熱敏電阻溫度報警器電路設計

第一章 課題背景

1.1 引言

1.1.1 背景

溫度是一個(ge) 十分重要的物理量，對它的測量與(yu) 控製有十分重要的意義(yi) 。隨著現代工農(nong) 業(ye) 技術的發展及人們(men) 對生活環境要求的提高，人們(men) 也迫切需要檢測與(yu) 控製溫度。

溫度控製電路在工農(nong) 業(ye) 生產(chan) 中有著廣泛的應用。日常生活中也可以見到，如電冰箱的自動製冷，空調器的自動控製等等。利用熱敏電阻器製作一個(ge) 溫度報警器，可通過調節微調電位器的阻值，改變電壓比較器正向輸入端的參考電壓，可以改變電路報警時的溫度。

1.1.2 設計目的與(yu) 意義(yi)

本文通過采用熱敏電阻作為(wei) 敏感元件的溫度報警器的設計與(yu) 製作，闡明了該裝置進行設計與(yu) 製作的具體(ti) 過程及方法。這種溫度報警器結構簡單，由溫度控製部件和報警器兩(liang) 部分組成，可操作性強，應用廣泛。工作時，溫度測量範圍為(wei) 20℃～100℃。當溫度達到預定值30度時，利用熱敏電阻的特性，采集電壓信號，驅動報警裝置，立刻發出報警信號，從(cong) 而防止因溫度升高而帶來的不必要的損失。

1.2 技術指標

(1) 溫度測量範圍20℃～＋100℃。

(2) 測溫分辨率不低於(yu) 0.5℃。

(3) 溫度大於(yu) 30℃報警。

1.3 主要工作

1）根據指標設計溫度控製報警電路。

2）完成設計的焊接以及調試工作

第二章:元件介紹

負溫度係數熱敏電阻

NTC負溫度係數熱敏電阻工作原理 NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫(xie) ，意思是負的溫度係數，泛指負溫度係數很大的半導體(ti) 材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負溫度係數熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為(wei) 主要材料， 采用陶瓷工藝製造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體(ti) 性質，因為(wei) 在導電方式上完全類似鍺、矽等半導體(ti) 材料。溫度低時，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化範圍在10O~1000000

 

歐姆Ω

溫度係數-2%~-6.5%。NTC熱敏電阻器可NTC熱敏電阻器廣泛用於(yu) 測溫、控溫、溫度補償(chang) 等方麵．

NTC負溫度係數熱敏電阻構成 NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指隨溫度上升電阻呈指數關(guan) 係減小、具有負溫度係數的熱敏電阻現象和材料．該材料是利用錳、銅、矽、鈷、鐵、鎳、鋅等兩(liang) 種或兩(liang) 種以上的金屬氧化物進行充分混合、成型、燒結等工藝而成的半導體(ti) 陶瓷，可製成具有負溫度係數（NTC）的熱敏電阻．其電阻率和材料常數隨材料成分比例、燒結氣氛、燒結溫度和結構狀態不同而變化．現在還出現了以碳化矽、硒化錫、氮化鉭等為(wei) 代表的非氧化物係NTC熱敏電阻材料． NTC熱敏半導瓷大多是尖晶石結構或其他結構的氧化物陶瓷，具有負的溫度係數，電阻值可近似表示為(wei) ： 式中RT、RT0分別為(wei) 溫度T、T0時的電阻值，Bn為(wei) 材料常數．陶瓷晶粒本身由於(yu) 溫度變化而使電阻率發生變化，這是由半導體(ti) 特性決(jue) 定的．

繼電器 繼電器是一種電控製器件。它具有控製係統（又稱輸入回路）和被控製係統（又稱輸出回路）之間的互動關(guan) 係。通常應用於(yu) 自動化的控製電路中，它實際上是用小電流去控製大電流運作的一種“自動開關(guan) ”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。

器件簡介

當輸入量（如電壓、電流、溫度等）達到規定值時，繼電器所控製的輸出電路導通或斷開。 輸入量可分為(wei) 電氣量（如電流、電壓、頻率、功率等）及非電氣量（如溫度、壓力、速度等）兩(liang) 大類。 繼電器具有動作快、工作穩定、使用壽命長、體(ti) 積小等優(you) 點。

 

自動化

電壓比較器

電壓比較器可以看作是放大倍數接近“無窮大”的運算放大器。 電壓比較器的功能：比較兩(liang) 個(ge) 電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩(liang) 個(ge) 輸入電壓的大小關(guan) 係)： 當”+”輸入端電壓高於(yu) ”－”輸入端時，電壓比較器輸出為(wei) 高電平； 當”+”輸入端電壓低於(yu) ”－”輸入端時，電壓比較器輸出為(wei) 低電平； 可工作在線性工作區和非線性工作區。 工作在線性工作區時特點是虛短，虛斷； 工作在非線性工作區時特點是跳變，虛斷； 由於(yu) 比較器的輸出隻有低電平和高電平兩(liang) 種狀態，所以其中的集成運放常工作在非線性區。從(cong) 電路結構上看，運放常處於(yu) 開環狀態，又是為(wei) 了使比較器輸出狀態的轉換更加快速，以提高響應速度，一半在電路中接入正反饋。

第三章：方案論述 3.1設計簡介

結構圖

根據傳(chuan) 感器的原理構成和設計需要，各部分元件分別選用下列元器件：

測溫電路由敏感元件、轉換元件和測量電路構成，測量電路選用電橋，輔助電源選用直流電源。

敏感元件:負溫度係數熱敏電阻。

轉換元件：負溫度係數熱敏電阻將溫度轉換成電量 。

測量電路的種類：電橋。電橋法方便、準確。

 

輔助電源的種類：20伏特直流穩壓電源、220交流電源。

3.2 設計方案的圖表；

1.測量回路

 

當溫度變化時，Rt電阻阻值也隨之變小，電橋對臂乘積不等，電橋不平衡.由於(yu) 測量的溫度最小為(wei) 20℃，在20℃時的熱敏電阻的阻值為(wei) 10KΩ，本實驗中用滑動變阻器的滑動代替熱敏電阻溫度的變化，當接入電阻是10KΩ時，電橋平衡。當溫度升高時，電阻變小，相應的輸出電壓變大，輸出電壓有公式U。=V1(（RT/(R1+RT)-(R3/（R3+R2))可以求的，再經放大器放大後送入到比較器的正端

2.比較電路

 

由放大之後的電壓送到比較器的正端，由於(yu) 要設定30℃為(wei) 報警電路響，30℃時的熱敏電阻的阻值約為(wei) 8.5KΩ，移動RT到8.5KΩ，觀察電壓表2的讀數，同時調節R7，使得電壓表3的讀數與(yu) 2的相同

3 報警電路圖

 

R9、R8為(wei) 分壓電阻，避免繼電器短路時燒毀電源及元器件。聲光報警元件分別為(wei) 蜂鳴器、LED，與(yu) R9串聯成報警回路。正常工作時，比較放大器信號送來後，繼電器導通，報警回路被短路，當溫度升高時，比較放大器輸出高電平，繼電器VD截止，報警回路導通，燈和鈴導通，報警。

3.3 編寫(xie) 設計說明書(shu)

1）該傳(chuan) 感器的技術性能和使用條件

該傳(chuan) 感器可用於(yu) 液體(ti) 、氣體(ti) 、固體(ti) 、固溶體(ti) 和火災報警等方麵，使用簡單方便。通常測量範圍在20至100℃之間。這種測量電路精確可達0.1℃，感溫時間至少10秒以下。適用於(yu) 初始溫度≥20℃，升高到某一程度報警的係統。

2）最後組成的原理框圖

 

3）工作原理

Rt為(wei) 熱敏電阻，初始Rt=R1=R2=R3=10k，電橋平衡，即20℃時。 R9、R8、為(wei) 分壓電阻。可通過R7設置報警溫度。當溫度升高，Rt電阻阻值減小，從(cong) 而電橋輸出量隨之變化. 輸出量送入比較放大器進行比較，當其值大於(yu) 比較放大器R8上電壓時，比較放大器導通，繼電器截止，報警回路由短路狀態變為(wei) 導通，燈和鈴導通，報警成功。

4）報警溫度的設置與(yu) 計算

Rt為(wei) 負溫度係數熱敏電阻，阻值變化如下：

溫度°C

-50

-30

-10

10

5）誤差分析

熱敏電阻會(hui) 有一定的時間延時，從(cong) 而間接的影響了整個(ge) 報警係統的靈敏和準確性能。 電阻值KΩ 溫度°C 電阻值KΩ 329.2 20 10 111.3 30 8.313 42.45 50 4.61 27.28 80 1.669 17.96 100 0.9735

4.元器件清單及型號

 

5.設計總結

時間總是過得很快，經過一周的課程設計的學習(xi) ，我已經自己能製作一個(ge) 溫度報警器了，興(xing) 奮是無法用言語表達的。

設計溫度報警器這段時間也是我這一學期最忙的日子.本周必須完成模電的課程設計任務對我們(men) 來說，顯得很重。為(wei) 了盡快完成模電的課程設計，我一天也沒歇息。相關(guan) 知識缺乏給學習(xi) 它帶來很大困難，為(wei) 了盡快掌握它的用法，我照著原理圖學習(xi) 視頻一步一步做，終於(yu) 知道了如何操作。

剛開始我借來了一份溫度報警器的電路原理圖，但離實際應用差距較大，有些器件很難找到，後來到網上搜索了一下相關(guan) 內(nei) 容，順便到學校圖書(shu) 館借相關(guan) 書(shu) 籍，經過不斷比較與(yu) 討論，最終敲定了溫度報警器的電路原理圖，並且詢問了兄弟班關(guan) 於(yu) 元器件的參數情況。

在做電路仿真時，我畫好了電路原理圖，修改好參數後，總是不行,無論我怎樣修改都不行，後來請教同學，他們(men) 也遇到了同樣的困惑。任何事情都不可能是一帆風順的。

經過這段課程設計的日子，我發現從(cong) 剛開始的Multisim到現在的Protel，不管是學習(xi) 哪種軟件，都給我留下了很深的印象。由於(yu) 沒有接觸，開始學得很費力，但到後來就好了。在每次的課程設計中,遇到問題，最好的辦法就是問別人，因為(wei) 每個(ge) 人掌握情況不一樣，不可能做到處處都懂，發揮群眾(zhong) 的力量，複雜的事情就會(hui) 變得很簡單。這一點我深有體(ti) 會(hui) ，在很多時候，我遇到的困難或許別人之前就已遇到，向他們(men) 請教遠比自己在那冥思苦想來得快。

盡管現在隻是初步學會(hui) 了溫度報警器的設計，離真正掌握還有一定距離，但學習(xi) 的這段日子確實令我收益匪淺，不僅(jin) 因為(wei) 它發生在特別的時間，更重要的是我又多掌握了一門新的技術，收獲總是令人快樂(le) ，不是嗎？

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作為(wei) 一名測控技術與(yu) 儀(yi) 器的學生，我覺得能做這樣的課程設計是十分有意義(yi) 。在已度過的三年大學生活裏我們(men) 大多數接觸的是專(zhuan) 業(ye) 基礎課。

我們(men) 在課堂上掌握的僅(jin) 僅(jin) 是專(zhuan) 業(ye) 基礎課的理論麵，如何去麵對現實中的各種設計？如何把我們(men) 所學到的專(zhuan) 業(ye) 基礎理論知識用到實踐中去呢？

我想做類似的作業(ye) 就為(wei) 我們(men) 提供了良好的實踐平台。在做本次課程設計的過程中，我感觸最深的當屬查閱了很多次設計書(shu) 和指導書(shu) 。

為(wei) 了讓自己的設計更加完善，更加符合工藝標準，一次次翻閱各種放大器的書(shu) 籍是十分必要的，同時也是必不可少的。通過這次課程設計我也發現了自身存在的不足之處，雖然感覺理論上已經掌握，但在運用到實踐的過程中仍有意想不到的困惑，經過一番努力才得以解決(jue) 。

通過這次設計，我懂得了學習(xi) 的重要性，了解到理論知識與(yu) 實踐相結合的重要意義(yi) ，學會(hui) 了堅持、耐心和努力，這將為(wei) 自己今後的學習(xi) 和工作鋪展了道路。另外，課堂上也有部分知識不太清楚，於(yu) 是我又不得不邊學邊用，時刻鞏固所學知識，這也是我作本次課程設計的一大收獲。整個(ge) 設計我基本上還滿意，由於(yu) 水平有限，難免會(hui) 有錯誤，還望老師批評指正。

參考文獻

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[3] 何希才.傳(chuan) 感器及其應用電路.北京：電子工業(ye) 出版社