傳感器與測控電路課程實習報告基于濕度傳感器的測量電路設計

1、傳感器與測控電路課程實習報告揚州大學能源與動力工程學院課程設計報告題 目： 基于濕度傳感器的測量電路設計 課 程： 傳感器與測控電路課程實習 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 班 級： 測控0802 姓 名： 學 號： 指導老師： 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 第四部分：實習報告第 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：基于濕度傳感器的測量電路設計一個電子產(chǎn)品的設計、制作過程所涉及的知識面很廣；加上電子技術(shù)的發(fā)展異常迅速，新的電子器件的功能在不斷提升，新的設計方法不斷發(fā)展，新的工藝手段層出不窮，它們對傳統(tǒng)的設計、制作方法提出了新的挑戰(zhàn)。但

2、對于初次涉足電子產(chǎn)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(nèi)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(shù)基礎實驗與課程設計，電子技術(shù)實驗等書的有關(guān)章節(jié)。一、基于濕度傳感器的測量電路設計簡介應用ih3605型溫度傳感器與集成運放設計測量濕度的電路，測量相對濕度(rh)的范圍為0%l00%，電路輸出電壓為010v。要求測量電路具有調(diào)零功能和溫度補償功能。使用環(huán)境溫度為085。二、基于濕度傳感器的測量電路設計的工作原理：ih3605型濕度傳感器本課題中測量電路組成框圖如下所示：測量電路由濕度傳感器，差

3、動放大器，同相加法放大器等主電路組成；為了實現(xiàn)溫度補償功能，選擇鉑電阻溫度傳感器采集環(huán)境溫度，通過轉(zhuǎn)換電橋和差動放大，輸入同相加法器實現(xiàn)加法運算，補償環(huán)境溫度對濕度傳感器的影響，其中轉(zhuǎn)換電橋工作電壓由差動放大器輸出電壓通過電壓跟隨器提供。三、設計目的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(yǎng)綜合應用所學知識來指導實踐的能力。四、設計要求及技術(shù)指標1.設計、組裝、調(diào)試； 2.濕度測量范圍：0100rh；3.使用環(huán)境溫度范圍：085； 4.輸出電壓：010v；5.非線性誤差：0.5。 五、設計所用儀器及器件1.直流穩(wěn)壓電源2.雙蹤示波器3.萬

4、用表4.運放op075.電阻、電容若干6.濕度傳感器ih36057.萬能電路板8.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(jù)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(diào)試； （2天）要求在虛擬儀器上觀測到正確的波形并達到規(guī)定的技術(shù)指標。3.電路的裝配及調(diào)試； （3天）在萬能板上對電路進行裝配調(diào)試，使其全面達到規(guī)定的技術(shù)指標，最終通過驗收。4.總結(jié)撰寫課程設計報告。 （1天）七、課程設計報告內(nèi)容：總結(jié)設計過程，寫出設計報告，設計報告具體內(nèi)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

5、求及技術(shù)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(jié)合設計圖寫)； 5.總原理圖，工作原理、工作特性（結(jié)合框圖及電路圖講解）；6.電路安裝、調(diào)試步驟及方法，調(diào)試中遇到的問題，及分析解決方法；7.實驗結(jié)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(chǎn)品的功能要求，利用互連網(wǎng)、圖書、雜志查閱資料，從中提取相關(guān)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、根據(jù)需要調(diào)整總體方案。（3）計算電路（元件）參數(shù)。（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

6、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(shù)人員調(diào)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(xiàn)。需要通過互連網(wǎng)、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.熟悉常用儀表，了解電路調(diào)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

7、報告。第 二 部 分課程設計報告目 錄1 課題簡介(1)2 課程設計的目的和設計的任務(2)2.1 課程設計的目的(2)2.2 課程設計的任務(2)3 課程設計的要求及技術(shù)指標(3)3.1 課程設計的要求(3)3.2 課程設計的技術(shù)指標(3)4 總方案及原理框圖(4)4.1 電路設計總方案(4)4.2 電路設計原理框圖(4)5 各組成部分的工作原理(5)5.1 差動放大電路(5)5.2 溫度補償電路(5)5.3 加法比例運算電路(6)6 電路的設計、電路各部分工作特性及元件的作用(7)6.1 差動放大電路(7)6.2 溫度補償電路試(8)6.3 加法比例運算電路(11)7總原理圖(13)8 電

8、路安裝、調(diào)試步驟及方法(15)8.1 電路的安裝(15)8.2 電路調(diào)試的步驟及方法(15)9 實驗結(jié)果分析(16)10 改進意見、收獲、體會、設計總結(jié)(17)10.1 電路的改進意見(17)10.2 課程設計的收獲與體會(17)10.3 課程設計的總結(jié)(17)11 儀器儀表清單(18)11.1 元器件清單(18)11.2 引用儀器、儀表清單(18)參考文獻(19)1 課題簡介基于濕度傳感器的測量電路設計：應用ih3605型溫度傳感器與集成運放設計測量濕度的電路，測量相對濕度(rh)的范圍為0%l00%，電路輸出電壓為010v。要求測量電路具有調(diào)零功能和溫度補償功能。使用環(huán)境溫度為085。測量

9、電路由濕度傳感器，差動放大器，同相加法放大器等主電路組成；為了實現(xiàn)溫度補償功能，選擇鉑電阻溫度傳感器采集環(huán)境溫度，通過轉(zhuǎn)換電橋和差動放大，輸入同相加法器實現(xiàn)加法運算，補償環(huán)境溫度對濕度傳感器的影響，其中轉(zhuǎn)換電橋工作電壓由差動放大器輸出電壓通過電壓跟隨器提供。2課程設計的目的和設計的任務2.1 課程設計的目的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(yǎng)綜合應用所學知識來指導實踐的能力。2.2 課程設計的任務應用ih3605型溫度傳感器與集成運放設計測量濕度的電路，測量相對濕度(rh)的范圍為0%l00%，電路輸出電壓為010v。要求測量電路具

10、有調(diào)零功能和溫度補償功能。使用環(huán)境溫度為085。3 課程設計的要求及技術(shù)指標3.1 課程設計的要求1.根據(jù)設計要求，查閱參考資料，2.進行方案設計及可行性論證3.確定設計方案，畫出電路原理框圖。4.設計每一部分電路，計算器件參數(shù)5.在萬能板上對電路進行裝配調(diào)試，使其全面達到規(guī)定的技術(shù)指標，記錄調(diào)試數(shù)據(jù)，最終通過驗收。6.總結(jié)撰寫課程設計報告。（1）課程設計的目的和設計的任務（2）課程設計的要求及技術(shù)指標傳感器的性能、主要技術(shù)指標、使用條件仔細分析產(chǎn)品的功能要求，利用互連網(wǎng)、圖書、雜志查閱資料，從中提取相關(guān)和最有價值的信息、方法。（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

11、的原理、工作特性(結(jié)合設計圖寫) （5）總原理圖，工作原理、工作特性（結(jié)合框圖及電路圖講解）及各元件參數(shù)分析誤差及產(chǎn)生原因（6）電路安裝、調(diào)試步驟及方法，調(diào)試中遇到的問題，及分析解決方法。（7）實驗結(jié)果分析，改進意見及收獲。（8）元器件清單（9）儀器儀表清單（10）體會。3.2 課程設計的技術(shù)指標 1.濕度測量范圍：0100rh；2.使用環(huán)境溫度范圍：085； 3.輸出電壓：010v；4.非線性誤差：0.5。 4 總方案及原理框圖4.1 電路設計總方案 測量電路由濕度傳感器，差動放大器，同相加法放大器等主電路組成；為了實現(xiàn)溫度補償功能，選擇鉑電阻溫度傳感器采集環(huán)境溫度，通過轉(zhuǎn)換電橋和差動放大，

12、輸入同相加法器實現(xiàn)加法運算，補償環(huán)境溫度對濕度傳感器的影響，其中轉(zhuǎn)換電橋工作電壓由差動放大器輸出電壓通過電壓跟隨器提供。4.2 電路設計原理框圖 圖1 原理框圖5 各組成部分的工作原理5.1 差動放大電路 差動放大器:是把二個輸入信號分別輸入到運算放大器的同相和反相二個輸入端，然后在輸出端取出二個信號的差模成分，而盡量抑制二個信號的共模成分。 圖2 差動放大電路5.2 溫度補償電路何謂電橋放大電路？ 由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感器和運算放大器構(gòu)成的電橋都稱為電橋放大電路。應用于何種場合？ 應用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應變式、電容式傳感器等，經(jīng)常通過電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓

13、或電流信號，并用運算放大器作進一步放大，或由傳感器和運算放大器直接構(gòu)成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號。 差動輸入電橋放大電路-+nr2=r1uor1ur (1+)uaubrrr 圖3 差動輸入電橋放大電路5.3 加法比例運算電路uor2r3r1rf+u i1ui2-u+ 加法比例運算電路可以實現(xiàn)信號的求和以及放大。 圖4 加法比例運算電路取=，則uo=(1+)(ui1+ui2)。當r2=r3時，uo=（1+)(ui1+ui2)。6 電路的設計、電路各部分工作特性及元件的作用6.1 差動放大電路方案一： 圖5 方案一的差動放大電路選擇vs、rl、icl、r2、rp1確定電源電壓。因輸出電壓u

14、o=10v，電源電壓取15v。由icl、r2、rp1組成調(diào)零電路。由vs、r1組成傳感器電源(5v)，給傳感器和調(diào)零電路供電。vs選用mtzj5 ib型穩(wěn)壓二極管，uz=5.iv，iz=5ma，則r1=(uccuz)/iz=(155.1)(5103)=l.98k取系列值2k。icl選用lm385型基準電壓源，基準電壓uref=l.235v，工作電流為10a20ma，取工作電流i=lma，則r2=(uzuref)/i=(5.11.235)(1103)=3.865k取系列值3.9k。為使rpl支路耗電小，令通過其電流為0.2ma，則rpl=1.235(0.2103)=6.175k取系列值6.8k。

15、當相對濕度為0時，調(diào)節(jié)rpl，使uo1=0v。選擇ic2ic5、r3r6、rp2。ic2ic5選擇7f324型四運放。由ic2等組成差動放大器后有如下關(guān)系式，即r3=r4r5+(rp2/2)=r6，放大倍數(shù)kf2= r5+(rp2/2)r3今r3= r4=10.0 k，25、100%(rh)時，傳感器輸出電雎為4.02v，調(diào)零后，ui=4.020.8=3 22v，uo1應為10v。r5+(rp2/2)=kf2r3=(uo1ui)r3=(10/3.22)10.0=31.06k，取r5=27k，則rp2=2(31.0627)=8.12k，取系列值8.2kr6=r5+(rp2/2)=31.06k，取

16、e192系列3l.2 k方案2： 圖6 方案二的差動放大電路在25，0%濕度的情況下，濕度傳感器的輸出us=ui1=0.8v,使r0=r1=10k,ui2=0.8v,這時uo1=0v，從而達到了起始校零的目的。在25，100%濕度的情況下，濕度傳感器的輸出us=ui1=4.02v,為了使總電路的輸出uo=10v，應使差動放大器的放大倍數(shù)kf1=10/(0.8-4.02)=3.106.而kf1=-rf/r1,則rf=kf1*r1=31.06k.6.2 溫度補償電路方案一： 圖7 方案一的溫度補償電路選擇r11r16、rp3、rp4、rt。a選擇rt 、r11、r12、rp3。由ic4、ic5及r

17、11r16、rp3、rp4、rt組成溫度補償電路。其中，r11、r12、rp3、rt可組成溫度補償電橋。rt選擇el700型鉑金電阻溫度傳感器，rt ro(1+2t)。式中，2=0.00375/，ro=1000，rt的工作電流推薦值為lma。ic4為電壓跟隨器，8腳輸出電壓u8的最大值為10v，令r11= r12=10k。t=25時，rt的值為r25，r25=1000(1+0.0037525)=1093.75。取rp3=1.5k，調(diào)節(jié)rp3，使ra=r25=1093.75，則uo2=0v。b計算有關(guān)參數(shù)。kf2=r5+(rp2/2)/r3=27+(8.22)10=3.11t=85、rh=100

18、%時，rt的值為r85，即r85=1000(1+0.0037585)=1318.7u8=uo1=kf2ui=3.11(3.500.8)=8.397vui1=u8ra(r12+ ra)=8.3971093.75(10103+1093.75)=0.8279vui2= u8r85(r11+ r85)=8.3971318.7(10103+1318.7)=0.9783vuo2為溫度補償電壓。當t=85、rh=100%時，uo1=8.397v，要求電路輸出10v，則補償電壓uo2=108.397=1.603v。由ic5組成差動放大器，其放大倍數(shù)為kf5，即kf5= uo2（ui2ui1)=1.603(0.

19、97830.8279)=10.66取kf5=15。c選擇r13r16、rp4。由ic5組成差動放大器后有如下關(guān)系式，即r13= r15，r14= r16，kf5=r14r13r14= kf5r13 =15rl3，取r13= r15=10k，r14=1510=150k，r16= r14=150k。當t=85、rh=100%時，uo2的實際值為uo2= kf5（ui2ui1)=15(0.97830.8279)=2.256v設通過rp4支路的電流為1ma，則rp4=2.256(1103)=2.256k，取系列值2.2k方案二： 圖8 方案二的溫度補償電路在85，100%濕度的情況下，濕度傳感器的輸出

20、us=ui1=3.5v,則uo1=3.106*(3.5-0.8)=8.3862v,為了使總電路的輸出uo=10v，需溫度補償，使uo2=10-uo1=1.6138v。調(diào)節(jié)使電橋在25時平衡，此時pt1000的電阻r25=1000*(1+0.00375*25)=1093.75,使r2=r3=10k,ra=1k，則r4=r25+ra=2093.75。在85時，pt1000的電阻r85=1000*(1+0.00375*85)=1318.7,則差動放大器輸入ui1=uo1*r4/(r2+r4)=8.3862*2093.75/12093.75=1.452v,ui2=uo1*(ra+r85)/(r3+ra

21、+r85)=8.3862*2318.7/12318.7=1.578v.差動放大器的放大倍數(shù)kf2=uo2/(ui1-ui2)=-r11/r6=1.6138/(1.452-1.578)=-12.81。取r6=r7=10k,則r11=r8=12.81*10=128.1k。6.3 加法比例運算電路方案一： 圖9 方案一的加法比例運算電路選擇r7、r8、r9、r10。由ic3組成同相加法器。令r7=r8=r9=r10=10k，在85、100%的相對濕度時，調(diào)節(jié)rp2使uo1=8.379v，調(diào)節(jié)rp4使uo=10v。方案二： 圖10 方案二的加法比例運算電路放大器的放大倍數(shù)為1，取r5=r9=r10=r

22、12=10k.則r13為無窮大，即斷開，可去除。7總原理圖圖11 方案一的總電路圖 圖12 方案二的總電路圖8 電路安裝、調(diào)試步驟及方法8.1 電路的安裝1.將準備好的器材分好類。2.將電阻的阻值標號。3.準備好接線。4.畫好接線圖，合理分布元器件。5.按接線圖接線并焊接。8.2 電路調(diào)試的步驟及方法 1. 起始校零。使?jié)穸葌鞲衅魈幱?5，0%濕度的條件下，調(diào)節(jié)rp1，使差動放大器1的輸出uo1為零。 2. 調(diào)節(jié)差動放大器1的放大倍數(shù)。使?jié)穸葌鞲衅魈幱?5，100%濕度的條件下，斷開溫度補償電路，調(diào)節(jié)rp2，使總電路的輸出uo為10v。 3. 調(diào)節(jié)溫度補償電路中的電橋平衡。使?jié)穸葌鞲衅魈幱?5

23、，0%濕度的條件下，給溫度補償電路一驅(qū)動電壓，并讓pt1000處于25條件下，調(diào)節(jié)rp3，使差動放大器2的輸出uo2為零。 4. 調(diào)節(jié)差動放大器2的放大倍數(shù)。使?jié)穸葌鞲衅魈幱?5，100%濕度的條件下，并讓pt1000處于85的條件下，調(diào)節(jié)rp4，使總電路的輸出uo為10v。9 實驗結(jié)果分析 1. 在起始校零時，通過對rp1的調(diào)節(jié)，測得uo1為0.0598v，由此可以確定電路可以得到測量范圍的下線0v。 2. 當濕度傳感器處于25，100%濕度，溫度補償電路斷開時，通過調(diào)節(jié)rp2,可以使總電路的輸出為10v，由此可以確定電路可以得到測量范圍的上線10v。 3. 給溫度補償電路一定的驅(qū)動電壓，并

24、讓pt1000處于25條件下，通過調(diào)節(jié)rp3，溫度補償電路的最小輸出為0.2735v，可見電橋無法平衡，但差動放大器的的輸出很小，對測量結(jié)果影響不大。達不到平衡的可能原因是，滑動變阻器的范圍小于pt1000處于25條件下的電阻。 4. 當濕度傳感器處于85，100%濕度，溫度補償電路連接時，通過調(diào)節(jié)rp4,可以使總電路的輸出為10v，由此可以保證溫度補償電路的有效工作。10 改進意見、收獲、體會、設計總結(jié)10.1 電路的改進意見 方案二為起始的電路，方案一為改進后的電路，在方案一中使用了多個滑動變阻器，可以使測量更精準。因為在方案二中的一些電阻沒有現(xiàn)成的，不便于實際的裝配，當然由于是固定電阻，

25、亦無法調(diào)節(jié)，靈活性不高。10.2 課程設計的收獲與體會 在這為期一周的課程設計中，由于我們分工明確，又有充分的實驗前得準備，所以在做的過程中還算順利。雖然，在調(diào)試的的過程中也遇到了一些問題，也焦急、郁悶過，但都通過我們的分析和修改，在最后調(diào)試成功了。這次的課程設計讓我認識到，提前準備和團隊合作對事情成功的重要性。當然，做事情也不能太過急切，因為忙中會出亂。所以做任何事情都要淡定、仔細。10.3 課程設計的總結(jié) 這次我們的課程設計是設計一個基于濕度傳感器的測量電路，在開始的時候，老師先讓我們自己設計電路。雖然我設計的電路大概意思沒有問題，但還有很多的事情欠考慮。看了老師改進的電路，雖然只是加了幾

26、個滑動變阻器，但頓時讓電路的靈活性和測量的準確性得到了提高。在調(diào)試的時候，我們發(fā)現(xiàn)電路的的焊接也出了一些問題，可見我們還不是很細心。吸取了這次課程設計的教訓，我相信我們在下次的課程設計中會做的更好。11 儀器儀表清單11.1 元器件清單 1. 電阻 10k 9個 150k 2個 3.9k 1個 2k 1個 30k 1個 27k 1個2. 滑動變阻器 10k 2個 2k 2個3. lm324 1個4. lm385 1個5. 5.1v穩(wěn)壓管 1個6. 14腳座 1個7. 8腳座 1個11.2 引用儀器、儀表清單1直流穩(wěn)壓電源2萬用表3濕度傳感器th36054. 溫度傳感器pt10005萬能電路板6電烙鐵等參 考 文 獻1 童詩白主編.模擬電子技術(shù)基礎(第三版)高教出版社.20012 楊素行主編.模擬電子線路基礎簡明教程楊素行(第二版)高教出版社.19983 王成華主編.電子線路基礎教程.科學出版社.20004 李萬臣主編.模擬電子技術(shù)基礎實驗與課程設計(第一版)哈爾濱工程大學出版社20015 孫梅生主編.電子技術(shù)基礎課程設計.高教出版社.19896 張國雄主編.測控電路第三版.機械工業(yè)出版社.20087 電子電路百科全書（1.2.3.4.卷）.科學出版社 8 電子技術(shù)類雜志、報刊19第 三 部 分設計電路圖第 四 部 分實習報告在傳感器和測控電路課程設計期間，我們參觀了幾