传感器应用实训报告

 实训项目：数显温度计的设计与制作

班级：电子信息0912班              学号：   

实训时间：18-19周                 姓名：

一、实训目的

     1、了解芯片IC7107和芯片OP07的参数、功能；

2、熟悉A/D转换器的主要技术指标；

3、更好的把模拟电路、数字电路、传感器的技术及应用这三门已学过的课结合运用起来。

二、实训作品要达到的技术指标

     1、测温范围0-150度；

     2、采用4位数码管显示，能够稳定显示环境温度的值 ；

     3、显示精度为0.1度，测量误差不超过±1% 。

     4、焊接工艺良好；

三、设计方案

1、A/D转换器                原理图如下所示：

把电压转换成数字输出，则要用到A/D转换器

A/D转换器分为三个类型：

a:关联比较型      10ns~1us            速度快，但价格高

b:逐次逼近型      几us~100us          精度高

c:双积分型        几百us~几ms        速度慢，但抗干扰能力强

芯片ICL7107通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出，即该芯片属于双积分型A/D转换器。

它集成了A/D转换器的模拟部分电路和数字部分电路,它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05，抗干扰能力强，转换速度慢转换时间为几百us-几ms，能直接驱动共阳极数码管，设有一专门的小数点驱动信号，因为此次制作要求显示分辨率为0.1度，所以要驱动一个小数点，测量误差不超过±1%使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+。

2、电源电路：输入电压要稳定，不然即使Ei=0，pt100也会变化，所以要采用稳压电路。          原理图如下所示：

当电阻值为100欧姆时，电流为25mA，LM336提供不了这么大的电流，于是电阻值取1K。此时桥路输出电压变小，如果在原来的已经产生平衡的差分放大电路加大放大倍数来保持vi+电压值不受影响，会打破原电路的正负反馈的平衡，非线性校正就会失败，于是只能在第一次放大之后再进行放大。

其中PT100用插座代替，R3要通过运算的出：连接好电源线，用万用表测出第二个OP07的第六号脚的电压为1.9233v，已知RP2的阻值为56k，电压为1.6v，则R3=U/I=(1.9v-1.6v)* 56K/1.6v=10.5K,所以R3的值为10k。

方案一：电阻分压。                 方案二：桥式电路。

         

由于热电阻的阻值随温度的变化而变化比较大，方案一比较难测，方案二具有较高的精确度和灵敏度，还能预调平衡，因此选用方案二比较适合。为减小电阻带来的误差，采用电位器，使电桥平衡，所以原理图中的RP1就是用来调零（当温度输入为0℃时，数码管显示输出为0）用的.

四、具体功能电路的设计

1、信号放大电路：

当测量温度为100℃时，要求数码管显示为100.0，则芯片输入电压要求为1v,而此时桥路输出电压uo=（△R/R）Ui/4=（38.5/138.5）*2.5/4=0.37173646v≠1v.于是要把0.37173646v转换成1v，所以要用到放大电路，由于桥路输出电压是差值，所以选用差分放大电路放大.当把放大倍数取*4.08时，可以发现vin+电压与预期的有偏大的也有偏小的，这是因为pt100是非线性的，于是要引入非线性校正电路——正反馈电路。

为减小电阻带来的误差导致放大倍数不精确，采用变位器调满度（当满量程为150℃时，调节数码管显示为150.0），其中原理图中的RP2就是调满度用的。

2、电源电路

LM236/LM336集成电路是精密的2.5V并联稳压器，其工作相当于一个低温度系数的、动态电阻为0.2欧的2.5V齐纳二极管，其中的微调端可以使基准电压和温度系数得到微调。它的典型性能参数有：

A、低温度系数：6Mv/9Mv/18mV；B、工作电流范围宽：300uA——10mA；

C、动态电阻：0.2欧；D、最大正向电流：10mA；E、最大反向电流：15mA。         

上图（a）是LM336系列的基本应用电路，图中的10k电位器用来调节击穿电压而不影响器件的温度系数。

上图（b）所示，10k电位器的上、下端各串联一个硅二极管时，可以改变温度系数。当电压调到2.940V时，温度系数最小。

 3、芯片ICL7107外形如下所示：

         

芯片的引脚作用：

1)     V＋和V-分别为电源的正极和负极，

2)     Oscl-OSc3 ：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。

3)     第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定： Fosl = 0.45/RC

          

38管脚：35.58Hz       39管脚：34.84Hz       40管脚：29.0157Hz

4)   COM ：模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。

5)   TEST ：测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。

6)   VREF＋ VREF- ：基准电压正负端。

7)   CREF：外接基准电容端。

8)   INT：27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件

9)   IN＋和IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。

10) AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz 。如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。

11) BUF：缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。其输出级的无功电流( idling current )是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。

五、电路制作与调试

1、焊接放大信号板，做好连接电缆，注意连接点的对应关系。

2、检查无误后，方可通电。

3、调零：用电阻箱提供100欧电阻，接入Pt100插座，调整RP1使表头显示为0。

4、调满量程150°c，R9短接，电阻箱调到150°c对应的阻值，调RP2，使表头显示150.0。

5、根据所调电阻箱的阻值，测出相应的桥路输出电压，运算一级放大电压，二级放大电压，显示板电压，读出数码显示管的值。

6、根据PT100分度表调节电阻箱，使电阻箱的值显示为分度表相应温度的值，对比数码管显示的温度与实际温度。

7、接PT100，测试沸水温度与冰水混合物温度。

(一) 电源电路：

制作步骤：准备元件（一个LM336稳压管、1K电阻、直流稳压电源） ——按照电路图摆放焊接元件。

    调试：1、把+5v和接地连接到直流稳压电源；

          2、用万用表测试LM336输出电压是否稳定输出2.5v；

(二) 信号的检测与放大电路：

    制作步骤：准备元件——按照电路图摆放焊接元件——按照电路图与电源电路连接好。

    调试：1、检查电路连接是否正确，

     2、AGND, SGND连接，空置OP07,连接直流稳压电源，检查OP07的7号脚是否为+5v，4号脚是否为-5v

     3、PT100处用电阻箱代替，放置芯片。

     4、电阻箱设为满量程150℃对应的158.21欧姆，测第二个OP07的第六号管脚的电压值，求R3的值。

(三) 7107显示电路：

制作步骤：准备元件——按照电路图摆放焊接元件——按照电路图与电源电路、信号的检测与放大电路连接好——制作万能板。

调试：

1、检查电路连接是否正确；

2、空置ICL7107芯片，通电测量芯片第一脚是否为+5v，第26脚是否为-5v；

3、调节变位器，是ICL7107的第36脚我饿+1.0000v；

4、断电后，放入ICL7107，在通电；

5、vin+与vin-短接，数码管显示为三个0；

6、vin+接到ICL7107芯片的第36脚，数码管稳定显示为1000左右；

7、利用万能板，测数据（1、连接线路，2，调节万能板上的电压是vin+为要测量的电压值，3、读取数码管显示的值）；

8、读数据、记录数据；

9、分析数据；     万能板如下图所示：

    

10、系统联调：

                        i.              检查电路连接是否正确；

                      ii.              接好接线；

                    iii.              调节电阻箱为100欧姆，调节RP1，使数码管显示为0；

                    iv.              调节电阻箱为158.2，调节变位器RP2使数码管显示为150.0；

        v.      调节电阻箱为111.7，看数码管是否显示为30.0；

                    vi.              调节电阻箱为138.5，看数码管是否显示为100.0；

六、作品测试

1、在基准电压（ICL7107芯片的36管脚电压）为1v的情况下，ICL7107芯片的输入电压与数码管显示关系如下表所示：

分析：根据数据画出折线图如下所示，该数显温度计具有较好的线性度，误差较小，当输入电压不变时，数码管显示的值与输入电压成正比，当输入电压大于两倍的vref+时，数码管显示1***，该数显温度计有较好的线性度。还可以得出它们的关系为(其中y为数码管显示的值)：Vi/T=Vref/T2      Vi=T*Vref/T2

       Y=1000*vin/vref    (vin<=2vref)；

2、输出电压

全部调试后，接好PT100，测量冰水混合物，测量室温，测量看数码管显示的温度值是否与温度计显示的是否一致。

作品测试数据如下：

分析：

通过上图可以看出，水银温度计显示值与数显温度计显示值成比例，显示分辨率很高，符合作品要求，作品制作成功。

七、实训总结

1、开始焊接制作时，色环电阻较多，在读取电阻时应保证准确无误，焊接时应遵循从矮到高，焊锡不要太多避免与其他管脚相连，OP07的方向和接插件的方向也应该注意，否则会影响其他元件的摆放。

2、在通电调试前，应该先卸下芯片测试电路是否正确，以免芯片烧坏。在调试的过程中，容易出现数码管显示不稳定，芯片的第36号脚电压（基准电压）不稳定、不好调节，分析原因有以下两点：1、电路板上的电容管脚太长，数码管显示不稳定，会跳动。2、接线有问题，板子上有电源地和信号地两种，在调节时，万用表的黑表笔应该搭在电源地，因为导线是有电阻的，在记录数据时，要耐心等待数据稳定显示再做记录。

在实训的过程中，我遇到了数显温度计在测试时数值显示不稳定，导致无法记录相应的准确数值，经过分析，我总结了一个找数显温度计存在的问题的一般步骤：1、查看元件摆放是否正确。2、查看电路是否导通。3、看小板是否能正常工作，能否调零。如果能，则问题出在大板。4、小板调好零之后，再把小板与大板连接，看数码管能否显示为0，否则大板存在问题，可能是ICL7107芯片烧坏了。

这次实训让我学到了做多在课堂书本上所学不到的知识，这次的实训也是我在大学的一个转折点，让我明白了实训不是一般意义上的摆放元件，焊接好就好了，接下去的调试工作、分析数据和解决问题更为重要，不然这就是一个废器件。还有同一个器件，可以用不同的元件搭配，将得到更多、更好的功能。所以实训不只是看着原理图摆放、焊接元件，更重要的是了解其中的工作原理。我们要用心动手又动脑。

第二篇：电子课程设计实训报告-传感器-20xx06

实习/实训总结报告

实习/实训名称：

专业班级：

姓 名：

学 号：

指导教师姓名：

完 成 时 间： 传感器技术实训 实习/实训地点、时间：

年日

一、实习/实训目的

1.通过实训，培养学生动手能力，电子产品的维修、调试开发能力。

2.提高学生《传感器应用》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《单片机应用》等知识的综合运用能力。

二、实习/实训主要内容

1. 熟悉《电缆自动充气控制系统》的应用、整机的原理、设计思想、技术指标。

2. 对《电缆自动充气控制系统》进行硬件调试、故障判断、参数测试、软件调试

三、实习/实训具体内容及过程记录（图、表或程序等）

1. 分析整机电路原理、各个模块功能及相互关系。

1.1该电缆自动充气控制系统由五个模块构成，分别是信号采样模块、调理电路模块、A/D转换模块、微处理器模块、键盘显示模块。这五大模块完成了数据采样、数据处理、反馈控制、数据显示、输出压力上下限的设定等功能。硬件电路原理框图如（图1）所示。

（图1）

1.2该系统的硬件结构图如（图2）所示：

（图2）

工作原理：本控制系统使用以AT89C51为核心的控制器。输入通道由压力传感器、湿度传感器、温度传感器及传感器调理电路组成。4051芯片是八选一多路开关，

由89C51的P1.0、P1.1、P1.2作为地址选择线，分时选择输入信号，完成了多路传感器信号的选择。所采集的信号经过模数转换器ADC0804,由P0口进入89C51进行数据处理，并进行判断，从而发出控制命令。湿度传感器采样的湿度信号经变频电路，变成频率信号进入89C51的T1。上电复位及电源监视功能由MAX813L完成，从而使微处理器可以在发生故障或低电压时安全复位。24C02为数据存储器串行E2PROM用来存储键盘设定压力的上下限值，和其他需要修改的数据。通过74LS244缓冲器扩展四个功能按键。通过74LS374锁存器扩展了一片2003用来驱动固态继电器，从而达到了控制各电磁阀门的目的。显示驱动由3片7218A组成，7218A采用COMS工艺，每片能够驱动8位共阳LED显示，内含8×8位静态RAM及译码器，驱动电流为200mA，从而实现了20位的数字显示。

传感器采集到的各种模拟信号，经放大调整后进入模∕数转换器AD0804，然后进入主机。湿度传感器经过调整的信号量为数字量可直接进入主机的T1口，主机部分将采集到的各种信号量进行数据处理，并进行分析判断，最后控制压缩机的开或停，并控制四个固态继电器，用来启动相应的电磁阀，这四个电磁阀的其中两个是气体干燥器，一个是排水阀，一个是排气阀。压缩机工作时启动时两个干燥器（分子筛）按３０秒左右时间间隔轮番工作，源源不断的向电缆内充入干燥气体，当储气罐的气体压力达到或超过5500hpa或气缆内气体压力达到750hpa时，压缩机自动关机，如果出现下列情况之一，应发出紧急告警信号。

（1）交流电源电压大于250Ｖ或小于180V

（2）压缩机工作温度大于75℃

（3）供气设备内气体压力大于设定值（750hpa）

（4）充入供气设备内的气体相对湿度大于5％的时间超过2小时

（5）压缩机连续工作时间大于250秒

发生紧急告警时，压缩机停止工作，机器通过通讯模块可以利用电话、手机、BP机等通知工作人员到现场处理。非紧急告警有下列四项，储气罐压力低于设定值350hpa，输出气体湿度高于5％，机器维护时间等到。这些告警信号通过面板上相应的发光二极管来指示，并不影响机器的正常工作。

外扩的一片串行E2PROM，用于储存压缩机连续工作时间和一些历史记录，以及对各传感器采集的数据进行非线性校正时所需的函数插值点，这些点可以通过面板上的键盘很方便进行修正。

显示板可显示6种功能，即储气罐压力、输出压力、气体相对湿度％RH、充气时间、放气时间、压缩机连续工作时间。各片的写允许信号由主机板74LS32提供，当选通相应芯片时，89C51即可向7218A写入显示的数据。

1.3整机电路详细电路图及功能原理。

1.3.1主功能控制模块如（图3）：

（1）在实训实际硬件装置中，上电复位控制、看门狗和串行E2PROM 三种功能由X5045P芯片实现。另外，X5045P芯片还有电源电压监控。具体功能如下：

（a）上电复位控制。在对X5045通电时，ERSET引脚输出有效的复位信号，并保持至少200ms，使CPU有效复位。

（b）看门狗定时器。芯片内部状态寄存器的WD1、WD0是看门狗定时设置位，通过状态寄存器写指令WRSR修改这2个标志位，就能在3种定时间隔中进行选择或关闭定时器。对看门狗的复位由CS输入电平的下降沿完成。WD1、WD0组合的含义如下：

WD1 WD0 看门狗定时值

0 0 1.4s

0 1 600ms

1 0 200ms

1 1 禁止看门狗工作

（c）串行E2PROM。芯片内含512字节存储单元，10万次可靠写，数据保持时间100年。XICOR设计了3种保护方式防止误写。包括：WP写保护引脚，当引脚被拉低时，内部存储单元状态寄存器都禁止写入；存储区域写保护模式，通过对状态寄存器的BL1、BL0位的设置，可以选择对不同的存储区域进行写保护；在进行任何写操作前都必须打开写使能开关，而且在上电初始化写操作完成时，写使能开关自动关闭。显然，在几方面的保护之下，产生误写的可能性极小，BL1、BL0组合的含义如下：

BL1 BL0 写保护的单元地址

0 0 没有保护

0 1 180H～1FFH

1 0 100H～1FFH

1 1 000H～1FFH

（图3）

（2）4051在电路中功能及使用。4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。当 “INH”=1时，各通道均不接通。此外，4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使

这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=＋5V，VSS=0V，当VEE=－5V时，只要对此模拟开关施加0～5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为－5V～＋5V的模拟信号。

通过TA98C51芯片软件设置地址码，输出端输出输入通道对应一模拟量。经过模数转换器ADC0804，转换为二进制信号，输入单片机。

（3）LN2003也是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平，继电器得电吸合。 1.3.2气压信号采集传感器控制模块如（图4）：

采集的压力信号经放大器集成芯片LM124对其放大，输出接4051输入端。其中，LM258输出稳压供传感器工作。

（图4）

1.3.3数码管及LED驱动模块如（图5）：

ICM7218A构成的8位LED动态显示电路。采用软件译码使显示器显示。

（图5）

1.3.4数显及各功能信号LED灯指示模块。输出显示ICM7218A译码结果。

2. 进行硬件调试，记录调试内容、数据、故障现象和解决方法。

2.1静态调试。先断电测量，用万用表等工具，据硬件原理图，检查连线，元件

型号及规格是否合乎要求，特别注意电源系统的检查；然后加电检查，测量各点电平是否正常。

其中，检测出是4051芯片是双电源芯片，其余为单电源芯片。

2.2接通电源，在联机仿真和在线动态调试中，结合软件设计，进一步排除硬件设计的错误，以及调试有关器件，直到设计的参数要求。

经检测，可知所有芯片都是+5V电压供电，除LM258芯片是12V电压供电。 调试温度传感器AD590电位器，经计算，70℃对应输出电压调至3.6V。再调节其它电位器，输出合理的显示结果。

3.绘出软件主程序流程图。

软件是该控制系统的指挥中心，它控制完成了各种预定的功能及数据的运算和处理。通过软件编程控制多路转换开关，实现各控制单元的自动控制及显示，该控制系统软件主程序、中断服务程序、数据处理子程序、显示子程序、键盘扫描子

程序等组成。在主程序中完成了系统初

始化，系统控制，紧急报警等功能。中

断服务程序中完成了数据采集功能。数

据处理子程序中包括BCD码转换子程

序，BCD码多字节加、减、乘、除运算

子程序，非线性校正子程序，延时子程

序等。这里给出主程序控制流程如图

（图6）所示。

为了提高系统的可靠性与性能指

标，在软件设计上采取了以下措施。

（1） 采用模块化结构设计，并在每

个模块中采用了软件冗余技术。

（2） 采用线性插值法来补偿传感器

采集信号的非线性。

（3） 为了提高系统的可靠性，防止

程序飞掉，我们还设计了“看门

狗”程序

（4） 为了提高采样的可靠性，保证

系统的稳定性，在不增加硬件的

基础上，采用中值滤波法进行数

字滤波。（图6）

四、实习/实训总结及分析

1. 通过此次传感器技术综合实训，使我深刻认识到传感器技术、数字电子技术、模拟电子技术以及单片机等基础理论认识如何应用到实践中。在整个课程项目的设计过程中，我们遇到了许多困难和问题，但是凭着良好的心态和不放弃的精神，我们最终顺利完成这次实训。

2. 在任何应用系统设计中，硬件是系统的基础。单片机系统硬件综合性设计是重点，也是难点。因此，要注重硬件设计学习。同时要有扎实的理论基础知识。

同时，也要兼顾单片机软件设计的学习，单片机系统综合设计达最优化。

3. 另外，系统硬件测试与调试，是保证质量产品的重要环节。其中，理解其原理是关键。

五、实习/实训设备

数字万用表，稳压电源，电缆自动充气控制硬件系统

六、参考/实训资料

[1] 胡宴如.高频电子线路[M].高教出版社. 2001.9：12-19

[2] 卢屹.数字锁相环的参数设计及其应用[J] 通信技术2001，（9）：12-15

成 绩 评 定 表

年 月 日