温度超限报警

题目: 温度超限报警装置设计

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课程设计报告

——温度超限报警系统设计

一、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；

4、学习使用PROTEUS系统进行电路仿真，PROTEL软件绘制原理图。

二、设计内容：

温度上下限报警系统的设计

三、设计要求：

1、温度高于80摄氏度时，红灯亮，并发出鸣叫声。

2、温度低于30摄氏度时，绿灯亮。

3、在30摄氏度到80摄氏度之间，两个灯都不亮。

四、器件选择：

使用工具：直流稳压电源（5V）一台、电烙铁一把、万用电路板一块、泰坦万用表一台、温度计一个、加热杯一个

元件选择：热敏电阻NTC 5D-11一个（负温度系数）、放大器LM324一个、C9013两个、红色发光二极管一个、绿色发光二极管一个、扬

声器一个、100欧电阻四个、10欧电阻两个、10K欧电阻三个、

470欧电阻两个、390欧电阻两个、导线若干

五、设计思路：

温度上下限的确定：热敏电阻的基本特性是温度特性。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随着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=αe Tβ式中，RT为温度为T时的电阻值，α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。

经测量知：30摄氏度时电阻为95Ω，80摄氏度时电阻为24Ω。

比较器：我们用的器件是LM324，这是一个带有四个比较器的

芯片，其管脚如图所示。我们选择第一组与第二组

进高低温比较：当环境温度高于80℃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

30℃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。

六、设计原理：

1、热敏电阻：

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。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。

2、直流电桥：

直流电桥

根据平衡电桥原理可知

输出电压为：

U 0=U BA -U DA

=I 1R 1-I 2R 4

=S S U R R R U R R R 4

34211+-+ =S U R R R R R R R R )

)((43214231++- 由上式可见：若R 1R 3=R 2R 4，则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为平衡电桥。

平衡电桥的平衡条件为：R 1R 3=R 2R 4

A 点接5V 直流电压，C 点接地。R1=R2=100欧姆，R3接滑动变阻器，R4接热敏电阻。

调节R3，使得其阻值与热敏电阻R4在80℃时阻值相同, 30℃时原理相同。

3、 集成运算放大器

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2。

（图一） （图二）

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。

我们用2、3脚的电平差来比较高温；12、13脚的电平差来比较低温：

当所测温度高于80℃时3脚电位高于2脚电位，1脚输出高电平，否则输出

为零。

当所测温度低于30℃时12引脚电位高于13引脚电位，14脚输出高电平，否则输出为零。

4、报警系统：

为简化电路，我们采用了扬声器与红色发光二极管串联的方式接入电路中，其额定电压为3V。

整体电路图如下：

分析如下：

（图中有三个滑动变阻器，中间的滑动变阻器为热敏电阻RT，左右两边各设为R3 、R4。根据热敏电阻在温度上下限的阻值设定初始值R3=22 R4=95）

当温度T0低于30℃时，RT>95欧姆，此时控制低温的运放正输入端电压（2.5641V）大于负输入端电势（小于 2.5641V），输出高电平，绿色发光二极管点亮。继续加热

当温度T0低于80℃高于30℃时，22

当温度T0高于80℃时，RT<22欧姆，此时控制高温的运放正输入端电压（大于 4.0983V）大于负输入端电势（4.0983V），输出高电平，红色发光二极管点亮。高温报警。

七、制作步骤：

1、仿真

由于对PROTEUS系统仿真软件不熟悉，电路基本设计出来后，在计算机上实现仿真花费了大量时间。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。

2、电路板设计

我们先使用了面包板，对电路在实际情况下进行了进一步的调试，细心调试R3 R4滑动变阻器，使温度上下限准确定位在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、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