传感器原理与应用课程设计Word下载.docx

传感器原理与应用课程设计Word下载.docx

《传感器原理与应用课程设计Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器原理与应用课程设计Word下载.docx（31页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

测速范围：

0—100km／h

每LED显示：

5km／h

轮胎直径：

900mm

2．里程表用数码显示所行驶的不可复位累计总路程，及可复位单次小计路程。

计程范围：

不可复位累计总里程0—99999.9km，可复位小计里程0—999.9km

分度：

以100米计数一次，即1次／0.1km

3．油量表用3只LED条状显示燃油箱中的燃油油量。

测量范围：

0—1/3—2/3—1

每LED约显示：

1/3

4．油压表产品用10只LED条状显示发动机润滑油压力。

0.5—5bar，（自制时可降低标准为7只LED，范围：

0.5—3bar。

）

0.5bar

5．水温表用6只LED条状显示发动机冷却水温度，并以最高3只红LED作超温报警。

50℃~+100℃

10℃左右，（注意线性化显示）。

6．电流表分别用五只绿色LED和五只红色LED点状显示蓄电池充、放电流。

-50A~0~+50A

10A（注意避免导线及接触电阻的影响）．

五、发挥题

1．车内外气温表用二只二极管作自制的温度传感器和一只转换开关，以数码形式切换显示车内外气温（-20~+50℃+/-1℃）。

2．无接触（免软轴连接）式车速里程传感器及其配套表设计软轴加工要求高且易损坏，若改用霍耳IC片、接近开关或干簧管自制车速里程传感器，则寿命和可靠性可大为提高。

3．自行设计一种高精度车速里程表传感器（精度不亚于10cm）注意克服负载对轮胎外径的影响。

4．倒车防撞报警仪用超声波压电陶瓷传感器，测出物体距车尾小于1.5米时发出声光报警，或物体距车两侧小于0.4米时发出声光报警。

六、参考进度

1.查阅并自学常用汽车传感器资料——1天。

至少要查到转速、油量、油压、温度传感器各二种类型以上，并记录其原理、特点及典型应用方法。

2.查阅/自学IC资料和大电流检测方法并初拟各表的实现方案——1天。

至少要查到LM2917频率-电压转换器，LM3914点/条状LED显示驱动器、LM324单电源四运放、CD4040十二位二进制串行计数器、ICM7225四位半LED数码管的脉冲计数/译码/驱动器、7805三端稳压器、7660负电压产生器，大电流检测的四端点电阻采样法、霍尔效应法。

3.三只表的详细电路图设计——3天。

4.计算机仿真——2天

5.制作调试——3天

6.撰写设计报告——4天。

平时一定要注意搜集/记录资料，设计计算、实测数据不可缺少。

第二章设计提示

准备：

1．按任务书要求查阅传感器资料。

2．重点学习一种汽车专用IC（也可广泛用于家电等）LM3914的内部结构原理，考虑如何用普通运放LM324仿制和用EWB仿真。

3．LM3914的典型用法：

a．固定增益（1.2V满量程）的最简单用法——只需外加一只电阻。

B．改变增益（最大可提高到200mV满量程）的方法——内1.2V分压后作基准电压。

C．闪烁报警方法——看发放的资料。

一、车速表

只要求考虑如下一种系统方案，要求通过查找IC手册，把完整详细的电路图画出来，讲清工作原理，进行必要计算即可。

不仿真、不制作。

RC滤波

SZMB—5型

转速传感器

调量程

20只LED

条状显示

二级LM3914

驱动

1

LM2917

F/V转换

图二车速表原理图

传感器概要：

选用SZMB—5型磁电式转速传感器，配合高为900mm的轮胎时，其特性为每转输出60个正弦波（幅度>

300mv,但不稳定），故车速0~100km/h时,对应输出0~589.2Hz近似正弦波。

计算提示：

1．先求出最大车速100km/h时，传感器输出信号的频率fi；

2．LM2917的输出公式：

Vout=Vcc.R1.C1.fi

二、里程表

也不仿真和制作。

车速表和里程表应共用一个SZMB—5型磁电式转速传感器，以降低成本.

注：

为防止掉电而丢失里程数据，需选用有记忆功能的机械计数器，如青岛海泰电气股份公司的876-I（II、III）型六位电磁计数器，它不带回零装置，可防止篡改。

计算提示:

先求900mm的轮胎周长C，再求脉冲当量q=C/60个脉冲（=0.047167m/脉冲），由此得每100米应计数n=100/q化为二进数=100001001010（B），由此推得对应于CD4040的脚名和脚号，进行连线。

三、油量表

传感器：

可用电阻式油量表，它有正向和反向变化式二种。

典型正向变化式特性为

油量：

0~1/2~1对应输出电阻：

0~30~60

反向变化式（昌河ULG-17）：

110~32.5~0

系统方案1——直接电阻分压取样

此法简单，但因Rs小，故非线性大，接近1LED（应自行计算分析），无法接受。

系统方案2——恒流源电阻取压采样

此法线性及抗干扰性均好，是电阻性传感器的优选取样电路之一，故决定采用。

简易恒流源参考电路：

精密恒流源参考电路：

简易恒流源计算提示：

1．基极分压电阻应较小，使510上压降稳定在2V上，

2．为使Rx上能产生满幅显示所需1.2V，I=（2--0.7）V/W应为20mA

条形显示器的实验制作：

考虑到任务指标只要高中低三档显示，故可以用一只LM324仿照LM3914（见附录“参考资料”）自制。

四、油压表

系统方案：

常用油压表也是电阻式的，故也有如上二种方案可选，不过因其阻值较高（185）非线性不大，故取第一种方案——直接电阻分压取样。

传感器特性：

一种典型的电阻式油压传感器的实测数据为：

输入压力：

0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5,5bar

实际输出：

10,28,48,65,82,98,116,133,150,168,185欧姆

线性输出：

10,32,45,63,80,98,115,133,150,168,185欧姆

可见线性已经比较理想。

计算：

5V（185）/（185+Rs）=1.2V解得Rs=585

考虑到实验制作指标可降低到7档显示，故可以用二只LM324仿照LM3914自制。

五、

水温表

系统方案讨论：

常用的温度传感器种类很多，如热电偶，热电阻，热敏电阻，PN结，AD590等。

可考虑用热敏电阻或PN结。

1．热敏电阻方案:

热敏电阻公式：

Rt=Ro*exp[B（1/T—1/To），B为材料常数，T为绝对温度。

为克服热敏电阻低端电阻不为零的特性,宜采用电桥检测电路。

（注意热敏电阻的负温度电阻特性，应将热敏电阻放在电桥的合适部位）。

为克服热敏电阻的严重非线性影响，可在其上并一只合适电阻Rp=Rm（B–2Tm）/（B+2Tm），其中Rm为量程中点温度处的热敏电阻阻值；

B为热敏电阻的材料常数；

Tm为量程中点处的绝对温度。

RC7-1型电阻式温度传感器的实测数据为：

输入温度：

30，60，90，120,150，160℃

对应电阻：

2013,581,205,8540，32

可见线性很差。

B=ln（R1/Ro）/（1/T1-1/To）=ln（32/581）/（1/433-1/333）=4180

则得公式：

Rt=581*exp4180（1/T-1/333）

由此计算得：

50

60

70

80

90

100℃

857

581,

403

285

205

151

线性化计算：

采用并电阻方案RP=Rm（B—2Tm）/（B+2Tm）=338（4180-2*348）/（4180+2*348）=241,则50,60,70，80,90,100℃时，对应总电阻分别为188，170，151，131，111，93,由此画出曲线如下,可见线性大大改善.

2．PN结实验方案：

图三PN结水温表传感器实验制作.ewb

六、电流表

常用的直流大电流检测主要有二种：

四端电阻法和霍耳效应法。

由于前者可以用简单结构避免不稳定的接触电阻影响，成本低，工作可靠，故选择四端电阻法。

为减少能耗，应尽量减小其上的电压降。

自制大电流传感器原理：

r1、r2上的压降并不输入到测量放大器，而r3、r4相对测量放大器的高输入阻抗，可以忽略，保证了测量精度。

第三章汽车仪表总成参考设计

二、

里程表

油量表实验制作：

因只要3级LED显示，故用一只LM324仿制LM3914即可。

LM3914原理与仿真：

四、油压表

实际制作或仿真时，可用二片LM324代替LM3914，仅作7段压力显示。

五、水温表本次实验暂不做显示部分，只做传感器接口电路。

1．热敏电阻方案：

3．

PN结实验方案：

图四PN结水温表传感器实验制作.ewb

六．电流表

第四章仿真调试

利用仿真来调试电路，已经是现代电子系统设计开发产品的必由之路了。

通过仿真可以检查电路的工作点、可以校准仪表、测量误差，获得设计报告所需的一切数据，还可以看到LED亮暗及数字显示等实际输出的效果。

我们希望同学们通过仿真实践，还要学会常用电子仪器的使用，学会设计检修各种汽车仪表的通用思路和方法。

一、EWB5的使用概要

又叫图纸区

将已解压的EWB5子目录拷贝到你的PC机上，不用安装，即可运行其中的EWB32.EXE，直接进入仿真窗口。

一般操作步骤如下：

1．从窗首的器件库图标中找到你所需要的器件（包括测试仪表），用鼠标拖放到空白图纸区；

2．双击图纸上的器件，可以设置它的符号名称及各种参数大小、颜色等属性；

3．连接电路：

将鼠标移近器件引脚末端，待出现小黑点时可用鼠标拖出连线，进行连接。

一个小黑点四周只能连四根线，若周边方向错了，就会出现绞线。

若导线重叠，就会出现假断线。

若二器件引脚未经导线连接就直接相接触，表面看是通了，实际是“假焊”。

拖动一下器件就清楚了。

4．要在图上任意位置标注文字，可取一个独立的“连接点”元件（小黑点），双击之，即可在其LABLE栏书写任意中文说明。

5．按下窗口右上方的电源按钮（又叫仿真开关），电路即可工作。

6．调整电位器校准仪表。

每一个电位器都有一个标识如图W，

按其标识键W就可以改变其百分比阻值，按caps键可以改变其变化方向。

如忘了，可选中电位器后再按F1键帮助。

如有多个电位器，则可双击电位器，在Value卡的Key：

中改变标识键字符，加以区别。

二、验证方案设计

因为仿真中的传感器大多要用V、I、R或信号发生器代替，而它们的数值又往往和真实被测物理量的数值不同。

这就需要选择一种替代（模拟）传感器的参数种类及其数值大小，拟订一套实验方法，来验证整个仪表的功能或考核仪表误差。

例1：

里程表中，我们不可能使用真的传感器或真的让汽车跑起来，然后检验屏幕中的电路是否真的显示正确。

但分析电路工作原理知，它只不过是对脉冲计数。

我们只要知道数码管每显一个字代表0.1公里，传感器每个脉冲代表0.04712米，就不难算出要输入N=100/0.04712=2122个脉冲，数码管显示才增1。

于是我们可用f=1KHz的方波发生器代替SZMB-5型转速传感器，用示波器监视其波形，当示波器窗口底部的状态栏显示运行时间为2122mS时，按下“暂停”按钮，看数码管是否真的显示末位翻1了即可。

例2：

油量表因为油量传感器特性为，油量0-1/2-1对应输出电阻0-30-60Ω，所以油量传感器可以用100Ω的电位器Rx来替代。

当Rx=0时，所有LED应灭；

当Rx=20Ω时，LED1应亮；

当Rx=40Ω时，LED1、2应亮；

当Rx=60Ω时，LED1应全亮。

例3：

Rt水温表

已知RC7-1型热敏电阻式温度传感器的实测数据为：

故可用1K或5K电位器代替温度传感器。

但若直接按上表校验，则只有二个数据落在LED显示范围（50~100℃）内，无法精确校核测量精度。

为此需要计算每一个LED对应的电位器阻值。

Rt=Ro*exp[B（1/T—1/To），B为材料常数，T为绝对温度

先由已知数据To=60+273=333K，Ro=581；

T1=160+273=433，R1=32代入上式，

可解得：

Rt=581*exp4180（1/T-1/333）由此计算得：

例4：

PN结水温表

硅二极管的静态压降约0.7V，温度系数约-2.25mV。

但若依此确定用电压源来代替PN结温度传感器，则误差是很大的。

因为以上数据是近似的，还与二极管上所串的电阻等具体电路有关。

EWB软件可为每一个元件设置环境温度参数，我们可利用它来校核仪表的测温精度。

三、仪表的校准，即调零/调量程工作

一般线性模拟仪表都要通过调零/调量程工作，才能做到测量准确。

调零就是在以显示量程低端值对应的输入信号下，调节调零电位器，使仪表显示量程的低端值。

调量程就是在量程最大值对应的输入信号下，调节仪表的总放大倍数，使仪表显示量程的高端值。

这二端调准了，其他输入下的测量也就可以认为准了。

如有误差，也就是仪表误差了。

四、设计记录表格做好数据记录和分析

本套仪表多以少量LED作显示，若直接以它作输出来分析仪表误差，意义不大。

因为它不能反映除LED外的整个放大器的好坏，本身的方法误差也很大。

因此，我们改用放大器的最终输出端电压（以下简称“仪表输出Vo”）作输出记录。

1．以热敏电阻水温表为例，可设计如下记录表格：

被测参数t（℃）

传感器输出Rx（）

仪表输出Vo（V）

2．画出输入/输出曲线：

Vomax

Vomin

3．计算仪表最大绝对误差：

Δvomax=（V），转化为实际温度值为ΔYomax=（℃）

仪表线性度（非线性误差）：

五、参考实验步骤

㈠油量表画

1．画出实验电路，标上测试点符号，接上测试仪表。

参见下图：

1．调准恒流源：

调电位器W，使Io=20mA

2．调零：

将电位器R调至0，检查Vr及Vo均应为0

3．调满量程：

将传感器R置满量程60，检查Vr及Vo均应为1.2V

4．填写下表,检查全部亮灯功能及仪表精度.

Rx（）

20

40

Vr（V）

Vo（V）

LED亮

㈡油压表

1.

画出实验电路，标上测试点符号，接上测试仪表。

2.调满量程：

将传感器R置满量程133（代表压力3.5bar），调电阻Ro,使Vx为1.2V

3.调零：

将电位器R调至0，检查Vx及Vo均应为0

4.填写下表,检查全部亮灯功能及仪表精度.

油压（bar）

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Rx（）

10

28

48

65

82

98

116

133

Vx（V）

Vo（V）

LED亮

3热敏电阻式水温表

1.画出实验电路，标上测试点符号，接上测试仪表。

2.调零：

将传感器X置温度最低端（50℃）857处,调电位器Z,使Vi+及Vi-近似相等,此时Vo应≈

0，（∵电位器不能连续调节,∴若不串/并电阻就无法调到Vo绝对为0）。

3.调满量程：

将传感器X置满量程（100℃）151，同时粗调二个增益电阻110K，使Vo近似为

1.2V，若满量程显示有误差，可留待末级（显示电路）来精细调解总增益。

4.填写下表,画出输入/输出曲线，求取仪表放大器的精度或线性度。

㈣PN结式水温表

双击1N4148，在跳出的属性窗的AnalysisSetup卡中设置Temperature为50即温度最低端（50℃）处，然后调电位器Z，使Vi+及Vi-近似相等,此时Vo应≈0。

同上法，将传感器1N4148置满量程（100℃），调增益电位器F，使Vo近似为

4.填写下表,画出输入/输出曲线，求取仪表放大器的精度。

传感器Vd（mV）

第五章实验电路板制作

一、正规电路板制作

当仿真调试通过后，就可以用制板CAD软件PROTE设计印刷电路板图。

这时首先要根据印板大小/形状、操作/调试/出线方便，有可能的话尽量按信号流向，高频或高输入阻抗时还要考虑抗干扰这些因素，认真将集成电路、电位器、进出端子等大件及固定孔位置布置好，即所谓“布局”工作做好。

集成电路定位槽方向应保持一致，不要贪图走线方便而颠倒方向。

然后，以各集成电路为中心，按电路图将电阻电容等小元件和每一根连线连好：

普通连线越短越好；

穿过IC管脚间的连线不要超过一根；

双面排线时，上层尽量都走水平线，下层尽量都走垂直线，以避免形成绕不开的交叉线；

单面排线时，可在上层（元件面）安排很短的“跳接线”，以避开线路交叉造成的短路故障；

电源和地线尽量走四边，地线面积尽量大些。

存盘后即可送加工厂，拍照、腐蚀、钻孔，涂上阻焊涂料，丝印上标注文字，即成为非常美观好用的成品印刷电路板。

二、实验电路板制作

早期采用可反复拔插元件的“面包板”，但因接触不良，故障很多，现已淘汰。

现多采用均匀密布焊盘的“通用印刷电路板”，进行实验制作。

其基本布局和连线的原则同上，不再赘述。

由于通常实验板面积较大，故以集成电路为中心布局RC的同时，还提倡元器件尽量平放，不要竖放，不要拥挤。

尽量按电路原理图中该元件的相对位置布局，以增强电路板的可读性。

同时最好在电路板的引出线/接线端子及电位器旁贴上标签，以便识别。

对于实验中要经常调试的器件，还要兼顾调节方便来确定位置。

焊RC时，尽量不要剪断引脚，而应让引脚穿过板子后直接当作连线使用。

不得已剪下的引脚也不应丢弃，可作连线使用，故发下的连线是很少的！

请参见下面的实物照片。

为了防止调试过程中因不小心短路而烧毁器件，可用剪下的元件引脚线将电路的测试点单独焊出。

测试时让它穿过一张纸后，再接万用表或鳄鱼夹。

电源线与板上器件不当心短路是最危险的，故不要将电源鳄鱼夹直接夹到电路板上，而应用长短不同的软导线（30cm以上）将板上电源线引出后，再夹上电源鳄鱼夹，让鳄鱼夹远离电路板，最后再将鳄鱼夹夹到书里，可保万无一失。

油量表、PN结测温、热敏电阻测温电路板元件布局正面视图：

油量表、PN结测温、热敏电阻测温电路板反面接线视图：

第六章设计报告写法

（一）、原则

设计报告文字务求精练，一般为6页左右。

报告一律用WORD五号字体打印。

你必须在有限的篇幅下，选你认为最关键，最有心得，最能体现你的水平的东西来写，不要写成流水帐，也不能写得过于空洞。

每只表的设计报告，一般应包括：

1。

每只表应提供二种方案，加以分析、选择。

2。

传感器及单元电路（IC）原理简述：

应尽量简单