基于湿度传感器的测量电路设计说明

./大学能源与动力工程学院课程设计报告题目：基于湿度传感器的测量电路设计课程：传感器与测控电路课程实习专业：测控技术与仪器班级：测控0802姓名：学号：指导老师：总目录第一部分：任务书第二部分：课程设计报告第三部分：设计电路图第四部分：实习报告第一部分任务书《传感器与测控电路课程实习》课程设计任务书课题：基于湿度传感器的测量电路设计一个电子产品的设计、制作过程所涉及的知识面很广；加上电子技术的发展异常迅速,新的电子器件的功能在不断提升,新的设计方法不断发展,新的工艺手段层出不穷,它们对传统的设计、制作方法提出了新的挑战。但对于初次涉足电子产品的设计、制作来说,了解并实践一下传感器选择与测控电路的设计、制作的基本过程是很有必要的。由于所涉及的知识面很广,相应的具体容请参考本文中提示的《传感器原理及应用》,《测控电路》,《模拟电子技术基础实验与课程设计》,《电子技术实验》等书的有关章节。一、基于湿度传感器的测量电路设计简介应用IH3605型温度传感器与集成运放设计测量湿度的电路,测量相对湿度<RH>的围为0%~l00%,电路输出电压为0~10V。要求测量电路具有调零功能和温度补偿功能。使用环境温度为0℃~85℃。二、基于湿度传感器的测量电路设计的工作原理：IH3605型湿度传感器本课题中测量电路组成框图如下所示：测量电路由湿度传感器,差动放大器,同相加法放大器等主电路组成；为了实现温度补偿功能,选择铂电阻温度传感器采集环境温度,通过转换电桥和差动放大,输入同相加法器实现加法运算,补偿环境温度对湿度传感器的影响,其中转换电桥工作电压由差动放大器输出电压通过电压跟随器提供。三、设计目的1.掌握传感器选择的一般设计方法；2.掌握模拟IC器件的应用；3.掌握测量电路的设计方法；4.培养综合应用所学知识来指导实践的能力。四、设计要求及技术指标1.设计、组装、调试；2.湿度测量围：0％～100％RH；3.使用环境温度围：0～85℃；4.输出电压：0～10V；5.非线性误差：±0.5％。五、设计所用仪器及器件1.直流稳压电源2.双踪示波器3.万用表4.运放OP075.电阻、电容若干6.湿度传感器IH36057.万能电路板8.电烙铁等六、日程安排1.布置任务、查阅资料,方案设计；〔2天根据设计要求,查阅参考资料,进行方案设计及可行性论证,确定设计方案,画出电路图。2.上机用EDA软件对设计电路进行模拟仿真调试；〔2天要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。3.电路的装配及调试；〔3天在万能板上对电路进行装配调试,使其全面达到规定的技术指标,最终通过验收。4.总结撰写课程设计报告。〔1天七、课程设计报告容：总结设计过程,写出设计报告,设计报告具体容要求如下：1.课程设计的目和设计的任务；2.课程设计的要求及技术指标；3.总方案的确定并画出原理框图；4.各组成单元电路设计,及电路的原理、工作特性<结合设计图写>；5.总原理图,工作原理、工作特性〔结合框图及电路图讲解；6.电路安装、调试步骤及方法,调试中遇到的问题,及分析解决方法；7.实验结果分析,改进意见及收获；8.体会。八、电子电路设计的一般方法：1.仔细分析产品的功能要求,利用互连网、图书、杂志查阅资料,从中提取相关和最有价值的信息、方法。〔1设计总体方案。〔2设计单元电路、选择传感器、测量电路元器件、根据需要调整总体方案。〔3计算电路〔元件参数。〔4绘制总体电路初稿。〔5上机在EDB〔或EDA电路实验仿真。〔6绘制总体电路。2.明确电路图设计的基本要求进行电路设计。并上机在EDB〔或EDA上进行电路实验仿真,电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件,利用这些软件可显著减轻了人工绘图的压力,电路实验仿真大大减少人工重复劳动,并可帮助工程技术人员调整电路的整体布局,减少电路不同部分的相互干扰等等。3.掌握常用元器件的识别和测试。电子元器件种类繁多,并且不断有新的功能、性能更好的元器件出现。需要通过互连网、图书、杂志查阅它们的识别和测试方法。对于常用元器件,不少手册有所介绍。4.熟悉常用仪表,了解电路调试的基本方法。通过排除电路故障,提高电路性能的过程,巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。5.独立撰写课程设计报告。第二部分课程设计报告目录1课题简介………………<1>2课程设计的目的和设计的任务………<2>2.1课程设计的目的……………………<2>2.2课程设计的任务……………………<2>3课程设计的要求及技术指标…………<3>3.1课程设计的要求……………………<3>3.2课程设计的技术指标………………<3>4总方案及原理框图……………………<4>4.1电路设计总方案……………………<4>4.2电路设计原理框图…………………<4>5各组成部分的工作原理………………<5>5.1差动放大电路………………………<5>5.2温度补偿电路………………………<5>5.3加法比例运算电路…………………<6>6电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用…………………<7>6.1差动放大电路………………………<7>6.2温度补偿电路试……………………<8>6.3加法比例运算电路…………………<11>7总原理图………………<13>8电路安装、调试步骤及方法…………<15>8.1电路的安装…………<15>8.2电路调试的步骤及方法……………<15>9实验结果分析…………<16>10改进意见、收获、体会、设计总结…………………<17>10.1电路的改进意见……………………<17>10.2课程设计的收获与体会……………<17>10.3课程设计的总结……………………<17>11仪器仪表清单…………<18>11.1元器件清单…………<18>11.2引用仪器、仪表清单………………<18>参考文献…………………<19>.1课题简介基于湿度传感器的测量电路设计：应用IH3605型温度传感器与集成运放设计测量湿度的电路,测量相对湿度<RH>的围为0%~l00%,电路输出电压为0~10v。要求测量电路具有调零功能和温度补偿功能。使用环境温度为0℃~85℃。测量电路由湿度传感器,差动放大器,同相加法放大器等主电路组成；为了实现温度补偿功能,选择铂电阻温度传感器采集环境温度,通过转换电桥和差动放大,输入同相加法器实现加法运算,补偿环境温度对湿度传感器的影响,其中转换电桥工作电压由差动放大器输出电压通过电压跟随器提供。2课程设计的目的和设计的任务2.1课程设计的目的1.掌握传感器选择的一般设计方法；2.掌握模拟IC器件的应用；3.掌握测量电路的设计方法；4.培养综合应用所学知识来指导实践的能力。2.2课程设计的任务应用IH3605型温度传感器与集成运放设计测量湿度的电路,测量相对湿度<RH>的围为0%~l00%,电路输出电压为0~10V。要求测量电路具有调零功能和温度补偿功能。使用环境温度为0℃~85℃。3课程设计的要求及技术指标3.1课程设计的要求1.根据设计要求,查阅参考资料,2.进行方案设计及可行性论证3.确定设计方案,画出电路原理框图。4.设计每一部分电路,计算器件参数5.在万能板上对电路进行装配调试,使其全面达到规定的技术指标,记录调试数据,最终通过验收。6.总结撰写课程设计报告。〔1课程设计的目的和设计的任务〔2课程设计的要求及技术指标传感器的性能、主要技术指标、使用条件仔细分析产品的功能要求,利用互连网、图书、杂志查阅资料,从中提取相关和最有价值的信息、方法。〔3总方案的确定并画出原理框图。〔4各组成单元电路设计,及电路的原理、工作特性<结合设计图写>〔5总原理图,工作原理、工作特性〔结合框图及电路图讲解及各元件参数分析误差及产生原因〔6电路安装、调试步骤及方法,调试中遇到的问题,及分析解决方法。〔7实验结果分析,改进意见及收获。〔8元器件清单〔9仪器仪表清单〔10体会。3.2课程设计的技术指标1.湿度测量围：0％～100％RH；2.使用环境温度围：0～85℃；3.输出电压：0～10V；4.非线性误差：±0.5％。4总方案及原理框图4.1电路设计总方案测量电路由湿度传感器,差动放大器,同相加法放大器等主电路组成；为了实现温度补偿功能,选择铂电阻温度传感器采集环境温度,通过转换电桥和差动放大,输入同相加法器实现加法运算,补偿环境温度对湿度传感器的影响,其中转换电桥工作电压由差动放大器输出电压通过电压跟随器提供。4.2电路设计原理框图图1原理框图5各组成部分的工作原理5.1差动放大电路差动放大器:是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端,然后在输出端取出二个信号的差模成分,而尽量抑制二个信号的共模成分。图2差动放大电路5.2温度补偿电路何谓电桥放大电路？由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。应用于何种场合？应用于电参量式传感器,如电感式、电阻应变式、电容式传感器等,经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号,并用运算放大器作进一步放大,或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路,输出放大了的电压信号。差动输入电桥放大电路∞∞-++NR2=R1uoR1uR<1+δ>uaubRRR图3差动输入电桥放大电路5.3加法比例运算电路uoR2uoR2R3R1Rf++ui1ui2-u+图4加法比例运算电路取=,则uo=<1+><ui1+ui2>。当R2=R3时,uo=〔1+><ui1+ui2>。6电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用6.1差动放大电路方案一：图5方案一的差动放大电路①选择VS、Rl、ICl、R2、RP1确定电源电压。因输出电压Uo=10V,电源电压取15V。由ICl、R2、RP1组成调零电路。由VS、R1组成传感器电源<5V>,给传感器和调零电路供电。VS选用MTZJ5IB型稳压二极管,Uz=5.IV,Iz=5mA,则R1=<Ucc－Uz>/Iz=<15－5.1>／<5×10－3>=l.98kΩ取系列值2kΩ。ICl选用LM385型基准电压源,基准电压Uref=l.235V,工作电流为10μA~20mA,取工作电流I=lmA,则R2=<Uz－Uref>/I=<5.1—1.235>／<1×10－3>=3.865kΩ取系列值3.9kΩ。为使RPl支路耗电小,令通过其电流为0.2mA,则RPl=1.235／<0.2×10－3>=6.175kΩ取系列值6.8kΩ。当相对湿度为0时,调节RPl,使Uo1=0V。②选择IC2~IC5、R3~R6、RP2。IC2~IC5选择7F324型四运放。由IC2等组成差动放大器后有如下关系式,即R3=R4．R5+<RP2/2>=R6,放大倍数KF2=[R5+<RP2/2>]／R3今R3=R4=10.0kΩ,25℃、100%<RH>时,传感器输出电雎为4.02V,调零后,Ui=4.02－0.8=322V,Uo1应为10V。R5+<RP2/2>=KF2×R3=<Uo1／Ui>R3=<10/3.22>×10.0=31.06kΩ,取R5=27kΩ,则RP2=2<31.06－27>=8.12kΩ,取系列值8.2kΩR6=R5+<RP2/2>=31.06kΩ,取E192系列3l.2kΩ方案2：图6方案二的差动放大电路在25℃,0%湿度的情况下,湿度传感器的输出Us=Ui1=0.8V,使R0=R1=10kΩ,Ui2=0.8V,这时Uo1=0V,从而达到了起始校零的目的。在25℃,100%湿度的情况下,湿度传感器的输出Us=Ui1=4.02V,为了使总电路的输出Uo=10V,应使差动放大器的放大倍数Kf1=10/<0.8-4.02>=3.106.而Kf1=-Rf/R1,则Rf=Kf1*R1=31.06kΩ.6.2温度补偿电路方案一：图7方案一的温度补偿电路选择R11~R16、RP3、RP4、Rt。a选择Rt、R11、R12、RP3。由IC4、IC5及R11~R16、RP3、RP4、Rt组成温度补偿电路。其中,R11、R12、RP3、Rt可组成温度补偿电桥。Rt选择EL－700型铂金电阻温度传感器,RtRo<1+α2t>。式中,α2=0.00375/℃,Ro=1000Ω,Rt的工作电流推荐值为lmA。IC4为电压跟随器,8脚输出电压U8的最大值为10V,令R11=R12=10kΩ。t=25℃时,Rt的值为R25,R25=1000<1+0.00375×25>=1093.75Ω。取RP3=1.5kΩ,调节RP3,使Ra=R25=1093.75Ω,则Uo2=0V。b计算有关参数。KF2=[R5+<RP2/2>]/R3=[27+<8.2／2>]／10=3.11t=85℃、RH=100%时,Rt的值为R85,即R85=1000<1+0.00375×85>=1318.7ΩU8=Uo1=KF2Ui=3.11×<3.50－0.8>=8.397VUi1=U8Ra／<R12+Ra>=8.397×1093.75／<10×10－3+1093.75>=0.8279VUi2=U8R85／<R11+R85>=8.397×1318.7／<10×10－3+1318.7>=0.9783VUo2为温度补偿电压。当t=85℃、RH=100%时,Uo1=8.397V,要求电路输出10V,则补偿电压Uo2=10－8.397=1.603V。由IC5组成差动放大器,其放大倍数为KF5,即KF5=Uo2／〔Ui2－Ui1>=1.603／<0.9783－0.8279>=10.66取KF5=15。c选择R13~R16、RP4。由IC5组成差动放大器后有如下关系式,即R13=R15,R14=R16,KF5=R14／R13R14=KF5R13=15Rl3,取R13=R15=10kΩ,R14=15×10=150kΩ,R16=R14=150kΩ。当t=85℃、RH=100%时,Uo2的实际值为Uo2=KF5〔Ui2－Ui1>=15<0.9783－0.8279>=2.256V设通过RP4支路的电流为1mA,则RP4=2.256／<1×10－3>=2.256kΩ,取系列值2.2kΩ方案二：图8方案二的温度补偿电路在85℃,100%湿度的情况下,湿度传感器的输出Us=Ui1=3.5V,则Uo1=3.106*<3.5-0.8>=8.3862V,为了使总电路的输出Uo=10V,需温度补偿,使Uo2=10-Uo1=1.6138V。调节使电桥在25℃时平衡,此时Pt1000的电阻R25=1000*<1+0.00375*25>=1093.75Ω,使R2=R3=10kΩ,Ra=1kΩ,则R4=R25+Ra=2093.75Ω。在85℃时,Pt1000的电阻R85=1000*<1+0.00375*85>=1318.7Ω,则差动放大器输入Ui1=Uo1*R4/<R2+R4>=8.3862*2093.75/12093.75=1.452V,Ui2=Uo1*<Ra+R85>/<R3+Ra+R85>=8.3862*2318.7/12318.7=1.578V.差动放大器的放大倍数Kf2=Uo2/<Ui1-Ui2>=-R11/R6=1.6138/<1.452-1.578>=-12.81。取R6=R7=10kΩ,则R11=R8=12.81*10=128.1kΩ。6.3加法比例运算电路方案一：图9方案一的加法比例运算电路选择R7、R8、R9、R10。由IC3组成同相加法器。令R7=R8=R9=R10=10kΩ,在85℃、100%的相对湿度时,调节RP2使Uo1=8.379V,调节RP4使Uo=10V。方案二：图10方案二的加法比例运算电路放大器的放大倍数为1,取R5=R9=R10=R12=10kΩ.则R13为无穷大,即断开,可去除。7总原理图图11方案一的总电路图图12方案二的总电路图8电路安装、调试步骤及方法8.1电路的安装1.将准备好的器材分好类。2.将电阻的阻值标号。3.准备好接线。4.画好接线图,合理分布元器件。5.按接线图接线并焊接。8.2电路调试的步骤及方法1.起始校零。使湿度传感器处于25℃,0%湿度的条件下,调节Rp1,使差动放大器1的输出Uo1为零。2.调节差动放大器1的放大倍数。使湿度传感器处于25℃,100%湿度的条件下,断开温度补偿电路,调节Rp2,使总电路的输出Uo为10V。3.调节温度补偿电路中的电桥平衡。使湿度传感器处于85℃,0%湿度的条件下,给温度补偿电路一驱动电压,并让Pt1000处于25℃条件下,调节Rp3,使差动放大器2的输出Uo2为零。4.调节差动放大器2的放大倍数。使湿度传感器处于85℃,100%湿度的条件下,并让Pt1000处于85℃的条件下,调节Rp4,使总电路的输出Uo为10V。9实验结果分析1.在起始校零时,通过对Rp1的调节,测得Uo1为0.0598V,由此可以确定电路可以得到测量围的下线0V。2.当湿度传感器处于25℃,100%湿度,温度补偿电路断开时,通过调节Rp2,可以使总电路的输出为10V,由此可以确定电路可以得到测量围的上线10V。3.给温度补偿电路一定的驱动电压,并让Pt1000处于25℃条件下,通过调节Rp3,温度补偿电路的最小输出为0.2735V,可见电桥无法平衡,但差动放大器的的输出很小,对测量结果影响不大。达不到平衡的可能原因是,滑动变阻器的围小于Pt1000处于25℃条件下的电阻。4.当湿度传感器处于85℃,100%湿度,温度补偿电路连接时,通过调节Rp4,可以使总电路的输出为10V,由此可以保证温度补偿电路的有效工作。10改进意见、收获、体会、设计总结10.1电路的改进意见方案二为起始的电路,方案一为改进后的电路,在方案一中使用了多个滑动变阻器,可以使测量更精准。因为在方案二中的一些电阻没有现成的,不便于实际的装配,当然由于是固定电阻,亦无法调节,灵活性不高。10.2课程设计的收获与体会在这为期一周的课程设计中,由于我们分工明确,又有充分的实验前得准备,所以在做的过程中还算顺利。虽然,在调试的的过程中也遇到了一些问题,也焦急、郁闷过,但都通过我们的分析和修改,在最后调试成功了。这次的课程设计让我认识到,提前准备和团队合作对事情成功的重要性。当然,做事情也不能太过急切,因为忙中会出乱。所以做任何事情都要淡定、仔细。10.3课程设计的总结这次我们的课程设计是设计一个基于湿度传感器的测量电路,在开始的时候,老师先让我们自己设计电路。虽然我设计的电路大概意思没有问题,但还有很多的事情欠考虑。看了老师改进的电路,虽然只是加了几个滑动变阻器,但顿时让电路的灵活性和测量的准确性得到了提高。在调试的时候,我们发现电路的的焊接也出了一些问题,可见我们还不是很细心。吸取了这次课程设计的教训,我相信我们在下次的课程设计中会做的更好。11仪器仪表清单11.1元器件清单1.电阻10kΩ9个150kΩ 2个3.9kΩ 1个2kΩ1个30kΩ1个27kΩ 1个2.滑动变阻器10kΩ 2个2kΩ 2个LM3241个LM3851个5.1V稳压管1个14脚座1个8脚座1个11.2引用仪器、仪表清单1．直流稳压电源2．万用表3．湿度传感器TH36054.温度传感器Pt10005．万能电路板6．电烙铁等参考文献[1]童诗白主编.《模拟电子技术基础》<第三版>·高教.2001[2]素行主编.《模拟电子线路基础简明教程》素行<第二版>·高教.1998[3]王成华主编.《电子线路基础教