这是我昨天晚上花了一整个晚上做出的基于传感器做出的仓库温度上下限报警系统的分析，通过做这个东西，加深了我对传感器这门课程的理解，使得我的能力得到加强！希望我做的东西能够帮上大家的忙！如有不足之处还望各位同学和老师批评指正！
课程编号： S08011
课程名称： 测试技术课程设计
学生姓名：
学号： 20146683
专业：电气工程及其自动化
班级： 3班
仓库温度上下限报警电路设计
一、设计任务及要求：
设计任务：
1.利用NTC热敏电阻完成一个简单的可以实现仓库温度上下限报警的电路设计。
设计要求：
1. 将热敏电阻接到桥式电路中，常温下输出电压为0，LED不发光；
2. 当把热敏电阻加到一定的热水或冷水中，(即温度升高或降低)桥式电路不平衡，导致后续的晶体管出现导通，对应的LED亮；
3. 在接三极管前先需要对桥式电路的输出电压信号放大，放大倍数约100倍。
第1章 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，比较器等基本电路； 3.学习和掌握传感器在实际生活中的应用和设计技术，充分认识理论知识对应用技术的指导性作用，进一步加强理论知识与应用相结合的实践和锻炼。 第2章 设计要求利用NTC热敏电阻制作一个简单的可以控制仓库温度上下限的装置。 1.实现基本功能，画出设计电路图。 (1)将热敏电阻接到桥式电路中，常温下输出电压为0，LED不发光； (2)当把热敏电阻加到一定的热水或冷水中，(即温度升高或降低)桥式电路不平衡，导致后续的晶体管出现导通，对应的LED亮； (3)在接三极管前先需要对桥式电路的输出电压信号放大，放大倍数约100倍。 2.完成3000字设计报告。 第3章 硬件电路设计3.1 电路设计结构框图仓库温度上下线的确定。在温度的影响下，主要有使库存物资质质量发生质的变化也跟物质特性有关，而对于一些易燃易爆物质引起火灾和爆炸事故，给人带来不安全因素，以至工作人员在仓库工作时存在着一定的安全风险。当仓库温度过高会使仓库过于干燥，使器件氧化，甚至会发生爆炸；当温度过低会使仓库潮湿，使仓库设施设备损坏。因此设计了仓库温度上下限报警电路，用来监控温度的变化，防止造成难以预料的损失。 电路的实现：基于热敏电阻对于不同温度有不同的电阻值的特性来得到来设计电路。通过放大测量电路输出，将不同的电阻值在电路中用电压表示出来经比较器处理使电路中三极管导通，进而接通二极管发光报警电路，从而制作出仓库温度上下限报警的电路。 仓库温度上下限报警的电路整体的组成如3-1图所示。 图3-1 电路设计结构框图 3.2 传感器的选择根据半导体温度特性热敏电阻可分为三类：随温度上升电阻增加的正温度系数(PTC)热敏电阻，随温度上升电阻减小的负温度系数(NTC)热敏电阻,临界温度系数(CTR)热敏电阻。而在温度的测量中，主要采用的是NTC热敏电阻和PTC热敏电阻，使用较多的是NTC热敏电阻。而NTC热敏电阻属于半导体热敏电阻，这一类热敏电阻具有非常大的电阻温度系数和较高的电阻率，用其制成的传感器的灵敏度也相当高。通常用来制作热敏电阻温度计，热敏电阻开关和热敏电阻温度计，热敏电阻开关和热敏电阻延时等。 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。它的测量范围一般为-10～+300℃，也可做到-200～+10℃。负温度系数热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1℃，感温时间可少至10s以下。它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。 热敏电阻温度特性：热敏电阻的温度特性可用(3-1)公式表示：  (3-1)(3-1)公式中， 、 是温度为 、 时的热敏电阻阻值，其中常取 为25℃； 为热敏电阻的材料常数，由于本身热敏电阻的材料随温度变化而使电阻率发生变化，这是由半导体特性决定的。 根据(3-1)公式可以看出，阻值变化与温度变化为指数关系，随温度升高，热敏电阻阻值迅速下降，灵敏度高是热敏电阻测温的主要优点。 热敏电阻热电特性：热敏电阻的材料随温度变化1℃时，电阻值的相对变化量称为热敏电阻的温度系数，其值为：  (3-2)根据(3-2)公式可以看出，NTC热敏电阻的温度系数是负值，且与温度变化有关。温度越低， 温度系数越大，灵敏度越高，所以NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流、测温、控温、温度补偿等方面。 本设计用到的是随温度上升电阻减小的负温度系数NTC热敏电阻的基本的电阻—温度特性，特别适用于-100~300℃之间测温。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10~1000000欧姆，温度系数-2%~-6.5%。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着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。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，随温度的升高阻值不断减小。其NTC热敏电阻的电阻-温度曲线如图3-2所示。 图3-2 NTC热敏电阻的电阻-温度曲线 本设计所用到的是负温度系数的热敏电阻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。RT为温度为T时的电阻值，α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，25℃时热敏电阻阻值达到100欧姆。 本设计运用热敏电阻MF11-101对仓库温度上下限进行监测。热敏电阻MF11-101是一种常用的敏感元件，具有体积小巧、坚固耐用、可靠性高、稳定性好、误差范围小，对于组织误差范围在5%的产品，其一致性好、互换性良好。该热敏电阻的主要技术参数：时间常数≤30，测量功率≤0.1MW，使用温度范围-55~+125℃，耗散系数≥6MW/℃，额定功率0.5W。该热敏电阻主要应用于一些温度测量精度较高的电路和计量设备、晶体管电路中的温度补偿。 3.3 信号处理电路因为仓库温度上下限报警的电路输出信号比较小，所以本设计加入LM358n运放集成电路。它采用8脚双列直插塑料封装，其内部包含两组形式完全相同的运算放大器，除电源共用以外，两组运放相互独立。每一组运放它共有3个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号出入端，一个输出端，8脚接电源端，4脚接地。LM358n的引脚排列如下图3-2所示。 图3-3 LM358n运算放大器引脚图 本设计只运用LM358n运放集成电路的第一组运放进行温度的比较，即其2、3引脚接两个输入、1引脚接输出，8脚接电源端，4、5、6、7脚接地。在两个输入端串接两个2.2 kΩ的电阻，其作用是比较两点的电位差，在输入端串接一个220 kΩ反馈电阻，其作用是给运放反馈一个反馈电压。信号处理电路图如图3-3所示。   图3-4 信号处理电路图  该运算放大器放大倍数： (3-3) (3-4) (3-5) 通过上式由u+=u-计算出R5的阻值为1kΩ。放大器放大倍数约为100，由此推出仓库温度上下限报警的电路电桥的输出电压上下限约为+7mＶ和-7mＶ。 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(u+)，就是低电平(u-)。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出高电平。 3.4 报警装置本设计采用了红、绿色发光二极管作为上下限指示标志。仓库温度上下限报警的电路电桥平衡(操作时，调节为室内温度25℃)放大器输出为零，三极管均不导通，LED灯均不发光。当温度升高时，红色二极管亮时，实现高温报警，即温度上限报警；绿色二极管发光时，实现低温报警，即温度下限报警。报警装置电路图如图3-5所示。 图3-5 报警装置电路图 3.5 总电路图本设计由热敏电阻组成电桥电路经信号处理使电路控制二极管发光报警电路，进而设计出仓库温度上下限报警的电路。总电路图如图3-5所示。 第4章 仿真与调试电路基本设计出来之后，对电路进行了一些调试。对元件的取值严格按照实际值选取，以减少在硬件操作时的麻烦。例如：在选择电路中的R8，R9电阻值时，其电阻值较小使二极管报警电路中的导通电流较大，此时把二极管被击穿，所以将R8，R9电阻值时进行调整。在电路中，由于仿真软件中没有热敏电阻，所以用一个滑动变阻器手动改变电阻值来代替热敏电阻随温度改变而改变。在室内温度25℃操作时，使滑动变阻器组成的电路电桥平衡，运算放大器输出为零，报警电路不能接通。 当仓库温度恒定25℃不变时，仓库温度上下限报警的电路中热敏电阻的电阻值不变，此时电桥处于平衡状态，电桥的输出电压使3管脚电位等于2管脚电位，则LM358n运放输出为零，所以两个二极管均处于未导通状态，二极管不发光。电路运行后仿真结果如图4-1所示。 图4-1 温度不变电路图 当仓库温度为20℃时，仓库温度上下限报警的电路中热敏电阻的电阻值变大，电桥的输出电压使3管脚电位低于2管脚电位，则LM358n运放输出为低电平，所以电路中的绿色二极管发光，实现低温报警，即温度下限报警。电路运行后仿真结果为LED灯亮绿色如图4-2所示。 图4-2 温度下降时电路图 当仓库温度为30℃时，仓库温度上下限报警的电路中热敏电阻的电阻值变小，电桥的输出电压使3管脚电位高于2管脚电位，则LM358n运放输出为高电平，所以电路中的红色二极管发光，实现高温报警，即温度上限报警。电路运行后仿真结果为LED灯亮红色如图4-3所示。 图4-3 温度上升时电路图 第5章 结 论本过程有温度对电路的影响从而影响输出本实验，主要包括对传感器的选择，信号处理电路，以及仓库温度报警装置的设计，该传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的感受和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。但是本设计还有一个很大的缺陷，就是本设计只有在温度达到上下限时才有所表示，却没有办法表示当前准确温度，在设计过程中存在着一些不足，电路图做出来后在仿真软件上仿真的时候遇到了很多问题，有些元件在仿真软件中无法找到，只能用相对应的电阻或滑动变阻器来代替，所以会使结果产生一些不必要的误差。另外热敏电阻与温度非线性严重，元件的稳定性较差，仓库温度上下限报警的电路只能实现输入与输出的基本要求，所以电路系统硬件要有严格的要求，保证电路的稳定性。同时，在电路图中也要考虑加入一些显示电路，显示当前的温度，保证对温度的测量更精确。除此之外，在实际应用中还要考虑到系统的保护。 热敏电阻与温度非线性严重，元件的稳定性较差，仓库温度上下限报警的电路只能实现输入与输出的基本要求，所以电路系统硬件要有严格的要求，保证电路的稳定性。同时，在电路图中也要考虑加入一些显示电路，显示当前的温度，保证对温度的测量更精确。
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