传感器与测控电路课程设计报告文档格式.docx
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务
及
指
导
书
《传感器与测控电路课程实习》课程设计任务书
课题：
基于K型热电偶传感器测量电路设计
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K型热电偶传感器测量电路设计简介
K型热电偶的电极材料是镍铬—镍硅，其精度等级为0.75级时，温度为0~1200℃，其测量温度误差为±
0.75%。
采用恰当的线性化处理后，可将精度提高到±
0.1%~±
0.2%。
具有零点补偿功能。
二、基于K型热电偶传感器测量电路设计的工作原理
本课题中测量电路组成框图如下所示：
测量电路由K型热电偶传感器，零点补偿和放大电路，乘法运算电路，反相放大器1，反相加法器1和反相加法器2，反相放大器2等主电路组成；
电路能够实现零点补偿和非线性校正功能。
输出分为两路：
一路是0～600℃对应的输出电压为0～6V；
另一路是600～1200℃对应的输出电压为6～12V。
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、温度测量范围：
0～1200℃
3、使用环境温度范围：
0～85℃
4、输出电压：
0～600℃为0～6V；
600～1200℃为6～12V
5、测温误差：
≤±
0.5％
6、具有温度补偿功能
7、具有非线性补偿功能
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AD648，AD595，AD538
5．电阻、电容若干
6．K型热电偶传感器
7．万能电路板
8．电烙铁等
六、日程安排
1．布置任务、查阅资料，方案设计；
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；
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；
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。
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、熟练使用仪表，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设计的目的及任务....................................................
（1）
1.1课程设计的目的....................................................
（1）
1.2课程设计的任务与要求..............................................
（1）
1.3课程设计的技术指标................................................
（1）
2电路设计总方案及原理框图............................................
（2）
2.1电路设计原理框图..................................................
（2）
2.2电路设计方案设计..................................................
（2）
3总电路设计...........................................。
。
...........（3）
3.1非线性校正电路的工作原理..........................................（3）
3.3电路的参数选择及计算..............................................（5）
3.4总电路图..........................................................（6）
4总电路的安装调试、实验结果及误差分析................................（8）
4.1总电路的安装调试..................................................（8）
4.2总电路的实验结果..................................................（8）
4.3造成以上误差的原因................................................（9）
5收获与体会..........................................................（10）
6仪器仪表明细清单....................................................（11）
参考文献..............................................................（11）
1设计的目的及任务
1.1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
1.2课程设计的任务与要求
利用k型热电偶、零点补偿集成块AD595、非线性校正集成块AD538和具有双运放集成块AD648设计带零点补偿和非线性校正功能的高精度K型热电偶数字测温仪。
（K型热电偶的电极材料是镍铬—镍硅，其精度等级为0.75级时，温度为0-1200℃，其测量温度误差为±
）
1.3课程设计的技术指标
0～85℃
2电路设计总方案及原理框图
测量电路由K型热电偶传感器、零点补偿和放大电路、乘法运算电路、反相放大器1、反相加法器1、反相加法器2和反相放大器2等主电路组成；
3总电路设计
3.1非线性校正电路的工作原理
热电偶的热电动势Vi与温度t不成线性关系，可用下式表示：
Vi=a0+a1t+a2t2+…+antn（a0为零点输出；
a1为灵敏度；
a2，a3，…，an为非线性项系数）
其中a0，a1，a2，a3，…，an可由最小二乘法或计算机程序求出。
K型热电偶的高阶多项式经计算可用下式表示：
0-600℃
（5-1）
AD538AD组成了乘除器，它有三个输入端子Vx、Vy和Vz，且能完成下列运算：
（5-2）
式中，m=0.2-5，可通过不同接线取得不同的m值。
AD538的B（3脚）和C（12脚）相连，则m=1。
由于Vy和Vz的输人为Va，15脚与4脚连接，AD538内部基准电压由4脚输出电压10V，故Vx=10V，因此式（5-2）为：
（5-3）
从而实现了平方运算。
温度在0-600℃范围时，由双运放AD648中A1和A2实现式（5-1）的运算，由A1和A2完成一次项系数1.009534的运算，其中A1是反相输入的放大器，A2是反相输入的加法器。
A1的输出为Vo1
调整多圈电位器RPl可使Vo1=－1.009534Va。
A2的一条支路R6与R3组成一个系数为（－1）的支路，它将Vo1转换成Vo'
'
=1.009534Va
R6与R4组成Va的二次系数支路
R6与R5组成常系数－11.4的偏置电路，其输出为：
由叠加定理可得：
3.3非线性校正电路参数计算
方案
（一）
取R1=1k,R2=10k,R3=90k,R4=4.55M,Rp1取0~10k
Vo1=
=
调节可以使Vo1=-1.009534
=-1,Vo1=1.009534
=-5.55
=-11V
叠加可得：
Vo=（-11+1.009534Va-5.55
方案
（二）
取R6=R3=R2=10k、R1=9.4k
Rp1=506
取Rp1=1k
R5=8.8M取R5=9.1M
R4=181.6k取R4=180k
3.2总电路图
3.2.1总电路图
3.3.2总体电路的工作原理
由K型热电偶专用集成块AD595测量热电偶输出热电势，在经过非线性校正集成块AD538进行非线性校正，实现常数项、一次项和二次项，最后通过具有双运放功能的集成块AD648调整其常数项、一次项和二次项的系数，实现K型热电偶测温。
4总电路的调试、实验结果及误差分析
4.1总电路的安装与调试
按照设计好的实物接线图把所需的器件焊接于电路板上，将K型热电偶和温度计放入沸水中，当温度计的示数为100℃时，调节Rp1使万用表中的电压示数为1.0000V，让水冷却，温度计上的示数大约每降2℃-3℃读一次万用表示数并记入该示数，直至水冷却至室温（25℃）。
4.2总电路的实验结果
4.4造成以上误差的主要原因
4.4.1电路板中的电阻为理论值的近似值并非与理论值完全相等。
4.4.2万用表、温度计的仪器误差和人为读取示数误差。
5收获与体会
这次的测控电路课程设计让我收获很多，以前做课程设计，我一直很困惑那个数据是怎么来的，可是老师也没解释，当时的我真的很郁闷，现在这次课程设计，我是自己一步一步做过来的，还是很有成就感的。
一开始的几天时间，老师让我们查资料的，我也是一点一点的查了过来，上网看，看了很多，还有很多是英文的，看的很累，但是功夫不负有心人啊，查的东西都用到了，而且老师还说我找的比较详细，她还用我做例子讲的，很有成就感。
接下来就是上机调试了，好了没问题后就发器件准备焊电路了，我花了半天时间把电路焊好，可是我们的集成块没有，等到集成块到了有好几天了，终于一波三折的东西全好了，开始调试。
一开始线路都接好了就是不出数据，当时很急很急，我怀疑是那边电路接错了，一点一点的查，最后发现不是电路焊接错了，而是我焊接时比较粗心有几个点没焊接。
从这个小事当中我看见了我不够细心。
细节是很关键的。
终于可以调试了，松了口气，调试过程真的很累，那个数据要侧很多组，由于热交换的快慢，一开始还好，水温下降的很快，数据也很准确；
后来水温下降了，热交换变慢，测个数据要好一会，我们几个分工合作，大家也很急，也很累，但是没办法，坚持测，但是又发现了问题：
水的温度不均匀，导致测出的温度很不准确，后来想了个折中的办法，我们当中一个人搅拌，但是温度计不能动，一边搅拌一边观察，后来看数据的准确要好一点，没办法问了准确辛苦一点就辛苦一点吧。
后来数据都出来了，感觉很有成就感。
通过这次课程设计，让我很好的锻炼了理论与实际相结合，让我知道遇到问题怎么解决，让我学会了自己设计数据，让我知道了我们专业都能干些什么事情，还从中看到了我的一些缺点，我有点粗心，发现了缺点我就会努力改正。
谢谢老师给我们的指导。
6仪器仪表明细清单
型号
数量
型号
直流稳压电源+15V/-15V
1
电阻—10k
3
双踪示波器
电阻—20k
万用表
电阻—1k
双运放AD648
电阻—2.2k
AD595
电阻—9.1k
AD538
电阻—180k
K型热电偶传感器
电阻—9.1M
面包板
三极管
滑动变阻器—1k
发光二极管
导线
若干
参考文献
[1]童诗白主编.《模拟电子技术基础》（第四版）.高教出版社.2006
[2]王成华主编.《电子线路基础教程》.科学出版社.2000
[3]李万臣主编.《模拟电子技术基础实验与课程设计》（第一版）.哈尔滨工程大学出版社.2001
[4]张瑾主编.《Protel99SE入门与提高》.人民邮电出版社.2007
第三部分
实
物
接
线
图
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