温度超限报警(20180816162333)

题目 : 温度超限报警装置设计班 级 测控 0804 班学生姓名 吴航航 李园园 裴佩实习时间 2010.11.22~2010.12.03 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、蜂鸣器一个、 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：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：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 -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。 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。 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、 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。3、 报警装置：我们采用了蜂鸣器与红色发光二极管并联的方式接入电路中， 当红色二极管亮时蜂鸣响，实现高温报警。七、 制作步骤：1、 仿真电路基本设计出来后，在计算机上用 PROTEUS系统仿真软件实现仿真。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。以下为仿真后的截图效果：2、 电路板设计我们先在面包板上连接好电路，控制传感器温度，使温度上下限确定位在 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。（ 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 与管脚 5、 6 的电压发生变化，从而使 LM324 的第一组或第二组导通或截止，进而实现红灯或绿灯亮，实现温度超限报警。八、 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。——吴航航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， 在不到低于 30 摄氏度时绿灯就暗了，这就需要我们重新更换电阻，调节使其接近理想值。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。——李园园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。 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电阻串并联实现，所以我们的最后结果还是比较成功的。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。 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。——裴佩九、 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