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

溫度是一個十分重要的物理量，對它的測量與控制有十分重要的意義。隨著現代工農業技術的發展及人們對生活環境要求的提高，人們也迫切需要檢測與控制溫度。

溫度控制電路在工農業生產中有著廣泛的應用。日常生活中也可以見到，如電冰箱的自動制冷，空調器的自動控制等等。利用熱敏電阻器制作一個溫度報警器，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 設計目的與意義

本文通過采用熱敏電阻作為敏感元件的溫度報警器的設計與制作，闡明了該裝置進行設計與制作的具體過程及方法。這種溫度報警器結構簡單，由溫度控制部件和報警器兩部分組成，可操作性強，應用廣泛。工作時，溫度測量范圍為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) 溫度測量范圍20℃～＋100℃。

(2) 測溫分辨率不低于0.5℃。

(3) 溫度大于30℃報警。

1.3 主要工作

1）根據指標設計溫度控制報警電路。

2）完成設計的焊接以及調試工作

第二章:元件介紹

負溫度系數熱敏電阻

NTC負溫度系數熱敏電阻工作原理 NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫，意思是負的溫度系數，泛指負溫度系數很大的半導體材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負溫度系數熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料， 采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，因為在導電方式上完全類似鍺、硅等半導體材料。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范圍在10O~1000000

 

歐姆Ω

溫度系數-2%~-6.5%。NTC熱敏電阻器可NTC熱敏電阻器廣泛用于測溫、控溫、溫度補償等方面．

NTC負溫度系數熱敏電阻構成 NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指隨溫度上升電阻呈指數關系減小、具有負溫度系數的熱敏電阻現象和材料．該材料是利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩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陶瓷，可制成具有負溫度系數（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硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系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，具有負的溫度系數，電阻值可近似表示為： 式中RT、RT0分別為溫度T、T0時的電阻值，Bn為材料常數．陶瓷晶粒本身由于溫度變化而使電阻率發生變化，這是由半導體特性決定的．

繼電器 繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路）之間的互動關系。通常應用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。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，繼電器所控制的輸出電路導通或斷開。 輸入量可分為電氣量（如電流、電壓、頻率、功率等）及非電氣量（如溫度、壓力、速度等）兩大類。 繼電器具有動作快、工作穩定、使用壽命長、體積小等優點。

 

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：比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關系)： 當”+”輸入端電壓高于”－”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平； 當”+”輸入端電壓低于”－”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平； 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； 由于比較器的輸出只有低電平和高電平兩種狀態，所以其中的集成運放常工作在非線性區。從電路結構上看，運放常處于開環狀態，又是為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:負溫度系數熱敏電阻。

轉換元件：負溫度系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.由于測量的溫度最小為20℃，在20℃時的熱敏電阻的阻值為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，再經放大器放大后送入到比較器的正端

2.比較電路

 

由放大之后的電壓送到比較器的正端，由于要設定30℃為報警電路響，30℃時的熱敏電阻的阻值約為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2的相同

3 報警電路圖

 

R9、R8為分壓電阻，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蜂鳴器、LED，與R9串聯成報警回路。正常工作時，比較放大器信號送來后，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 編寫設計說明書

1）該傳感器的技術性能和使用條件

該傳感器可用于液體、氣體、固體、固溶體和火災報警等方面，使用簡單方便。通常測量范圍在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。適用于初始溫度≥20℃，升高到某一程度報警的系統。

2）最后組成的原理框圖

 

3）工作原理

Rt為熱敏電阻，初始Rt=R1=R2=R3=10k，電橋平衡，即20℃時。 R9、R8、為分壓電阻。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，當其值大于比較放大器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導通，燈和鈴導通，報警成功。

4）報警溫度的設置與計算

Rt為負溫度系數熱敏電阻，阻值變化如下：

溫度°C

-50

-30

-10

10

5）誤差分析

熱敏電阻會有一定的時間延時，從而間接的影響了整個報警系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，我已經自己能制作一個溫度報警器了，興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來說，顯得很重。為了盡快完成模電的課程設計，我一天也沒歇息。相關知識缺乏給學習它帶來很大困難，為了盡快掌握它的用法，我照著原理圖學習視頻一步一步做，終于知道了如何操作。

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，后來到網上搜索了一下相關內容，順便到學校圖書館借相關書籍，經過不斷比較與討論，最終敲定了溫度報警器的電路原理圖，并且詢問了兄弟班關于元器件的參數情況。

在做電路仿真時，我畫好了電路原理圖，修改好參數后，總是不行,無論我怎樣修改都不行，后來請教同學，他們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，我發現從剛開始的Multisim到現在的Protel，不管是學習哪種軟件，都給我留下了很深的印象。由于沒有接觸，開始學得很費力，但到后來就好了。在每次的課程設計中,遇到問題，最好的辦法就是問別人，因為每個人掌握情況不一樣，不可能做到處處都懂，發揮群眾的力量，復雜的事情就會變得很簡單。這一點我深有體會，在很多時候，我遇到的困難或許別人之前就已遇到，向他們請教遠比自己在那冥思苦想來得快。

盡管現在只是初步學會了溫度報警器的設計，離真正掌握還有一定距離，但學習的這段日子確實令我收益匪淺，不僅因為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，不是嗎？

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作為一名測控技術與儀器的學生，我覺得能做這樣的課程設計是十分有意義。在已度過的三年大學生活里我們大多數接觸的是專業基礎課。

我們在課堂上掌握的僅僅是專業基礎課的理論面，如何去面對現實中的各種設計？如何把我們所學到的專業基礎理論知識用到實踐中去呢？

我想做類似的作業就為我們提供了良好的實踐平臺。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和指導書。

為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。

通過這次設計，我懂得了學習的重要性，了解到理論知識與實踐相結合的重要意義，學會了堅持、耐心和努力，這將為自己今后的學習和工作鋪展了道路。另外，課堂上也有部分知識不太清楚，于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。整個設計我基本上還滿意，由于水平有限，難免會有錯誤，還望老師批評指正。

參考文獻

[1] 單成祥.傳感器的理論與設計基礎及其應用.北京：國防工業出版社,1999.8

[2] 李英順. 現代傳感檢測技術. 北京:中國水利水電出版社, 2009.

[3] 何希才.傳感器及其應用電路.北京：電子工業出版社