大连工业大学检测技术课程设计Word下载.docx
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设计方案要求包含传感器、量程调整电路、调零电路、线性化电路及转化放大电路；
另外对于一个完善的温度采集系统还应包含模数转换器及MCU微处理器实现智能采集。
其次根据确定的设计方案进行各个模块的硬件电路设计，要求传感器选择合适的热电阻进行设计。
设计时注意热电阻的接法。
写作规范除了要有摘要，目录外，在正文中包括设计要求，系统概述，系统构成，硬件设计，软件设计，心得体会（即结果结论），参考文献，教师评语等。
指导教师签字：
系（教研室）主任签字：
年月日
摘要
关键词：
传感器热电偶模/数转换器液晶屏
目录
1．设计要求-------------------------------------------------------------------------------4
1.1设计目的-------------------------------------------------------------------------------4
1.2设计内容-------------------------------------------------------------------------------4
1.3系统要求-------------------------------------------------------------------------------4
2．系统概述-------------------------------------------------------------------------------4
简述温度检测原理及温度检测的应用概述------------------------------------------4
3．系统设计-------------------------------------------------------------------------------5
3.1.传感器的选择----------------------------------------------------------------------5
3.2.热电偶的线化范围----------------------------------------------------------------6
3.3信号调理电路----------------------------------------------------------------------6
3.4滤波电路----------------------------------------------------------------------------7
3.5量程调整电路----------------------------------------------------------------------8
3.6A/D转换器--------------------------------------------------------------------------9
3.7调零电路----------------------------------------------------------------------------12
4．设计总图-------------------------------------------------------------------------------14
5．心得体会-------------------------------------------------------------------------------14
6．参考文献------------------------------------------------------------------------------15
1．设计要求
1.1设计目的
“检测技术”是电气类专业学生的必修骨干专业课程，涉及传感器技术、检测方法、误差理论、抗干扰技术等。
其课程设计旨在提高学生在仪表检测领域内的理论认识和实践动手能力，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。
巩固和加深对各种常用参数的检测的认识，培养学生的创新能力，经过搜集资料，初步方案设计，系统组建，撰写设计报告的过程，使学生得到一次科学研究工作的初步训练，提高学生的科研综合素质。
为后续课程的学习、毕业设计乃至毕业后的工作打下一个良好的基础。
1.2设计内容
温度采集通道一般有传感器、信号调理电路、数据采集电路三部分组成。
如下图所示
（1）、传感器的选用包括：
1）根据测量对象及环境确定传感器类型
2）传感器灵敏度选择
3）传感器频率响应特性
4）线性范围
5）稳定性
（2）、信号调理电路
在测量系统中信号调理电路的任务最为重要和复杂，也是整个测量系统精度等级的关键。
如果信号处理不好，干扰信号很容易进来，采集的数据不能真实的反映被测参数，引起误差较大。
信号调理电路通常包括小信号放大电路、滤波电路、零点调整、补偿及线性化处理、导线电阻的干扰处理、量程切换及误差修等。
1.3系统要求
选择热电偶，信号调理电路至少包含冷端温度补偿电路，滤波电路、量程调整及信号放大电路。
2.系统概述
热电偶是一种广泛用于温度测量的简单元件。
方案将参考接合点补偿和信号调理独立开来，使数字输出温度感应更灵活、更精确。
热电偶原理
如图1所示，热电偶由在一头相连的两根不同金属线组成，相连端称为（“热”）接合点。
金属线不相连的另一头接到信号调理电路走线，它一般由铜制成。
在热电偶金属和铜走线之间的这一个接合点叫做参考（“冷”）接合点。
图1.热电偶
在参考接合点处产生的电压取决于测量接合点和参考接合点两处的温度。
由于热电偶是一种差分器件而不是绝对式温度测量器件，必须知道参考接合点温度以获得精确的绝对温度读数。
这一过程被称为参考接合点温度补偿（冷接合点补偿）。
热电偶已成为在合理精度内高性价比测量宽温度范围的工业标准方法。
它们应用于高达约+2500°
C的各种场合，如锅炉、热水器、烤箱和风机引擎等。
K型是最受欢迎的热电偶，包括Chromel和Alumel（特点是分别含铬、铝、镁和硅的镍合金），测量范围是–200°
C至+1250°
C。
3.系统设计
3.1.传感器的选择
为了满足温度测量范围0～200℃，此温度采集通道的精度为0.5℃。
这里选用的是K型热电偶。
E（T，0）＝E（T,T0）+E（T0,0）＝29.90+1.53=31.43mV
3.2.热电偶的线化范围。
选择曲线相对较平缓的一部分并在此区域内将斜率近似为线性，这是一种特别适合于有限温度范围内测量的方案，这种方案不需要复杂的计算。
K型热电偶比较受欢迎的诸多原因之一是它们同时在较大的温度范围内灵敏度的递增斜率（塞贝克系数）保持相当恒定（参见图2）。
图2.热电偶灵敏度随温度而变化注意，从0°
C至1000°
C，K型塞贝克系数大致恒定在约41?
V/°
C
3.3信号调理电路
3.3.1放大电路
图3所示为K型热电偶测量示意图。
它使用了AD8495热电偶放大器，该放大器专门设计用于测量K型热电偶。
这种模拟解决方案为缩短设计时间而优化：
它的信号链比较简洁，不需要任何软件编码。
图3
增益和输出比例系数：
微弱的热电偶信号被AD8495放大122的增益，形成5-mV/°
C的输出信号灵敏度（200°
C/V）。
降噪：
高频共模和差分噪声由外部RFI滤波器消除。
低频率共模噪声由AD8495的仪表放大器来抑制。
再由外部后置滤波器解决任何残余噪声。
3.3.2冷端温度补偿电路
参考接合点补偿：
由于包括一个温度传感器来补偿环境温度变化，AD8495必须放在参考接合点附近以保持相同的温度，从而获得精确的参考接合点补偿。
3.3.3线化电路
非线性校正：
通过校准，AD8495在K型热电偶曲线的线性部分获得5mV/°
C输出，在–25°
C至+400°
C温度范围内的线性误差小于2°
如果需要此范围以外的温度，ADI应用笔记AN-1087介绍了如何在微处理器中使用查找表或公式来扩大温度范围。
绝缘、接地和裸露热电偶的处理：
电阻，它适用于所有热电偶尖端类型。
AD8495专门设计以在如图所示搭配单电源时测量地电压以下数百毫伏。
如果希望更大地压差，AD8495还可采用双电源工作。
AD8495的更多详情：
图4所示为AD8495热电偶放大器的框图。
放大器A1、A2和A3（及所示电阻）一道形成一个仪表放大器，它使用恰好产生5mV/°
C输出电压的一个增益来对K型热电偶输出进行放大。
在标记“Refjunctioncompensation”（参考接合点补偿）的框内是一个环境温度传感器。
在测量接合点温度保持稳定的条件下，如果参考接合点温度由于任何原因而上升，来自热电偶的差分电压就会降低。
如果微型封装的（3.2mm×
3.2mm×
1.2mm）AD8495接近参考接合点的热区域，参考接合点补偿电路将额外电压施加到放大器内，这样输出电压保持恒定，从而对参考温度变化进行补偿。
图4AD8495功能框图
3.4滤波电路
桥式整流电感滤波电路如图5所示。
根据电感的特点，当输出电流发生变化时，L中将感应出一个反电势，使整流管的导电角增大，其方向将阻止电流发生变化。
在桥式整流电路中，当u2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后u2不到90°
。
当u2超过90°
后开始下降，电感上的反电势有助于D1、D3继续导电。
当u2处于负半周时，D2、D4导电，变压器副边电压全部加到D1、D3两端，致使D1、D3反偏而截止，此时，电感中的电流将经由D2、D4提供。
由于桥式电路的对称性和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；
D2、D4的导电角θ都是180°
图5桥式滤波电路
3.5量程调整电路
由单总线数字温度传感器DS18B20和89C2051组成的经济型家庭用测温系统。
其温度显示为“-XXC”，精度±
0.5℃，测温范围-55℃～+125℃。
设计图如图6。
下面详细分析系统构成及汇编语言对DS18B20操作时序的实现方法。
（1）DS18B20的初始化与读写程序
DS18B20是“一总线”接口温度传感器，测温范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内精度为±
0.5℃。
DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，在出厂时被设置为12位的分辨率。
通过和单片机系统的结合，可以构建经济的测温系统。
DQ为数字信号输入，输出端，与单片机系统接口时可通过5.1kΩ电阻上拉;
GND为电源地;
VDD为外接供电电源输入端。
DS18B20内含64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器等。
可采取直接读取DS18B20内部暂存寄存器的方法，通过四舍五入显示其整数温度值。
DS18B20内部暂存寄存器包含九个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。
第三和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝。
第六、七、八个字节用于内部计算。
第九个字节是冗余检验字节。
以12位转化为例：
温度信息用16位符号扩展的二进制补码形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位，由于DS18B20与微处理器间采用单总线数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格遵守读写时序，否则将无法读取测量结果。
DS18820的初始化程序如下。
当程序检测到DS18820不存在的时候会设置不存在标志，以防止系统锁死。
（2）.数据转换与
显示程序设计
由于不要求显示小数，所以可以舍弃温度寄存器0（TEMPER_L）的低4位，而将温度寄存器1（TEMPER_H）中的低4位移入TEMPER_L中的高4位，组成的新字节，即实际测得的温度。
在实际应用中，因为涉及到零度以下温度的显示，需要进行一定的数据转换。
流程图如图7
（3）.系统制作
本系统四位一体的0.5英寸七段显示器是共阳型的。
AT89C2051的P1.0和P1.1口是模拟比较器的输入端，内部无上拉电阻，所以在外部接10kΩ，上拉电阻后，接入CD4069作驱动，每段电流被限制在1mA左右，每段显示时间为1ms，温度刷新周期为1分钟;
晶振选择12MHz的，每条指令周期正好为1μs的倍数。
装饰面板选用家装剩下的“正泰CHNT”86型单键按钮面板，将按钮拆除，正好成显示窗口。
系统采用+5V直流电源。
图左上端的引出线为外接DS18B20导线，以便于进行高低温调试试验，调试结束后可以直接焊接在申，路板上。
焊接完成后，不需要进行调试就能直接显示温度数据。
（4）.其他
不改动系统硬件的基础上，通过计算方法的调整，DS18B20的测温分辨率可以提高到±
0.1℃以上，由四位LED显示成“×
×
”格式。
3.6A/D转换器
将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称a/d转换器或adc,analogtodigitalconverter），A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。
在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。
A/D转换器的工作原理双积分法
采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。
如图8所示。
基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。
双积分法A/D转换的过程是：
先将开关接通待转换的模拟量Ｖi，Ｖi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间Ｔ的正向积分，时间Ｔ到后，开关再接通与Ｖi极性相反的基准电压ＶＲＥF，将ＶＲＥF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。
Ｖi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。
计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Ｖi所对应的数字量，实现了A/D转换。
图6.数码管温度量程显示电路图
数据转换与显示程序设计流程图7
图8双积分式A/D转换的原理框图
3.7调零电路
在图（a）中，用一个小电阻R5接在R1的回路中，此时R3与R5分压产生的失调电压加到R1的左端，进而由R1和R2再次分压．因而失调电压调整范围由下式确定：
失调电压调整范围=±
VD·
（R5／R3）·
（R2／（RlR2））（±
VD=±
l5V）
依据图（a）中的电阻值，其失调电压调整范围约为：
±
15mV。
图中R1=R2．故该电路的电压放大倍数较低。
考虑到R5与R1串联，其电压放大倍数Av：
Av=1R2／（RlR5）
在图（b）中，加在反相输入端的失调电压调整范围由下式确定：
（R1／R3）（±
15V）
依据图中数据，其失调电压调整范围为±
l5mV。
图中R3和R1组成失调电压分压器．在反相输入端直接产生失调调整电压．因而电路较简单。
在低增益放大电路中不宜采用这种调零方式，因为放大倍数越低。
R1两端的信号电压起伏越大，当输入信号改变时。
失调电压也会随之变化。
高电压放大倍数时。
输入电平较低。
失调调整电压变化量很小，一般可忽略。
3.8MCU简介及工作原理
微控制单元（MicrocontrollerUnit；
MCU），又称单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）或者单片机，是把中央处理器（CentralProcessUnit；
CPU）的频率与规格做适当缩减，并将内存（memory）、计数器（Timer）、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。
诸如手机、PC外围、遥控器，至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到MCU的身影。
MCU同温度传感器之间通过I2C总线连接。
I2C总线占用2条MCU输入输出口线，二者之间的通信完全依靠软件完成。
温度传感器的地址可以通过2根地址引脚设定，这使得一根I2C总线上可以同时连接8个这样的传感器。
本方案中，传感器的7位地址已经设定为1001000。
MCU需要访问传感器时，先要发出一个8位的寄存器指针，然后再发出传感器的地址（7位地址，低位是WR信号）。
传感器中有3个寄存器可供MCU使用，8位寄存器指针就是用来确定MCU究竟要使用哪个寄存器的。
本方案中，主程序会不断更新传感器的配置寄存器，这会使传感器工作于单步模式，每更新一次就会测量一次温度。
要读取传感器测量值寄存器的内容，MCU必须首先发送传感器地址和寄存器指针。
MCU发出一个启动信号，接着发出传感器地址，然后将RD/WR管脚设为高电平，就可以读取测量值寄存器。
为了读出传感器测量值寄存器中的16位数据，MCU必须与传感器进行两次8位数据通信。
当传感器上电工作时，默认的测量精度为9位，分辨力为0.5C/LSB（量程为-128.5C至128.5C）。
本方案采用默认测量精度，根据需要，可以重新设置传感器，将测量精度提高到12位。
如果只要求作一般的温度指示，比如自动调温器，那么分辨力达到1C就可以满足要求了。
这种情况下，传感器的低8位数据可以忽略，只用高8位数据就可以达到分辨力1C的设计要求。
由于读取寄存器时是按先高8位后低8位的顺序，所以低8位数据既可以读，也可以不读。
只读取高8位数据的好处有二，第一是可以缩短MCU和传感器的工作时间，降低功耗；
第二是不影响分辨力指标。
MCU读取传感器的测量值后，接下来就要进行换算并将结果显示在LCD上。
整个处理过程包括：
判断显示结果的正负号，进行二进制码到BCD码的转换，将数据传到LCD的相关寄存器中。
数据处理完毕并显示结果之后，MCU会向传感器发出一个单步指令。
单步指令会让传感器启动一次温度测试，然后自动进入等待模式，直到模数转换完毕。
MCU发出单步指令后，就进入LPM3模式，这时MCU系统时钟继续工作，产生定时中断唤醒CPU。
定时的长短可以通过编程调整，以便适应具体应用的需要。
4.总机图
电路组成：
整机电路由测量电路、输人滤波电路、前置放大电路、线性化电路、比较驱动调节电路、A/D转换电路、显示电路及电源等部分组成，其电路结构框图如图1所示。
图9
整机电路结构框图
5.心得体会
通过本次课程设计,我进一步复习了所学过的现代检测技术及仪表知识，基本运用了所学过的知识。
同时我也复习了与现代检测课程相关的数电、模电、控制仪表等课程，把所学过的各种知识综合起来，一同运用到本次课程设计当中。
对我所学的知识起到了巩固作用，培养了自己的动手能力与创新能力，提高了自己独立思考问题的能力。
在本次课程设计中，我查有关温度的文献，对热电偶进行了初步了解。
提高了对现代检测技术及仪表的兴趣
.
6参考文献
邓长辉，李宝营.传感器与检测技术.第一版.大连：
大连理工大学出版社，2012
康华光.电子技术基础（数字部分）.第五版.北京：
高等教育出版社，2006
康华光.电子技术基础（模拟部分）.第五版.北京：
高等教育出版社，2006
孙传友,等.现代检测技术及仪表[M].北京:
高等教育出版社,2006.
吴勤勤.控制仪表及装置[M].北京:
化学工业出版社,2007.
康华光,等.电子技术基础数电部分[M].北京:
高等教育出版社,2006.
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