电力电子设计

吉林建工学院城建学院信息工程系自动化专业课程设计论文纸共9页第1页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1前言当今世界已进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。PT100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。温度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。由于温度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温传感器就会相应产生。由于PT100热电阻的温度与阻值变化关系，人们便利用它的这一特性，发明并生产了PT100热电阻温度传感器。它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。温度的采集范围可以在-200℃～+200℃，湿度采集范围是0%～100%。吉林建工学院城建学院信息工程系自动化专业课程设计论文纸共9页第2页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高，测量范围大，复现性和稳定性好等，被广泛应用于中温范围的温度测量中。PT100是广泛应用的测温元件，在-50℃-600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度，稳定性好，抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将PT电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应的温度值。常用的PT电阻揭发有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的导线长度分别加两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。1.1设计目的(1)理论与实践结合设计热电阻PT100测温电路(2)掌握PT100测温电路的工作原理、焊接与调试方法。(3)了解，掌握，并能独立调式设计PT100测温电路，以及各组成元件的使用和原理。(4)熟练使用万用表的各个功能。1.2设计任务利用所有元件焊电路板，并调试成功，充分锻炼动手能力和思考能力。1.3设计内容及要求(1)利用所有元件焊电路板，并调试成功，充分锻炼动手能力和思考能力。(2)利用电路板进行调试的数据进行计算，写出计算结果2热电阻PT100简介及工作原理吉林建工学院城建学院信息工程系自动化专业课程设计论文纸共9页第3页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2.1热电阻PT100的简介pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。PT100铂电阻RT曲线图表组成的部分pt100/PT1000感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成薄膜铂电阻薄膜铂电阻：用真空沉积的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上，膜厚在2微米以内，用玻璃烧结料把Ni（或Pd）引线固定，经激光调阻制成薄膜元件。温度传感器PT100是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在-200℃至650℃的范围.本电路选择其工作在-19℃至500℃范围.整个电路分为两部分,一是传感器前置放大电路,一是单片机A/D转换和显示,控制,软件非线性校正等部分.传感器的接入非常简单,从系统的5V供电端仅仅通过一支3K92的电阻就连接到PT100了.这种接法通常会引起严重的非线性问题,但是.由于有了单片机的软件校正作为后盾,因此就简化了传感器的接入方式.2.2热电阻PT100的工作原理按照PT100的参数,其在0℃到500℃的区间内,电阻值为100至280.9Ω，我们按照其串联分压的揭发，使用公式：Vcc/(PT100+3K92）*PT100=输出电压（mV），可以计算出其在整百℃时的输出电压，R2、R3、R4和Pt100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R3，通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，前一级约为10倍，后一级约为3倍。温度在吉林建工学院城建学院信息工程系自动化专业课程设计论文纸共9页第4页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊0~100度变化，当温度上升时，Pt100阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压Av对应升高。虽然电桥部分已经经过TL431稳压，但是整个模块的电压VCC一定要稳定，否则随着VCC的波动，运放LM324的工作电压波动，输出电压Av随之波动，最后导致A/D转换的结果波动，测量结果上下跳变。TL431的具体功能可以用图c的功能模块示意。由图可以看到，VI是一个内部的2.5V的基准源，接在运放的反向输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同向端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管图1的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，但可用于分析理解电路。TL431可等效为一只稳压二极管，其基本连接方法如下图所示。下图a可作2.5V基准源，下图b作可调基准源，电阻R2和R3与输出电压的关系为U0=2.5(1+R2/R3)V0[1]LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。感温探头采用一只硅三极管3DG6，把它接成二极管形式。硅晶体管发射结电压的温度系数约为-2.5mV/℃，即温度每上升1度，发射结电压变会下降2.5mV。运放A1连接成同相直流放大形式，温度越高，晶体管BG1压降越小，运放A1同相输入端的电压就越低，输出端的电压也越低。这是一个线性放大过程。在A1输出端接上测量或处理电路，便可对温度进行指吉林建工学院城建学院信息工程系自动化专业课程设计论文纸共9页第5页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊示或进行其它自动控制。3调试要点及测试方法(1)按照原理图将元器件焊接到PCB板时，要按照各个小电路的顺序一次焊接元器件。(2)将元器件按照原理图焊接到PCB板后，首先检查各个元器件与PCB板的焊接点，有无缺焊，虚焊，有无短路。检查PCB板电路和各元器件有无所损坏，吉林建工学院城建学院信息工程系自动化专业课程设计论文纸共9页第6页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊(3)通电前一定要检查好电源与地之间是否有最大电阻，以免通电时因为短路而烧坏电路板。(4)通电测试时，要选择好所用的电源电压值，以免电压过大或过小导致整体电路烧毁或无法正常工作。(5)测试时如发现故障，要先断开电源，然后仔细查找故障原因，排除故障后继续测试。(6)将测试时的各项数据进行记录，测试完成或成功后，将数据进行分析与研究4设计心得与体会在进行完期末考试后，我们就进行了传感器的课程设计。通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。这次设计和我们以前做的不同，因为以前都是直接焊在板子上，这次我们要自己做出电路板，把元器件的插孔都要做出来，对我们来说是一个挑战。我们画好PCB的布线图后进行镜像，然后用复写纸在铜片上画出来，然后打眼。做好后用油漆涂上，最后放在液体里溶解，泡好后擦去铜，板子就吉林建工学院城建学院信息工程系自动化专业课程设计论文纸共9页第7页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊做好了。在这个过程中，我就学会很多，做一件事，要有足够的耐心和信心才可以成功。在做课程设计的同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们通过各种途径查找资料了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能有所作为，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中，难免会遇到各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。而且这次设计是两个人一组，也锻炼了我们团结合作的精神。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计给了我很多体会。我还会继续努力的。5参考文献【1】康华光主编《模电电子技术基础》高等教育出版社2006年12月【2】许云峰主编《传感器基础实验与课程设计》电子工业出版社2002年2月【3】常用集成芯片使用》北京理工大学出版社1995年吉林建工学院城建学院信息工程系自动化专业课程设计论文纸共9页第8页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊