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1、山西广播电视大学 传感器原理与应用课程设计设计题目：全电子式汽车仪表总成设计专 业：机械制造及自动化 学生姓名: 靳 利 铭 学 号:10140001252966起迄日期: 2012 年 10月 22 日 2012 年 11月 5日 指导教师: 全电子式汽车仪表总成设计一、目的同学们学过传感器原理及应用课程后，已初步了解了常用传感器的工作原理、特点等理论知识，但还缺乏实际设计应用的能力。今安排的课程设计汽车仪表总成，是一种把汽车上所有测量仪表总装在一起，集中向驾驶员提供各种驾驶信息的仪表板。选择这个课题，不仅因为这里检测的参数，正是许多其它工业测控中最常用到的温度、压力、液位、速度、大电流等参
2、数，具有代表性、综合性，可以培养我们的实际工作能力；而且因为全电子式仪表具有一定的先进性，它代表了当前汽车仪表的发展方向，可以培养我们的研发能力。传统汽车仪表属机电热力式仪表，其体积大、功耗大而寿命不长，故正朝电子化，微机化方向迅猛发展。希望同学们能在设计过程中学会从工程角度思考问题，熟悉本专业领域的传感器产品，学会对产品传感器的正确接口、信号调理、线性化、校准及常用的电子显示/报警方法。二、设计资料 1按任务书要求查阅传感器资料。2重点学习 一种汽车专用 IC（也可广泛用于家电等） LM3914 的内部结构原理，考虑如何用普通运放 LM324仿制和用 EWB仿真。3LM3914 的典型用法：
3、A固定增益（1.2V 满量程）的最简单用法只需外加一只电阻。 B改变增益（最大可提高到 200mV满量程）的方法内 1. 2V分压后作基准电压。C闪烁报警方法看发放的资料。三、设计内容和步骤本课程要求同学从图一汽车仪表总成图中的二组仪表中各任选一半（即三只表），将其改进设计为全电子式的仪表。其中车速-里程表任务属于数字仪表设计训练，只要求考虑一种老师建议的系统方案，要求通过查找 IC手册，把完整详细的电路图画出来，讲清工作原理，进行必要的计算即可。不仿真、不制作，只作理论设计。组合仪表任务属于模拟仪表设计训练，这是传感接口技术中最重要的基本功，故要求任选二只表进行详细的 EWB仿真设计和实际制
4、作（每组同学可共同制作一只或二只表），记下调试数据！进行结果误差分析。每只表都要讨论二种以上的设计方案，但只选择一种性价比最高的方案进行设计、仿真和制作。报告一律用五号字体 WORD打印，一般 6页左右即可。要特别注意传感器的选择。作为产品设计方案应优选当前市售商品，但本实验设计允许选用简易元件（如 PN结二极管，普通热敏电阻等，具体见下提示），以便实验室仿真和制作。你若对产品设计饶有兴趣，可在“方案讨论”中讨论一下即可。最后的“发挥题”仅供思考，可与教师讨论，但不写入报告。组合仪表 信号灯里程表车速-里程表 * 车速表* 油量表 油压表* 水温表 电流表图一 全电子式汽车仪表总成基本组成全电
5、子式汽车仪表总成四、设计进度安排（明确时间、地点）查阅并自学常用汽车传感器资料1 天。至少要查到转速、油量、油压、温度传感器各二种类型以上，并记录其原理、特点及典型应用方法。查阅/自学 IC资料和大电流检测方法并初拟各表的实现方案1 天。至少要查到 LM2917频率-电压转换器，LM3914 点/条状 LED 显示驱动器、LM324单电源四运放、CD4040 十二位二进制串行计数器、ICM7225 四位半 LED数码管的脉冲计数/译码/驱动器、7805 三端稳压器、7660 负电压产生器，大电流检测的四端点电阻采样法、霍尔效应法。三只表的详细电路图设计3 天。计算机仿真2 天制作调试 3 天撰
6、写设计报告4 天。平时一定要注意搜集/记录资料，设计计算、实测数据不可缺少。 五、设计成果(一)设计方案一、 车速表只要求考虑如下一种系统方案，要求通过查找 IC手册，把完整详细的电路图画出来，讲清工作原理，进行必要计算即可。不仿真、不制作。图二 车速表原理图传感器概要：选用 SZMB5 型磁电式转速传感器，配合高为 900mm的轮胎时，其特性为每转输出 60个正弦波（幅度300mv,但不稳定），故车速 0100km/h时, 对应输出0589.2Hz近似正弦波。 计算提示：先求出最大车速 100km/h时，传感器输出信号的频率 fi；LM2917的输出公式：Vout=Vcc.R1.C1.fi二
7、、里程表也不仿真和制作。车速表和里程表应共用一个 SZMB5 型磁电式转速传感器，以降低成本.注：为防止掉电而丢失里程数据，需选用有记忆功能的机械计数器，如青岛海泰电气股份公司的 876-I（II、III）型六位电磁计数器，它不带回零装置，可防止篡改。转速传感器 SZMB-5 放大、整形 RC 滤波 CD4040n 分频器C9013驱动6 位机械计数器7225计数译码驱动4 位 LED 数码管LM358 0 10km/h LM2917F/V 转换 二级 LM3914驱动1 20 只 LED条状显示调量程SZMB5 型转速传感器RC 滤波计算提示: 先求 900mm的轮胎周长 C ，再求脉冲当量
8、 q=C/60个脉冲（=0.047167m/脉冲），由此得 每 100米应计数 n=100/q化为二进数=100001001010 (B)，由此推得对应于 CD4040的脚名和脚号，进行连线 。三、油量表传感器：可用电阻式油量表，它有正向和反向变化式二种。典型正向变化式特性为油量：01/21 对应输出电阻：03060反向变化式（昌河 ULG-17）油量：01/21 对应输出电阻：11032.50系统方案 1直接电阻分压取样此法简单，但因 Rs小，故非线性大，接近 1LED（应自行计算分析），无法接受。系统方案 2恒流源电阻取压采样此法线性及抗干扰性均好，是电阻性传感器的优选取样电路之一，故决定
9、采用。+5V20mA +1.2VLM3914 条形显示1KRx=060恒流源滤波+5VRx=060Rs=190 +1.2VLM3914 条形显示1K简易恒流源参考电路： 精密恒流源参考电路：简易恒流源计算提示：1基极分压电阻应较小，使 510上压降稳定在 2V上，2为使 Rx上能产生满幅显示所需 1.2V，I=(2-0.7)V/W 应为 20mA条形显示器的实验制作：考虑到任务指标只要高中低三档显示，故可以用一只LM324 仿照 LM3914（见附录“参考资料”）自制。四、油压表系统方案：常用油压表也是电阻式的，故也有如上二种方案可选，不过因其阻值较高（185 ）非线性不大，故取第一种方案直接
10、电阻分压取样。传感器特性：一种典型的电阻式油压传感器的实测数据为：输入压力： 0, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5 bar实际输出：10, 28, 48, 65, 82, 98, 116, 133, 150, 168, 185欧姆线性输出：10, 32, 45, 63, 80, 98, 115, 133, 150, 168, 185欧姆可见线性已经比较理想。+5V R1510 820 C9012 W=100 Rx=060 360K 0.1 +1.2VVR1=2V I=20mA +5V R1510 820 C9012 W=100 Rx=060 360
11、K 0.1 VR1=2V I=20mA LM324 计算：5V(185)/(185+Rs)=1.2V 解得 Rs=585条形显示器的实验制作：考虑到实验制作指标可降低到 7档显示，故可以用二只 LM324 仿照 LM3914自制。五、水温表系统方案讨论：常用的温度传感器种类很多，如热电偶，热电阻，热敏电阻，PN 结，AD590 等。可考虑用热敏电阻或 PN结。1热敏电阻方案:热敏电阻公式：Rt=Ro*expB（1/T 1/To），B 为材料常数，T 为绝对温度。为克服热敏电阻低端电阻不为零的特性,宜采用电桥检测电路。（注意热敏电阻的负温度电阻特性，应将热敏电阻放在电桥的合适部位）。为克服热敏电
12、阻的严重非线性影响，可在其上并一只合适电阻 Rp=Rm（B 2Tm）/（B + 2Tm），其中 Rm 为量程中点温度处的热敏电阻阻值；B 为热敏电阻的材料常数；Tm 为量程中点处的绝对温度。+5VRx=0185Rs +1.2VLM3914 条形显示1K2K 324 RC 滤波 LM3914 条状显示调量程+5V 500 调零 2K Rx Rp 传感器特性：RC7-1型电阻式温度传感器的实测数据为：输入温度： 30 ， 60 ，90， 120 , 150，160对应电阻：2013, 581, 205, 85 40，32可见线性很差。计算：B=ln（R1/Ro）/（1/T1-1/To）=ln（32
13、/581）/（1/433-1/333）=4180则得公式：Rt=581*exp4180（1/T-1/333）由此计算得：输入温度：50 60 70 80 90 100对应电阻：857 581 403 285 205 151线性化计算：采用并电阻方案 RP=Rm（B2Tm）/（B+2Tm）=338（4180 - 2*348）/（4180 +2*348）=241, 则 50,60,70，80,90,100时，对应总电阻分别为 188，170，151， 131，111，93, 由此 画出曲线如下,可见线性大大改善.2K 324 RC 滤波 LM3914 条状显示调量程+5V 500 调零 2K Rx
14、 Rp t 100751005001000R50 2PN 结实验方案： 图三 PN 结水温表传感器实验制作.ewb六、电流表系统方案讨论：常用的直流大电流检测主要有二种：四端电阻法和霍耳效应法。由于 前者可以用简单结构避免不稳定的接触电阻影响，成本低，工作可靠，故选择四端电阻法。为减少能耗，应尽量减小其上的电压降。自制大电流传感器原理：r1、r2 上的压降并不输入到测量放大器，而 r3、r4 相对测量放大器的高输入阻抗，可以忽略，保证了测量精度。(二)设计电路一、 车速表主电流端 I取压+端 Vi + 主电流端 I取压-端 Vi- r1 r3 r2 r4 Rs 约 0.0024GI 充 I 放
15、Rs=0.0024 L 差动放大，以提高共模抑制比放大 LM3914 条状显示调零调量程SZMB5型转 速 传 感 器 10 20K 1 0.02200K 2.47 Vout10K 3 22 3 42511 12 LM29179 8LM3914 低位 5 780547uF 1 10 11 20K 2 4212 14 16 18 3LM3914 高位 5 1 10 11 2.2K 2 4212 14 16 18 315 13 17 17 15 13 10K C 1 R1 调量程 Vi Vi 99886 7 1K 6 7 +5V +12V f i 0.02C 0 二、里程表三、油量表油量表实验制作：因只要 3 级 LED显示，故用一只 LM324仿制 LM3914即可。o 358 10 428 1 2 3 CD4040 10K 10K 780516 74LS21 o o o
