1、吉林建工学院城建学院电气信息工程系自动化专业课程设计论文纸 共 12 页 第 1 页装订线1 前言当今世界已进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm 的粒子世界，纵向上
2、要观察长达数十万年的天体演化，短到 s 的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到
3、浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。传感器可分为：1 微型化（Micro）为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏性等）的要求越来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，
4、所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。2 智能化（Smart）智能化传感器（Smart Sensor）是 20 世纪 80 年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视，尤其在探测器应用领域，如分布式实时探测、网络探测和多信号探测方面一直颇受欢迎，产生的影响较大。3 多功能传感器（ Multifunction）如前所述，通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。
5、由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。4 无线网络化（ wireless networked）吉林建工学院城建学院电气信息工程系自动化专业课程设计论文纸 共 12 页 第 2 页装订线无线网络对我们来说并不陌生，比如手机，无线上网，电视机。传感器对我们来说也不陌生，比如温度传感器、压力传感器，还有比较新颖的气味
6、传感器。但是，把二者结合在起来，提出无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）这个概念，却是近几年才发生的事情。 这个网络的主要组成部分就是一个个可爱的传感器节点。说它们可爱，是因为它们的体积都非常小巧。这些节点可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。更让人感兴趣的是，每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器。当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着 CAD 技术、MEMS 技术
7、、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。吉林建工学院城建学院电气信息工程系自动化专业课程设计论文纸 共 12 页 第 3 页装订线1.1 设计目的(1) 理论与实践结合设计热电阻 PT100 测温电路。(2) 掌握 PT100 测温电路的工作原理、焊接与调试方法。(3) 了解，掌握，并能独立调式设计 PT100 测温电路，以及各组成元件的使用和原理。(4) 熟练使用万用
8、表的各个功能。1.2 设计任务利用所有元件焊电路板，并调试成功，充分锻炼动手能力和思考能力。1.3 设计内容及要求(1)利用所有元件焊电路板，并调试成功，充分锻炼动手能力和思考能力。(2)利用电路板进行调试的数据进行计算，写出计算结果吉林建工学院城建学院电气信息工程系自动化专业课程设计论文纸 共 12 页 第 4 页装订线2 热电阻 PT100 简介及工作原理2.1 热电阻 PT100 的简介热 电 阻 是 把 温 度 变 化 转 换 为 电 阻 值 变 化 的 一 次 元 件 ， 通 常 需 要 把 电 阻 信 号 通过 引 线 传 递 到 计 算 机 控 制 装 置 或 者 其 它 一 次
9、 仪 表 上 。 工 业 用 热 电 阻 安 装 在 生 产 现场 ， 与 控 制 室 之 间 存 在 一 定 的 距 离 ， 因 此 热 电 阻 的 引 线 对 测 量 结 果 会 有 较 大 的 影响 。温 度 是 自 然 界 中 和 人 类 打 交 道 最 多 的 物 理 参 数 之 一 ， 无 论 是 在 生 产 实 验 场 所 ，还 是 在 居 住 休 闲 场 所 ， 温 度 的 采 集 或 控 制 都 十 分 频 繁 和 重 要 ， 而 且 ， 网 络 化 远 程采 集 温 度 并 报 警 是 现 代 科 技 发 展 的 一 个 必 然 趋 势 。 由 于 温 度 不 管 是 从
10、物 理 量 本身 还 是 在 实 际 人 们 的 生 活 中 都 有 着 密 切 的 关 系 ， 所 以 温 传 感 器 就 会 相 应 产 生 。 二 线 制 ： 在 热 电 阻 的 两 端 各 连 接 一 根 导 线 来 引 出 电 阻 信 号 的 方 式 叫 二 线 制 ：这 种 引 线 方 法 很 简 单 ， 但 由 于 连 接 导 线 必 然 存 在 引 线 电 阻 r， r 大 小 与 导 线 的 材质 和 长 度 的 因 素 有 关 ， 因 此 这 种 引 线 方 式 只 适 用 于 测 量 精 度 较 低 的 场 合 三 线 制 ： 在 热 电 阻 的 根 部 的 一 端 连
11、接 一 根 引 线 ， 另 一 端 连 接 两 根 引 线 的 方 式称 为 三 线 制 : 这 种 方 式 通 常 与 电 桥 配 套 使 用 ， 可 以 较 好 的 消 除 引 线 电 阻 的 影 响 ，是 工 业 过 程 控 制 中 的 最 常 用 的 。 四 线 制 ： 在 热 电 阻 的 根 部 两 端 各 连 接 两 根 导 线 的 方 式 称 为 四 线 制 ， 其 中 两 根引 线 为 热 电 阻 提 供 恒 定 电 流 I， 把 R 转 换 成 电 压 信 号 U， 再 通 过 另 两 根 引 线 把U 引 至 二 次 仪 表 。 可 见 这 种 引 线 方 式 可 完 全
12、消 除 引 线 的 电 阻 影 响 ， 主 要 用 于 高 精度 的 温 度 检 测 。 热 电 阻 采 用 三 线 制 接 法 。 采 用 三 线 制 是 为 了 消 除 连 接 导 线 电 阻 引 起 的 测 量 误差 。 这 是 因 为 测 量 热 电 阻 的 电 路 一 般 是 不 平 衡 电 桥 。 常 用 的 PT 电 阻 揭 发 有 三 线制 和 两 线 制 ， 其 中 三 线 制 接 法 的 优 点 是 将 PT100 的 两 侧 相 等 的 导 线 长 度 分 别 加两 侧 的 桥 臂 上 ， 使 得 导 线 电 阻 得 以 消 除 。热 电 阻 作 为 电 桥 的 一 个
13、桥 臂 电 阻 ， 其 连 接 导 线 （ 从 热 电 阻 到 中 控 室 ） 也 成 为桥 臂 电 阻 的 一 部 分 ， 这 一 部 分 电 阻 是 未 知 的 且 随 环 境 温 度 变 化 ， 造 成 测 量 误 差 。采 用 三 线 制 ， 将 导 线 一 根 接 到 电 桥 的 电 源 端 ， 其 余 两 根 分 别 接 到 热 电 阻 所 在 的 桥臂 及 与 其 相 邻 的 桥 臂 上 ， 这 样 消 除 了 导 线 线 路 电 阻 带 来 的 测 量 误 差 。PT100 是 铂 热 电 阻 ， 它 的 阻 值 跟 温 度 的 变 化 成 正 比 。 PT100 的 阻 值
14、与 温 度变 化 关 系 为 ： 当 PT100 温 度 为 0 时 它 的 阻 值 为 100 欧 姆 ， 在 100 时 它 的 阻值 约 为 138.5 欧 姆 。 它 的 工 业 原 理 ： 当 PT100 在 0 摄 氏 度 的 时 候 他 的 阻 值 为100 欧 姆 ， 它 的 阻 值 会 随 着 温 度 上 升 而 成 匀 速 增 长 的 。由 于 PT100 热 电 阻 的 温 度 与 阻 值 变 化 关 系 ， 人 们 便 利 用 它 的 这 一 特 性 ， 发 明并 生 产 了 PT100 热 电 阻 传 感 器 。 它 是 集 温 度 湿 度 采 集 于 一 体 的 智
15、 能 传 感 器 。 温 度的 采 集 范 围 可 以 在 -200 +200 ， 湿 度 采 集 范 围 是 0% 100%。铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高，测量范围大，复现性和稳定性好等，被广泛应用于中温范围的温度测量中。PT100 是广泛应用的测温元件，在-50-600 范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度，稳定性好，抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值吉林建工学院城建学院电气信息工程系自动化专业课程设计论文纸 共 12 页 第 5 页装订线与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数
16、字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将 PT 电阻的电阻值和温度对应起来后存入 EEPROM 中，根据电路中实测的 AD 值以查表方式计算相应的温度值。组成的部分：PT100 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薄膜铂电阻。温度传感器 PT100 是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在 -200 至 650 的范围.本电路选择其工作在 -19 至 500 范围. 整个电路分为两部分,一是传感器前置放大电路,一是单片机 A/D 转
17、换和显示,控制,软件非线性校正等部分。传感器的接入非常简单,从系统的 5V 供电端仅仅通过一支 2K 的电阻就连接到 PT100 了。这种接法通常会引起严重的非线性问题,但是.由于有了单片机的软件校正作为后盾,因此就简化了传感器的接入方式。2.2 热电阻 PT100 的工作原理 按照 PT100 的参数,其在 0 到 500 的区间内,电阻值为 100 至 280.9，我们按照其串联分压的揭发，使用公式：4.096*（Rpt100/(R1+RPT100)-RVR2/(R1+RVR2)），可以计算出其在整百时的输出电压。测温原理：采用R1,R2,VR2,PT100 构成测量电桥，为了保证电桥输出
18、电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过 TL431 稳至 4.096V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻 VR2，通过调节 VR2 可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。当 PT100 的电阻值和 VR2 的电阻值不相等时，电桥输出一个 mV 级的压差信号，这个压差信号经过运放 LM324 放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连 AD 转换芯片。差动放大电路中 R3=R4,R5=R6,放大倍数=R5/R3，运放采用单一 5V 供电。放大电路采用 LM324 集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两
19、级放大，前一级约为 10 倍，后一级约为 100 倍。温度在0100 度变化，当温度上升时，Pt100 阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压 Av 对应升高。虽然电桥部分已经经过 TL431 稳压，但是整个模块的电压 VCC 一定要稳定，否则随着 VCC 的波动，运放 LM324 的工作电压波动，输出电压 Av 随之波动，最后导致 A/D 转换的结果波动，测量结果上下跳变。2.3 稳压电路吉林建工学院城建学院电气信息工程系自动化专业课程设计论文纸 共 12 页 第 6 页装订线这个电路起到的是稳压的作用。在焊接的过程中，先把总电压调到 5V，然后使 VCC接入电源，另一端接
20、地，调节滑动变阻器 VR1，使其电压值为 4.096。2.4 放大电路改变 R5/R3 的比值即可改变电压信号的放大倍数。2.5 热电阻 PT100 的硬件设计2.5.1 TL431 的原理TL431 的 具 体 功 能 可 以 用 下 图 的 功 能 模 块 示 意 。 由 图 可 以 看 到 ， VI 是 一 个内 部 的 2.5V 的 基 准 源 ， 接 在 运 放 的 反 向 输 入 端 。 由 运 放 的 特 性 可 知 ， 只 有 当REF 端 （ 同 向 端 ） 的 电 压 非 常 接 近 VI（ 2.5V） 时 ， 三 极 管 中 才 会 有 一 个 稳 定 的非 饱 和 电
21、流 通 过 ， 而 且 随 着 REF 端 电 压 的 微 小 变 化 ， 通 过 三 极 管 图 1 的 电 流 将从 1 到 100mA 变 化 。 TL431 可 等 效 为 一 只 稳 压 二 极 管 ， 下 图 b 作 可 调 基 准 源 ，电 阻 R2 和 R3 与 输 出 电 压 的 关 系 为 U0=2.5(1+R2/R3)V0 2.5.2 LM324 的原理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，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
22、“+” 、 “-”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，价吉林建工学院城建学院电气信息工程系自动化专业课程设计论文纸 共 12 页 第 7 页装订线格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。感温探头采用一只硅三极管 3DG6，把它接成二极管形式。硅晶体管发射结电压的温度系数约为-2.5mV/，即
23、温度每上升 1 度，发射结电压变会下降 2.5mV。运放A1 连接成同相直流放大形式，温度越高，晶体管 BG1 压降越小，运放 A1 同相输入端的电压就越低，输出端的电压也越低。这是一个线性放大过程。在 A1 输出端接上测量或处理电路，便可对温度进行指示或进行其它自动控制。2.5.3 稳压二极管 1N4733稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其 V-A 特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛
24、增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性，稳压管访问就在电路到起到稳压的作用了。而且，稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流 作用。 吉林建工学院城建学院电气信息工程系自动化专业课程设计论文纸 共 12 页 第 8 页装订线3 调试要点及测试方法(1)按照原理图将元器件焊接到 PCB 板时，要按照各个小电路的顺序一次焊接元器件。(2)将元器件按照原理图焊接到 PCB 板后，首先检查各个元器件与 PCB 板的焊接点
25、，有无缺焊，虚焊，有无短路。检查 PCB 板电路和各元器件有无所损坏，(3)理论上，运放输出的电压为输入压差信号 x 放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理论值小很多。(4)改变 R5/R3 的比值即可改变电压信号的放大倍数，放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作。(5)测试时如发现故障，要先断开电源，然后仔细查找故障原因，排除故障后继续测试。(6)将测试时的各项数据进行记录，测试完成或成功后，将数据进行分析与研究。利用公式 4.096*（Rpt100/(R1+RPT100)-RVR2/(R1+RVR2)）计算数据。如下：吉林建工学院城
26、建学院电气信息工程系自动化专业课程设计论文纸 共 12 页 第 9 页装订线4 设计心得与体会在进行完期末考试后，我们就进行了传感器的课程设计。通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。这次设计和我们以前做的不同，因为以前都是直接焊在板子上，这次我们要自己做出电路板，把元器件的插孔都要做出来，对我们来说是一个挑战。我们画好 PCB 的布线图后进行镜像，然后用复写纸在铜片上画出来，然后打眼。做好后用油漆涂上，最后放在液体里溶解，泡好后擦去铜，板子就做好了。再把图复印到铜片上时，我发现了一个问题，我没有把图镜像，位置都变反了，在老师的帮助下，我才得以改过来。在这个过程中，我就学会很多
27、，做一件事，要有足够的耐心和信心才可以成功，而且不要气馁。在做课程设计的同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们通过各种途径查找资料了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。这次课程设计使我对理论与实际相结合是很重要的有了进一步的了解，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能有所作为，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中，难免会遇到各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所
28、学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。而且这次设计是两个人一组，也锻炼了我们团结合作的精神。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计给了我很多体会。我还会继续努力的。吉林建工学院城建学院电气信息工程系自动化专业课程设计论文纸 共 12 页 第 10 页装订线参考文献1康华光主编 模电电子技术基础 高等教育出版社 2006 年 12 月2许云峰主编 传感器基础实验与课程设计 电子工业出版社 2002 年 2 月3常用集成芯片使用 北京理工大学出版社 1995 年4. 陈杰，黄鸿 传感器与检测技术 高等教育出版社 2002 年 8 月5. 余载泉，李玉和 PROTEL 实战演练 电子工业出版社 2000 年 2 月
