测控系统课程设计指导
电子信息与自动化学院检测与控制实验中心万文略、彭小峰
电子信息与自动化学院测控技术与仪器系杨泽林、杨继森、庄秋慧
课程设计目的
测控系统课程设计是在学生学习完智能仪器理论和实验课后安排的综合实践教学环节，要求学生在2周的时间内运用所学知识，在教师的指导下按照仪器设计的一般方法设计制作一个功能较为完整的仪器。

并写出设计研究报告。

通过课程设计使学生在实践上获得智能仪器设计的经验，掌握仪器设计的步骤、过程和方法。

为毕业设计及今后从事智能仪器设计打下良好的基础。

课程设计题目：基于PN结传感器的温度测量仪设计
智能仪器的组成一般包括：传感器及信号调理电路、CPU及外围电路、模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入输出通道、人机接口电路（键盘、显示）、数据记录、转储（保存、打印）等
主要研究内容：
根据本次课程设计的题目要求，本次课程设计研究的主要内容为传感器及信号调理电路、CPU及其外围电路，AD转换电路，键盘和显示电路。

本文对其中关键部分做简单介绍，以使学生能更容易地进行课程设计。

1.半导体二极管的温度特性
选择1N4007整流二极管，其正向偏置工作时PN结上的结电压满足
（式1-1）
α,γ是由PN结参数决定的常数
Ugo:硅半导体在OK温度时禁带宽度与电子电荷q的比值。

由式1-1可以看出，PN结具有负的温度系数特性。

据文献记载，当温度变化一度时，结电压变化2mv左右。

由式1-1可知，温度变化曲线为指数型非线性变化。

其正向偏置电流应保持恒定。

2.放大电路设计
（1）选择放大器
PN结的结电压变化是一个微弱信号，结电压在温度每变化1度时大约变化2mv左右，所以需要进行放大后才能被后续电路处理。

选择合适的集成运放来设计放大电路，选择运放时应考虑运放的温度系数，共模抑制比，输入失调电压，带宽等。

可供选择的运算放大器有OP07、LM324等。

信号放大电路应采用仪用放大器的电路结构，为保证系统有足够的精度及温度分辨率，同时要考虑AD转换器的输入电压范围，放大器的放大倍数要合理设计。

（2）恒流源
根据式（1-1），使用PN结做温度传感器时，要保证其正向电流恒定才能有较好的精度，所以PN结的正向偏置采用恒流源驱动。

保证整个温度测量范围内PN结的正向电流恒定。

正向电流的具体值通过实验确定。

（3）滤波
温度信号变化比较缓慢，对传感器的干扰信号主要是来自工频设计一个低通滤波器滤除高频干扰。

（4）直流电桥
采用电桥连接方式使放大器放大传感器变化电压的差值。

避免放大器直流输出饱和。

通过理论分析及仿真实验研究选择合适的电桥电路参数。

3.实验研究PN结的温度特性
在理论分析的基础上，完成电桥，恒流源，放大电路设计制作后，提出PN结温度特性实验研究方案。

通过实验得到实际的PN结温度-电压曲线，为程序处理打下基础。

研究PN结的温度特性可以采用比较法，将PN结与标准温度测量仪的温度传感器放在同一个温度条件下，选择N个温度节点，记录节点温度及当前PN结的结电压，画出PN结的温度特性曲线。

研究PN结的正向工作电流与传感器灵敏度的关系，确定最佳正向工作电流。

4.实验数据处理
通过以上实验研究，得到15~100度温度范围内传感器温度特性曲线。

测量结果的处理包括2个方面
（1）温度传感器的非线性校正方法(存储变换)
由于实验条件限制，课程设计中不能得到更宽的实验温度区间，暂定校正传感器工作温度区间的范围为15~100度。

假定仪器的AD转换器的分辨率为10位，则仪器的温度分辨率为75/1024=0.073度。

采用比较法标定传感器的温度特性时，若精度范围内的每个点都进行逐点实际测量，由于要测量的点很多，工作量巨大几乎不可能完成。

将15~100度温度区间分为N个点，测量传感器的输出，当N的选择足够大时，可以认为连续的2个点之间温度-电压变化是线性的，采用直线拟合，则可以得到2点之间的温度-电压关系。

（2）如何提高测量精度
分析仪器的主要误差来源，提出改进和提高的措施和方案，并加以讨论。

可以进行理论分析，也可在实验中获得验证。

5.仪器精度分析及提高测量精度的方法
影响精度的主要原因有，电源电压的精度，放大电路的精度，AD转换器的精度。

分析
这些原因对仪器测量精度的影响。

进行实验验证并提出改进措施。

6. CPU接口电路设计
选择CPU，选择AD转换器，选择显示器件。

可供选择的CPU有MCS-51系列，LPC1114系列ARM处理器，CPU电路包括复位电路、时钟电路、电源电路。

AD转换电路有两种设计方案，一是当CPU内部无AD转换器时需要外接AD转换器，这时可以采用ADC0809 AD转换器，若采用LPC1114系列ARM处理器，其内部自带10位AD 转换器，只需设计模拟信号调理电路即可。

显示电路有2种选择方案，一是使用LED数码管，另一个方案是使用1602液晶显示器。

5. 程序设计
主要程序模块：
（1）AD转换程序
（2）标度变换程序
（3）非线性校正程序
（4）显示程序
6．报告要求
课程设计报告是对整个课程设计工作的总结，围绕课程设计过程中所做的主要工作，应包括：设计方案的确定、理论计算、主要硬件设计说明、程序设计说明、实验记录及实验数据分析与处理、实验结果、误差与精度分析等内容。

报告有话即长、无话即短，报告字数不做具体要求。

报告的封面格式要统一，由指导教师提供。

每人写一份课程设计报告，可以手写及打印。

报告一定不能互相抄袭，即使是同一组的同学也不能互相抄袭课程设计报告、所有的学生都应通过课程设计、对设计内容要自己理解、用自己的语言撰写设计报告，违者一律严惩。

报告可以手写或打印，但报告的封面必须统一。

7．分组要求
本次课程设计最多3个人一组，分组时学生可以自由组合。

确定分组后上报课程设计指导教师，分组一经上报即不能更改。

8．课程设计考核要求：
本次课程设计地点在第3实验大楼C504、C507、C502。

每天上午9:00、下午2：00全体课程设计同学必须准时到实验大楼上班。

上午11:30，下午17:30下班，不准无故旷课、迟到、早退。

缺课1/3以上的同学一律取消课程设计成绩。

报告有1/3以上抄袭的取消课程设计成绩。

学生应遵守实验室纪律，不在实验室打闹，不随地吐痰、乱丢纸屑、不在实验室吃东西，不在实验室打游戏。

爱护实验室卫生、爱护实验室仪器设备。

严重违反上述规定者平时成绩一律不及格。

课程设计的成绩包括平时成绩、报告成绩、实做成绩。

平时成绩由学生的考勤记录、遵守实验室纪律等组成，报告成绩考查学生是否理解和掌握课程设计主要内容，是否有抄袭现象，设计是否合理、实验数据是否正确、设计方法是否得当、语言表达是否清晰、准确。

图表是否完备、规范。

实做成绩包括仿真设计和实际电路设计2部分组成。

平时成绩占总成绩的20%，报告成绩占40%，实做成绩占40%。

9．其他注意事项
学生先根据题目要求选择执行方案，根据设计方案进行原理设计，原理设计完成后需对自己的设计进行电路和程序仿真，当仿真通过后可以在实验室领用元件进行实做。

实做时刻在实验室领用部分元器件、领用元件时学生需提供元件清单，经指导教师签字同意。

本学期有13个班在实验室进行课程设计，实验室的设备及元件资源有限，学生应本着节约的原则领用元件。

实验设备也不能保证人手一套。

学生需要使用设备时先办理借用手续。

在设备借用表上登记借用的设备名称、设备编号、借用时间等，学生借用设备时检查设备是否完好，人为损坏设备应照价赔偿。

实验用CPU开发板学生可以自购，实验室能提供的ARM开发板数量有限。

指导教师可以组织学生购买ARM实验开发板，每套大约50元左右。

其余元件由实验室无偿提供。

附：模拟部分的参考设计图，包括恒流源及仪用放大器框架。

Q1,Q2,R2构成恒流源，当电源电压稳定时，调整R2可调整流过D1的电流。

D1,R3,Q1,R4构成非平衡直流电桥，电桥的输出经仪用放大器放大。