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

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2010级传感器 课程设计

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=αe Tβ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2-3 LM324 图2-4 LM324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