半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

1、東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)課程傳感器課程設(shè)計(jì)題目半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)院系電氣信息工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)測(cè)控09學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師2012 年 6 月 25任務(wù)書課程傳感器課程設(shè)計(jì)題目半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器姓名學(xué)號(hào)主要內(nèi)容：利用溫度傳感器和熱電偶設(shè)計(jì)制作一個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)。參考利用半導(dǎo)體溫度傳感 器 AD590 和單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)顯示室溫的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)提示與分析。進(jìn)一 步了解有關(guān)溫度傳感器的工作原理，制定設(shè)計(jì)方案，確定溫度傳感器的型號(hào)等參數(shù)， 掌握溫度的檢測(cè)方法。基本要求：1、詳細(xì)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(jì)合理的信號(hào)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(shí)用傳感器電路M.北京：中國計(jì)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(fù)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(jì)制作一個(gè) 溫度測(cè)量系統(tǒng),AD590是一種集成溫度傳感器，其實(shí)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(jì)要求 1 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document

4、 二、方案設(shè)計(jì) 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(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇 3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 1、單元電路設(shè)計(jì) 4 HYPERLI

5、NK l bookmark42 o Current Document 2、參數(shù)計(jì)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(jì)一 、設(shè)計(jì)要求參考下面的利用半導(dǎo)體溫度傳感器 AD590 和單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)顯示室 溫的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)提示與分析。用單片機(jī)和AD芯片進(jìn)行信號(hào)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(jī)開發(fā)軟件中編寫相關(guān) 程序，并對(duì)單片機(jī)的程序制作詳細(xì)解釋。二、方案設(shè)

6、計(jì)1、方案說明1、方案一利用熱敏電阻測(cè)量溫度，熱敏電阻的電阻值隨溫度變化而改變，通過測(cè)量其 阻值推算出被測(cè)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(cè)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(jià)格低；在測(cè)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(shí)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(shí)

7、現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)。VREkTqVREkTqln I1)式中：k-是波耳茲曼常數(shù)；q-是電子電荷絕對(duì)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(shí)輸出0,溫度25C時(shí)輸出2.9815V。電流 輸出型的靈敏度一般為1UA/K, 25C時(shí)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(cè)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(dāng)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(huì)損壞。輸出電阻為710MQ。AD590在出廠前已經(jīng)校準(zhǔn)，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(shí)應(yīng)校正。由于 AD590 的精度高、價(jià)格低、不需輔助電源、線性度好，因此常用于測(cè)量 和熱電偶的冷端補(bǔ)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(hào)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(diǎn)為，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 測(cè)量范圍寬，穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)。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(hào)輸出，還可以 集成濕度測(cè)量，信號(hào)輸出也由原來的單一信號(hào)變成多樣化的輸出形式， 可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要進(jìn)行記錄、上限報(bào)警和自控控 制等多種功能。溫度傳感器是通過測(cè)量物體的某些參數(shù)隨著溫度的變化而間接測(cè)量 溫度的。一個(gè)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(jià)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(jià)格低、響應(yīng)速度慢、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，

10、非 接觸型溫度傳感器響應(yīng)速度快，還可以應(yīng)該用測(cè)量高溫、有腐蝕性的場(chǎng)四、電路的工作原理傳感器前端信號(hào)調(diào)理如圖I所示。要求的測(cè)量范圍為室溫，這里定位0 80oC。0oC時(shí)，A點(diǎn)輸出電壓為273.2mv； 80oC時(shí)，A點(diǎn)輸出電壓為（273.2+80） mv。調(diào)整B點(diǎn)的電壓使之為273.2mv,這樣就可以得到差分電壓信號(hào)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(hào)V 要經(jīng)過放大才能夠被單片AB機(jī)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(jī)和 AD590 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、處理。 AD590 是一個(gè)8通道8位ADC芯片，預(yù)計(jì)采樣為05v的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，

11、對(duì)應(yīng)采樣結(jié)果位0 255?；灸軡M足設(shè)計(jì)要求（范圍080度，誤差為1 oC ）。信號(hào)數(shù)據(jù)在測(cè)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(hào)數(shù)據(jù)取值范圍為02v；單 片機(jī)接入通道參考電壓為2.5v，故02.5v的信號(hào)相應(yīng)地被轉(zhuǎn)換為0255這數(shù)據(jù)； 單片機(jī)顯示溫度數(shù)據(jù)等于單片機(jī)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的增益。AB表 1 測(cè)量數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中流程變化8080溫度78080V AB差分信號(hào)mV放大后信號(hào)V02單片機(jī)采樣結(jié)果02/2.5*255=204單片機(jī)顯示0240*80/204=80五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇1、單元電

12、路設(shè)計(jì)放大器可選用LM318、LM741、121等Op Amp。我們實(shí)驗(yàn)室有一種更好使用的 放大器AD620（在一般信號(hào)放大的應(yīng)用中通常只要透過差動(dòng)放大電路即可滿足要 求。然而基本的差動(dòng)放大電路精密度較差，且差動(dòng)放大電路上改變放大增益時(shí)， 必須調(diào)整兩個(gè)電阻，影響整個(gè)信號(hào)放大精確度就更加復(fù)雜。儀表放大器則無上述 的缺點(diǎn)。簡(jiǎn)單地說就是使用方便簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是價(jià)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?yàn)锳D620工作需要12的電壓接在+VS和-VS上，這里采用一個(gè)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(hào)調(diào)理電路就基本完成了，如圖4。檔T=0oC時(shí),=0V；檔T=80oC0時(shí)，V=2V；及靈敏度為25mv/oC。02、參數(shù)計(jì)算因ADC0809的參數(shù)電壓為V2.5V，單片機(jī)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(jì)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(hào)是89C52的CLK管腳， 給 ADC0809 提供 666K

14、Hz 的時(shí)鐘信號(hào)。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(shí)，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(gè)正脈沖，鎖存通道地址和啟動(dòng)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(shí)等待AD轉(zhuǎn)換結(jié)束方式，分別對(duì)8個(gè)通道模擬信號(hào)輪流采樣一次， 并依次大結(jié)果存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)可以將0809作為外擴(kuò)的并行I/O 口，由p2.7 口和WP 口脈沖同時(shí)有 效來啟動(dòng)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(hào)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(jī)座、單片機(jī) 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(jī)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(hào)可變電阻 VR2 102、調(diào)整信號(hào)可變電阻 VR2 202、調(diào)整信號(hào)可變電阻 VR2 103、晶振，ale六份頻為666KHZ Y1、實(shí)驗(yàn)板Z1, Z2、銅螺柱四個(gè)、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(hào)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(jī)DIP4017溫度傳感器AD59018信號(hào)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(xiàng)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(gè)非常普遍和常用的測(cè)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(cè)試技術(shù)已向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展?；诖耍岢隽?溫度的數(shù)字化測(cè)量。 隨著人們生活水平的不斷提高，數(shù)字溫度計(jì)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(jì)需要采用傳感器技術(shù)與電子 技術(shù)相結(jié)合。設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，輸出溫度采用數(shù)字顯示， 具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫準(zhǔn)確等重要特點(diǎn)。主要用于測(cè)溫比較準(zhǔn)確的場(chǎng) 所。數(shù)字溫度計(jì)與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫準(zhǔn)確， 其輸出溫度采用數(shù)字顯。主要用于對(duì)測(cè)溫比較準(zhǔn)確的場(chǎng)所，或科研實(shí)驗(yàn)室使用。 檢測(cè)是控制的基礎(chǔ)和前提，而檢測(cè)的精度必須高于控制的精確度，否則無從實(shí)現(xiàn) 控制的精度要求。不僅如此，檢測(cè)還涉及國計(jì)民生各個(gè)部門，可以說在所以科學(xué) 技術(shù)領(lǐng)域無時(shí)不在進(jìn)行檢測(cè)?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展是密切相關(guān)的。 現(xiàn)代化的檢測(cè)手段能達(dá)到的精度、靈敏度及測(cè)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(shí)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展達(dá)到的水平越高，又為檢測(cè)技術(shù)、傳 感器技術(shù)提供了新的前提手段。目前溫度計(jì)的發(fā)展很快，從原始的玻璃管溫度計(jì) 發(fā)展到了現(xiàn)在的熱電阻溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、數(shù)字溫度計(jì)、電子溫度計(jì)等等。 目前的溫度計(jì)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(jì) 的精度、測(cè)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(jì)，終于完成了我組的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)，雖然沒有完全 達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但從心底里說，還是高興的。很感謝老師提供一個(gè)機(jī)會(huì)，讓我更 深刻的了解了溫度傳感器和單片機(jī)，經(jīng)過辛勤努力查找資料，終于按計(jì)劃完成了 數(shù)字溫度傳感器的設(shè)計(jì)，單片機(jī)也能實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。從這次的課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)習(xí)到 很多知識(shí)，也知道了自己的一些不足，在以后的學(xué)習(xí)中，仔細(xì)認(rèn)真，注重細(xì)節(jié)， 要理論聯(lián)系實(shí)際，把我們所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)