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 -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。 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：U0=U BA-UDA =I1R1-I2R4 = SS URRRURRR434211= SURRRRRRRR))(( 43214231由上式可见：若 R1R3=R2R4，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 ： R1R3=R2R4A 点接 5V 直流电压， C 点接地。 R1=R2=100 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 R3=22 R4=95）当温度 T0 低于 30℃时， RT>95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， 22