热敏电阻控制温度上下限.doc

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2009级传感器
课程设计

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
xxx
学 号
xxx
院、系、部
电气工程系
专 业
电气工程及其自动化
指导教师
xxx

2013年 1 月 3 日

热敏电阻控制温度上下限报警装置
xxxxxxxxxx

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，比较器等基本电路
3.学习和掌握传感器在实际生活中的应用和设计技术，充分认识理论知识对应用技术的指导性作用，进一步加强理论知识与应用相结合的实践和锻炼。
二、设计要求
利用NTC热敏电阻制作一个简单的可以控制温度上下限的装置
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

三、硬件电路设计
3.1电路设计结构框图
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：

3.2传感器的选择
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。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）, RT为温度为T时的电阻值，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， 25摄氏度时热敏电阻阻值达到100欧姆。
我们采用了LM358n运放集成电路。它采用8脚双列直插塑料封装，其内部包含两组形式完全相同的运算放大器，除电源共用以外，两组运放相互独立。每一组运放都可以用图一所示的符号来表示，它共有3个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号出入端，8脚接电源端，4脚接地。LM358n的引脚排列如下图。

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。
我们选择了第一组运放进行温度的比较：当环境温度高于25℃时，3管脚电位高于2管脚电位，1管脚输出高电平，C9012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管脚电位低于2管脚电位，1管脚输出为低电平，C9013导通，绿灯亮，否则输出绿灯不亮。
3.3信号处理电路
在25摄氏度时，电桥平衡（操作时，调节为室内温度）放大器输出为零VT1，VT2均不导通，LED均不发光。当温度降低时，电桥输出a点电压低于b点电压，并使放大器输出电压低于-0.7V时，VT2导通，LED2发光。当温度升高时，电桥输出a点电压高于b点电压，并使放大器输出电压高于0.7V，VT1导通，LED1发光。
放大倍数约为100，因此电桥的输出电压上下限约为+7mv和-7mv，由此可推出上下限。

3.4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。
四、 制作使用
在焊接的过程中，为保证焊接点牢固,接粗良好与美观，不存在虚焊，假焊，在焊接前要用刀，断锯条或砂纸刮去或打光引脚线上的油污，氧化膜或漆，直至露出光亮干净的表面。之后涂上松香溶液，其上搪一层锡。焊接时应掌握好温度及时间，焊接时间一般在3—5秒。若焊接时间过短，焊锡未与焊件充分侵熔易产生虚焊，假焊；时间过长，则将烫坏印制板的铜箔或元件。电烙铁温度低，焊点表面粗糙，无光泽，呈豆腐渣状。焊接时，烙铁头应同时紧贴引脚或接线头及印制板上的焊盘铜箔，当焊点温度升至焊锡熔点时，焊锡熔化即自动流到引线与铜箔间，形成锥状光滑焊点，之后迅速移开烙铁。焊锡未完全凝固前，不能移动或摇动被焊元器件。
各元件焊接完毕，焊接结束后必须检查有无漏焊，虚焊以及由于焊锡流淌造成的元件短路。虚焊较难发现，可用镊子夹住元件引脚轻轻拉动，如发现摇动应立即补焊。
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.LM3258n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LM358n插于管座上。
3.扬声器的极性已标出，注意不能反接。
4.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的电压发生变化，从而使LM3258n的第一组导通或截止，进而实现红灯或绿灯亮，实现温度超限报警
五、分析误差、灵敏度
5.1分析误差
根据半导体的电阻-温度特性，热敏电阻可分为三类，即温度系数（Negative Temperature Coefficient, NTC）热敏电阻、正温度系数（Positive Temperature Coefficient, PTC）热敏电阻和临界温度系数热敏电阻（Critical Temperature Resistor，CTR）。
各种热敏电阻的电阻值在常温下很大，通常都在数千欧以上，所以在连接导线的阻值（最多不过10Ω）几乎对测温没有影响，不必采用三线制或四线制接法，方便使用。另外，热敏电阻的阻值随温度改变显著，只要很小的电流流过热敏电阻，就能产生明显的电压变化，而电流对热敏电阻自身有加热作用，所以应注意不要使电流过大，防止带来测量误差。
5.2灵敏度
热敏电阻的电阻值和电阻温度系数大、灵敏度高。
NTC热敏电阻在不同B(一般在1500—6000K之间)值时电阻-温度特性，温度越高，阻值越小且有明显的非线性。NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于-100—300℃之间测温。
PTC热敏电阻的组织随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。
CTR也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率再次区段特别陡，灵敏度极高。
六、 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。
同时更体现了团队合作的力量，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，但这个过程并非只由我一人完成，小组的其他成员也给了我很大的帮助。整个设计、制作过程也可以说是一个互相交流的过程。在完成题目期间，我遇到了很多问题，都是通过小组的同学一起讨论研究以及老师的指导才解决了难题。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。
最后要感谢在这次小学期课程设计中担任最重要角色的指导老师们，虽然团队的力量是伟大的，但是还是有很多是我们解决不了的难题，都是老师的不厌其烦的指导，我们才能够顺利的完成这次充实难忘的课程设计。感谢学校和老师给我们创造了这样好的学习机会，使我受益匪浅，为以后的学习和工作都奠定了坚实的基石。

七、 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]《传感器与检测技术》 机械工业出版社 胡向东 2009年