温度超限报警

题目 温度超限报警装置设计班 级学生姓名实习时间课 程 设计 报告 温度超限报警系统设计一、 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，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；4、学习使用 PROTEUS系统进行电路仿真， PROTEL 软件绘制原理图。二、 设计内容温度上下限报警系统的设计三、 设计要求1、温度高于 80 摄氏度时，红灯亮，并发出鸣叫声。2、温度低于 30 摄氏度时，绿灯亮。3、在 30 摄氏度到 80 摄氏度之间，两个灯都不亮。四、 器件选择使用工具直流稳压电源（ 5V）一台、电烙铁一把、万用电路板一块、泰坦万用表一台、温度计一个、加热杯一个元件选择热敏电阻 NTC 5D-11 一个（负温度系数） 、放大器 LM324 一个、C9013 两个、 红色发光二极管一个、 绿色发光二极管一个、 扬声器一个、 100 欧电阻四个、 10 欧电阻两个、 10K 欧电阻三个、470 欧电阻两个、 390 欧电阻两个、导线若干五、 设计思路温度上下限的确定 热敏电阻的基本特性是温度特性。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随着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 e T式中， 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。经测量知 30 摄氏度时电阻为 95Ω ， 80 摄氏度时电阻为 24Ω 。比较器 我们用的器件是 LM324，这是一个带有四个比较器的芯片，其管脚如图所示。我们选择第一组与第二组进高低温比较当环境温度高于 80℃时， 5 管脚电位高 6 管脚电位， 7 管脚输出高电平， C9013 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30℃时， 3 管脚电位高于 2 管脚电位， 1 管脚输出为高电平， C9013导通，绿灯亮，否则输出绿灯不亮。六、 设计原理1、 热敏电阻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 -100300℃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。 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。2、 直流电桥直流电桥根据平衡电桥原理可知输出电压为U0U BA-UDA I1R1-I2R4 SS URRRURRR434211 SURRRRRRRR 43214231由上式可见若 R1R3R2R4，则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为平衡电桥。平衡电桥的平衡条件为 R1R3R2R4A 点接 5V 直流电压， C 点接地。 R1R2100 欧姆， R3 接滑动变阻器， R4接热敏电阻。调节 R3，使得其阻值与热敏电阻 R4 在 80℃ 时阻值相同 , 30 ℃ 时原理相同。3、 集成运算放大器我们采用了 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 2。（图一） （图二）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。我们用 2、 3 脚的电平差来比较高温； 12、 13 脚的电平差来比较低温当所测温度高于 80℃ 时 3 脚电位高于 2 脚电位， 1 脚输出高电平，否则输出为零。当所测温度低于 30℃ 时 12 引脚电位高于 13 引脚电位， 14 脚输出高电平， 否则输出为零。4、 报警系统为简化电路， 我们采用了扬声器与红色发光二极管串联的方式接入电路中，其额定电压为 3V。整体电路图如下分析如下（图中有三个滑动变阻器，中间的滑动变阻器为热敏电阻 RT，左右两边各设为 R3 、 R4。 根据热敏电阻在温度上下限的阻值设定初始值 R322 R495）当温度 T0 低于 30℃时， RT95欧姆，此时控制低温的运放正输入端电压（ 2.5641V）大于负输入端电势（小于 2.5641V） ，输出高电平， 绿色发光二极管点亮。继续加热当温度 T0 低于 80℃ 高于 30℃ 时， 22RT95欧姆， 高温运放的正输入端与低温运放的负输入端电压相同（变化范围 2.5641V--4.0983V ） 。此时低温运放正输入端电压（ 2.5641V）小于负输入端电势，输出低电平，绿色发光二极管不亮。高温运放低输入端电压（ 4.0983V）大于正输入端电压，输出低电平红色发光二极管不亮。当温度 T0 高于 80℃时， RT22欧姆，此时控制高温的运放正输入端电压（大于 4.0983V）大于负输入端电势（ 4.0983V） ，输出高电平， 红色发光二极管点亮。高温报警。七、 制作步骤1、 仿真由于对 PROTEUS 系统仿真软件不熟悉，电路基本设计出来后，在计算机上实现仿真花费了大量时间。 对元器件的取值应严格按照设计的电路及实际情况来确定，以减少在硬件操作时的麻烦。2、 电路板设计我们先使用了面包板，对电路在实际情况下进行了进一步的调试，细心调试 R3 R4滑动变阻器，使温度上下限准确定位在 30℃ 及 80℃ 。焊接前对万用电路板进行了电路设计，以整洁美观为原则。对布线，元件的放置都有明确位置。3、 焊接严格按照上图所示连接电路图， LM324 的 4 脚接 5V， 11脚接地。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） LM324 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 LM324插于管座上。（ 3） 扬声器的极性已标出，注意不能反接。焊接完成后的电路基本不用调试，如果电路输出和实际值有一定误差， 只要微调 R3 R4 就行了， R3 用于调整高温上限， R4用于调整低温下限。 这也是我们采用滑动变阻器而不用固定电阻的一个原因。 另一个原因是该电路可以根据需求任意调整温度上下限。八、 电路扩展这次设计有不足的地方采用的是用电热杯加热水导热与热敏电阻。为此， 还可以使用继电器控制加热的方式对热敏电阻加热， 也使电路更趋于实际生活中的应用主要采用一级三极管驱动继电器，用继电器再控制加热器件，如上图所示。三极管基极接低温运放输出端，当温度低于 30 摄氏度时低温运放输出高电平，继电器开始工作，接通加热器件，开始加热。九、 心得体会在此次为期两周的课程设计中， 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。其次是团队合作与交流能力。 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。 例如， 在设计的最初我采用了课本里出现过的一个电路， 但在仿真的过程中却发现无法实现设计所要求的功能， 之后我便和其他同伴互相交流了各自的想法， 认定此电路只能实现部分要求。 随后我们重新设计了新的电路并成功的进行了仿真。 之后的焊接与调试同样是在小组成员默契的配合与坦诚的交流中逐步完成的。再次是展示自我的能力。 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。总而言之， 这次的课程设计确实使我受益匪浅， 为以后的学习和工作都奠定了坚实的基石。回顾进行课程设计的这段时间，我们共同亲身见证了实验作品的成功诞生在设计电路的过程中我们遇到了许多问题， 但经过我们的共同努力各个击破， 一开始拿到设计题目时， 只知道使用热敏电阻来实现， 但就其电阻与温度的变化关系并不清楚，所以只能采取实际测量的方法确定在 30、 80 摄氏度使得阻值来实现仿真。但在实际硬件操作中出现了误差，在不到 80 摄氏度时红灯就亮了，这就需要我们重新更换电阻， 十分麻烦， 因此就想到使用滑动变阻器调节， 使我们的准确性得到保证，可以随时调节。通过这次课程设计我也收获了许多 首先， 针对温度上下限报警系统的设计，我和小组成员一起共同经历了从一头雾水、毫无头绪到最终制作出比较精确的、达到设计要求的作品这样一个过程，并从中体会到团队的合作以及成功的喜悦。其 次 ， 我 认 为 这 次 课 程 设 计 最 困 难 的 地 方 也 是 收 获最 大 的 一 点 就 是 使 用PROTEUS系统进行电路的仿真以及 PROTEL 软件绘制原理图。 之前从来没有接触过这样的软件， 不懂如何使用。 经过翻阅资料， 同学的指导， 初步的掌握了仿真软件的使用， 并可以进行一些较为简单的电路仿真， 同时我也意识到测控专业的学习离不开这些工具软件的辅助， 接下来， 我也会进一步学习， 争取熟练掌握仿真软件的使用。 再次， 我感觉进行课程设计一方面提高了我们的动手能力， 理论与实际相结合； 另一方面通过答辩环节， 锻炼我们的口语表达， 如果不能很好的表达，设计的再出色，也很难得到他人的认可。总之，这次课程设计是我今后学习工作的一个很好的教材。回想起这两个星期来的一切， 感觉好充实， 好开心。 老师刚刚给我们下达了任务时， 我们不知所措。 记得第一次在电脑上仿真的时候， 我们甚至不知道要画些什么上去，本能的去翻阅课本，找到一个相似的电路图，经过仿真，红、绿灯亮了， 可是却没有老师要求的中间过程。我们以为是电阻的值不合适，反反复复的去修改他们的值， 但丝毫不起作用。 后来又翻阅了课本， 咨询了老师才知道原来是我们少用了一个放大器， 所以没有中间变量， 找出错误的我们很高兴， 立即思考着该怎样修改以前的电路， 经过我们组成员的共同努力， 我们的电路图成功的仿真了出来。 接下来就是实际应用了， 我们先用面包板作为第一次的实际应用， 红绿灯都亮了， 可是实际电路没有达到要求在规定的温度范围内亮和灭， 考虑到是实际和理想的差距， 我们在焊接的时候将电阻换成了滑动变阻器， 焊接好的时候， 我们的电路经过我们反复的调整阻值符合了要求。 在那一刻， 我们真的好高兴，看着电路板激动地不知该怎样才好。从这次的课程设计中我学到了好多的东西 首先， 我学会了怎么样去用仿真软件去画电路图， 明白了作为一个工科生， 我们不能只学习书上的知识就觉得足够了， 我们要充分的利用好课余时间， 把握好机会去多接触些实际模型， 争取做到理论与实际相结合的学习方式。 其次， 我懂得了团队合作精神的重要， 在这次试验中， 我们每个人都付出了好多的努力， 我知道， 从设计电路到最后焊接的成功， 一个人是不能完成的。 每次我们遇到困难或障碍的时候， 四个人就会坐到一块，商量这该怎么办，就在组员们你一句我一句中间，我们渐渐的悟出了道理，一步步走向成功， 可见团队精神是多么的重要。 最后， 我懂得了做人一定要有责任心， 在这次试验中， 我的任务就是要配合组长， 每次我想贪玩的时候看着组长认真的样子就会觉得内疚， 觉得身为组里的一员， 就应该先做好自己的本职工作，不管怎样， 应该先完成任务， 然后再干其他的事情， 这样不仅效率提高， 而且玩的时候也会更加开心。总之，这次课程设计对我的学习和生活帮助很大。这一次的课程设计一共持续了两周， 我觉得我在这段时间内学到了很多的东西， 这一次的实验主要是针对传感器来设计一定的电路， 我们的实验要求是用热敏电阻设计出有温度上下限的报警系统。刚拿到这个课题的时候， 我一头雾水， 不知道该从何下手， 上这门课的时候我们都是在学一些理论知识， 对于我还不知道该怎么把理论应用于实际中。 我们小组的成员经过讨论后决定先查一些相关的资料，应该先了解一下老师 给我们提供的元器件， 然后才能根据元器件设计出符合要求的电路。 当我们有了一定的设计思路的时候， 我们利用仿真软件对我们的电路进行仿真， 看我们的思路是否可行。 在这个过程中我们学会了如何使用仿真软件， 当我们确定我们的设计思路确实可行的时候， 我们用画图软件将电路图画出来， 以前我都不懂如何操作这个画图软件， 但经过学习， 摸索和向同学及老师请教后我才真正的会用它了。 在焊接电路的时候，我们小心的焊接尽量不让两个焊点连接到一起。而 且在布线的时候， 尽量不要让两根线重叠在一起， 这样才可以保证清晰和美观。 由于实际和理论之间是有差别的， 在仿真的时候我们曾确定过电阻的阻值， 但应用到实际的时侯出现了偏差， 不能在 30 度和 80 度的时候红灯或绿灯放生准确的变化， 我们经过讨论最后决定用到两个电位器， 在实际操作的时候调整一下就好了， 所以我们的最后结果还是比较成功的。在整个实验的过程中我们小组的成员都可以做到互相帮助， 互相学习。 我觉得这就是所谓的团队精神， 我相信这也是实验的一个要求与目的吧。 总之我在这个实验中是受益匪浅的，我相信给我以后的生活和学习带来很多帮助。十、 参考文献传感器与传感器技术 科学出版社 何道清 2006 年电子技术基础 模拟部分 高等教育出版社 康华光 2004 年传感器应用及其电路精选电子工业出版社 张福学 1992 年