫原理第二節(jié)信號調(diào)理電路第三節(jié)恒流源電路的設(shè)計第四節(jié)TL431簡介第三章軟件設(shè)計第一節(jié)軟件的流程圖第二節(jié)部分設(shè)計模塊11總結(jié)第一章 方案設(shè)計與論證第一節(jié) 傳感器的選擇溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類， 前者是讓溫 度傳感器直接與待測物體接觸， 而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距 離，檢測從待測物體放射出的紅外線， 達(dá)到測溫的目的。 在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中， 相比運(yùn)用多的是接觸式傳感器， 非接觸式傳感器一般在比較 特殊的

2、場合才使用，目前得到廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要有熱電式傳感器，其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器， 將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱 電勢變化的稱為熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類， 前者簡稱熱電 阻，后者簡稱熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等，它具有高溫度 系數(shù)、高電阻率、化學(xué)、物理性能穩(wěn)定、良好的線性輸出特性等，常用的熱電阻如PT100 PT1000等。近年來各半導(dǎo)體廠商陸續(xù)開發(fā)了數(shù)字式的溫度傳感器，如DALLAS公司 DS18B20 MAXIM公司的 MAX6576 MAX6577 ADI公司的 AD7416等,這些芯片的顯著優(yōu)點(diǎn)是與單片機(jī)的

3、接口簡單， 如DS18B20亥溫度傳感器為單總線 技術(shù)，MAXIM公司的2種溫度傳感器一個為頻率輸出，一個為周期輸出，其本質(zhì) 均為數(shù)字輸出，而ADI公司的AD7416的數(shù)字接口則為近年也比較流行的I2C總線，這些本身都帶數(shù)字接口的溫度傳感器芯片給用戶帶來了極大的方便， 但這類 器件的最大缺點(diǎn)是測溫的范圍太窄，一般只有-55+125C，而且溫度的測量精度都不高，好的才 0.5 C , 一般有 2C左右，因此在高精度的場合不太滿足用戶的需要。熱電偶是目前接觸式測溫中應(yīng)用也十分廣泛的熱電式傳感器， 它具有結(jié)構(gòu)簡 單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。常用的熱電偶材料有

4、鉑銠 -鉑、銥銠- 銥、鎳鐵-鎳銅、銅- 康銅等，各種不同材料 的熱電偶使用在不同的測溫范圍場合。熱電偶的使用誤差主要來自于分度誤差、 延伸導(dǎo)線誤差、動態(tài)誤差以及使用的儀表誤差等。非接觸式溫度傳感器主要是被測物體通過熱輻射能量來反映物體溫度的高 低，這種測溫方法可避免與高溫被測體接觸，測溫不破壞溫度場，測溫范圍寬， 精度高， 反應(yīng)速度快， 既可測近距離小目標(biāo)的溫度， 又可測遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的 溫度。目前運(yùn)用受限的主要原因一是價格相對較貴， 二是非接觸式溫度傳感器的 輸出同樣存在非線性的問題， 而且其輸出受與被測量物體的距離、 環(huán)境溫度等多種其它因素的影響。由于本設(shè)計的任務(wù)是要求測量的范圍為0C

5、100C，測量的分辨率為 0.1 C，綜合價格以及后續(xù)的電路，決定采用線性度相對較好的PT100作為本課題的溫度傳感器，具體的型號為WZP型鉑電阻，該傳感器的測溫范圍從- 200C+ 650C。具體在0C100C的分度特性表見附錄 A所示。第二節(jié) 方案論證溫度測量的方案有很多種， 可以采用傳統(tǒng)的分立式傳感器、 模擬集成傳感器 以及新興的智能型傳感器。方案一：采用模擬分立元件如電容、電感或晶體管等非線形元件， 該方案設(shè)計電路簡單易懂， 操作簡單， 且價格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測量誤差大。方案二：采用溫度傳感器通過溫度傳感器采集溫度信號，經(jīng)信號放大器放大后，送到 A/

6、D 轉(zhuǎn)換芯片， 將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過 labview 顯示。熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。 它的主要特點(diǎn)是測量精度高， 性能穩(wěn)定，使用方便，測量范圍為-200 C650C，完全滿足要求，考慮到鉑電阻的測量精確度是最高的，所以我們設(shè)計最終選擇鉑電阻 PT100作為傳感器。該方案采 用熱電阻PT100做為溫度傳感器、AD620作為信號放大器，TLC2543作為A/D轉(zhuǎn) 換部件，對于溫度信號的采集具有大范圍、高精度的特點(diǎn)。相對與方案一，在功 能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。 在這里我選用方案二完成本次設(shè)計。第三節(jié) 系統(tǒng)的工作原理測溫的模擬電路是把當(dāng)前P T100熱電阻傳感器的電阻值

7、，轉(zhuǎn)換為容易測量的電壓值，經(jīng)過放大器放大信號后送給虛擬儀器實(shí)驗室的PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡，再通過虛擬儀器把當(dāng)前的電壓值轉(zhuǎn)變成溫度第四節(jié)系統(tǒng)框圖本設(shè)計系統(tǒng)主要包括溫度信號采集單元， 數(shù)據(jù)處理單元，時間、溫度顯示單 元。其中溫度信號的數(shù)據(jù)采集單元部分包括溫度傳感器、 溫度信號的獲取電路（采 樣）、放大電路。系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖所示。PC電腦PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡信號調(diào)理電路NI-ELVIS接口平臺AI 0模擬輸入第二章硬件設(shè)計第一節(jié)PT100傳感器特性和測溫原理電阻式溫度傳感器（RTD, Resista nee Temp erature Detector）是指一種物質(zhì)材料作成的電阻，它會隨溫度

8、的改變而改變電阻值。PT100溫度傳感器是一種以鉑（Pt）做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示:在0650r范圍內(nèi):Rt =R0 (1+At+Bt 2)在-2000C范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt 2+C(t-100)t 3)式中A B C為常數(shù),A=X 10-3 ;B=X 10-7 ;C=X 10-12;由于它的電阻一溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測量較小范圍內(nèi)其電阻和 溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+a T)其中a =, Ro為100Q (在0C的電阻值),T為華氏溫度，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為P T10QPT100溫度傳感器

9、的測量范圍廣：-200 C+650C，偏差小，響應(yīng)時間短,還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，其得到了廣泛的應(yīng)用，本 設(shè)計即采用PT100作為溫度傳感器。主要技術(shù)指標(biāo)：1.測溫范圍：-200650攝氏度；2.測溫精度：0.1攝氏 度;3.穩(wěn)定性：攝氏度Pt100是電阻式溫度傳感器，測溫的本質(zhì)其實(shí)是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，然后再將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。采用 Pt100測量溫度一般有兩種方案:方案一：設(shè)計一個恒流源通過 Pt100熱電阻，通過檢測Pt100上電壓的變 化來換算出溫度。方案二：采用惠斯頓電橋，電橋的四個

10、電阻中三個是恒定的，另一個用Pt100熱電阻，當(dāng)Pt100電阻值變化時，測試端產(chǎn)生一個電勢差，由此電勢差換算出溫 度。兩種方案的區(qū)別只在于信號獲取電路的不同，其原理上基本一致。第二節(jié)信號調(diào)理電路調(diào)理電路的作用是將來自于現(xiàn)場傳感器的信號變換成前向通道中A/D轉(zhuǎn)換器能識別的信號，作為本系統(tǒng)，由于溫度傳感器是熱電阻PT100,因此調(diào)理電路完成的是怎樣將與溫度有關(guān)的電阻信號變換成能被A/D轉(zhuǎn)換器接受的電壓信號。第三節(jié)恒流源電路從上述關(guān)于PT100傳感器測溫原理可知，由PT100構(gòu)成信號的獲取電路常用的方法有2種，一種是構(gòu)成的十分常見的電橋電路，當(dāng)然，在本系統(tǒng)中, 考慮成本的問題，一般采用單臂橋；還有一

11、種是運(yùn)用恒流源電路，將恒流源通過上述兩種電路的結(jié)構(gòu)形圖恒流源式溫度傳感器，溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化。式見圖2-1所示。A圖單臂橋式圖2-1兩種信號獲取的結(jié)構(gòu)電路硬件電路如圖所示圖2-2硬件電路圖第四節(jié) TL431主要參數(shù)簡介TL431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。因其性能好、價格低，因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。其封裝形式與塑封三極管9013等相同，如圖 a所示。同類產(chǎn)品還有圖b所示的雙直插外形的。三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源可編程輸出電壓 :36V電壓參考誤差： %，典型值25C（ TL431B ）低動態(tài)輸出阻抗：Q（典型值 ）等效全范圍溫度系數(shù)：50 ppm/ C （典型值）溫度補(bǔ)償操作全額定

12、工作溫度范圍穩(wěn)壓值送從連續(xù)可調(diào)，參考電壓原誤差 +%,低動態(tài)輸出電阻, 典型值為歐姆， 輸出電流毫安。全溫度范圍內(nèi)溫度特性平坦,典型值為 50ppm,低輸出電壓噪聲。封裝：TO-92, PDI P-8,Micro-8,SOIC-8,SOT-23最大輸入電壓為37V最大工作電流 150mA內(nèi)基準(zhǔn)電壓為輸出電壓范圍為 36V替換型號及應(yīng)用領(lǐng)域ZTL431AH6TAZTL431ASE5TAZTL431BH6TAZTL431BZTAZTL431BCSTZZTL431BE5TAUTCTL431LZTL431BFFTA應(yīng)用領(lǐng)域：電平值轉(zhuǎn)換內(nèi)部結(jié)構(gòu)TL431的具體功能可以用圖c的功能模塊示意。由圖可以看到,

13、準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反向輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng) 非常接近VI（） 壓的微小變化， 的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，VI是一個內(nèi)部的的基REF端（同向端）的電壓時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電通過三極管圖 1的電流將從 1到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是 TL431 但可用于分析理解電路。第三章軟件設(shè)計軟件設(shè)計部分在labview上完成，前面板如圖所示，對溫度進(jìn)行實(shí)時采集圖 3-1 采集顯示前面板Vi 子程序部分圖 3-2 Vi 程序結(jié)論本溫度測量系統(tǒng)設(shè)計，是采用PT100溫度傳感器經(jīng)過放大和 A/D轉(zhuǎn)換器送到單片機(jī)進(jìn)行控制溫度顯示和時間顯示。 另外本系統(tǒng)還可以通過外接電路

14、擴(kuò)展實(shí)現(xiàn) 溫度報警功能，從而更好的實(shí)現(xiàn)溫度現(xiàn)場的實(shí)時控制。經(jīng)過多次的修改和調(diào)試測量， 本設(shè)計基本符合設(shè)計要求， 由于受人為因素和 軟硬件的限制， 系統(tǒng)難免不了帶來一些誤差， 但通過調(diào)節(jié)和精確計算可以減小誤 差。通過本次溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計，我對溫度測量控制有了進(jìn)一步的熟悉和更深 入的學(xué)習(xí)。在整個設(shè)計的過程中，本設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)是：怎樣將PT100熱電阻 的非電量信號轉(zhuǎn)換為能識別的電量信號， 其中的信號如何放大及放大倍數(shù)的確定 等等。這次畢業(yè)設(shè)計從一開始的課題確定，到后來的資料查找、理論學(xué)習(xí)，再有就是近來的調(diào)試和測試過程， 這一切都使我的理論知識和動手能力進(jìn)一步得到提 升。在畫原理圖、 電路仿真和調(diào)試過程中不可避免地遇到各種問題， 這要求保持 沉著冷靜， 聯(lián)系書本理論知識