传感器课程设计-4

扬州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0801姓名：xx学号：081302134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，相应的具体内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TH3605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)的范围为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型温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、湿度测量范围：0％～100％RH；3、使用环境温度范围：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TH36057．万能电路板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、课程设计报告内容：总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：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………………………（2）1.1课程设计的目的…………（2）1.2课程设计的任务…………（2）1.3课程设计的要求与技术指标…………（2）2电路总方案的设计及原理框图……（1）2.1电路设计原理框图………（1）2.2电路设计方案设计………（1）3各部分电路设计……………（3）3.1差动放大器电路的工作原理…………（3）3.2电压跟随器电路的工作原理…………()3.3同相加法器电路的工作原理…………（6）3.4电路的参数选择及计算（方案一，二）……………（8）4电路中各电路元件的性能参数及指标4.1湿度传感器IH3605的性能指标……（12）4.2温度传感器PT1000的性能指标……（12）4.3四运放集成运算放大器的性能指标…………()5电路的安装与调试…………（13）5.1差动放大器的安装与调试……………（13）5.2转换电桥电路的安装与调试…………（13）5.3总电路的安装与调试…………………（13）5.4电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法……………（13）6电路的实验结果及误差分析………（15）6.1实测电路数据……………（15）6.2实验结果的分析…………（15）6.3改进方法……………………（16）7实验总结及收获体会……………………（17）8仪器仪表明细清单…………（18）9参考文献………………………（19）1课题简介课程设计的目的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课程设计的任务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，相应的具体内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。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)的范围为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℃。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。课程设计的要求与技术指标1、设计、组装、调试；2、湿度测量范围：0％～100％RH；3、使用环境温度范围：0～85℃；4、输出电压：0～10V；5、非线性误差：±0.5％。2电路总方案的设计及原理框图2.1电路设计总原理框图图2.1.12.2电路总方案设计应用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)的范围为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℃。由图2.1.1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。3各部分电路设计3.1差动放大器电路的工作原理差动放大器电路是把两个信号分别输入到运算放大器的同相和反相输入端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，然后在输出端取出两个信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的共模成分的电路。采用差动放大器电路，有利于抑制共模干扰和减小漂移。如图3.1.1所示，一基本差动放大电路，它由一只通用的运算放大器和四只电阻。利用电路的线性叠加原理，计算输出信号uo图电压跟随器电路的工作原理电压跟随器，也叫缓冲放大器或单位增益放大器,顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低,因此在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。如下图3.2.1所示，该图基本上是一个同相放大器，其中电阻器Ra由开路代替，电阻器Rf由短路代替，因为运放输入端电压为0，输出电压就等于输入电压Vo=Vi，因此，电压增益为1。用这种放大器的唯一原因是输入电阻高，外加典型的运放低输出电阻。图同相加法器电路的工作原理同相输入加法电路可以实现输入信号的求和运算。如图3.3.1所示图3.3.3依据：得知：令得与的关系式第二种方法利用迭加原理求出及（）当两输入端外电路平衡时，有当时，实现两信号相加，且同相。相比较而言，从反相输入端输入加量的运算简单的多。3.4电路的参数选择及计算（方案一，二）方案一：①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=2mA，则R2=(Uz－Uref)/I=(5.1—1.235)／(2×10－3)=1.933kΩ取系列值2kΩ。为使RPl支路耗电小，令通过其电流为0.1mA，则RPl=1.235／(0.1×10－3)=12.35kΩ取系列值12.5kΩ。传感器无输出电压时，调节RPl，使Uo1=0V。②选择IC2~IC5、R3~R6、RP2。IC2~IC5选择OP07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=8.0kΩ，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)×8.0=24.84kΩ，取R5=20kΩ，则RP2=2(31.06－20)=9.69kΩ，取系列值10kΩR6=R5+(RP2/2)=24.84kΩ，取E192系列25kΩ③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Pt1000型铂金电阻温度传感器，Rt=Ro(1+At+Bt2)。式中，A=3.94*10-3/℃，B=-5.802*10-7,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=8kΩ。t=25℃时，Rt的值为R25，R25=1000(1+3.94*10-3×25-5.802*10-7*252)=1098.5Ω。取RP3=1.5kΩ，调节RP3，使Ra=R25=1098.5Ω，则Uo2=0V。b计算有关参数。KF2=[R5+(RP2/2)]/R3=[20+(10／2)]／8=3.125t=85℃、RH=100%时，Rt的值为R85，即?R85=1000(1+3.94*10-3×85-5.802*10-7*852)=1334.9ΩU8=Uo1=KF2Ui=3.125×(3.50－0.8)=8.4375VUi1=U8Ra／(R12+Ra)=8.4375×1098.5／(10×10－3+1098.5)=1.0187VUi2=U8R85／(R11+R85)=8.4375×1334.9／(10×10－3+1334.9)=1.2066VUo2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=10－8.4375=1.5625V。由IC5组成差动放大器，其放大倍数为KF5，即KF5=Uo2／（Ui2－Ui1)=1.5625／(1.2066－1.0187)=8.3取KF5=10。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=10Rl3，取R13=R15=8kΩ，R14=8×10=80kΩ，R16=R14=80kΩ。当t=85℃、RH=100%时，Uo2的实际值为Uo2=KF5（Ui2－Ui1)=10(1.2066－1.0187)=1.879V设通过RP4支路的电流为1mA，则RP4=1.879／(1×10－3)=1.879kΩ，取系列值2kΩ④选择R7、R8、R9、R10。由IC3组成同相加法器。令R7=R8=R9=R10=8kΩ，在85℃、100%的相对湿度时，调节RP2使Uo1=8.4375V，调节RP4使Uo=10V。方案二：图3.4.1①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OP07单运放。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.2kΩ③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2.2kΩ④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。4电路中各电路元件的工作特性及性能参数指标4.1湿度传感器IH3605的工作特性及性能指标工作特性：集成湿度传感器IH3605如图4.1.1所示，在片内可完成信号的调整，且精度高，线性好。图4.1.1IH3605引脚图以下是IH3605工作特性及性能指标：IH3605的电压输出特性IH3605的输出电压是供电电压、湿度及温度的函数。电源电压升高，输出电压将成比例升高，在实际应用中，通过以下两个步骤可计算出实际的相对湿度值。(1)首先根据下述计算公式，计算出25℃温度条件下相对湿度值RH0。VOUT=VDC(0.0062RH0＋0.16)其中VOUT为IH3605的电压输出值，VDC为IH3605的供电电压值，RH0为25℃时的相对湿度值。(2)进行温度补偿，计算出当前温度下的实际相对湿度值RH。RH=RH0/（1.0546－0.00216t)其中RH为实际的相对湿度值，t为当前的温度值，单位为℃IH3605的输出电压与相对湿度的关系曲线如图4.1.1所示。图4.1.2性能指标：●电源电压：4～5.8V；●供电电流：200μA（5VDC）；●湿度范围：0～100％RH●精度：±2％RH（0～100％RH、25℃、V=5VDC）；●互换性：±5％RH（0～60％RH）;±8％RH（90％RH）；●线性度：±0.5％RH（典型）；●重复性：±0.5％RH；●稳定度：±1％RH（50％RH、5年内）；●响应时间：15s（25℃及空气缓慢流动环境下）；●工作温度：－40℃～85℃；4.2温度传感器PT1000的工作特性及性能指标工作特性：PT1000是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的1000即表示它在0℃时阻值为1000欧姆，在300℃时它的阻值约为2120.515欧姆。它的工业原理：当PT1000在0摄氏度的时候他的阻值为1000欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。常见的pt1000感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成。\o"查看图片"

图4.2.1P性能指标:温度系数：TCR＝3850ppm/K温度范围：B级：−70℃-500℃A级：−50℃-300℃

电线：镀铂镍线规范：DINEN60751（符合IEC751）

尺寸：2.3mm*2.1mm*0.9mm（长*宽*高）线长10mm

长期稳定性：R0漂移小于等于0.04%（500℃，1000小时后）

绝缘电阻：大于100MΩ，20℃时大于2MΩ，500℃时

响应时间：水＠0.4m/st0.5＝0.05St0.9＝0.15S空气＠2m/st0.5＝3.0St0.9＝10.0S

环境条件：未保护时只能用于干燥环境

测量电流：PT10000.1bis0.3mA4.3四运放集成运算放大器LM324的性能指标LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器。除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图4.3.1。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，图4.3.1LM324引脚图5电路的安装与调试5.1差动放大器与转换电桥的安装与调试首先是对差动放大器1的调试，先在传感器的输出端输出湿度为0时所需的电压接入电路。调节RP1，RP2使得差动放大器1的输出电压UO1最小或最接近于零，然后是对差动放大器2的调试，调节RP3使得差动放大器2的输出电压最接近于零。然后在传感器的输出端加上IH3605湿度达到百分之百对应的电压，调节RP4使得输出电压最接近于10V.转换电桥的作用就是为了消除温度对IH3605的影响，采用三线法可以很好的达到预期的目的。5.2总电路的安装与调试在传感器未接入电路的情况下，依次完成对差动放大器1,2及转换电桥的调试。在传感器接入电路时微调RP4使得输出的电压最接近于标准传感器的输出值，但不能改变RP1，RP2的值。这样在差动放大器与转换电桥的正确的安装与调试的基础上，完成了对电路的总的安装与调试。6电路的实验结果及误差分析6.1实测电路数据=1\*GB3①在同一温度下测得传感器的输出（V），电路的是输出电压测量值（V），如表6.1.1传感器的输出X（V）湿度(%)电路的是输出电压测量值Y（V）电路输出的理论值（V）1.04326.230.61890.6231.375616.951.68431.6951.723528.182.81682.8182.04538.553.84573.8552.384249.494.94764.9492.7104605.993563.051371.017.09847.1013.401682.38.22858.233.728192.849.28299.2843.854296.919.69049.696表6.1.1由上表得出传感器的输出电压与电路的输出电压呈线性关系：Y=3.228*X-2.75经计算线性度近似为0.06%，满足实际要求。=2\*GB3②在同一湿度不同温度下传感器的输出电压几乎没有变化，如表6.1.2传感器的输出（V）湿度(%)电路的是输出电压测量值（V）电路输出的理论值（V）2.04538.553.893.8552.04538.553.8873.8552.04538.553.8923.8552.04538.553.8853.855表实验结果的分析所得电路测量相对湿度(RH)的范围为0%~l00%，电路输出电压为0~10v，且具有温度补偿功能，在电桥电路中把Pt1000作为一个桥臂使得电桥能够平衡，而当温度变化而导致湿度传感器变化时，可能通过Pt1000阻值的变化而对此温度进行补偿，使得输出电路只受到湿度的影响而与温度无关。首先我们对所得电路进行的与温度无关的测验，我们把湿度传感器放在常温下测得此时的湿度是38.55%，接着我们拿来烧开的水，把Pt1000放入热水中，此时所得湿度在38.72%，多次测量比较下，所测几乎不变，因此可得我们所做的电路有温度补偿功能。接着我们对电路进行了湿度的检测，把湿度传感器放在开水杯口，湿度慢慢的进行变化，由于水杯口湿度很大，几乎接近100%，电路显示的数值也慢慢变大，最后停留在9.696V，与设计要求相符，因此所得电路是合格的。6.3改进意见和方法首先要保证电路的连接正确，防止松动和虚焊。因为学校提供的导线直径很小容易发生断裂，所以实验中应尽量减少导线的连接。