半導體傳感器應用電路設計

1、東北石油大學課程設計課程傳感器課程設計題目半導體傳感器應用電路設計院系電氣信息工程學院專業(yè)班級測控09學生姓名學生學號指導教師2012 年 6 月 25任務書課程傳感器課程設計題目半導體傳感器應用電路設計專業(yè)測控技術與儀器姓名學號主要內容：利用溫度傳感器和熱電偶設計制作一個溫度測量系統(tǒng)。參考利用半導體溫度傳感 器 AD590 和單片機技術設計制作一個顯示室溫的數(shù)字溫度計的設計提示與分析。進一 步了解有關溫度傳感器的工作原理，制定設計方案，確定溫度傳感器的型號等參數(shù)， 掌握溫度的檢測方法?；疽螅?、詳細了解所選用的溫度傳感器的工作原理，工作特性等2、設計合理的信號調理電路，并列出制作該裝置的

2、元器件。主要參考資料：劉愛華，滿寶元傳感器原理與應用技術M.北京：人民郵電出版社，2006.45-48.王雪文，張志勇.傳感器原理及應用M.北京：航空大學出版社，2004.27-34.張福學.現(xiàn)代實用傳感器電路M.北京：中國計量出版社，1997.16-24.繆家鼎，徐文娟，牟同升光電技術M.杭州：浙江大學出版社，1987.22-27.完成期限20126252012629指導教師專業(yè)負責人2012年 6 月 25 日摘要傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品 ,尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農業(yè) 生產、科學研究和生活等領域,數(shù)量高居各種傳感器之首。半導體傳感器是利用某 些半導體的電阻隨溫度變化而變化的特

3、性制成的。半導體具有很寬的溫度反應特 性,各種半導體的溫度反應區(qū)段不同。利用半導體溫度傳感器 AD590 設計制作一個 溫度測量系統(tǒng),AD590是一種集成溫度傳感器，其實質是一種半導體集成電路。集 成溫度傳感器的線性度好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便，得到廣泛 應用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。關鍵詞：關鍵詞傳感器；半導體；溫度傳感器；AD590目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 一 、設計要求 1 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document

4、 二、方案設計 1 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1、方案說明 1 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2、方案論證 2 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 三、傳感器工作原理 2 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 四、電路的工作原理 2五、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇 3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 1、單元電路設計 4 HYPERLI

5、NK l bookmark42 o Current Document 2、參數(shù)計算 6 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3、器件選擇 6 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 六、總結 7半導體傳感器應用電路設計一 、設計要求參考下面的利用半導體溫度傳感器 AD590 和單片機技術設計制作一個顯示室 溫的數(shù)字溫度計的設計提示與分析。用單片機和AD芯片進行信號的采集等相關處 理，要有Pro tel畫的硬件接線原理圖、利用c語言在單片機開發(fā)軟件中編寫相關 程序，并對單片機的程序制作詳細解釋。二、方案設

6、計1、方案說明1、方案一利用熱敏電阻測量溫度，熱敏電阻的電阻值隨溫度變化而改變，通過測量其 阻值推算出被測物體的溫度，利用此原理構成的傳感器就是電阻溫度傳感器，這 種傳感器主要用于-200500C溫度范圍內的溫度測量。純金屬是熱電阻的主要制 造材料，熱電阻的材料應具有以下特性：電阻溫度系數(shù)要大而且穩(wěn)定，電阻值與 溫度之間應具有良好的線性關系；電阻率高，熱容量小，反應速度快；材料的復 現(xiàn)性和工藝性好，價格低；在測溫范圍內化學物理特性穩(wěn)定。2、方案二AD590是一種集成溫度傳感器，其實質是一種半導體集成電路。它利用晶體 管的b-e結壓降的不飽和值Vre與熱力學溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關系實

7、現(xiàn)對溫度的檢測。VREkTqVREkTqln I1)式中：k-是波耳茲曼常數(shù)；q-是電子電荷絕對值。集成溫度傳感器的線性度好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便，得 到廣泛應用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸 出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0K時輸出0,溫度25C時輸出2.9815V。電流 輸出型的靈敏度一般為1UA/K, 25C時輸出298.15UA。選擇方案二。2、方案論證AD590 是美國模擬器件公司生產的單片集成兩端溫度傳感器。流過器件電流 的微安數(shù)等于器件所處環(huán)境溫度的熱力學溫度度數(shù)。它主要特性如下：AD590 的測量范圍為-55+150C。AD5

8、90的電源電壓范圍為430V。電源電壓從46V變化，電流1丁變化WA,相 當溫度變化IK。AD590可以承受44V正向電壓和20V的反向電壓。因而器件反接 也不會損壞。輸出電阻為710MQ。AD590在出廠前已經校準，精度高。AD590共有I、J、K、L、M五擋。其中M 檔精度最高，在-55+150C范圍內，非線性誤差為土0.3C。I檔誤差較大，誤差 為10C，應用時應校正。由于 AD590 的精度高、價格低、不需輔助電源、線性度好，因此常用于測量 和熱電偶的冷端補償。三、傳感器工作原理工業(yè)生產中最常見的一種傳感器就是溫度傳感器了。溫度傳感器將 物體的溫度轉化為電信號輸出。不同的溫度傳感器制作

9、方法不同，常見 的有熱敏電阻、熱電偶和集成型產品。溫度傳感器的特點為，結構簡單， 測量范圍寬，穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點。其發(fā)展大體經歷了從分體式、 模擬集成到智能型階段?，F(xiàn)在的溫度傳感器不僅溫度信號輸出，還可以 集成濕度測量，信號輸出也由原來的單一信號變成多樣化的輸出形式， 可以進行遠距離通信，數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要進行記錄、上限報警和自控控 制等多種功能。溫度傳感器是通過測量物體的某些參數(shù)隨著溫度的變化而間接測量 溫度的。一個好的溫度傳感器要有應具備很多條件，比如溫度范圍寬、 精度高、響應快、可靠性好、價格低等。溫度傳感器有接觸型和非接觸 型兩類，接觸型溫度傳感器價格低、響應速度慢、結構簡單等特點，

10、非 接觸型溫度傳感器響應速度快，還可以應該用測量高溫、有腐蝕性的場四、電路的工作原理傳感器前端信號調理如圖I所示。要求的測量范圍為室溫，這里定位0 80oC。0oC時，A點輸出電壓為273.2mv； 80oC時，A點輸出電壓為（273.2+80） mv。調整B點的電壓使之為273.2mv,這樣就可以得到差分電壓信號v 與溫度 的關系為1mv/oC。經過傳感器前端調整后的信號V 要經過放大才能夠被單片AB機采樣。圖中LM336提供2.5伏參考電壓源。這里預定采用通用 MCS-51 單片機和 AD590 芯片進行數(shù)據(jù)采樣、處理。 AD590 是一個8通道8位ADC芯片，預計采樣為05v的標準信號，

11、對應采樣結果位0 255?；灸軡M足設計要求（范圍080度，誤差為1 oC ）。信號數(shù)據(jù)在測量系統(tǒng) 中流程變化如表1所示。表1中，假如放大后溫度信號數(shù)據(jù)取值范圍為02v；單 片機接入通道參考電壓為2.5v，故02.5v的信號相應地被轉換為0255這數(shù)據(jù)； 單片機顯示溫度數(shù)據(jù)等于單片機采樣結果乘上80后在除去204。這里要求出差分 電壓V 放大成為預采樣為02v的標準信號的增益。AB表 1 測量數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中流程變化8080溫度78080V AB差分信號mV放大后信號V02單片機采樣結果02/2.5*255=204單片機顯示0240*80/204=80五、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元電

12、路設計放大器可選用LM318、LM741、121等Op Amp。我們實驗室有一種更好使用的 放大器AD620（在一般信號放大的應用中通常只要透過差動放大電路即可滿足要 求。然而基本的差動放大電路精密度較差，且差動放大電路上改變放大增益時， 必須調整兩個電阻，影響整個信號放大精確度就更加復雜。儀表放大器則無上述 的缺點。簡單地說就是使用方便簡單，缺點是價格高），這里就采用該芯片作為我 們的放大器。該芯片引腳如圖2所示。圖 2 芯片引腳 TOPVIEWRc圖 2 芯片引腳 TOPVIEW+VsOUTPUTREF因為AD620工作需要12的電壓接在+VS和-VS上，這里采用一個直流電壓 模塊SAPS

13、的SR5D12/100,需要5伏電壓供電，輸出為+12V和-12V的電壓，如圖 3 所示。圖 3 SR5D12/100 芯片引腳圖這樣傳感器信號調理電路就基本完成了，如圖4。檔T=0oC時,=0V；檔T=80oC0時，V=2V；及靈敏度為25mv/oC。02、參數(shù)計算因ADC0809的參數(shù)電壓為V2.5V，單片機從ADC0809上采樣的接口數(shù)據(jù)NREF還原為要顯示的溫度數(shù)據(jù)T的計算式子。從上面的接口電路可知：P0 口直接與ADC0809的數(shù)據(jù)線相連接，p0 口的低三 位通過鎖存器74LS373連接到ADDA、DDC,鎖存器的鎖存信號是89C52的CLK管腳， 給 ADC0809 提供 666K

14、Hz 的時鐘信號。P2.7 口作為讀寫口的選通地址。片外A/D轉換通道的地址為7FF8H7FFFH。 在軟件編制時，令p2.7 (A15) =0, AO、Al、A2給出被選擇的模擬通道地址，執(zhí) 行一條輸出指令，就產生一個正脈沖，鎖存通道地址和啟動A/D轉換；執(zhí)行一條 輸出指令，讀取A/D轉換結果?？刹捎醚訒r等待AD轉換結束方式，分別對8個通道模擬信號輪流采樣一次， 并依次大結果存放在數(shù)據(jù)存儲器。也可以采用8051的中斷方式的接口來編寫程序(ADC0809的EOC接8051的 INTO)，此時可以將0809作為外擴的并行I/O 口，由p2.7 口和WP 口脈沖同時有 效來啟動A/D轉換，通道選擇

15、端A、B、C分別與地址線A0、Al、A2相連。其端口 地址分別為7FF8H7FFFH/。A/D轉換結束信號E0C經反相后，接80C51的外部中 斷管腳。3、器件選擇晶振瓷片電容C1，C2 RAD-0.3,30PF、復位電容C3 RAD-0.3,10UF、鋁電解電 容 C4，50V1000UF、鋁電解電容 C8, C9, C13, 35V1000UF、聚脂電容 C5, C7, C10, C11，C12, C14, ct 104,104、鋁電解電容 C6、鋁電解電容 C16, C18, 2.2UF、鋁 電解電容C13, C15, 35V100UF、鋁電解電容C17, 1UF、220V插座帶 1m接

16、受 線，LN (PE) POWER-CZ、整流橋D1, D2, 2W10、穩(wěn)壓管D3, LM336-2.5V、共陽 LED 數(shù)碼管 DS1-DS4, DIP10、4 芯片 5.08 接插件 JP1, JP4, JP5, 4-5.08ZU0、復位電 陰，10%, R1, AXIAL-0.4,10K、限流電陰，10%, R2-R14 , 510,復位開關 S1, SPST-2, SW-PB、變壓器，AC8V-GND;AC15GND-AC15T1、DIP40,單片機座、單片機 U1, AT89S52、 DIP20, 741S373 座，DIP28, ADC0809 座、ADC0809U3、DIP14

17、, 74LS02 座、74LS02U4, DIP-14/D19.7 74AC02PC、鐵殼的，買散熱片，以膈供DC5V電機用U5、7815U6、 7815U7、AD590,溫度傳感器 U8、DIP8,放大器座、DIP8, MAX6225 座、MAX6225U10、 調整信號可變電阻 VR2 102、調整信號可變電阻 VR2 202、調整信號可變電阻 VR2 103、晶振，ale六份頻為666KHZ Y1、實驗板Z1, Z2、銅螺柱四個、導線若干。系統(tǒng)需要的元器件清單表 2 元器件清單序號兀器件類型兀器件規(guī)格數(shù)量備注1晶振瓷片電容RAD-0.3,30PF22聚脂電容ctl04,10463穩(wěn)壓管L

18、M336-2.5V14共陽LED數(shù)碼管DIP1045接插件4-5.08ZU046單片機DIP4017溫度傳感器AD59018信號可變電阻102、 202、 10339放大器座DIP8110電源220V1六、總結溫度是工業(yè)中非常關鍵的一項物理量，在農業(yè)、工業(yè)、各種高新技術開發(fā)和 研究中也是一個非常普遍和常用的測量參數(shù)。目前，隨著信息技術的發(fā)展，傳感 技術的廣泛應用，溫度測試技術已向自動化、智能化方向發(fā)展?；诖?，提出了 溫度的數(shù)字化測量。 隨著人們生活水平的不斷提高，數(shù)字溫度計的要求也越來越 高，為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好、更方便的設施就需要從新技術入手， 一切向著數(shù)字化控制、智能化控制

19、方向發(fā)展。本設計需要采用傳感器技術與電子 技術相結合。設計的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，輸出溫度采用數(shù)字顯示， 具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確等重要特點。主要用于測溫比較準確的場 所。數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確， 其輸出溫度采用數(shù)字顯。主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用。 檢測是控制的基礎和前提，而檢測的精度必須高于控制的精確度，否則無從實現(xiàn) 控制的精度要求。不僅如此，檢測還涉及國計民生各個部門，可以說在所以科學 技術領域無時不在進行檢測。科學技術的發(fā)展和檢測技術的發(fā)展是密切相關的。 現(xiàn)代化的檢測手段能達到的精度、靈敏度及測量范圍等，在很

20、大程度上決定了科 學技術的發(fā)展水平。同時，科學技術的發(fā)展達到的水平越高，又為檢測技術、傳 感器技術提供了新的前提手段。目前溫度計的發(fā)展很快，從原始的玻璃管溫度計 發(fā)展到了現(xiàn)在的熱電阻溫度計、熱電偶溫度計、數(shù)字溫度計、電子溫度計等等。 目前的溫度計中傳感器是它的重要組成部分，它的精度靈敏度基本決定了溫度計 的精度、測量范圍、控制范圍和用途等。傳感器應用極其廣泛，目前已經研制出 多種新型傳感器。經過傳感器課程設計，終于完成了我組的數(shù)字溫度計的設計，雖然沒有完全 達到設計要求，但從心底里說，還是高興的。很感謝老師提供一個機會，讓我更 深刻的了解了溫度傳感器和單片機，經過辛勤努力查找資料，終于按計劃完成了 數(shù)字溫度傳感器的設計，單片機也能實現(xiàn)測溫。從這次的課程設計中，我學習到 很多知識，也知道了自己的一些不足，在以后的學習中，仔細認真，注重細節(jié)， 要理論聯(lián)系實際，把我們所學到的知識應用到實