基于LM358+熱敏電阻的倉(cāng)庫(kù)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(gè)晚上做出的基于傳感器做出的倉(cāng)庫(kù)溫度上下限報(bào)警系統(tǒng)的分析，通過(guò)做這個(gè)東西，加深了我對(duì)傳感器這門(mén)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(píng)指正！

課程編號(hào)：    S08011
課程名稱(chēng)：測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：
學(xué)號(hào)： 20146683
專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化
班級(jí)： 3班

倉(cāng)庫(kù)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(gè)簡(jiǎn)單的可以實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)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(duì)應(yīng)的LED亮；
   3. 在接三極管前先需要對(duì)橋式電路的輸出電壓信號(hào)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(shí)理論知識(shí)對(duì)應(yīng)用技術(shù)的指導(dǎo)性作用，進(jìn)一步加強(qiáng)理論知識(shí)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(gè)簡(jiǎn)單的可以控制倉(cāng)庫(kù)溫度上下限的裝置。

1.實(shí)現(xiàn)基本功能，畫(huà)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(duì)應(yīng)的LED亮；

(3)在接三極管前先需要對(duì)橋式電路的輸出電壓信號(hào)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(cāng)庫(kù)溫度上下線的確定。在溫度的影響下，主要有使庫(kù)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(duì)于一些易燃易爆物質(zhì)引起火災(zāi)和爆炸事故，給人帶來(lái)不安全因素，以至工作人員在倉(cāng)庫(kù)工作時(shí)存在著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)倉(cāng)庫(kù)溫度過(guò)高會(huì)使倉(cāng)庫(kù)過(guò)于干燥，使器件氧化，甚至?xí)l(fā)生爆炸；當(dāng)溫度過(guò)低會(huì)使倉(cāng)庫(kù)潮濕，使倉(cāng)庫(kù)設(shè)施設(shè)備損壞。因此設(shè)計(jì)了倉(cāng)庫(kù)溫度上下限報(bào)警電路，用來(lái)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(duì)于不同溫度有不同的電阻值的特性來(lái)得到來(lái)設(shè)計(jì)電路。通過(guò)放大測(cè)量電路輸出，將不同的電阻值在電路中用電壓表示出來(lái)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(cāng)庫(kù)溫度上下限報(bào)警的電路。

倉(cāng)庫(kù)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(lèi)：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(cè)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(lèi)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(lái)制作熱敏電阻溫度計(jì)，熱敏電阻開(kāi)關(guān)和熱敏電阻溫度計(jì)，熱敏電阻開(kāi)關(guān)和熱敏電阻延時(shí)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(cè)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(shí)間可少至10s以下。它不僅適用于糧倉(cāng)測(cè)溫儀，同時(shí)也可應(yīng)用于食品儲(chǔ)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(cè)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(shí)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(cè)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(shí)，電阻值的相對(duì)變化量稱(chēng)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(cè)量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流、測(cè)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(cè)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N(xiāo)TC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(mén)時(shí)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(cè)量，25℃時(shí)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(duì)倉(cāng)庫(kù)溫度上下限進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(duì)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(shí)間常數(shù)≤30，測(cè)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(cè)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(hào)處理電路

因?yàn)閭}(cāng)庫(kù)溫度上下限報(bào)警的電路輸出信號(hào)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(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)出入端，一個(gè)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(gè)輸入、1引腳接輸出，8腳接電源端，4、5、6、7腳接地。在兩個(gè)輸入端串接兩個(gè)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(gè)220 kΩ反饋電阻，其作用是給運(yùn)放反饋一個(gè)反饋電壓。信號(hào)處理電路圖如圖3-3所示。

圖3-4　信號(hào)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(guò)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(cāng)庫(kù)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(shuō)反饋電阻趨于無(wú)窮大時(shí)(即開(kāi)環(huán)狀態(tài))，理論上認(rèn)為運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)也為無(wú)窮大，此時(shí)運(yùn)放變成、形成一個(gè)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(shí)，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(cāng)庫(kù)溫度上下限報(bào)警的電路電橋平衡(操作時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(hào)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(cāng)庫(kù)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(lái)之后，對(duì)電路進(jìn)行了一些調(diào)試。對(duì)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(shí)的麻煩。例如：在選擇電路中的R8，R9電阻值時(shí)，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(shí)把二極管被擊穿，所以將R8，R9電阻值時(shí)進(jìn)行調(diào)整。在電路中，由于仿真軟件中沒(méi)有熱敏電阻，所以用一個(gè)滑動(dòng)變阻器手動(dòng)改變電阻值來(lái)代替熱敏電阻隨溫度改變而改變。在室內(nèi)溫度25℃操作時(shí)，使滑動(dòng)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(cāng)庫(kù)溫度恒定25℃不變時(shí)，倉(cāng)庫(kù)溫度上下限報(bào)警的電路中熱敏電阻的電阻值不變，此時(shí)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(gè)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(cāng)庫(kù)溫度為20℃時(shí)，倉(cāng)庫(kù)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L(zhǎng)ED燈亮綠色如圖4-2所示。

圖4-2　溫度下降時(shí)電路圖

當(dāng)倉(cāng)庫(kù)溫度為30℃時(shí)，倉(cāng)庫(kù)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L(zhǎng)ED燈亮紅色如圖4-3所示。

圖4-3　溫度上升時(shí)電路圖

第5章　結(jié)　論

本過(guò)程有溫度對(duì)電路的影響從而影響輸出本實(shí)驗(yàn)，主要包括對(duì)傳感器的選擇，信號(hào)處理電路，以及倉(cāng)庫(kù)溫度報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)，該傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒(méi)有傳感器對(duì)原始被測(cè)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的感受和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測(cè)量和控制都將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。但是本設(shè)計(jì)還有一個(gè)很大的缺陷，就是本設(shè)計(jì)只有在溫度達(dá)到上下限時(shí)才有所表示，卻沒(méi)有辦法表示當(dāng)前準(zhǔn)確溫度，在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在著一些不足，電路圖做出來(lái)后在仿真軟件上仿真的時(shí)候遇到了很多問(wèn)題，有些元件在仿真軟件中無(wú)法找到，只能用相對(duì)應(yīng)的電阻或滑動(dòng)變阻器來(lái)代替，所以會(huì)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(cāng)庫(kù)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(shí)，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(duì)溫度的測(cè)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(cāng)庫(kù)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(shí)，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(duì)溫度的測(cè)量更精確。

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