测控系统课程设计指导

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1、测控系统课程设计指导电子信息与自动化学院检测与控制实验中心万文略、彭小峰电子信息与白动化学院测控技术与仪器系杨泽林、杨继森、庄秋慧课程设计目的测控系统课程设计是在学生学习完科能仪器理论和实验课后安排的综合实践教学环节,要求学生在2周的时间内运用所学知识，在教师的指导下按照仪器设计的一般方法设计制作一个功能较为完整的仪器。并写出设计研究报告。通过课程设计使学生在实践上获得智能仪器设计的经验，掌握仪器设计的步骤、过程和方法。为毕业设计及今后从事御能仪器设计打下良好的基础。课程设计题目：基于PN结传感器的温度测量

2、仪设计智能仪器的组成一般包括：传感器及信号调理电路、CPU及外围电路、模拟量输入通道、模拟最输出通道、开关量输入输出通道、人机接口电路（键盘、显示）、数据记录、转储（保存、打印）等主要研究内容：根据本次课程设计的题目要求，木次课程设计研究的主要内容为传感器及信号调理电路、CPU及其外围电路，AD转换电路，键盘和显示电路。本文对其中关键部分做简单介绍,以使学生能更容易地进行课程设计。1•半导体二极管的温度特性选择1N4007整流二极管，其正向偏置工作时PN结上的结电压满足（式1-1）是由PN结参数决定的常数U

3、go：硅半导体在0K温度时禁带宽度与电了电荷q的比值。由式可以看出，PN结具有负的温度系数特性。据文献记载，当温度变化一度时，结电压变化2mv左右。由式1-1nJ'知，温度变化曲线为指数型非线性变化。其正向偏置电流应保持恒定。2.放大电路设计（1）选择放大器PN结的结电压变化是一个微弱信号，结电压在温度每变化1度吋大约变化2mv左右，所以需要进行放大后才能被后续电路处理。选择合适的集成运放來设计放人电路，选择运放时应考虑运放的温度系数，共模抑制比，输入失调电压，带宽等。可供选择的运算放大器有OP07、LM3

4、24等。信号放大电路应采用仪用放大器的电路结构，为保证系统有足够的精度及温度分辨率，同时要考虑AD转换器的输入电压范围，放大器的放大倍数要合理设计。（2）恒流源根据式（1-1）,使用PN结做温度传感器时，要保证其止向电流恒定才能有较好的精度,所以PN结的正向偏首采用恒流源驱动。保证整个温度测量范I弔I内PN结的正向电流恒定。正向电流的具体值通过实验确定。（3）滤波温度信号变化比较缓慢，対传感器的干扰信号主要是來白工频设计一个低通滤波器滤除高频干扰。（4）直流电桥采用电桥连接方式使放人器放人传感器变化电压的差

5、值。避免放人器直流输出饱和。通过理论分析及仿真实验研究选择合适的电桥电路参数。2.实验研究PN结的温度特性在理论分析的基础上，完成电桥，恒流源，放人电路设计制作厉，提出PN结温度特性实验研究方案。通过实验得到实际的PN结温度■电圧曲线，为程序处理打下基础。研究PN结的温度特性可以采用比较法，将PN结与标准温度测量仪的温度传感器放在同一个温度条件下，选择N个温度节点，记录节点温度及当前PN结的结电压，MillPN结的温度特性曲线。研究PN结的正向工作电流与传感器灵敏度的关系，确定最佳正向工作电流。3.实验数据

6、处理通过以上实验研究，得到15-100度温度范围内传感器温度特性曲线。测量结果的处理包括2个方面（1）温度传感器的非线性校正方法（存储变换）由于实验条件限制，课程设计中不能得到更宽的实验温度区间，暂定校正传感器工作温度区间的范围为15^100度。假定仪器的AD转换器的分辨率为10位，则仪器的温度分辨率为75/1024=0.073度。采用比较法标定传感器的温度特性时，若精度范围内的每个点都进行逐点实际测量，由于耍测量的点很多，工作量U大几乎不可能完成。将15^100度温度区间分为N个点，测量传感器的输出，当N

7、的选择足够人时，可以认为连续的2个点ZI'可温度•电压变化是线性的，采用直线拟合，则可以得到2点Z间的温度・电压关系。（2）如何提高测量精度分析仪器的主要误差來源，提出改进和提高的措施和方案，并加以讨论。町以进行理论分析，也可在实验中获得验证。5•仪器精度分析及提高测量精度的方法影响精度的主要原因冇，电源电压的精度，放大电路的精度，AD转换器的精度。分析这些原因对仪器测量精度的影响。进行实验验证并提出改进措施。6.CPU接口电路设计选择CPU,选择AD转换器,选择显示器件。可供选择的CPU有MCS-51系列

8、，LPC1114系列ARM处理器，CPU电路包括-复位电路、时钟电路、电源电路。AD转换电路有两种设计方案，一是当CPU内部无AD转换器时需要外接AD转换器，这时可以采用ADC0809AD转换器，若采用LPC1114系列ARM处理器，其内部自带10位AD转换器，只需设计模拟信号调理电路即可。显示电路有2种选择方案，一是使用LED数码管，另一个方案是使用1602液品显示器。2.程序设计主要程序模块：(1)AD转换程