集成温度传感器测水温

《传感器技术》课程 课题：集成温度传感器测水温 班    级                                  学生姓名            学号                  指导教师                                  电子与电气学院 2010年12月26日 1、系统设计   1.1系统概述 由于科学研究、工业和家用电器等方面对测温和温控的需要,各种新型的集成电路温度传感器不断被研制出来,AD590 便是其中之一。以AD590为核心，加上模数转换器ADC0804、AT89C51等构成一个测量水温，并且能够数字显示的电路。 1.2系统方案框图 图1 2、工作原理 2.1检测原理 在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻RL，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV／K的电压信号。其基本电路如图2所示。利用ΔUBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经 图2              图3 反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为ΔUBE。因此，电流I1为：                                                                  I1＝ΔUBE／R＝（KT／Rq）（ln n） 　对于AD590，n＝8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA／K的I值。 图3所示是AD590的内部电路，与图-3相比,图-4增加了一些元件。它们用以改善电路,使之工作时更接近理想电流源(高阻抗) ,从而减弱输入电压变化的影响。图3中的T1～T4相当于图-3中的T1、T2，而T9，T11相当于图-3中的T3、T4。R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。   T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。T1～T4是为热效应而设计的连接防式。而C1和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1／3。T9和T11的发射结面积比为8：1，T10和T11的发射结面积相等。   T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出：                                          ΔUBE＝   R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2／3。 根据上式不难看出，要想改变ΔUBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使ΔUBE减小，不过，改变R5对ΔUBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250℃之下使总电流I达到1μA／K。 集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测： 式中，K—波尔兹常数；          q—电子电荷绝对值。 集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。 2.2传感器选择 AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下： 1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K 式中： —流过器件（AD590）的电流，单位为mA； T—热力学温度，单位为K。 2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。 3、AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 4、输出电阻为710MW。 5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。 2.3测量电路介绍 （1）、基本应用电路 图 图4是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1k时，输出电压VO随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使VO =273.2mV。或在室温下(25℃)条件下调整电位器,使VO =273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。 图5 （2）、摄氏温度测量电路 图 -6 如图5所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0℃时调整R2，使输出VO =0，然后在100℃时调整R4使VO =100mV。如此反复调整多次，直至0℃时，VO  =0mV，100℃时VO =100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25℃，那么VO应为25mV。冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。 要使图6中的输出为200mV/℃，可通过增大反馈电阻（图中反馈电阻由R3与电位器R4串联而成）来实现。另外，测量华氏温度（符号为℉）时，因华氏温度等于热力学温度减去255.4再乘以9/5，故若要求输出为1mV/℉，则调整反馈电阻约为180kΩ，使得温度为0℃时， VO =17.8mV；温度为100℃,VO =197.8mV。AD581是高精度集成稳压器，输入电压最大为40V，输出10V。 2.4误差分析与修正 由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使VO=273.2mV。或在室温下(25℃)条件下调整电位器,使VO=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。 三．系统软件设计 3.1测试系统及流程图 3.2系统软件 #includeAT89X51.H unsigned char code table[]={0x00,0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09}; void delay1s(void) { unsigned char i,j,k; for(i=100;i0;i--) for(j=20;j0;j--) for(k=200;k0;k--); } void main() { unsigned char s=0,m=0,h=0,s0=0,s1=0,m0=0,m1=0,h0=0,h1=0; P0=0x00,P1=0x00,P2=0x00; while(1) { s=s+1; if(s==60) {   s=0,m=m+1;   if(m==60)   {   m=0,h=h+1;   if(h==24)   {   s=0,m=0,h=0;   }   } } s0=table[s%10]; s1=table[s/10]; m0=table[m%10]; m1=table[m/10]; h0=table[h%10]; h1=table[h/10]; delay1s(); P0=s0|(s1=4); P1=m0|(m1=4); P2=h0|(h1=4); } } 4、系统调试与验证 （1）在调温电热杯中放入1升清水，电热杯和控制系统相连，给系统上电，系统进入准备工作状态。 （2）用温度计测量及调节水杯中清水，水稳为35℃，给系统调零。分别设定温度为40℃、45℃、50℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃，观察设定温度和实际温度，并记录数据。填写表6-1。 （3）观察水温变化的动态情况，并记温度稳定的时间。填写表5-1。 给定温度与实测温度的数据对比如表5-1 表5-1 误差分析表 设定温度（℃） 实测温度（℃） 绝对误差（℃） 相对误 差（％） 设定温度（℃） 实测温度（℃） 绝对误差（℃） 相对误 差（％） 1 35.3℃ 35.3℃ 0℃ 0％ 4 60℃ 60.5℃ 0.5℃ 0.83％ 2 40.2℃ 40.1℃ -0.1℃ 0.24％ 5 74℃ 73.4℃ -0.4℃ 0.60％ 3 45℃ 45.3℃ 0.3℃ 0.66％ 6 81℃ 81.2℃ 0.2℃ 0.25％ 从表5-1中的数据可知，系统的误差基本稳定在正负0.3℃能很好的满足系统的设计要求。 温度稳定和时间的关系 设定温度为50℃，每隔30s记录实测温度如表5-2 表5-2 温度稳定速度关系表（设定温度50℃） 测量时间（分） 0.5分 1分 1.5分 2.0分 2.5分 3.5分 4.0分 实测温度℃ 35.5℃ 37.℃ 40.3℃ 43.5℃ 48.1℃ 50.3℃ 51.1℃ 测量时间（分） 4.5分 5.0分 5.5分 6.0分 6.5分 实测温度℃ 50.6℃ 49.8℃ 50.5℃ 50.2℃ 50.1℃ 从表5-2中的数据可知，系统运行5分钟时系统基本达到稳定。 5、课程设计体会与总结 一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础． 通过这次模具设计，本人在多方面都有所提高。通过这次模具设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次冷冲压模具设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了冷冲压模具设计等课程所学的内容，掌握冷冲压模具设计的方法和步骤，掌握冷冲压模具设计的基本的模具技能懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，了解了模具的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。 在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。感谢对我帮助过的同学们和老师，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。    由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。 附录： 1、参考资料 [1]  王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998,282-283. [2]  王大海. 新型温湿度自动控制系统的设计与应用[J].电子工程师, 2002,28(3):33-36. [3]  蒋敏兰,胡生清,幸国全.AD590温度传感器的非线性补偿及应用[J].传感器技术,2001,20(10):54-55. [4]  张志利,蔡伟. 基于AD590的温度测控装置研究[J].自动化与仪器仪表, 2001, (2):37-39. [5]Zhao Yongzhong etc. ZWB-2 intelligent multimeter, Intelligent Processing Systems, 1997. ICIPS '97. 1997 IEEE International Conference  ,1997,2:1470-1472. 2、元器件表 AD590传感器、ADC0804、AT89C51