試論電力電子設計

1前言當今世界已進入信息時代，在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領域中信息的主要途徑與手段。 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎。 在基礎學科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學技術的發(fā)展，進入了許多新領域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到 cm的粒子世界，縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化，短到 s的瞬間反應。此外，還出現(xiàn)了對深化物質認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁碭等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(fā)的先驅。 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。 由此可見，傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術將會出現(xiàn)一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。 PT100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關系為：當PT100溫度為0時它的阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為138.5歐姆。它的工業(yè)原理：當PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成勻速增長的。溫度是自然界中和人類打交道最多的物理參數(shù)之一，無論是在生產(chǎn)實驗場所，還是在居住休閑場所，溫度的采集或控制都十分頻繁和重要，而且，網(wǎng)絡化遠程采集溫度并報警是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個必然趨勢。 由于溫度不管是從物理量本身還是在實際人們的生活中都有著密切的關系，所以溫傳感器就會相應產(chǎn)生。 由于PT100熱電阻的溫度與阻值變化關系，人們便利用它的這一特性，發(fā)明并生產(chǎn)了PT100熱電阻溫度傳感器。它是集溫度濕度采集于一體的智能傳感器。溫度的采集范圍可以在-200+200，濕度采集范圍是0%100%。鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關系而制成的溫度傳感器，由于其測量準確度高，測量范圍大，復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等，被廣泛應用于中溫范圍的溫度測量中。PT100是廣泛應用的測溫元件，在-50-600范圍內具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢，包括高精度，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關系，所以需要進行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將PT電阻的電阻值和溫度對應起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實測的AD值以查表方式計算相應的溫度值。常用的PT電阻揭發(fā)有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點是將PT100的兩側相等的導線長度分別加兩側的橋臂上，使得導線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。1.1設計目的(1) 理論與實踐結合設計熱電阻PT100測溫電路(2) 掌握PT100測溫電路的工作原理、焊接與調試方法。(3) 了解，掌握，并能獨立調式設計PT100測溫電路，以及各組成元件的使用和原理。(4) 熟練使用萬用表的各個功能。1.2設計任務利用所有元件焊電路板，并調試成功，充分鍛煉動手能力和思考能力。1.3設計內容及要求(1)利用所有元件焊電路板，并調試成功，充分鍛煉動手能力和思考能力。(2)利用電路板進行調試的數(shù)據(jù)進行計算，寫出計算結果2 熱電阻PT100簡介及工作原理2.1熱電阻PT100的簡介 pt100是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為138.5歐姆。它的工業(yè)原理：當PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的的阻值會隨著溫度上升它的阻值是成勻速增漲的。PT100鉑電阻RT曲線圖表組成的部分 pt100/PT1000感溫元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它們是由鉑絲分別繞在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再經(jīng)過復雜的工藝加工而成薄膜鉑電阻薄膜鉑電阻：用真空沉積的薄膜技術把鉑濺射在陶瓷基片上，膜厚在2微米以內，用玻璃燒結料把Ni（或Pd）引線固定，經(jīng)激光調阻制成薄膜元件。溫度傳感器PT100是一種穩(wěn)定性和線性都比較好的鉑絲熱電阻傳感器,可以工作在 -200 至 650 的范圍.本電路選擇其工作在 -19 至 500 范圍. 整個電路分為兩部分,一是傳感器前置放大電路,一是單片機 A/D 轉換和顯示,控制,軟件非線性校正等部分. 傳感器的接入非常簡單,從系統(tǒng)的 5V 供電端僅僅通過一支 3K92 的電阻就連接到 PT100 了.這種接法通常會引起嚴重的非線性問題,但是.由于有了單片機的軟件校正作為后盾,因此就簡化了傳感器的接入方式.2.2熱電阻PT100的工作原理 按照 PT100 的參數(shù),其在 0 到 500 的區(qū)間內,電阻值為 100 至 280.9，我們按照其串聯(lián)分壓的揭發(fā)，使用公式：Vcc/(PT100+3K92）* PT100 = 輸出電壓（mV），可以計算出其在整百時的輸出電壓，R2、R3、R4 和Pt100 組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過TL431 穩(wěn)至2.5V。從電橋獲取的差分信號通過兩級運放放大后輸入單片機。電橋的一個橋臂采用可調電阻R3，通過調節(jié)R3 可以調整輸入到運放的差分電壓信號大小，通常用于調整零點。 放大電路采用LM358 集成運算放大器，為了防止單級放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，前一級約為10 倍，后一級約為3倍。溫度在0100 度變化，當溫度上升時，Pt100 阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓Av 對應升高。雖然電橋部分已經(jīng)經(jīng)過TL431 穩(wěn)壓，但是整個模塊的電壓VCC 一定要穩(wěn)定，否則隨著VCC 的波動，運放LM324 的工作電壓波動，輸出電壓Av 隨之波動，最后導致A/D 轉換的結果波動，測量結果上下跳變。TL431的具體功能可以用圖c的功能模塊示意。由圖可以看到，VI是一個內部的2.5V的基準源，接在運放的反向輸入端。由運放的特性可知，只有當REF端（同向端）的電壓非常接近VI（2.5V）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端電壓的微小變化，通過三極管圖1的電流將從1到100mA變化。當然，該圖絕不是TL431的實際內部結構，但可用于分析理解電路。 TL431可等效為一只穩(wěn)壓二極管，其基本連接方法如下圖所示。下圖a可作2.5V基準源，下圖b作可調基準源，電阻R2和R3與輸出電壓的關系為U0=2.5(1+R2/R3)V0 1詞條圖冊更多圖冊LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。感溫探頭采用一只硅三極管3DG6，把它接成二極管形式。硅晶體管發(fā)射結電壓的溫度系數(shù)約為-2.5mV/，即溫度每上升1度，發(fā)射結電壓變會下降2.5mV。運放A1連接成同相直流放大形式，溫度越高，晶體管BG1壓降越小，運放A1同相輸入端的電壓就越低，輸出端的電壓也越低。這是一個線性放大過程。在A1輸出端接上測量或處理電路，便可對溫度進行指示或進行其它自動控制。3調試要點及測試方法 (1)按照原理圖將元器件焊接到PCB板時，要按照各個小電路的順序一次焊接元器件。(2)將元器件按照原理圖焊接到PCB板后，首先檢查各個元器件與PCB板的焊接點，有無缺焊，虛焊，有無短路。檢查PCB板電路和各元器件有無所損壞，(3)通電前一定要檢查好電源與地之間是否有最大電阻，以免通電時因為短路而燒壞電路板。(4)通電測試時，要選擇好所用的電源電壓值，以免電壓過大或過小導致整體電路燒毀或無法正常工作。(5)測試時如發(fā)現(xiàn)故障，要先斷開電源，然后仔細查找故障原因，排除故障后繼續(xù)測試。(6)將測試時的各項數(shù)據(jù)進行記錄，測試完成或成功后，將數(shù)據(jù)進行分析與研究4設計心得與體會在進行完期末考試后，我們就進行了傳感器的課程設計。通過這次課程設計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。這次設計和我們以前做的不同，因為以前都是直接焊在板子上，這次我們要自己做出電路板，把元器件的插孔都要做出來，對我們來說是一個挑戰(zhàn)。我們畫好PCB的布線圖后進行鏡像，然后用復寫紙在銅片上畫出來，然后打眼。做好后用油漆涂上，最后放在液體里溶解，泡好后擦去銅，板子就做好了。在這個過程中，我就學會很多，做一件事，要有足夠的耐心和信心才可以成功。在做課程設計的同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內容有限，所以在這次課程設計過程中，我們通過各種途徑查找資料了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能有所作為，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中，難免會遇到各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。而且這次設計是兩個人一組，也鍛煉了我們團結合作的精神。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次課程設計給了我很多體會。我還會繼續(xù)努力的。5 參考文獻【1】康華光主編 模電電子技術基礎 高等教育出版社2006年12月【2】許云峰主編 傳感器基礎實驗與課程設計 電子工業(yè)出版社 2002年2月【3】常用集成芯片使用 北京理工大學出版社 1995年致謝 本設計是在孟凡姿老師的精心指導和大力支持幫助下順利完成的。在此設計中我也學到了很多有關熱電阻PT100測溫電路的制作知識，實驗技能也都有了提高，非常感謝老師的指導。在設計的過程中，老師很有耐心的給我們講解PT100測溫電路的原理和各元件的特點及功能。在做設計焊板子的過程中，我的電路板出現(xiàn)點問題，在我最后快沒有信心的時候，老師過來幫我檢查問題，指導我哪里出現(xiàn)了問題，幫我調試，還告訴我別著急，慢慢來。使我有信心繼續(xù)的做下去，讓我深受鼓舞。在這兩個星期的設計當中，使自己學會了如何面