基于熱敏電阻的恒溫控制

模擬電子技術(shù)課程設(shè)計報告題目基于LM358的溫度控制系統(tǒng)授課教師xxx學(xué)生姓名崔xx呂xx李x學(xué)號xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx專業(yè)10級電子信息工程教學(xué)單位物理系完成時間2023.5.30-2023.6.26目錄目錄……………………1摘要……………………21設(shè)計的任務(wù)與要求…………………21.1.設(shè)計的任務(wù)及要求……………21.2.設(shè)計分析………………………21.3.設(shè)計框圖………………………22.溫度檢測模塊………………………22.1.NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻……………………32.2.溫度檢測過程分析…………53.溫度比擬模塊………………………83.1.實現(xiàn)功能分析…………………83.2.比擬器件的選用………………83.3控制過程分析…………………84.溫度調(diào)節(jié)模塊……………………104.1調(diào)節(jié)功能分析…………………104.2溫度調(diào)節(jié)過程………………104.3.繼電器選用…………………104.4.三極管選用選用……………115.系統(tǒng)方案總結(jié)與體會……………116.系統(tǒng)所需元件列表………………127.參考文獻…………13摘要隨著資源的消耗、浪費，人們在尋找新能源的同時越來越重視節(jié)約能源。因此恒溫控制在生活和工業(yè)生產(chǎn)中越來越常見，在生活中最常見的莫過于浴室內(nèi)的水溫恒溫控制，此設(shè)計根本功能就是實現(xiàn)水溫控制。溫度的采集離不開傳感器，傳感器可以將環(huán)境的變化通過電壓、電流或電阻等電量表達出來，電量的處理對于我們來說比擬方便。此設(shè)計用的是負溫度系數(shù)的熱敏電阻作為傳感器，通過電阻分壓的形式采集電壓量在利用模電上的窗口比擬器根據(jù)要求設(shè)定電壓范圍，窗口比擬器的輸出作為調(diào)節(jié)電路的啟動信號。此調(diào)溫系統(tǒng)也可用于其他需要控溫的環(huán)境下。關(guān)鍵詞：NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻窗口比擬器恒溫控制設(shè)計的任務(wù)與要求1.1設(shè)計的任務(wù)與要求此設(shè)計是利用所學(xué)過的熱敏電阻和窗口比擬器知識設(shè)計一個能夠完成對水溫進行恒溫控制的簡易電路。能利用熱敏電阻采集環(huán)境溫度，將采集到的參量與設(shè)定的溫度參量進行比擬，假設(shè)環(huán)境溫度在設(shè)定溫度范圍之外就啟動相應(yīng)的控制電路進行加溫或降溫。1.2設(shè)計的分析此電路系統(tǒng)分為溫度檢測模塊、溫度比擬模塊、溫度調(diào)節(jié)模塊三個根本模塊，溫度檢測模塊測量環(huán)境溫度將檢測信號轉(zhuǎn)化為電壓量作為溫度比擬模塊的輸入信號，溫度比擬模塊判斷輸入量是否在允許范圍內(nèi)，假設(shè)超出范圍啟動調(diào)節(jié)模塊相應(yīng)電路來升溫或降溫，在調(diào)溫期間對溫度實時監(jiān)測，假設(shè)參量在允許范圍內(nèi)那么不動作。檢測溫度模塊1.3設(shè)計框圖檢測溫度模塊溫度調(diào)節(jié)模塊溫度比擬模塊溫度調(diào)節(jié)模塊溫度比擬模塊溫度檢測模塊2.1溫度檢測過程分析溫度控制模塊利用NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻的特性搭建而成，NTC熱敏電阻組織與溫度的對應(yīng)關(guān)系如下表2—1表2—1NTC熱敏電阻R/T對照表型號:mfh103-3950T(℃)R(KΩ)T(℃)R(KΩ)T(℃)R(KΩ)-20.095.337020.512.213861.02.3820-19.592.655921.011.942561.52.3394-19.090.058021.511.677862.02.2977-18.587.540622.011.419862.52.2568-18.085.100922.511.168163.02.2167-17.582.736423.010.922763.52.1775-17.080.444523.510.683464.02.1390-16.578.222724.010.449964.52.1013-16.076.068924.510.222265.02.0644-15.573.980625.010.000065.52.0282-15.071.955825.59.783366.01.9928-14.569.992326.09.571866.51.9580-14.068.088126.59.365567.01.9240-13.566.241227.09.164267.51.8906-13.064.449927.58.967768.01.8579-12.562.712228.08.776068.51.8258-12.061.026428.58.588969.01.7944-11.559.390829.08.406369.51.7636-11.057.803829.58.228170.01.7334-10.556.263930.08.054170.51.7037-10.054.769430.57.884271.01.6747-9.553.318931.07.718471.51.6462-9.051.911131.57.556572.01.6183-8.550.544532.07.398572.51.5910-8.049.217832.57.244273.01.5641-7.547.929833.07.093573.51.5378-7.046.679233.56.946374.01.5120-6.545.464934.06.802674.51.4867-6.044.285634.56.662275.01.4619-5.543.140335.06.525175.51.4375-5.042.027935.56.391276.01.4136-4.540.947436.06.260476.51.3902-4.039.897836.56.132677.01.3672-3.538.878037.06.007777.51.3447-3.037.887337.55.885878.01.3225-2.536.924638.05.766678.51.3008-2.035.989238.55.650179.01.2795-1.535.080139.05.536379.51.2586-1.034.196539.55.425180.01.2381-0.533.337840.05.316480.51.21800.032.503040.55.210281.01.19830.531.691541.05.106481.51.17891.030.902641.55.004982.01.15991.530.135542.04.905782.51.14122.029.389642.54.808883.01.12292.528.664443.04.714083.51.10503.027.959043.54.621384.01.08733.527.273044.04.530784.51.07004.026.605844.54.442185.01.05304.525.956745.04.355485.51.03635.025.325445.54.270786.01.01995.524.711146.04.187886.51.00386.024.113546.54.106887.00.98806.523.532047.04.027587.50.97257.022.966147.53.950088.00.95737.522.415448.03.874288.50.94248.021.879548.53.800089.00.92778.521.357949.03.727589.50.91339.020.850249.53.656590.00.89919.520.355950.03.587090.50.885210.019.874750.53.519091.00.871510.519.406351.03.452591.50.858111.018.950251.53.387592.00.845011.518.506052.03.323892.50.832012.018.073552.53.261593.00.819312.517.652353.03.200593.50.806813.017.242153.53.140894.00.794513.516.842654.03.082494.50.782514.016.453454.53.025295.00.770714.516.074355.02.969295.50.759015.015.704955.52.914496.00.747615.515.345056.02.860896.50.736416.014.994456.52.808297.00.725316.514.652857.02.756897.50.714517.014.319857.52.706598.00.703817.513.995458.02.657298.50.693318.013.679258.52.608999.00.683118.513.371059.02.561699.50.672919.013.070559.52.5153100.00.663019.512.777760.02.470020.012.492260.52.4255將熱敏電阻與10K的R3形成串聯(lián)分壓，將熱敏電阻分得的電壓作為溫度比擬模塊的輸入信號。R7、RV1與R1構(gòu)成的串聯(lián)分壓電路設(shè)定了溫度的上線為45℃，R8、RV2與R2構(gòu)成的串聯(lián)分壓電路設(shè)定了溫度的下線為25℃。其電路圖如圖2-1圖2-1溫度檢測電路2.2熱敏電阻NTCNTC負溫度系數(shù)熱敏電阻工作原理NTC是NegativeTemperatureCoefficient的縮寫，意思是負的溫度系數(shù)，泛指負溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負溫度系數(shù)熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因為在導(dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。溫度低時，這些氧化物材料的載流子〔電子和孔穴〕數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10O~1000000歐姆，溫度系數(shù)-2%~-6.5%。NTC熱敏電阻器可NTC熱敏電阻器廣泛用于測溫、控溫、溫度補償?shù)确矫妫甆TC負溫度系數(shù)熱敏電阻構(gòu)成NTC〔NegativeTemperatureCoeff1Cient〕是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負溫度系數(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．NTC熱敏半導(dǎo)瓷大多是尖晶石結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷，具有負的溫度系數(shù)，電阻值可近似表示為：RT=RNexpB(1/T–1/TN)。式中RT、RT0分別為溫度T、T0時的電阻值，Bn為材料常數(shù)．陶瓷晶粒本身由于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．熱敏電阻其圖2.2如下：圖2.2〔熱敏電阻〕其主要參數(shù)為：零功率電阻值RT〔Ω〕。RT指在規(guī)定溫度T時，采用引起電阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計的測量功率測得的電阻值。電阻值和溫度變化的關(guān)系式為：RT=RNexpB(1/T–1/TN)RT：在溫度T〔K〕時的NTC熱敏電阻阻值。RN：在額定溫度TN〔K〕時的NTC熱敏電阻阻值。T：規(guī)定溫度〔K〕。B：NTC熱敏電阻的材料常數(shù)，又叫熱敏指數(shù)?！?〕材料常數(shù)〔熱敏指數(shù)〕B值〔K〕。RT1：溫度T1〔K〕時的零功率電阻值。RT2：溫度T2〔K〕時的零功率電阻值。T1、T2：兩個被指定的溫度〔K〕。對于常用的NTC熱敏電阻，B值范圍一般在2000K～6000K之間?！?〕零功率電阻溫度系數(shù)〔αT〕在規(guī)定溫度下，NTC熱敏電阻零動功率電阻值的相對變化與引起該變化的溫度變化值之比值。αT：溫度T〔K〕時的零功率電阻溫度系數(shù)。RT：溫度T〔K〕時的零功率電阻值。T：溫度〔T〕。B：材料常數(shù)?！?〕耗散系數(shù)〔δ〕在規(guī)定環(huán)境溫度下，NTC熱敏電阻耗散系數(shù)是電阻中耗散的功率變化與電阻體相應(yīng)的溫度變化之比值。δ：NTC熱敏電阻耗散系數(shù)，〔mW/K〕?！鱌：NTC熱敏電阻消耗的功率〔mW〕?！鱐：NTC熱敏電阻消耗功率△P時，電阻體相應(yīng)的溫度變化〔K〕?！?〕熱時間常數(shù)(τ)在零功率條件下，當溫度突變時，熱敏電阻的溫度變化了始未兩個溫度差的63.2%時所需的時間，熱時間常數(shù)與NTC熱敏電阻的熱容量成正比，與其耗散系數(shù)成反比。τ：熱時間常數(shù)〔S〕。C：NTC熱敏電阻的熱容量。δ：NTC熱敏電阻的耗散系數(shù)?！?〕額定功率Pn在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻器長期連續(xù)工作所允許消耗的功率。在此功率下，電阻體自身溫度不超過其最高工作溫度?！?〕最高工作溫度Tmax在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻器能長期連續(xù)工作所允許的最高溫度。即:T0-環(huán)境溫度?！?〕測量功率Pm熱敏電阻在規(guī)定的環(huán)境溫度下，阻體受測量電流加熱引起的阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計時所消耗的功率。溫度比擬模塊3.1實現(xiàn)功能分析當溫度測量模塊測得的溫度低于設(shè)定值25℃是比擬器A1工作，向相應(yīng)的加熱控制部件發(fā)出加熱信息，當溫度測量模塊測得的溫度高于設(shè)定值45℃是比擬器A2工作，向相應(yīng)的加熱控制部件發(fā)出降溫信息。3.2控制過程分析溫度檢測模塊測得的電壓分別接入A1的3和A2的2作為輸入量與A1的2管腳和A2的3管腳輸入的電壓進行比擬。當A1的3管腳輸入的電壓高于A1的2管腳輸入的電壓說明此時環(huán)境溫度較設(shè)定值低，A1的1管腳輸出高電平作為后續(xù)電路的輸入信號；當A2的2管腳輸入的電壓低于A2的3管腳輸入的電壓說明此時環(huán)境溫度較設(shè)定值高，A2的1管腳輸出高電平作為后續(xù)電路的輸入信號。R4和R5為限流電阻，防止后續(xù)器件功率過大而燒毀。溫度比擬模塊如下列圖3-3圖3-3溫度比擬模塊3.3比擬器件的選用此次課設(shè)我們所用的是窗口比擬器。其原理圖3-2如下：原理圖圖3-2〔a〕圖3-2〔b〕圖3-2(a)為一典型的窗口比擬器電路，電路由兩個集成運放組成，輸入電壓ui分別接到運放Al的同相輸入端和A2的反相輸入端，參考電壓UH和UL分別加在Al的反相輸入端和A2的同相輸入端。兩個集成運放的輸出端各通過一個二極管后并聯(lián)在一起，成為窗口比擬器的輸出端。窗口比擬器工作原理當輸入電壓uI>URH時，uI>URL,所以集成運放A1的輸出uO1=+UOM，A2的輸出uO2=-UOM。使得二極管D1導(dǎo)通D2截止,穩(wěn)壓管DZ工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出電壓uO=+UZ。當輸入電壓uI<URL時,uI<URH,所以集成運放A1的輸出uO1=-UOM，A2的輸出uO2=+UOM。使得二極管D2導(dǎo)通D1截止,電流通路如圖所標注，穩(wěn)壓管DZ工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出電壓uO=+UZ。URL<uI<URH時,uO1=uO2=-UOM，所以D1和D2均截止,穩(wěn)壓管截止,uO=0。URH和URL分別為比擬器的兩個閾值電壓,設(shè)URH和URL均大于零,那么傳輸特性如圖3-2〔b〕所示。4溫度調(diào)節(jié)模塊4.1調(diào)節(jié)功能分析當外界環(huán)境溫度較低時啟動加熱電路給外界加熱，當外界環(huán)境溫度較高時啟動降溫電路給外界降熱，當外界環(huán)境在設(shè)定范圍之內(nèi)次模塊不動作。4.2溫度調(diào)節(jié)過程設(shè)定的溫度區(qū)間為25℃~45℃，在外界溫度低于25℃時A1的1管腳輸出高電平，Q1射極的到適當高電壓時使Q1導(dǎo)通隨后繼電器RL1吸和使電熱絲加熱，當加熱到外界溫度在25℃~45℃時A1的1管腳輸出低電平Q1不導(dǎo)通停止加熱。在外界溫度高于45℃時A2的1管腳輸出高電平，Q2射極的到適當高電壓時使Q2導(dǎo)通隨后繼電器RL2吸和使降溫器件工作，當加熱到外界溫度在25℃~45℃時A2的1管腳輸出低電平Q2不導(dǎo)通停止降溫。調(diào)溫模塊電路如下列圖4-2圖4-2溫度調(diào)節(jié)模塊4.3.繼電器選用本實驗最后驅(qū)動控制模塊是繼電器。繼電器是一種電子控制期間，它具有控制系統(tǒng)〔又稱輸入回路〕和被控制系統(tǒng)〔又稱輸出回路〕，用場應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)〞。故在電路中也有起著自動調(diào)節(jié)、平安保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。該實驗設(shè)計采用的是電磁繼電器。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸電簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點吸合。這樣吸合、釋放，從而到達了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。4.4.三極管選用選用三極管選用的時候9014是NPN低頻放大，耐壓40V－50V，0.5A，0.625W，150MHZhFE〔β〕，100～1000(放大倍數(shù)分段可選)其圖3-4為9014示意圖：圖3-4〔9014〕5.方案總結(jié)與體會方案總