1、传感器原理与应用课程设计传感器原理与应用课程设计全电子式汽车仪表总成设计指导书谢森 李振华上海电视大学目 录第一章 设计任务书 1第二章 设计提示 3第三章 参考设计 8第四章 仿真调试 13第五章 电路板制作 18第六章 设计报告写法20 第一章 设计任务书一、 题目：全电子式汽车仪表总成设计二、 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
2、、压力、液位、速度、大电流等参数，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。三、 任务：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
3、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
4、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。四、 具体指标和要求1车速表 用20只LED线状显示汽车的即时行驶速度。 测速范围：0100km h 每 LED显示：5km h 轮胎直径：900mm2里程表 用数码显示所行驶的不可复位累计总路程，及可复位单次小计路程。 计程范围：不可复位累计总里程099999.9 km，可复位小计里程 0 999.9 km 分度：以100米计数一次，即1次0.1km 轮胎直径：900mm3油量表 用3只LED条状显示燃油箱中的燃油油量。 测量范围：01/32/31 每 LED约显示：1/34油压
5、表 产品用10只LED条状显示发动机润滑油压力。 测量范围： 0.55 bar，（自制时可降低标准为7只LED，范围：0.53 bar。） 每 LED显示：0.5 bar5水温表 用6只LED条状显示发动机冷却水温度，并以最高3只红LED作超温报警。 测量范围：50 +100 每 LED显示：10左右，（注意线性化显示）。6电流表 分别用五只绿色 LED和五只红色 LED点状显示蓄电池充、放电流。 测量范围：-50A0+50A 每 LED显示：10A （注意避免导线及接触电阻的影响）五、发挥题1 车内外气温表 用二只二极管作自制的温度传感器和一只转换开关，以数码形式切换显示车内外气温（-20
6、+50 +/-1）。2 无接触（免软轴连接）式车速里程传感器及其配套表设计 软轴加工要求高且易损坏，若改用霍耳IC片、接近开关或干簧管自制车速里程传感器，则寿命和可靠性可大为提高。3 自行设计一种高精度车速里程表传感器（精度不亚于10cm）注意克服负载 对轮胎外径的影响。4 倒车防撞报警仪 用超声波压电陶瓷传感器，测出物体距车尾小于1.5米时发出声光报警，或物体距车两侧小于0.4米时发出声光报警。六、参考进度1. 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。2. 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
7、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。3. 三只表的详细电路图设计3天。4. 计算机仿真2天5. 制作调试 3天6. 撰写设计报告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。 第二章 设计提示准备：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
8、放LM324仿制和用EWB仿真。3LM3914的典型用法： 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。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。RC滤波SZMB5型转速传感器调量程20只LED条状显示二级LM3914驱动1 LM2917F/V转换图二 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30
9、0mv,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：1 先求出最大车速100km/h时，传感器输出信号的频率fi；2 LM2917的输出公式：Vout=Vcc.R1.C1.fi二、 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。计算提示: 先求900mm的轮胎周长C ，再求脉冲当量q=C/60个脉冲（=0.047167m/脉冲），由此得 每100米应计数
10、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，故决定采用。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
11、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, 13
12、3, 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。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,
13、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。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（32/581）/（1/433-1/333）=4180则得公式：Rt=
14、581*exp4180（1/T-1/333）由此计算得：输入温度：5060708090100对应电阻：857581,403285205151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. 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
15、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。第三章 汽车仪表总成参考设计一、 车速表二、 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。LM3914原理与仿真：四、油压表实际制作或仿真时，可用二片LM324代替LM3914 ，仅作7段压力显示。 五、 水温表 本次实验暂不做显示部分，只做传感器接口电路。1热敏电阻方案：3 PN结实验方案： 图四 PN结水温表传感器实验制作
16、.ewb六电流表第四章 仿真调试利用仿真来调试电路，已经是现代电子系统设计开发产品的必由之路了。通过仿真可以检查电路的工作点、可以校准仪表、测量误差，获得设计报告所需的一切数据，还可以看到LED亮暗及数字显示等实际输出的效果。我们希望同学们通过仿真实践，还要学会常用电子仪器的使用，学会设计检修各种汽车仪表的通用思路和方法。一、EWB5的使用概要又叫图纸区将已解压的EWB5子目录拷贝到你的PC机上，不用安装，即可运行其中的EWB32.EXE，直接进入仿真窗口。一般操作步骤如下：1 从窗首的器件库图标中找到你所需要的器件（包括测试仪表），用鼠标拖放到空白图纸区；2 双击图纸上的器件，可以设置它的符
17、号名称及各种参数大小、颜色等属性；3 连接电路：将鼠标移近器件引脚末端，待出现小黑点时可用鼠标拖出连线，进行连接。一个小黑点四周只能连四根线，若周边方向错了，就会出现绞线。若导线重叠，就会出现假断线。若二器件引脚未经导线连接就直接相接触，表面看是通了，实际是“假焊”。拖动一下器件就清楚了。4 要在图上任意位置标注文字，可取一个独立的“连接点”元件（小黑点），双击之，即可在其LABLE栏书写任意中文说明。5 按下窗口右上方的电源按钮（又叫仿真开关），电路即可工作。 6调整电位器校准仪表。每一个电位器都有一个标识如图W，按其标识键W就可以改变其百分比阻值，按caps键可以改变其变化方向。如忘了，可
18、选中电位器后再按F1键帮助。如有多个电位器，则可双击电位器，在Value卡的Key：中改变标识键字符，加以区别。二、验证方案设计 因为仿真中的传感器大多要用V、I、R或信号发生器代替，而它们的数值又往往和真实被测物理量的数值不同。这就需要选择一种替代（模拟）传感器的参数种类及其数值大小，拟订一套实验方法，来验证整个仪表的功能或考核仪表误差。例1：里程表中，我们不可能使用真的传感器或真的让汽车跑起来，然后检验屏幕中的电路是否真的显示正确。但分析电路工作原理知，它只不过是对脉冲计数。我们只要知道数码管每显一个字代表0.1公里，传感器每个脉冲代表0.04712米，就不难算出要输入N=100/0.04
19、712=2122个脉冲，数码管显示才增1。于是 我们可用f=1KHz的方波发生器代替SZMB-5型转速传感器，用示波器监视其波形，当示波器窗口底部的状态栏显示运行时间为2122mS时，按下“暂停”按钮，看数码管是否真的显示末位翻1了即可。例2：油量表 因为油量传感器特性为，油量0-1/2-1对应输出电阻0-30-60，所以油量传感器可以用100的电位器Rx来替代。当Rx=0时，所有LED应灭；当Rx=20时，LED1应亮；当Rx=40时，LED1、2应亮；当Rx=60时，LED1应全亮。例3：Rt水温表 已知RC7-1型热敏电阻式温度传感器的实测数据为：输入温度： 30 ， 60 ，90， 1
20、20 , 150，160对应电阻：2013, 581, 205, 85 40，32故可用1K或5K电位器代替温度传感器。但若直接按上表校验，则只有二个数据落在LED显示范围（50100）内，无法精确校核测量精度。为此需要计算每一个LED对应的电位器阻值。热敏电阻公式： Rt=Ro*expB（1/T 1/To），B为材料常数，T为绝对温度先由已知数据To=60+273=333K，Ro=581；T1=160+273=433，R1=32代入上式，可解得：B=ln（R1/Ro）/（1/T1-1/To）=ln（32/581）/（1/433-1/333）=4180则得公式：Rt=581*exp4180（1
21、/T-1/333）由此计算得：输入温度：5060708090100对应电阻：857581,403285205151例4：PN结水温表 硅二极管的静态压降约0.7V，温度系数约-2.25mV。但若依此确定用电压源来代替PN结温度传感器，则误差是很大的。因为以上数据是近似的，还与二极管上所串的电阻等具体电路有关。EWB 软件可为每一个元件设置环境温度参数，我们可利用它来校核仪表的测温精度。三、仪表的校准，即调零/调量程工作 一般线性模拟仪表都要通过调零/调量程工作，才能做到测量准确。调零就是在以显示量程低端值对应的输入信号下，调节调零电位器，使仪表显示量程的低端值。调量程就是在量程最大值对应的输入
22、信号下，调节仪表的总放大倍数，使仪表显示量程的高端值。这二端调准了，其他输入下的测量也就可以认为准了。如有误差，也就是仪表误差了。四、设计记录表格做好数据记录和分析本套仪表多以少量LED作显示，若直接以它作输出来分析仪表误差，意义不大。因为它不能反映除LED外的整个放大器的好坏，本身的方法误差也很大。因此，我们改用放大器的最终输出端电压（以下简称“仪表输出Vo”）作输出记录。1 以热敏电阻水温表为例，可设计如下记录表格：被测参数t （）5060708090100传感器输出Rx （）857581,403285205151仪表输出 Vo （V）2 画出输入/输出曲线：Vomax Vomin 3计算
23、仪表最大绝对误差：vomax= （V）， 转化为实际温度值为Yomax= （） 仪表线性度（非线性误差）： 五、参考实验步骤油量表画1画出实验电路，标上测试点符号，接上测试仪表。参见下图：1 调准恒流源：调电位器W，使Io=20mA2 调零：将电位器R调至0，检查Vr及Vo均应为03 调满量程：将传感器R置满量程60，检查Vr及Vo均应为1.2V4 填写下表,检查全部亮灯功能及仪表精度. Rx ()0204060 Vr (V) Vo (V) LED亮油压表1. 画出实验电路，标上测试点符号，接上测试仪表。参见下图：2. 调满量程：将传感器R置满量程133(代表压力3.5bar)，调电阻Ro,使
24、Vx为1.2V 3.调零：将电位器R调至0，检查Vx及Vo均应为0 4. 填写下表,检查全部亮灯功能及仪表精度.油压(bar) 00.511.522.533.5Rx ()102848658298116133Vx (V) Vo (V)LED亮3 热敏电阻式水温表1.画出实验电路，标上测试点符号，接上测试仪表。参见下图：2.调零：将传感器X置温度最低端(50) 857处,调电位器Z,使Vi+及Vi-近似相等, 此时Vo应 0，(电位器不能连续调节,若不串/并电阻就无法调到Vo绝对为0)。3.调满量程：将传感器X置满量程（100）151，同时粗调二个增益电阻110K，使Vo近似为 1.2V，若满量程
25、显示有误差，可留待末级（显示电路）来精细调解总增益。4.填写下表, 画出输入/输出曲线，求取仪表放大器的精度或线性度。被测参数t （）5060708090100传感器输出Rx （）857581,403285205151仪表输出 Vo （V） PN结式水温表1.画出实验电路，标上测试点符号，接上测试仪表。参见下图：2.调零：双击1N4148，在跳出的属性窗的Analysis Setup卡中设置Temperature为50即温度最低端(50)处，然后调电位器Z，使Vi+及Vi-近似相等, 此时Vo应0。3.调满量程：同上法，将传感器1N4148置满量程（100），调增益电位器F，使Vo近似为 1.
26、2V，若满量程显示有误差，可留待末级（显示电路）来精细调解总增益。4.填写下表, 画出输入/输出曲线，求取仪表放大器的精度。被测参数t （）5060708090100传感器Vd （mV）仪表输出 Vo （V）第五章 实验电路板制作一、 正规电路板制作当仿真调试通过后，就可以用制板CAD软件PROTE设计印刷电路板图。这时首先要根据印板大小/形状、操作/调试/出线方便，有可能的话尽量按信号流向，高频或高输入阻抗时还要考虑抗干扰这些因素，认真将集成电路、电位器、进出端子等大件及固定孔位置布置好，即所谓“布局”工作做好。集成电路定位槽方向应保持一致，不要贪图走线方便而颠倒方向。然后，以各集成电路为中
27、心，按电路图将电阻电容等小元件和每一根连线连好：普通连线越短越好；穿过IC管脚间的连线不要超过一根；双面排线时，上层尽量都走水平线，下层尽量都走垂直线，以避免形成绕不开的交叉线；单面排线时，可在上层（元件面）安排很短的“跳接线”，以避开线路交叉造成的短路故障；电源和地线尽量走四边，地线面积尽量大些。存盘后即可送加工厂，拍照、腐蚀、钻孔，涂上阻焊涂料，丝印上标注文字，即成为非常美观好用的成品印刷电路板。二、 实验电路板制作早期采用可反复拔插元件的“面包板”，但因接触不良，故障很多，现已淘汰。现多采用均匀密布焊盘的“通用印刷电路板”，进行实验制作。其基本布局和连线的原则同上，不再赘述。由于通常实验
28、板面积较大，故以集成电路为中心布局RC的同时，还提倡元器件尽量平放，不要竖放，不要拥挤。尽量按电路原理图中该元件的相对位置布局，以增强电路板的可读性。同时最好在电路板的引出线/接线端子及电位器旁贴上标签，以便识别。对于实验中要经常调试的器件，还要兼顾调节方便来确定位置。焊RC时，尽量不要剪断引脚，而应让引脚穿过板子后直接当作连线使用。不得已剪下的引脚也不应丢弃，可作连线使用，故发下的连线是很少的！请参见下面的实物照片。为了防止调试过程中因不小心短路而烧毁器件，可用剪下的元件引脚线将电路的测试点单独焊出。测试时让它穿过一张纸后，再接万用表或鳄鱼夹。电源线与板上器件不当心短路是最危险的，故不要将电
29、源鳄鱼夹直接夹到电路板上，而应用长短不同的软导线（30cm以上）将板上电源线引出后，再夹上电源鳄鱼夹，让鳄鱼夹远离电路板，最后再将鳄鱼夹夹到书里，可保万无一失。 油量表、PN结测温、热敏电阻测温电路板元件布局正面视图：油量表、PN结测温、热敏电阻测温电路板反面接线视图：第六章 设计报告写法 （一）、原则 设计报告文字务求精练，一般为6页左右。报告一律用WORD五号字体打印。你必须在有限的篇幅下，选你认为最关键，最有心得，最能体现你的水平的东西来写，不要写成流水帐，也不能写得过于空洞。 每只表的设计报告，一般应包括：1。系统方案讨论：每只表应提供二种方案，加以分析、选择。2。传感器及单元电路(IC)原理简述：应尽量简单
