基于LM358+熱敏電阻的倉庫溫度上下限報警系統的分析與設計

ID:365143 · 發表于 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警系統的分析，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！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和老師批評指正！

課程編號：    S08011
課程名稱：測試技術課程設計
學生姓名：
學號： 20146683
專業：電氣工程及其自動化
班級： 3班

倉庫溫度上下限報警電路設計
一、設計任務及要求：
設計任務：
1.利用NTC熱敏電阻完成一個簡單的可以實現倉庫溫度上下限報警的電路設計。
設計要求：
   1. 將熱敏電阻接到橋式電路中，常溫下輸出電壓為0，LED不發光；
   2. 當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，導致后續的晶體管出現導通，對應的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，放大倍數約100倍。

第1章  設計目的

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系；

2.熟練應用直流電橋，比較器等基本電路；

3.學習和掌握傳感器在實際生活中的應用和設計技術，充分認識理論知識對應用技術的指導性作用，進一步加強理論知識與應用相結合的實踐和鍛煉。

第2章設計要求

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.實現基本功能，畫出設計電路圖。

(1)將熱敏電阻接到橋式電路中，常溫下輸出電壓為0，LED不發光；

(2)當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，導致后續的晶體管出現導通，對應的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，放大倍數約100倍。

2.完成3000字設計報告。

　第3章硬件電路設計3.1　電路設計結構框圖

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質量發生質的變化也跟物質特性有關，而對于一些易燃易爆物質引起火災和爆炸事故，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險。當倉庫溫度過高會使倉庫過于干燥，使器件氧化，甚至會發生爆炸；當溫度過低會使倉庫潮濕，使倉庫設施設備損壞。因此設計了倉庫溫度上下限報警電路，用來監控溫度的變化，防止造成難以預料的損失。

電路的實現：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計電路。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比較器處理使電路中三極管導通，進而接通二極管發光報警電路，從而制作出倉庫溫度上下限報警的電路。

倉庫溫度上下限報警的電路整體的組成如3-1圖所示。

圖3-1　電路設計結構框圖

3.2　傳感器的選擇

根據半導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(PTC)熱敏電阻，隨溫度上升電阻減小的負溫度系數(NTC)熱敏電阻,臨界溫度系數(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熱敏電阻屬于半導體熱敏電阻，這一類熱敏電阻具有非常大的電阻溫度系數和較高的電阻率，用其制成的傳感器的靈敏度也相當高。通常用來制作熱敏電阻溫度計，熱敏電阻開關和熱敏電阻溫度計，熱敏電阻開關和熱敏電阻延時等。

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。它的測量范圍一般為-10～+300℃，也可做到-200～+10℃。負溫度系數熱敏電阻器溫度計的精度可以達到0.1℃，感溫時間可少至10s以下。它不僅適用于糧倉測溫儀，同時也可應用于食品儲存、醫藥衛生、科學種田、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，由于本身熱敏電阻的材料隨溫度變化而使電阻率發生變化，這是由半導體特性決定的。

根據(3-1)公式可以看出，阻值變化與溫度變化為指數關系，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點。

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，其值為：

(3-2)

根據(3-2)公式可以看出，NTC熱敏電阻的溫度系數是負值，且與溫度變化有關。溫度越低，溫度系數越大，靈敏度越高，所以NTC熱敏電阻器可廣泛應用于溫度測量、溫度補償、抑制浪涌電流、測溫、控溫、溫度補償等方面。

本設計用到的是隨溫度上升電阻減小的負溫度系數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-2%~-6.5%。由于熱敏電阻是由半導體材料制成的，其中的載流子數目是隨著溫度的升高按指數規律迅速增加的，載流子數目越多，導電能力越強，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規律迅速減小。這和金屬中自由電子的導電機制恰好相反，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，其電阻—溫度特性曲線是一條指數曲線，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

本設計所用到的是負溫度系數的熱敏電阻NTC，在較小的溫度范圍內，其電阻—溫度特性曲線是一條指數曲線。RT為溫度為T時的電阻值，α與β為與半導體性能有關的常數，T為熱敏電阻的熱力學溫度。經實際測量，25℃時熱敏電阻阻值達到100歐姆。

本設計運用熱敏電阻MF11-101對倉庫溫度上下限進行監測。熱敏電阻MF11-101是一種常用的敏感元件，具有體積小巧、堅固耐用、可靠性高、穩定性好、誤差范圍小，對于組織誤差范圍在5%的產品，其一致性好、互換性良好。該熱敏電阻的主要技術參數：時間常數≤30，測量功率≤0.1MW，使用溫度范圍-55~+125℃，耗散系數≥6MW/℃，額定功率0.5W。該熱敏電阻主要應用于一些溫度測量精度較高的電路和計量設備、晶體管電路中的溫度補償。

3.3　信號處理電路

因為倉庫溫度上下限報警的電路輸出信號比較小，所以本設計加入LM358n運放集成電路。它采用8腳雙列直插塑料封裝，其內部包含兩組形式完全相同的運算放大器，除電源共用以外，兩組運放相互獨立。每一組運放它共有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運算放大器引腳圖

本設計只運用LM358n運放集成電路的第一組運放進行溫度的比較，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，其作用是比較兩點的電位差，在輸入端串接一個220 kΩ反饋電阻，其作用是給運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

該運算放大器放大倍數：

(3-3)

(3-4)

(3-5)

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

當去掉運放的反饋電阻，或者說反饋電阻趨于無窮大時(即開環狀態)，理論上認為運放的開環放大倍數也為無窮大，此時運放變成、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-)。當正輸入端電壓高于負輸入端電壓時，運放輸出高電平。

3.4　報警裝置

本設計采用了紅、綠色發光二極管作為上下限指示標志。倉庫溫度上下限報警的電路電橋平衡(操作時，調節為室內溫度25℃)放大器輸出為零，三極管均不導通，LED燈均不發光。當溫度升高時，紅色二極管亮時，實現高溫報警，即溫度上限報警；綠色二極管發光時，實現低溫報警，即溫度下限報警。報警裝置電路圖如圖3-5所示。

圖3-5　報警裝置電路圖

3.5 總電路圖

本設計由熱敏電阻組成電橋電路經信號處理使電路控制二極管發光報警電路，進而設計出倉庫溫度上下限報警的電路。總電路圖如圖3-5所示。

第4章仿真與調試

電路基本設計出來之后，對電路進行了一些調試。對元件的取值嚴格按照實際值選取，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警電路中的導通電流較大，此時把二極管被擊穿，所以將R8，R9電阻值時進行調整。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。在室內溫度25℃操作時，使滑動變阻器組成的電路電橋平衡，運算放大器輸出為零，報警電路不能接通。

當倉庫溫度恒定25℃不變時，倉庫溫度上下限報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，電橋的輸出電壓使3管腳電位等于2管腳電位，則LM358n運放輸出為零，所以兩個二極管均處于未導通狀態，二極管不發光。電路運行后仿真結果如圖4-1所示。

圖4-1　溫度不變電路圖

當倉庫溫度為20℃時，倉庫溫度上下限報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運放輸出為低電平，所以電路中的綠色二極管發光，實現低溫報警，即溫度下限報警。電路運行后仿真結果為LED燈亮綠色如圖4-2所示。

圖4-2　溫度下降時電路圖

當倉庫溫度為30℃時，倉庫溫度上下限報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運放輸出為高電平，所以電路中的紅色二極管發光，實現高溫報警，即溫度上限報警。電路運行后仿真結果為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　論

本過程有溫度對電路的影響從而影響輸出本實驗，主要包括對傳感器的選擇，信號處理電路，以及倉庫溫度報警裝置的設計，該傳感器是實現測量與控制的首要環節，是測控系統的關鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的感受和轉換，一切準確的測量和控制都將無法實現。但是本設計還有一個很大的缺陷，就是本設計只有在溫度達到上下限時才有所表示，卻沒有辦法表示當前準確溫度，在設計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，只能用相對應的電阻或滑動變阻器來代替，所以會使結果產生一些不必要的誤差。另外熱敏電阻與溫度非線性嚴重，元件的穩定性較差，倉庫溫度上下限報警的電路只能實現輸入與輸出的基本要求，所以電路系統硬件要有嚴格的要求，保證電路的穩定性。同時，在電路圖中也要考慮加入一些顯示電路，顯示當前的溫度，保證對溫度的測量更精確。除此之外，在實際應用中還要考慮到系統的保護。

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

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