热敏电阻温度报警器电路设计

第一章 课题背景

1.1 引言

1.1.1 背景

温度是一个十分重要的物理量，对它的测量与控制有十分重要的意义。随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检测与控制温度。

温度控制电路在工农业生产中有着广泛的应用。日常生活中也可以见到，如电冰箱的自动制冷，空调器的自动控制等等。利用热敏电阻器制作一个温度报警器，可通过调节微调电位器的阻值，改变电压比较器正向输入端的参考电压，可以改变电路报警时的温度。

1.1.2 设计目的与意义

本文通过采用热敏电阻作为敏感元件的温度报警器的设计与制作，阐明了该装置进行设计与制作的具体过程及方法。这种温度报警器结构简单，由温度控制部件和报警器两部分组成，可操作性强，应用广泛。工作时，温度测量范围为20℃～100℃。当温度达到预定值30度时，利用热敏电阻的特性，采集电压信号，驱动报警装置，立刻发出报警信号，从而防止因温度升高而带来的不必要的损失。

1.2 技术指标

(1) 温度测量范围20℃～＋100℃。

(2) 测温分辨率不低于0.5℃。

(3) 温度大于30℃报警。

1.3 主要工作

1）根据指标设计温度控制报警电路。

2）完成设计的焊接以及调试工作

第二章:元件介绍

负温度系数热敏电阻

NTC负温度系数热敏电阻工作原理 NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料， 采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10O~1000000

 

欧姆Ω

温度系数-2%~-6.5%。NTC热敏电阻器可NTC热敏电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面．

NTC负温度系数热敏电阻构成 NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料．该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻．其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化．现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料． NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数，电阻值可近似表示为： 式中RT、RT0分别为温度T、T0时的电阻值，Bn为材料常数．陶瓷晶粒本身由于温度变化而使电阻率发生变化，这是由半导体特性决定的．

继电器 继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

器件简介

当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，继电器所控制的输出电路导通或断开。 输入量可分为电气量（如电流、电压、频率、功率等）及非电气量（如温度、压力、速度等）两大类。 继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。

 

自动化

电压比较器

电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。 电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)： 当”+”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平； 当”+”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平； 可工作在线性工作区和非线性工作区。 工作在线性工作区时特点是虚短，虚断； 工作在非线性工作区时特点是跳变，虚断； 由于比较器的输出只有低电平和高电平两种状态，所以其中的集成运放常工作在非线性区。从电路结构上看，运放常处于开环状态，又是为了使比较器输出状态的转换更加快速，以提高响应速度，一半在电路中接入正反馈。

第三章：方案论述 3.1设计简介

结构图

根据传感器的原理构成和设计需要，各部分元件分别选用下列元器件：

测温电路由敏感元件、转换元件和测量电路构成，测量电路选用电桥，辅助电源选用直流电源。

敏感元件:负温度系数热敏电阻。

转换元件：负温度系数热敏电阻将温度转换成电量 。

测量电路的种类：电桥。电桥法方便、准确。

 

辅助电源的种类：20伏特直流稳压电源、220交流电源。

3.2 设计方案的图表；

1.测量回路

 

当温度变化时，Rt电阻阻值也随之变小，电桥对臂乘积不等，电桥不平衡.由于测量的温度最小为20℃，在20℃时的热敏电阻的阻值为10KΩ，本实验中用滑动变阻器的滑动代替热敏电阻温度的变化，当接入电阻是10KΩ时，电桥平衡。当温度升高时，电阻变小，相应的输出电压变大，输出电压有公式U。=V1(（RT/(R1+RT)-(R3/（R3+R2))可以求的，再经放大器放大后送入到比较器的正端

2.比较电路

 

由放大之后的电压送到比较器的正端，由于要设定30℃为报警电路响，30℃时的热敏电阻的阻值约为8.5KΩ，移动RT到8.5KΩ，观察电压表2的读数，同时调节R7，使得电压表3的读数与2的相同

3 报警电路图

 

R9、R8为分压电阻，避免继电器短路时烧毁电源及元器件。声光报警元件分别为蜂鸣器、LED，与R9串联成报警回路。正常工作时，比较放大器信号送来后，继电器导通，报警回路被短路，当温度升高时，比较放大器输出高电平，继电器VD截止，报警回路导通，灯和铃导通，报警。

3.3 编写设计说明书

1）该传感器的技术性能和使用条件

该传感器可用于液体、气体、固体、固溶体和火灾报警等方面，使用简单方便。通常测量范围在20至100℃之间。这种测量电路精确可达0.1℃，感温时间至少10秒以下。适用于初始温度≥20℃，升高到某一程度报警的系统。

2）最后组成的原理框图

 

3）工作原理

Rt为热敏电阻，初始Rt=R1=R2=R3=10k，电桥平衡，即20℃时。 R9、R8、为分压电阻。可通过R7设置报警温度。当温度升高，Rt电阻阻值减小，从而电桥输出量随之变化. 输出量送入比较放大器进行比较，当其值大于比较放大器R8上电压时，比较放大器导通，继电器截止，报警回路由短路状态变为导通，灯和铃导通，报警成功。

4）报警温度的设置与计算

Rt为负温度系数热敏电阻，阻值变化如下：

温度°C

-50

-30

-10

10

5）误差分析

热敏电阻会有一定的时间延时，从而间接的影响了整个报警系统的灵敏和准确性能。 电阻值KΩ 温度°C 电阻值KΩ 329.2 20 10 111.3 30 8.313 42.45 50 4.61 27.28 80 1.669 17.96 100 0.9735

4.元器件清单及型号

 

5.设计总结

时间总是过得很快，经过一周的课程设计的学习，我已经自己能制作一个温度报警器了，兴奋是无法用言语表达的。

设计温度报警器这段时间也是我这一学期最忙的日子.本周必须完成模电的课程设计任务对我们来说，显得很重。为了尽快完成模电的课程设计，我一天也没歇息。相关知识缺乏给学习它带来很大困难，为了尽快掌握它的用法，我照着原理图学习视频一步一步做，终于知道了如何操作。

刚开始我借来了一份温度报警器的电路原理图，但离实际应用差距较大，有些器件很难找到，后来到网上搜索了一下相关内容，顺便到学校图书馆借相关书籍，经过不断比较与讨论，最终敲定了温度报警器的电路原理图，并且询问了兄弟班关于元器件的参数情况。

在做电路仿真时，我画好了电路原理图，修改好参数后，总是不行,无论我怎样修改都不行，后来请教同学，他们也遇到了同样的困惑。任何事情都不可能是一帆风顺的。

经过这段课程设计的日子，我发现从刚开始的Multisim到现在的Protel，不管是学习哪种软件，都给我留下了很深的印象。由于没有接触，开始学得很费力，但到后来就好了。在每次的课程设计中,遇到问题，最好的办法就是问别人，因为每个人掌握情况不一样，不可能做到处处都懂，发挥群众的力量，复杂的事情就会变得很简单。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就已遇到，向他们请教远比自己在那冥思苦想来得快。

尽管现在只是初步学会了温度报警器的设计，离真正掌握还有一定距离，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，不仅因为它发生在特别的时间，更重要的是我又多掌握了一门新的技术，收获总是令人快乐，不是吗？

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作为一名测控技术与仪器的学生，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义。在已度过的三年大学生活里我们大多数接触的是专业基础课。

我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去面对现实中的各种设计？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？

我想做类似的作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅了很多次设计书和指导书。

为了让自己的设计更加完善，更加符合工艺标准，一次次翻阅各种放大器的书籍是十分必要的，同时也是必不可少的。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。

通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作铺展了道路。另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的一大收获。整个设计我基本上还满意，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。

参考文献

[1] 单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用.北京：国防工业出版社,1999.8

[2] 李英顺. 现代传感检测技术. 北京:中国水利水电出版社, 2009.

[3] 何希才.传感器及其应用电路.北京：电子工业出版社