基于LM358+熱敏電阻的倉庫溫度上下限報(bào)警系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

ID:365143 · 發(fā)表于 2018-7-4 20:51

這是我昨天晚上花了一整個晚上做出的基于傳感器做出的倉庫溫度上下限報(bào)警系統(tǒng)的分析，通過做這個東西，加深了我對傳感器這門課程的理解，使得我的能力得到加強(qiáng)！希望我做的東西能夠幫上大家的忙！如有不足之處還望各位同學(xué)和老師批評指正！

課程編號：    S08011
課程名稱：測試技術(shù)課程設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：
學(xué)號： 20146683
專業(yè)：電氣工程及其自動化
班級： 3班

倉庫溫度上下限報(bào)警電路設(shè)計(jì)
一、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：
設(shè)計(jì)任務(wù)：
1.利用NTC熱敏電阻完成一個簡單的可以實(shí)現(xiàn)倉庫溫度上下限報(bào)警的電路設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)要求：
   1. 將熱敏電阻接到橋式電路中，常溫下輸出電壓為0，LED不發(fā)光；
   2. 當(dāng)把熱敏電阻加到一定的熱水或冷水中，(即溫度升高或降低)橋式電路不平衡，導(dǎo)致后續(xù)的晶體管出現(xiàn)導(dǎo)通，對應(yīng)的LED亮；
   3. 在接三極管前先需要對橋式電路的輸出電壓信號放大，放大倍數(shù)約100倍。

第1章  設(shè)計(jì)目的

1.掌握熱電式傳感器工作原理并了解熱敏電阻與溫度變化的關(guān)系；

2.熟練應(yīng)用直流電橋，比較器等基本電路；

3.學(xué)習(xí)和掌握傳感器在實(shí)際生活中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)技術(shù)，充分認(rèn)識理論知識對應(yīng)用技術(shù)的指導(dǎo)性作用，進(jìn)一步加強(qiáng)理論知識與應(yīng)用相結(jié)合的實(shí)踐和鍛煉。

第2章設(shè)計(jì)要求

利用NTC熱敏電阻制作一個簡單的可以控制倉庫溫度上下限的裝置。

1.實(shí)現(xiàn)基本功能，畫出設(shè)計(jì)電路圖。

(1)將熱敏電阻接到橋式電路中，常溫下輸出電壓為0，LED不發(fā)光；

(2)當(dāng)把熱敏電阻加到一定的熱水或冷水中，(即溫度升高或降低)橋式電路不平衡，導(dǎo)致后續(xù)的晶體管出現(xiàn)導(dǎo)通，對應(yīng)的LED亮；

(3)在接三極管前先需要對橋式電路的輸出電壓信號放大，放大倍數(shù)約100倍。

2.完成3000字設(shè)計(jì)報(bào)告。

　第3章硬件電路設(shè)計(jì)3.1　電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

倉庫溫度上下線的確定。在溫度的影響下，主要有使庫存物資質(zhì)質(zhì)量發(fā)生質(zhì)的變化也跟物質(zhì)特性有關(guān)，而對于一些易燃易爆物質(zhì)引起火災(zāi)和爆炸事故，給人帶來不安全因素，以至工作人員在倉庫工作時存在著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)倉庫溫度過高會使倉庫過于干燥，使器件氧化，甚至?xí)l(fā)生爆炸；當(dāng)溫度過低會使倉庫潮濕，使倉庫設(shè)施設(shè)備損壞。因此設(shè)計(jì)了倉庫溫度上下限報(bào)警電路，用來監(jiān)控溫度的變化，防止造成難以預(yù)料的損失。

電路的實(shí)現(xiàn)：基于熱敏電阻對于不同溫度有不同的電阻值的特性來得到來設(shè)計(jì)電路。通過放大測量電路輸出，將不同的電阻值在電路中用電壓表示出來經(jīng)比較器處理使電路中三極管導(dǎo)通，進(jìn)而接通二極管發(fā)光報(bào)警電路，從而制作出倉庫溫度上下限報(bào)警的電路。

倉庫溫度上下限報(bào)警的電路整體的組成如3-1圖所示。

圖3-1　電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

3.2　傳感器的選擇

根據(jù)半導(dǎo)體溫度特性熱敏電阻可分為三類：隨溫度上升電阻增加的正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻，隨溫度上升電阻減小的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻,臨界溫度系數(shù)(CTR)熱敏電阻。而在溫度的測量中，主要采用的是NTC熱敏電阻和PTC熱敏電阻，使用較多的是NTC熱敏電阻。而NTC熱敏電阻屬于半導(dǎo)體熱敏電阻，這一類熱敏電阻具有非常大的電阻溫度系數(shù)和較高的電阻率，用其制成的傳感器的靈敏度也相當(dāng)高。通常用來制作熱敏電阻溫度計(jì)，熱敏電阻開關(guān)和熱敏電阻溫度計(jì)，熱敏電阻開關(guān)和熱敏電阻延時等。

NTC(Negative Temperature Coeff1Cient)是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小，具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)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(jìn)行充分混合、成型、燒結(jié)等工藝而成的半導(dǎo)體陶瓷，可制成具有負(fù)溫度系數(shù)(NTC)的熱敏電阻。其電阻率和材料常數(shù)隨材料成分比例、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同而變化。現(xiàn)在還出現(xiàn)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。它的測量范圍一般為-10～+300℃，也可做到-200～+10℃。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器溫度計(jì)的精度可以達(dá)到0.1℃，感溫時間可少至10s以下。它不僅適用于糧倉測溫儀，同時也可應(yīng)用于食品儲存、醫(yī)藥衛(wèi)生、科學(xué)種田、海洋、深井、高空、冰川等方面的溫度測量。

熱敏電阻溫度特性：熱敏電阻的溫度特性可用(3-1)公式表示：

(3-1)

(3-1)公式中，

、

是溫度為

、

時的熱敏電阻阻值，其中常取

為25℃；

為熱敏電阻的材料常數(shù)，由于本身熱敏電阻的材料隨溫度變化而使電阻率發(fā)生變化，這是由半導(dǎo)體特性決定的。

根據(jù)(3-1)公式可以看出，阻值變化與溫度變化為指數(shù)關(guān)系，隨溫度升高，熱敏電阻阻值迅速下降，靈敏度高是熱敏電阻測溫的主要優(yōu)點(diǎn)。

熱敏電阻熱電特性：熱敏電阻的材料隨溫度變化1℃時，電阻值的相對變化量稱為熱敏電阻的溫度系數(shù)，其值為：

(3-2)

根據(jù)(3-2)公式可以看出，NTC熱敏電阻的溫度系數(shù)是負(fù)值，且與溫度變化有關(guān)。溫度越低，溫度系數(shù)越大，靈敏度越高，所以NTC熱敏電阻器可廣泛應(yīng)用于溫度測量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流、測溫、控溫、溫度補(bǔ)償?shù)确矫妗?/font>

本設(shè)計(jì)用到的是隨溫度上升電阻減小的負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻的基本的電阻—溫度特性，特別適用于-100~300℃之間測溫。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10~1000000歐姆，溫度系數(shù)-2%~-6.5%。由于熱敏電阻是由半導(dǎo)體材料制成的，其中的載流子數(shù)目是隨著溫度的升高按指數(shù)規(guī)律迅速增加的，載流子數(shù)目越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，其電阻率也就越小，因此熱敏電阻的電阻值隨溫度的升高將按指數(shù)規(guī)律迅速減小。這和金屬中自由電子的導(dǎo)電機(jī)制恰好相反，金屬中的電阻值是隨著溫度的上升而緩慢增大的。在較小的溫度范圍內(nèi)，其電阻—溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，隨溫度的升高阻值不斷減小。其NTC熱敏電阻的電阻-溫度曲線如圖3-2所示。

圖3-2　NTC熱敏電阻的電阻-溫度曲線

本設(shè)計(jì)所用到的是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻NTC，在較小的溫度范圍內(nèi)，其電阻—溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線。RT為溫度為T時的電阻值，α與β為與半導(dǎo)體性能有關(guān)的常數(shù)，T為熱敏電阻的熱力學(xué)溫度。經(jīng)實(shí)際測量，25℃時熱敏電阻阻值達(dá)到100歐姆。

本設(shè)計(jì)運(yùn)用熱敏電阻MF11-101對倉庫溫度上下限進(jìn)行監(jiān)測。熱敏電阻MF11-101是一種常用的敏感元件，具有體積小巧、堅(jiān)固耐用、可靠性高、穩(wěn)定性好、誤差范圍小，對于組織誤差范圍在5%的產(chǎn)品，其一致性好、互換性良好。該熱敏電阻的主要技術(shù)參數(shù)：時間常數(shù)≤30，測量功率≤0.1MW，使用溫度范圍-55~+125℃，耗散系數(shù)≥6MW/℃，額定功率0.5W。該熱敏電阻主要應(yīng)用于一些溫度測量精度較高的電路和計(jì)量設(shè)備、晶體管電路中的溫度補(bǔ)償。

3.3　信號處理電路

因?yàn)閭}庫溫度上下限報(bào)警的電路輸出信號比較小，所以本設(shè)計(jì)加入LM358n運(yùn)放集成電路。它采用8腳雙列直插塑料封裝，其內(nèi)部包含兩組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用以外，兩組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)放它共有3個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號出入端，一個輸出端，8腳接電源端，4腳接地。LM358n的引腳排列如下圖3-2所示。

圖3-3　LM358n運(yùn)算放大器引腳圖

本設(shè)計(jì)只運(yùn)用LM358n運(yùn)放集成電路的第一組運(yùn)放進(jìn)行溫度的比較，即其2、3引腳接兩個輸入、1引腳接輸出，8腳接電源端，4、5、6、7腳接地。在兩個輸入端串接兩個2.2 kΩ的電阻，其作用是比較兩點(diǎn)的電位差，在輸入端串接一個220 kΩ反饋電阻，其作用是給運(yùn)放反饋一個反饋電壓。信號處理電路圖如圖3-3所示。

圖3-4　信號處理電路圖

該運(yùn)算放大器放大倍數(shù)：

(3-3)

(3-4)

(3-5)

通過上式由u+=u-計(jì)算出R5的阻值為1kΩ。放大器放大倍數(shù)約為100，由此推出倉庫溫度上下限報(bào)警的電路電橋的輸出電壓上下限約為+7mＶ和-7mＶ。

當(dāng)去掉運(yùn)放的反饋電阻，或者說反饋電阻趨于無窮大時(即開環(huán)狀態(tài))，理論上認(rèn)為運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)也為無窮大，此時運(yùn)放變成、形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平(u+)，就是低電平(u-)。當(dāng)正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓時，運(yùn)放輸出高電平。

3.4　報(bào)警裝置

本設(shè)計(jì)采用了紅、綠色發(fā)光二極管作為上下限指示標(biāo)志。倉庫溫度上下限報(bào)警的電路電橋平衡(操作時，調(diào)節(jié)為室內(nèi)溫度25℃)放大器輸出為零，三極管均不導(dǎo)通，LED燈均不發(fā)光。當(dāng)溫度升高時，紅色二極管亮?xí)r，實(shí)現(xiàn)高溫報(bào)警，即溫度上限報(bào)警；綠色二極管發(fā)光時，實(shí)現(xiàn)低溫報(bào)警，即溫度下限報(bào)警。報(bào)警裝置電路圖如圖3-5所示。

圖3-5　報(bào)警裝置電路圖

3.5 總電路圖

本設(shè)計(jì)由熱敏電阻組成電橋電路經(jīng)信號處理使電路控制二極管發(fā)光報(bào)警電路，進(jìn)而設(shè)計(jì)出倉庫溫度上下限報(bào)警的電路。總電路圖如圖3-5所示。

第4章仿真與調(diào)試

電路基本設(shè)計(jì)出來之后，對電路進(jìn)行了一些調(diào)試。對元件的取值嚴(yán)格按照實(shí)際值選取，以減少在硬件操作時的麻煩。例如：在選擇電路中的R8，R9電阻值時，其電阻值較小使二極管報(bào)警電路中的導(dǎo)通電流較大，此時把二極管被擊穿，所以將R8，R9電阻值時進(jìn)行調(diào)整。在電路中，由于仿真軟件中沒有熱敏電阻，所以用一個滑動變阻器手動改變電阻值來代替熱敏電阻隨溫度改變而改變。在室內(nèi)溫度25℃操作時，使滑動變阻器組成的電路電橋平衡，運(yùn)算放大器輸出為零，報(bào)警電路不能接通。

當(dāng)倉庫溫度恒定25℃不變時，倉庫溫度上下限報(bào)警的電路中熱敏電阻的電阻值不變，此時電橋處于平衡狀態(tài)，電橋的輸出電壓使3管腳電位等于2管腳電位，則LM358n運(yùn)放輸出為零，所以兩個二極管均處于未導(dǎo)通狀態(tài)，二極管不發(fā)光。電路運(yùn)行后仿真結(jié)果如圖4-1所示。

圖4-1　溫度不變電路圖

當(dāng)倉庫溫度為20℃時，倉庫溫度上下限報(bào)警的電路中熱敏電阻的電阻值變大，電橋的輸出電壓使3管腳電位低于2管腳電位，則LM358n運(yùn)放輸出為低電平，所以電路中的綠色二極管發(fā)光，實(shí)現(xiàn)低溫報(bào)警，即溫度下限報(bào)警。電路運(yùn)行后仿真結(jié)果為LED燈亮綠色如圖4-2所示。

圖4-2　溫度下降時電路圖

當(dāng)倉庫溫度為30℃時，倉庫溫度上下限報(bào)警的電路中熱敏電阻的電阻值變小，電橋的輸出電壓使3管腳電位高于2管腳電位，則LM358n運(yùn)放輸出為高電平，所以電路中的紅色二極管發(fā)光，實(shí)現(xiàn)高溫報(bào)警，即溫度上限報(bào)警。電路運(yùn)行后仿真結(jié)果為LED燈亮紅色如圖4-3所示。

圖4-3　溫度上升時電路圖

第5章　結(jié)　論

本過程有溫度對電路的影響從而影響輸出本實(shí)驗(yàn)，主要包括對傳感器的選擇，信號處理電路，以及倉庫溫度報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)，該傳感器是實(shí)現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的感受和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測量和控制都將無法實(shí)現(xiàn)。但是本設(shè)計(jì)還有一個很大的缺陷，就是本設(shè)計(jì)只有在溫度達(dá)到上下限時才有所表示，卻沒有辦法表示當(dāng)前準(zhǔn)確溫度，在設(shè)計(jì)過程中存在著一些不足，電路圖做出來后在仿真軟件上仿真的時候遇到了很多問題，有些元件在仿真軟件中無法找到，只能用相對應(yīng)的電阻或滑動變阻器來代替，所以會使結(jié)果產(chǎn)生一些不必要的誤差。另外熱敏電阻與溫度非線性嚴(yán)重，元件的穩(wěn)定性較差，倉庫溫度上下限報(bào)警的電路只能實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的基本要求，所以電路系統(tǒng)硬件要有嚴(yán)格的要求，保證電路的穩(wěn)定性。同時，在電路圖中也要考慮加入一些顯示電路，顯示當(dāng)前的溫度，保證對溫度的測量更精確。除此之外，在實(shí)際應(yīng)用中還要考慮到系統(tǒng)的保護(hù)。

熱敏電阻與溫度非線性嚴(yán)重，元件的穩(wěn)定性較差，倉庫溫度上下限報(bào)警的電路只能實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的基本要求，所以電路系統(tǒng)硬件要有嚴(yán)格的要求，保證電路的穩(wěn)定性。同時，在電路圖中也要考慮加入一些顯示電路，顯示當(dāng)前的溫度，保證對溫度的測量更精確。

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