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1、Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 电路系统设计与实践 2011 08 29 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 为什么要上这门课 机械专业的本科生必修实践课 传感器 电路与测试知识的综合应用 掌握典型电路的设计与调试方法 为缩短研究性工作适应期打基础 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 特点 1综合性 以传感器为研究对象 电路为 手段 应用为目的 实践为重点 培养综合应用已学知识 开拓新思路的设计能力 以及团结协作的精神 Sensor Lab Of DPIM Tsin
2、ghua University 2 遵循 学生为主体 教师为主导 的原则 给学生充分的自由发挥空间 从八个题目中选择一 个 做为实践任务 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 1 自己设计 自己调试 自己总结 2 教师对个别问题提示解决办法 针对 共性问题集中讲解 3 对于难度较大的题目 达到基本要求 后 有兴趣的可由实验室提供条件继续深 入研究 3 课程以自学为主 亲自动手 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University Sensor Lab O
3、f DPIM Tsinghua University 课程内容 v 传感器检测电路 传感器 温度传感器 测温度 光电传感器 计数 测频 超声波传感器 测距 霍尔传感器 磁场强度 高频振荡型接近开关 检测电路 调幅式和调频式两种模拟电路 脉冲放大整 形 计数 测频数字电路 v数据显示 系统联调与测试实验 硬件电路实现两位或三位七段LED数码显示 各部分 检测电路的联调 系统技术指标的测试实验 v熟悉传感器的基本概念和主要特性 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 什么是传感器 传感器 Sensor 定义 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成 可用输出信
4、号的器件或装置 它通常由敏感元件和转换 元件组成 1 敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件 2 转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应 的被测量转换成传输或测量的电信号部分 在传感器设计中 习惯上将敏感元件称为传感器 而 转换元件与信号调节 转换电路合称为传感器转换电路 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 传感器有哪些特性 静态特性 在静态条件下 传感器的输出量 与输入量之间的关系特性 又称稳态特性 包括 线性度 灵敏度 精确度 重复性 零漂和温漂等 动态特性 反映传感器输出信号跟踪输入信 号变化的响应能力和特性 Sensor Lab Of D
5、PIM Tsinghua University 线性度是指传感器实际输出 输入曲线与理论直 线之间的最大偏差与输出满度值之比 灵敏度是指传感器在稳定条件下 输出变化量与 输入变化量的比值 重复性是指传感器输入量在同一方向做全量程 内连续重复测量所得输出 输入特性曲线不一 致的程度 零漂是指传感器在输入量为零时输出的变化 温漂是指传感器输出随外界温度变化的变化 精确度是指测量量偏差的综合指标 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 题目与分组 一 热敏电阻人体体温测量报警系统电路 二 集成温度传感器人体体温测量报警系统电路 三 绕线机圈数测控系统电路 四 直
6、流电机转速测控系统电路 五 超声波测距测量系统电路 六 磁场强度检测电路 七 脉搏波检测系统 八 基于单片机的振动信号频率幅值检测系统 说明 每组2人 一份任务书 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 设计完成热敏电阻的桥式测温电路 实现信号放大 压频转换 并进 行三位数码管 小数点后一位 的温度值显示 通过调零 调增益和分 频 倍频实现 和温度超限报警 采用发光二极管报警 A 桥式测温主电路 信号放大电路 压频转换电路 波形放大 整 形电路 B 报警电路 三位数码管显示电路 A B共同完成 采用室温和人体手心处温度两点温度标定 获取活体 采样数据 确定
7、传感器零漂和重复性等指标 每人完成5000字左右报告一份 技术指标 测温范围 25 45 输出频率 小于100kHz 灵敏度 1kHz 题目一 热敏电阻人体体温测量报警系统电路 热敏电阻 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 集成温度传感器选用AD590JH 为电流输出型器件 设计完成电流 电压转换主电路 信号放大电路 压频转换电路 进行三位数码管 小数 点后一位 显示 报警电路 采用发光二极管报警 A 主电路 信号放大电路 压频转换电路 波形放大 整形电路 B 报警电路 三位数码管显示电路 A B共同完成 采用室温和人体手心处温度两点温度标定 获取活体
8、 采样数据 确定传感器零漂和重复性等指标 每人完成5000字左右报告一份 技术指标 测温范围 25 45 输出频率 小于100kHz 灵敏度 1kHz 题目二 集成温度传感器体温测量报警系统电路 集成温度传感器 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 设计PWM电路驱动电动机 控制给定电机的转动圈数 要求圈数输入 方便 直观 能够实现正反转控制 并能够显示预置值 两位数码管显示 和电机实际旋转圈数 两位数码管显示 其中 电机正转时 显示值 正向增加 电机反转时 显示值反向减小 同组同学两名 共同完成总体方案设计 具体任务自行组内分工 每人完成5000字左右
9、报告一份 技术指标 记录至少十个设定圈数及控制结果 电机转圈数的控制范围 正向5 99圈 转动精度 1圈 题目三 绕线机圈数测控系统电路 电机正反转信号由光电传感器 发光 二极管和光敏二极管 获得 实验电机 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 设计PWM直流电机驱动电路 设置电机转速 两位数码管显示 闭 环控制电机以该转速旋转 并同时显示当前转速值 两位数码管显示 具体分工 同组同学两名 共同完成总体方案设计 每人完成5000字左 右报告一份 技术指标 设定至少10个转速 定时 如1分钟 记录电动机空载条件下转速 电机转速控制范围 5 30 r s 精
10、度为 2 r s 题目四 直流电机转速测控系统电路 电机正反转信号和转速信号 的获得 发光二极管和光敏二极管 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 题目五 超声波测距测量系统电路 利用超声波换能器实现物体间距离 位移 的测量 设计传感器 的信号放大电路 脉冲放大 整形电路 定时计数 并进行三位数码 管显示 具体分工 同组同学两名 共同完成总体方案设计 每人完成 5000字左右报告一份 技术指标 测量范围 0 1m 精度 2 超声波传感器 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 题目六 磁场强度检测系统电路 设计完成霍
11、尔磁强计电源电路 信号放大电路和压频转换电路 进行 三位数码管 小数点后两位 显示磁场强度值 即与磁场强度相同数码 的频率值 通过调零 调增益和分频电路实现 具体分工 同组同学两名 共同完成总体方案设计 每人完成5000字 左右报告一份 技术指标 测量范围 0 2T 输出频率 小于200kHz 灵敏度 100Hz 10G 霍尔传感器 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 题目七 脉搏波检测系统 由发光二级管和光敏二极管组成脉搏波检测传感器 其工作原理 是 利用手指动脉血在血液循环过程中周期性的脉动变化 通过发光 二极管发出的光透射过手指 经过手指组织的血
12、液吸收和衰减 由光敏 二极管接收 光敏二极管输出信号的变化反映了动脉血的脉动变化 任务 设计完成恒流源发光电路 接收信号放大电路 滤波整形电路 压 频转换电路 两位数码管显示脉搏 数 每分 具体分工 同组同学两名 共同完成总体方案设计 每人完成5000 字左右报告一份 技术指标 频率范围 0 1 10Hz 精度 3 1个字 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 题目八 基于单片机的振动信号频率幅值检测系统 利用MSP430F149单片机系统完成对一振动信号的频率和幅值的 测量 由1602A液晶显示器显示测量值 并通过计算机串口实现测量 数据的上传 任务
13、设计完成模拟振动信号的发生电路 方波 带通滤波电路 得 到正弦波 利用单片机测量方波的频率和正弦波的幅值 在液晶屏 上进行显示并通过串口上传到计算机上 具体分工 同组同学两名 共同完成总体方案设计 每人完成5000 字左右报告一份 技术指标 检测频率范围 10 1000Hz 检测精度 3 FS 检测稳定性 正负1个字 响应频率 40Hz Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 实验设备 实验台 示波器和数字式万用表 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 电源 12V 5V 共地 键盘和数码管显示 4 4键盘 8位七段
14、LED数码管 可 任选显示器驱动方式和显示位数 面包板 用户设计调试电路 计数器 频率计 8位七段LED数码管显示 信号发生器 输出频率为小于1Hz 300kHz的三角波 方 波和正弦波 PWM电路 直流电动机驱动电路主电路 功率放大电路 实验台组成 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 键盘和数码显示 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University PWM电路工作情况 方向 输入为低电平时 正向驱动电动机 方向输入为 高电平时 反向驱动电动机 脉宽 信号频率可选为几百Hz的调宽方波 幅值范围为 5V 12V 主电路输出 脉
15、宽信号占空比0 1 对应理论输出电压为 0 12V 由于限流电阻的存在实际输出电压约为 0 8V 脉冲 分配电路 PWM 主电路 方向 脉宽 输出 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 电机控制电路 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 面 包 板 键盘 电源 实验台前面板 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 1 器件管脚的排列 DIP U型顺序排列 其他封装形式 查手册 各管脚定义查手册或网上查询 2 测量仪器 万用表 测直流电压 低频交流电压 查线 测三极管 二极管的好
16、坏 示波器 频率计 信号输入两根线 地线和信号线 信号发生器 输出波形 频率 输出不可对接 面包板 要求插接线整齐 一便于查线 二电路工作可靠 作为考核的一项 3 注意实验安全 检查电源 输入 出 接线正确方可上电 电源指示灯不正常时立即断电 注 意 事 项 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 调试中注意的问题 切忌纸上谈兵 要看现有条件和实际效果 不要急躁 等 靠 要耐心 细致 争取自己解决 问题 1 检查原理是否正确 2 对照原理图查线路接 法及接通情况 3 改变参数再观察现象 注意总结 分析 报告素材 注意加强组内合作与组间合作 工作时间 上午8 00 12 00 下午1 00 5 00 周末休息 Sensor Lab Of DPIM Tsinghua University 课程进度安排 8 29日上午 课程 题目介绍 分组 8 29日下午 资料收集 基础训练 8 30日全天 方案设计 电路仿真 熟悉软件 WorkBench 和Multisim 与教师进行方案讨论 8 31 9 5日 方案验收总结 电路搭接 调试 熟悉电 子仪器 9 6
