热敏电阻温度上下限控制装置.docx

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热敏电阻温度上下限控制装置

传感器课程设计报告书

课题名称

热敏电阻控制温度上下限报警装置

姓名

学号

院、系、部

电气工程系

专业

电气工程及其自动化

指导教师

李文娟

2013年7月2日

目录

第1章设计主体1

第2章硬件电路设计2

2.1电路设计结构框图2

2.2传感器的选择3

2.3信号处理电路4

2.4报警装置5

第3章制作使用5

3.1仿真5

3.2电路板设计5

3.3焊接5

第4章分析误差、灵敏度6

4.1热敏电阻的热电温度特性6

第5章设计总结7

参考文献9

第1章设计主体

1.1设计目的

1、掌握热电式传感器工作原理并了解热敏电阻与温度变化的关系；

2、熟练应用直流电桥，放大器等基本电路；

3、自拟电路，充分体会热电式传感器的实际应用；

1.2设计要求

1．实现基本功能，画出设计电路图；

2．制版；

3．提示：

（1）将热敏电阻接到桥式电路中，常温下输出电压为0，LED不发光；

（2）当把热敏电阻加到一定的热水或冷水中，（即温度升高或降低）桥式电路不平衡，导致后续的晶体管出现导通，对应的LED亮；

（3）在接三极管前先需要对桥式电路的输出电压信号放大，放大倍数约100倍；

4．完成3000字设计报告

1.3设计原理

温度上下限的确定：

根据热敏电阻对于不同温度有不同的电阻值的特性来得到。

通过实际侧量，得到所要求温度上下限对应的电阻值（本次使用的热敏电阻为负温度系数即温度越高阻值越低）。

电路的实现：

主要通过NTC传感器的作用，将温度引起的阻值变化转化为电势的变化，再经过集成运算放大器来控制输出，从而得到对温度上下限的控制。

最后经过后续电路，完成亮灯和报警系统。

电路整体的组成如图所示：

图1-1电路组成

第2章硬件电路设计

2.1电路设计结构框图

图2-1电路设计结构框图

根据设计要求以及热敏电阻的工作原理，电路采用12v电源电压作为工作电压，本次实验采用的热敏电阻的阻值范围约为0~100欧，30摄氏度时热敏电阻阻值达到95欧姆，而80摄氏度时达到22欧姆。

由于该实验选用的热敏电阻是负系数的，通过感应外界温度的变化来改变自身电阻值。

温度越高，热敏电阻的电阻值越小，温度越低，热敏电阻的电阻值越大。

如图，热敏电阻感受温度高于80摄氏度时，接入电路的电阻将会小于20欧，通过电路分压作用，两个LM324共用电压端电压约为6v，在比较放大器的另一端输入可知，上端放大器正向输入值小于负向输入，Q1截止不导通，此时，下端放大器正向输入大于负向输入，放大器导通，红灯显示报警；降低热敏电阻的外界温度，此时，热敏电阻接入电路的电阻值变大，当达到92欧以后，由于电路前端分压作用，使得上端放大器的正向输入大于负向输入，下端的放大器的正向输入小于负向输入，上端放大导通，下端放大器截止。

此时，绿灯显示温度过低报警。

2.2传感器的选择

热敏电阻：

热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件．热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化．若电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为μn、μp，则半导体的电导为：

σ=q（nμn+pμp）因为n、p、μn、μp都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线．这就是半导体热敏电阻的工作原理．

热敏电阻包括正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）热敏电阻，以及临界温度热敏电阻（CTR）．它们的电阻-温度特性如图1所示．热敏电阻的主要特点是：

①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强．

热敏电阻的基本特性是电阻—温度特性。

我们使用的热敏电阻为负温度系数热敏电阻，特别适用于-100~300℃之间测温，在较小的温度范围内，其电阻-温度特性曲线是一条指数曲线，即随着温度的升高阻值不断减小。

由于热敏电阻是由半导体材料制成的，其中的载流子数目是随温度的升高按指数规律迅速增加的。

载流子数目越多，导电能力越强，其电阻率也就越小，因此热敏电阻的电阻值岁温度的升高将按指数规律迅速减小。

这和金属中自由电子的导电机制恰好相反，金属中的电阻值是随着温度的上升而缓慢增大的。

热敏电阻有正温度系数，临界温度系数与负温度系数之分，本实验所用的101为负温度系数（NTC）,在较小的温度范围内，其电阻-温度特性曲线是一条指数曲线，可表示为RT=

e

式中，RT为温度为T时的电阻值，a与β为与半导体性能有关的常数，T为热敏电阻的热力学温度。

经实际测量，30摄氏度时热敏电阻阻值达到95欧姆，而80摄氏度时达到22欧姆。

热敏电阻的温度曲线如下图：

图2-2热敏电阻温度曲线

2.3信号处理电路

我们采用了LM324四运放集成电路。

它采用14脚双列直插塑料封装，其内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用以外，四组运放相互独立。

每一组运放都可以用图一所示的符号来表示，它共有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号出入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“V0”为输出端。

两个信号输入端中，V-（-）为反相入端，表示运放输出端V0的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端V0的信号与该输入端的相位相同。

LM324的引脚排列见图3。

图2-3LM324图2-4LM324引脚

当去掉运放的反馈电阻，或者说反馈电阻趋于无穷大时（即开环状态），理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大，此时运放变成、形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-）。

当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出高电平。

我们选择第一组与第二组进高低温比较：

当环境温度高于25℃时，5管脚电位高6管脚电位，7管脚输出高电平，C9013导通，红灯亮且蜂鸣响，否则红灯不亮蜂鸣不响；当环温度低于25

时，3管脚电位高于2管脚电位，1管脚输出为高电平，C9013导通，绿灯亮，否则输出绿灯不亮。

2.4报警装置

我们采用了红色发光二极管和绿色发光二极管作为上下限指示标志，当红色二极管亮时，实现高温报警，即温度上限报警；绿色二极管发光时，实现低温报警，即温度下限报警。

第3章制作使用

3.1仿真

电路基本设计出来后，在计算机上用PROTEUS系统仿真软件实现仿真。

对元器件的取值应严格按照设计的电路及实际情况来确定，以减少在硬件操作时的麻烦。

3.2电路板设计

我们先在面包板上连接好电路，控制传感器温度，使温度上下限确定位在30℃及80℃。

焊接前对万用电路板进行了电路设计，以整洁美观为原则。

对布线，元件的放置都有明确位置。

3.3焊接

严格按照上图所示连接电路图，LM324的4脚接+5V，11脚接地。

焊接时应注意以下几个方面：

（1）发光二极管的极性不能搞混，脚长的一端为正极，另一端为负极。

或使用万用表测量。

（2）LM324不能直接焊接在电路板上，那样的话既不容易调试，还容易烧坏片子，应焊接8脚的集成电路管座，在焊接完成后将LM324插于管座上。

（3）扬声器的极性已标出，注意不能反接。

焊接完成后的电路基本不用调试，用给NTC传感器加热，其电阻发生变化，使管脚2、3与管脚5、6的电压发生变化，从而使LM324的第一组或第二组导通或截止，进而实现红灯或绿灯亮，实现温度超限报警。

第4章分析误差、灵敏度

4.1热敏电阻的热电温度特性

热敏电阻是一种电阻值随其电阻体温度变化呈现显著变化的热敏感电阻。

本实验所选择为负温度系数热敏电阻，它的电阻值随温度的升高而减少。

其电阻温度特性的通用公式为：

（1）

式中

为热敏电阻所处环境的绝对温度值（单位，开尔文），今为热敏电阻在温度

时的电阻值，A为常数，B为与材料有关的常数。

将式（l）两边取对数，可得:

（2）

由实验采集得到

数据，描绘出

的曲线图，由图像得出直线的斜率B，截距㏑A，则可以将热敏电阻的参数表达式写出来。

平衡电桥：

电桥是一种用比较法进行测量的仪器，由于它具有很高的测t灵敏度和准确度，在电测技术中有较为广泛的应用，不仅能测量多种电学量，如电阻、电感、电容、互感、频率及电介质、磁介质的特性;而且配适当的传感器，还能用来测量某些非电学量，如温度、湿度、压强、微小形变等。

在“测量热敏电阻温度特性”实验中用平衡电桥来测量热敏电阻的阻值，其原理如下：

3

在不同温度下调节电阻的R3大小，使检流计G的示数为0，有平衡电桥的性质可知Rx／R3＝R2／R1.在实验时，调节R1和R2均为1000欧姆。

则Rx的值即为R3的值。

非平衡电桥原理：

图4-1非平衡电桥原理

非平衡电桥的原理图如图4-1所示。

非平衡电桥在结构形式上与平衡电桥相似，但测量方法上有很大差别。

非平衡电桥是使R1R2R3保持不变，Rx变化时则检流计G的示数Ig变化。

再根据“Ig与Rx函数关系，通过测量Ig从而测得Rx。

由于可以检测连续变化的Ig，从而可以检测连续变化的Rx，进而检测连续变化的非电量

第5章设计总结

在此次为期一周的课程设计中，我觉的自己在很多个方面都获得了较为显著的提高。

首先是对理论知识的理解。

通过自身对传感器的设计、仿真、组装，将在课堂上学到的理论知识用以解决这一系列过程当中出现的种种问题。

不仅使理论正确的指导了实践，更在实践的过程中深化了对理论的认知，真正将课堂上的知识变为了自己的。

其次是团队合作与交流能力。

在这次的实习中采取了以小组为单位的合作形式，这就需要小组中的每个成员都要有一个明确的分工。

我在小组中主要负责电路的设计与焊接。

整个设计、制作过程也可以说是一个互相交流的过程。

在实验的时候我们也出现了一些问题，经过反复的调试还有老师耐心的讲解终于完成了这次试验。

再次是展示自我的能力。

由于这次的实习添加了答辩的环节，因此也就给了我们一个展现自己的舞台。

我们阐述自己的设计原理并对自己在整个过程中的工作进行总结，这对我们每一个人而言都是一种新的体验。

也为我们在更大的舞台上展示自己打下了基础。

总而言之，这次试验加强了我们实际动手的能力，也让我们学会了如何和队友合作。

加强了我们心中的团队精神意识。

我们要谢谢老师给了我们这平台，还有老师对我们耐心的辅导。

参考文献

[1]《传感器与传感器技术》科学出版社何道清2006年

[2]《电子技术基础模拟部分》高等教育出版社康华光2004年

[3]《传感器应用及其电路精选》电子工业出版社张福学1992年