传感器与检测技术.docx

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传感器与检测技术

《传感器与检测技术》

温度测量仪表课程设计指导书

第一章基础知识……………………………………………………………2

1．1电子产品工艺………………………………………………………2

1．2工艺设计……………………………………………………………2

1．3常用电子器件………………………………………………………3

1．3．1电阻及其应用………………………………………………………3

1．3．2电容及其应用………………………………………………………5.

1．3．3电感及其应用………………………………………………………7

1．3．4二极管及其应用………………………………………………………9.

1．3．5三极管及其应用………………………………………………………9.

1．3．6显示器及其应用………………………………………………………10..

1．3．7运算放大器及其应用…………………………………………………13

第二章可预置时间控制器的课程设计…………………………………………16

2．1．温度测量仪表名称……………………………………………………………16

2．2．技术指标……………………………………………………………16

2．3实习目的……………………………………………………………16

2．4实验仪器与设备……………………………………………………16

2．5.课程设计原理……………………………………………………………16

2．6.电子线路原理图……………………………………………………17

2．7．元器件………………………………………………………………19

2．8.课程设计内容与步骤……………………………………………………19..

2．9．课程设计报告要求………………………………………………………20..

2．10．集成电路资料………………………………………………………20..

2．11．单片机的时间控制电路（扩展应用）……………………………23..

第三章温度测量仪表电路的课程设计………………………………………24..

3．1．课程设计名称……………………………………………………………24..

3．2．技术指标……………………………………………………………24..

3．3课程设计目的……………………………………………………………24..

3．4实验仪器与设备……………………………………………………24..

3．5.实验原理……………………………………………………………24..

3．6热敏电阻温度传感器的应用………………………………………25

3．7.电子线路原理图……………………………………………………29..

3．8．元器件………………………………………………………………30..

3．9.课程设计与步骤……………………………………………………30..

3．10课程设计报告要求………………………………………………………31..

3．11．集成电路资料………………………………………………………31..

4．附录…………………………………………………………………33..

1．课程设计报告要求：

……………………………………………….33..

2．内页……………………………………………………….……33..

第一章基础知识

1．1电子产品工艺

电子产品，是由各种电子元器件通过导线连接起来能够完成特定功能的装置。

有外形结构、内部电路，按一定要求和步骤安装完成的。

例如，收音机、电视机、电风扇、计算机、手机等。

电子产品不仅要有良好的电气性能，还要有可靠的总体结构和牢固的外壳结构，才能够经受各种环境因素的影响，才能够长期、安全地使用。

因此，从整机结构的角度来说，电子产品必须具备操作安全、使用方便、造形美观、结构轻巧、容易维修等特点。

在电子产品设计的初始阶段，就需要从各个方面进行考虑，以便设计出优秀的电子产品。

1．2工艺设计

工艺，是生产者利用生产设备和生产工具，对各种原材料、半成品进行加工处理，使之最后成为符合技术要求的产品的艺术，这个艺术是一种程序，是一种方法，是一种技术。

它是人类在生产劳动中不断积累、总结的操作经验和技术能力。

工艺技术在电子设备的试制与生产中占有不容忽视的重要地位，它是实现电子设备技术方案不可缺少的一个环节，亦是保证设备质量的重要手段之一，工艺技术水平的高低，直接影响到设备的生产周期和效益。

而电子工业本身的薄弱环节之一是生产工艺与结构设计落后，而且不被重视。

对于一代技术决定一代工艺，一代工艺决定一代产品，以及对一个时代，一种生产方式，依靠一代工艺生产技术的支撑的工艺技术的重要性认识不足。

同时，我们应该清楚地看到，电子设备的差距主要在于产品的性能价格比上，而性能价格比则在于技术秘密，而技术秘密许多情况下恰恰是工艺问题。

因此，需要全面衡量工艺技术在科研、生产中的地位和作用，使工艺技术发挥应有的作用。

现代电子电气设备（产品）生产企业要求产品设计师既要掌握产品结构设计方面的专业技术，又要懂得制造工艺技术。

面对电子产品与电气设备产业对结构设计与工艺知识的新需求，需要重视和学习掌握电子产品的工艺设计技术。

从事电子电气设备结构设计、现场工艺、工艺管理等工作的产品设计师、工艺师及工程师；企业中高层技术管理人员（如车间主任或厂长等），都需要了解和熟悉电子产品的工艺设计技术。

产品质量是指产品满足规定或隐含要求的特征和特性总和。

它包含有技术性能、可靠性、维修性、可用性、可信性、经济性、寿命、外观等。

质量体系认证是质量管理和质量保证的前提，但产品质量的提高，还需要在体系认证的基础上，进一步采取各项技术措施。

产品质量的好坏是需要通过实践检验、需要得到用户公认、需要采取相应技术措施的。

可靠性是从产品尽量不出故障的角度出发来讨论质量问题的，运用可靠性技术，是提高产品质量、增强产品市场竞争能力的重要手段。

可靠性技术是一项共性技术，可靠性学科是一门边缘学科。

开展可靠性工作，既需要有概率统计等方面的基础知识，也需要有与产品相关的专业知识。

开展产品可靠性工作的基础是要对产品提出定性定量的可靠性要求，制定并实施可靠性工作大纲。

产品的可靠性要求是对产品进行可靠性设计、监督控制及鉴定验收的依据和前提，是推动产品可靠性增长的原动力。

1．3常用电子器件

在电子技术和计算机技术应用电路里面，要使用大量的各种各样的元器件，而常用的有电阻、电容、电感、二极管、三极管、运算放大器、集成电路和传感器等。

了解和熟悉这些元器件的基本性能和应用方法，对于智能化仪表的设计和制作是大有帮助的，在这里，结合单片机的应用，介绍一些常用的元器件的性能和它的的应用。

1．3．1电阻器及其应用

1电阻的定义

具有一定阻值、一定几何形状、一定技术性能的在电路中起电阻作用的元件。

2电阻的基本技术要求

·阻值单位为Ω、KΩ、MΩ、GΩ。

·精度±0.1%、±1%、±2%、±5%、±10%等

·功率1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W等

3电阻的分类

·固定电阻具有固定电阻值的

·可变电阻电阻值可以通过调节而改变的

4电阻的阻值标记

·直接标记法在电阻上直接印刷电阻的阻值

·色环标记法在电阻上印刷色环标记来表示电阻的阻值

允许误差

10倍数

第三位数

第二位数

第一位数

颜色的含义：

颜色有效数字10倍数允许误差

银色10-2±10

金色10-1±5

黑色0100

棕色1101±1

红色2102±2

橙色3103

黄色4104

绿色5105±0.5

蓝色6106±0.25

紫色7107±0.1

灰色8108

白色9109±5

无色±20

5电阻的结构

两端式、贴片式两种

6电阻的应用

在电路中，电阻起到限流、分压的作用。

V=E

R2R1+R2

图1.1电阻的分压的作用

在上面图中，可以根据电阻R1、R2的大小，取得分压V的值，这个应用在电子电路里很普通。

如图1.2所示,通过CPU的I/O口直接输出开关量0、1信号，为了确保开关量的1电平信号稳定，要在输出端加电平上拉电阻。

图1.2简单开关量输出

1.3.2电容器及其应用

1电容的定义

有二个金属电极、中间有一层电介质、可以存贮电荷的、在电路中起隔离直流信号、提供交流信号的元件。

电容一般用C表示，单位是法拉F，常用微法拉μF=10-6F，µP=10-12F

Σ·A

Σ介质常数

A电常平板面积

d平板间距

2电容的基本技术要求

·容量单位为F—法拉、µF—微法（10-6F）、nF--（10-9F）、

pF--微微法（皮法，10-12F）。

·精度±5%、±10%、±20%、>±20%等

·耐压6V、10V、16V、25V、50V、400V等

3电容的分类

·固定电容具有固定电容值的

·可变电容电容容量可以通过调节而改变的

·电解电容容量大，有正负极性

·陶瓷、有机介质电容等

4电容的容量标记

·直接标记法在电容上直接印刷电容的容量

举例：

电解电容200µF/16V

陶瓷、有机介质电容等2000表示容量为2000pF104表示容量为10×104µF

5电容的结构

立式、贴片式两种

6电容的应用

在电路中，电容起到提供交流通道.隔断直流通道的作用。

.电容的特点是它的电压不能突变

图1.3电容在电路中的抗干扰、滤波作用

在单片机复位电路中，电容起了重要的作用。

见图1.4。

CPU

1.4电容在单片机复位电路中的作用

在这里，利用了电容上的电压不能突变的性能。

刚通电时，由于电容上的电压不能突然发生变化，5V电压全部加在电阻上，使得单片机CPU的复位端得到了一个1电平，进行了复位的操作。

1电平的维持时间是由电阻和电容的容量所决定。

电容与电阻还可以组成微积分电路，实现微积分的运算，见图1.5。

ViCVoViRVo

图1.5微积分电路

图1.5-a中是积分电路，输入电压Vi通过电阻R向电容C充电，电容上的充电电压就是输出电压Vo。

Vo的电压按积分规律变化，积分时间由RC常数决定。

图1.5-b中是微分电路，输入电压Vi通过电容C向电阻R放电，电阻上的放电电压就是输出电压Vo。

Vo的电压按微分规律变化，微分时间由RC常数决定。

1.3.3电感器及其应用

1电感的定义

用金属导线绕制的，在金属导线通过电流时，在其周围会产生磁场的装置。

电感一般用L来表示，单位是亨利H，常用毫亨mH=10-3H，微亨μH=10-6H。

Φ自感磁通量，单位为韦佰

I电流单位为安培

2电感的基本技术要求

·容量单位为亨利，毫亨mH=10-3H，微亨μH=10-6H。

·精度±0.2—0.5%、±10--15%等

·电流根据产品的要求

3电感的分类

·固定电感具有固定电感值的

·可变电感电感容量可以通过调节而改变的

4电感的容量标记

·直接标记法在小电感上直接印刷电感的容量，一般的电感没有容量标记

5电感的结构

立式、贴片式两种，以及根据需要而制造的具有各种形状的。

6电感的应用

在电路中，电感起到提供直流通道.隔断交流通道的作用。

·在交流整流电路里的应用

在交流电源供电系统中，大多数采用工频交流电供电，需要使用变压器改变交流电压，变压器就是一种电感元件。

交流电经过变压、整流、滤波、稳压后才能向系统提供直流电源。

可以由两种类型的稳压电路提供所需的电压。

一种是普通线性电源，它由变压器、整流器、低通滤波器、稳压器等部件组成，结构简单，成本较低，稳压精度能满足一般要求，缺点是体积较大，发热较严重。

另一种是开关电源，它按照脉宽调制式（PWM）原理工作，体积小巧，稳定性好，稳压精度高，但成本较高，且设计技术与制造技术复杂。

单片机系统电源要具有足够的功率，以免满负荷或超负荷运行时发热严重，造成电压不稳定，要加强抗干扰设计，电源是干扰信号进入单片机的主要途径之一，电源变压器应有良好的屏蔽，必要时可以在电源入口处设置交流稳压器和交流电源滤波器，分布式电抗器等，以提高稳压和小波效果。

另外，单片机系统主要使用+5V直流电压，但有些器件（如A/D转换器、多路开关、放大器，及各种小型、微型继电器等）要求提供其它数值的电压，有时还要求使用隔离电源，设计中应统一考虑。

首先要计算应用系统的直流电源负载。

在系统中，CMOS材料的CPU芯片电流在20mA以下，此外，外围接口电路也要消耗电流，而更多的是显示器的电流。

若用LED显示，以每笔10mA计，一个字在70mA左右，所以在电源设计时，先计算所有的直流电流，设一个系统的直流电流为300mA，电压为5V，则功率为1.5W。

考虑到变压器的工作效率为70%左右，三端稳压管的压降为2V以上，变压器的次级电压应在10～12V，变压器的功率在2～2.5W。

图1.6220V交流电供电电源

图1.6所示，是一个典型的220V交流电变换成直流的供电电路，为了提高电源的可靠性，要求初级和次级之间加一个屏蔽层，D1～D4为桥式电流二极管。

C1、C3为电解电容作为滤波用，C2、C4为抗干扰的子电容，容量在0.01μF左右，三端稳压管为7805，根据功率的大小，应配以适当的散热器。

应该在电流大的芯片附近增加滤波用的电解电容，以稳定电压，对一些要求有较高的稳定电压地地方，如A/D转换，检测电路，应再设计一个基准稳压电源，选基准稳压集成电路以提高应用系统的可靠性和精确度。

在电路板（PCB）的设计过程中，更要充分考虑发热元件的散热问题，要考虑电源线的粗细、走向和屏蔽等问题。

将交流电转变成直流电的过程称为整流。

整流一般用整流器来完成。

整流器的种类很多，真空二极管整流器、机械整流器、半导体整流器等等，目前用半导体二极管构成的整流器已得到广泛的应用。

1.3.4半导体二极管及其应用

半导体二极管一般由一个P-N结构成。

将P-N结的P区和N区分别用导线引出，外面再装上管壳，就可以构成一个半导体二极管了。

其中P区引出极是二极管的正极（也是阳极），N区引出极是负极（也是阴极）。

半导体二极管的种类很多，图1.7是常见的几种半导体二极管的外形，其中（a）是玻璃封装型，（b）是塑料封装型，（c）是陶瓷环氧树脂封装型，（d）是金属封装型。

bcd

图1.7二极管的符号

半导体二极管的基本作用是单向导通。

2.5半导体三极管及其应用

半导体三极管又叫晶体三极管，通常简称晶体管，它是电子器件中最基本的元件之一。

1．在模拟电路里的应用

在模拟电路里，半导体三极管主要用于放大电流、电压信号，有直流和交流信号二种。

是工作在半导体三极管的线性放大区域，是线性的应用，在测量电路和音频放大电路里得到了广泛的应用。

2．在数字电路里的应用

在数字电路里，主要有0和1两个逻辑值，是应用半导体三极管的饱和区和截止区的工作特性。

如图1.8所示。

RbbcVo

图1.8半导体三极管在数字电路中的应用

在图1.8中，三极管的基极在Vb的作用下，使基极的电流大到引起集电极电流达到饱和状态，三极管就进入饱和工作区，三极管的集电极输出电压Vo接近0V，相当于逻辑0信号。

当三极管的基极没有电压作用时，集电极电流等于零，三极管就进入截止区，三极管的集电极输出电压Vo接近Ec的电压，相当于逻辑1信号。

因此，通过控制三极管的基极电压Vb，使Vb=0V或Vb=5V，就可以控制集电极的输出电压Vo为0或为1，Vb的电压逻辑值与Vo的电压逻辑值成逻辑”非”的关系，一个三极管与几个电阻就构成了一个非门电路。

1．3．6显示器及其应用

显示器是信息输出的重要接口，目前常用的有LED显示器和LCD显示器两大类，显示的方式有静态显示和动态显示两种。

1LED显示器

LED数码管是由发光二极管组成并封装在一个标准的外壳中，有8字形和米字形之分，各有共阳极和共阴极两种。

如图1.9所示为8字形共阳极和共阴极两种连接方式。

gfcomab

abghcom

…………

comabgh

edcomch共阴极共阳极

LED数码外形

图1.9LED数码管的结构

LED数码管的发光二极管负极连接在一起接地（COM端）的称为共阴极，LED数码管的发光二极管正极连接在一起接到+VC端的称为共阳极。

两种形式的LED数码管的外形及管脚排列相同。

图1.10所示为米字形LED数码管外形和共阴极，共阳极接法。

abhdpabhdp

fjb

ik…………

eghc

d+5V

图1.10米字形LED数码管的结构

LED显示器显示接口有静态和动态两种。

静态显示接口中一个接口驱动器件驱动一个显示器，常用的LED静态驱动接口器件特性见表1.1。

在静态显示时，单片机把数据写入接口驱动电路后，驱动电路能够锁存数据并使显示器显示输入的值，因此，接口驱动电路应该有锁存数据的功能，表中的TTL电路和CMOS电路中的CD14547均无锁存功能，电路设计中应增加锁存功能。

其它器件均有锁存功能。

所有器件均为BCD码，输出均不能驱动小数点。

表1.1LED静态显示接口器件

型号

电路类型

输出部分

输入部分

备注

结构

电流（Ma）

字型

码制

锁存功能

灯灭功能

灯测试

CD4511

CMOS

复合结构

IH=25

共阴0~9

BCD

有

可直接驱动共阴LED的段

CD14547

IH=10

共阴0~9

A~F

无

MC4495

IH=65

有

CD14513

CMOS

反相器

IL=1.3

IH=0.5

共阴0~9

BCD

有

驱动LED但无直接驱动

CD14543

CD14544

CMOS

异或门

IL=1.3

IH=0.5

共阴0~9

BCD

有

无

可驱动LED、LCD无力直接驱动LED

74LS74

74LS274

TTL

IL=24

共阴0~9

BCD

无

有

可直接驱动共阳LED，接上拉电阻后可驱动共阴LED

74LS48

74LS248

TTL

IL=6

共阴0~9

74LS249

TTL

IL=8

无

CD14513，CD14543和CD14544在驱动共阴极LED时，可直接显示相应的数字。

CD14543和CD14544的输出为异或门结构的，因此还可以驱动LCD液晶显示器。

根据上述各种器件的特点，在静态显示时，驱动共阴极LED，一般选用CD4511、CD4513或CD14495；驱动共阳极LED，可选用74LS74或74LS274，驱动LCD可选用CD14543或CD14544。

CD4511是BCD码-7段译码/锁存/驱动器。

CD4511从D，C，B，A输入待显示的BCD码，当LE=0时输入数据，当LE=1是数据锁存。

数据输入后立即在引脚A～G端输出用于驱动共阴极LED显示器的字段的信号。

当LT=0是，进行等测试，使LED显示器显示“8”。

当BI=0时，显示器消隐显示，即显示器“暗”。

2LCD液晶显示接口

液晶显示器具有工作电压低、功耗少、寿命长、可以显示各种复杂的文字和图形曲线，在各种单片机应用系统中有广泛的使用。

液晶显示器有字段型、字符型、点阵图形型，在使用时，有的液晶显示器内部有控制器，使用比较方便。

字段型液晶显示器有六段、七段、八段等多种，七段是常用的一种。

字符型液晶显示器有5×8、5×11点阵，单片机与字符型LCD显示器件的连接有直接访问和间接访问。

点阵图形型液晶显示器内部都有控制器，各种类型的点阵图形液晶显示器的控制器使用要求不同，指令各异，但基本控制方式相同，一般点阵图形型液晶显示器都有一个对外的接口，了解了接口引脚的定义和使用条件，可以应用单片机的数据总线或P1口对点阵图形型液晶显示器件进行控制。

字段型LCD以七段显示为常见，用于显示0～9十个数字及少量字符，在单片机应用

中需要专用的液晶显示译码驱动器才能工作。

常用的字段型液晶显示驱动器有CD4543、ICL71O6、ICL7116、ICL7126、ICL7136和ICM7211、ICM7211A、ICM7211M、ICM7211AMD等。

液晶显示部分

字段型显示器采用通用三位半字段式芯片，它的具体尺寸和显示信息见图1.11所示。

50.8引脚

标记块

1.271.27

显示区

48.2

图中尺寸单位为mm

图1.11字段型液晶显示器尺寸图

字段型液晶显示器的显示字段分布见表1.2。

表1.2字段计液晶显示器显示字段分布

SEG

COM

SEG

COL

SEG

LOBAT

COM

该液晶显示器共40个引脚，有三位半数字可以显示，可以显示000到1999的数字，有十、一号显示，有三个可以选择的小数点位置，通过程序来决定小数点的位置表示数的大小，还有LOBAT字符和时钟符号”:

”,它的显示有动态和静态二种方式。

CD4543是液晶显示器的驱动接口电路，具有BCD七段锁存、译码、驱动的功能。

CD4543电路的引脚排列和真值表如图1.127。

116

215

314

413

512

611

710

LDVcc

DCBA

显示

0～9

A～F

无显示

0～9

无显示

不变

PHc

BIb

Vssa

图1.12CD4543电路引脚、真值表

当CD4543的锁存端LD=1时，锁存器的输出数据a～g随着输入端的输入值D～A的变化而变化，当LD=0时，锁存器保存最后变化的值，并不再接受新的数据。

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