半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計

1、東北石油大學(xué)課程設(shè)計課程傳感器課程設(shè)計題目半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計院系電氣信息工程學(xué)院專業(yè)班級測控09學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號指導(dǎo)教師2012 年 6 月 25任務(wù)書課程傳感器課程設(shè)計題目半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計專業(yè)測控技術(shù)與儀器姓名學(xué)號主要內(nèi)容：利用溫度傳感器和熱電偶設(shè)計制作一個溫度測量系統(tǒng)。參考利用半導(dǎo)體溫度傳感 器 AD590 和單片機技術(shù)設(shè)計制作一個顯示室溫的數(shù)字溫度計的設(shè)計提示與分析。進一 步了解有關(guān)溫度傳感器的工作原理，制定設(shè)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(shè)計合理的信號調(diào)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(yīng)用技術(shù)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(yīng)用M.北京：航空大學(xué)出版社，2004.27-34.張福學(xué).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(shù)M.杭州：浙江大學(xué)出版社，1987.22-27.完成期限20126252012629指導(dǎo)教師專業(yè)負責(zé)人2012年 6 月 25 日摘要傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品 ,尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域,數(shù)量高居各種傳感器之首。半導(dǎo)體傳感器是利用某 些半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的特

3、性制成的。半導(dǎo)體具有很寬的溫度反應(yīng)特 性,各種半導(dǎo)體的溫度反應(yīng)區(qū)段不同。利用半導(dǎo)體溫度傳感器 AD590 設(shè)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(zhì)是一種半導(dǎo)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(yīng)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(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞傳感器；半導(dǎo)體；溫度傳感器；AD590目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 一 、設(shè)計要求 1 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document

4、 二、方案設(shè)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(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇 3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 1、單元電路設(shè)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(jié) 7半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計一 、設(shè)計要求參考下面的利用半導(dǎo)體溫度傳感器 AD590 和單片機技術(shù)設(shè)計制作一個顯示室 溫的數(shù)字溫度計的設(shè)計提示與分析。用單片機和AD芯片進行信號的采集等相關(guān)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(guān) 程序，并對單片機的程序制作詳細解釋。二、方案設(shè)

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(gòu)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(nèi)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(yīng)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(yīng)具有良好的線性關(guān)系；電阻率高，熱容量小，反應(yīng)速度快；材料的復(fù) 現(xiàn)性和工藝性好，價格低；在測溫范圍內(nèi)化學(xué)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(zhì)是一種半導(dǎo)體集成電路。它利用晶體 管的b-e結(jié)壓降的不飽和值Vre與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關(guān)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(yīng)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(chǎn)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(xué)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(jīng)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(nèi)，非線性誤差為土0.3C。I檔誤差較大，誤差 為10C，應(yīng)用時應(yīng)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(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)品。溫度傳感器的特點為，結(jié)構(gòu)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(jīng)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(yīng)具備很多條件，比如溫度范圍寬、 精度高、響應(yīng)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(yīng)速度慢、結(jié)構(gòu)簡單等特點，

10、非 接觸型溫度傳感器響應(yīng)速度快，還可以應(yīng)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(diào)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(diào)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(guān)系為1mv/oC。經(jīng)過傳感器前端調(diào)整后的信號V 要經(jīng)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(yù)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(yù)計采樣為05v的標準信號，

11、對應(yīng)采樣結(jié)果位0 255。基本能滿足設(shè)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(yīng)地被轉(zhuǎn)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(jié)果乘上80后在除去204。這里要求出差分 電壓V 放大成為預(yù)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(jié)果02/2.5*255=204單片機顯示0240*80/204=80五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元電

12、路設(shè)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(yīng)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(diào)整兩個電阻，影響整個信號放大精確度就更加復(fù)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(diào)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(zhuǎn)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(chǎn)生一個正脈沖，鎖存通道地址和啟動A/D轉(zhuǎn)換；執(zhí)行一條 輸出指令，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。可采用延時等待AD轉(zhuǎn)換結(jié)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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)束信號E0C經(jīng)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(fù)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(fù)位電 陰，10%, R1, AXIAL-0.4,10K、限流電陰，10%, R2-R14 , 510,復(fù)位開關(guān) 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(diào)整信號可變電阻 VR2 102、調(diào)整信號可變電阻 VR2 202、調(diào)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(dǎo)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(jié)溫度是工業(yè)中非常關(guān)鍵的一項物理量，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、各種高新技術(shù)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(shù)的發(fā)展，傳感 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，溫度測試技術(shù)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(shè)施就需要從新技術(shù)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(shè)計需要采用傳感器技術(shù)與電子 技術(shù)相結(jié)合。設(shè)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(chǔ)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(xué) 技術(shù)領(lǐng)域無時不在進行檢測?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展和檢測技術(shù)的發(fā)展是密切相關(guān)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(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。同時，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展達到的水平越高，又為檢測技術(shù)、傳 感器技術(shù)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(yīng)用極其廣泛，目前已經(jīng)研制出 多種新型傳感器。經(jīng)過傳感器課程設(shè)計，終于完成了我組的數(shù)字溫度計的設(shè)計，雖然沒有完全 達到設(shè)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(jīng)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(shè)計，單片機也能實現(xiàn)測溫。從這次的課程設(shè)計中，我學(xué)習(xí)到 很多知識，也知道了自己的一些不足，在以后的學(xué)習(xí)中，仔細認真，注重細節(jié)， 要理論聯(lián)系實際，把我們所學(xué)到的知識應(yīng)用到實