热敏电阻温度计.doc

摘 要 温度是一种最基本的参数，人们生活与环境温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在工业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和控制需要重要的意义。热敏电阻是由半导体材料制成，它对温度的变化非常敏感。当温度变化1度，金属材料的电阻值仅变化0.4，而热敏电阻值变化可达3-6。热敏电阻体积可以做得很小，其中RC3型珠状热敏电阻大小仅与芝麻粒大小相当，其阻值可以做成几百欧姆到几千欧姆。由于热敏电阻具有对温度反应灵敏高、体积小、热惯性小等优点，因此它在自动控制、电子技术及测温技术等方面有着广泛应用。本文介绍了一种以热敏电阻为主要控制器件，以数字显示为主的新型温度计，主要包括硬件电路的设计和系统程序的设计。硬件电路主要包括电源电路、测温控制电路和显示电路等。主控制器采用线性热敏电阻，温度传感器采用半导体芯片，显示电路利用电流表显示结果，测温控制电路由热敏电阻控制。整个系统包括主程序、测温子程序和显示程序等。关键词：线性热敏电阻；集成运算放大器；显示电路目 录1 绪 论11.1课题背景11.2温度检测技术的发展12 系统设计32.1热敏电阻温度计结构32.2电路设计33电源电路53.1变压器53.2桥式整流电路53.3稳压集成模块63.3.1稳压模块63.3.2集成三端稳压器63.4稳压二极管73.4.1稳压二极管原理及特性83.4.2稳压二极管应用84 温度检测与转换电路分析94.1温度检测电路分析94.2放大电路94.3电流表104.3.1电流表头的构造104.3.2电流表的工作原理104.3.3表头G的主要参数115 电路的焊接和调试125.1制作电路板125.1.1元件选择125.1.2元器件使用中应注意的问题125.1.3电路的焊接145.2电路的调试14结 论16参考文献17致 谢18I天津职业技术师范大学2008级专科生毕业设计1 绪 论1.1课题背景日常生活及工业生产中，经常要用到温度的测量及控制，在冶金、食品加工、化工等工业生产过程中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，都要求对温度进行严格控制。在日常生活中，电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等电器也需要进行温度测量与控制。传统的测温元件有热电偶和热电阻，热电偶是工业上测量温度最常用的检测元件之一，热电阻是中低温区常用的温度检测器，它测量温度高、性能稳定。测量温度的关键是温度传感器，温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化、网络化的方向发展。在测温电路中，使热敏电阻器件利用其感温效应，将随被温度变化的电压或电流采集过来，先进行A/D转换，再将其数据进行处理，最后显示在电流表上，将被测温度显示出来。按照系统设计功能的要求，确定系统有几个模块组成：电源电路、集成运算放大器、温度检测及显示电路组成。电源电路采用变压器变压，整流滤波器整流后再用两个集成稳压块稳压，为电路提供一个稳压电源，集成运算放大器采用LF412八个管脚的运算放大器，用万用表以动态扫描法实现温度显示。1.2温度检测技术的发展近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。（1）晶体管温度检测元件半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金属大12个数量级，二级管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理己研制了各种温度检测元件。 （2）集成电路温度检测元件利用硅晶体管基极发射极间电压与温度关系（即半导体PN结的温度特性）进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装于小型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。目前，国内外也进行了生产。 （3）核磁共振温度检测器这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下，可作理想的标准温度计之用。 （4）热噪声温度检测器其原理是利用热电阻元件产生的噪声电压与温度的相关性，可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器。 （5）石英晶体温度检测器 它采用LC或Y型切割的石英晶片的共振频率随温度变化的特性来制作的。它利用P技术，自动补偿石英晶片的非线性，测量精度较高，一般可检测到0.001，所以可作标准检测之用。 （6）微波温度检测器采用微波测温可以达到快速测量高温的目的。它是利用在不同温度下，温度与控制电压成线性关系的原理制成的。这种检测器的灵敏度为250kHZ/，精度为1%左右，检测范围为201400。 （7）信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表现代的工业过程自动化系统是现场总线控制系统，它是信息技术进入工业自动化后出现的新一代的自动控制系统。现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自控装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。所有的现场仪表（温度检测仪表是其中一种）均接到现场总线上。在这样的系统中，通常不应使用各有不同输出的温度计，必须将输出转变成统一的电信号，这样“温度计”就变成了“温度变送器”。 2 系统设计2.1热敏电阻温度计结构 系统主要是由电源电路部分，放大电路部分，温度检测部分，显示部分组成。电源电路温度检测放大电路温度显示图2-1 系统结构如框图2-1所示，电路电源将进行变压、整流、稳压后为整个电路提供稳定电压源；温度检测部分则采用热敏电阻，它的反应非常灵敏，利用其阻值随温度的变化，检测温度；差动放大器将电压差值放大后转变成电压，将数值显示在电流表上。2.2电路设计图2-2 系统原理图如图2-2所示热敏电阻温度计设计原理图，电压经过变压、整流、稳压后为电路提供稳定的电源。热敏电阻阻值会随温度变化，进而使集成运算输入信号发生变化，运算放大器LM741与反馈电阻Rf和RP3组成一个放大量可调整的信号放大电路，用来放大采集到的信号，输出信号送到电流表显示。调节RP3可使表头指针归零。热敏电阻Rt和可调电阻RP2接在运算放大器的同相输入端，调节RP2可使表针指示到所要求的表盘中心刻度位置。RP4为表头满度调节电阻，调节RP4将表头满度值调整为5V。RP1为测量温度时表头温度满度值（本设计为50度）时的调节电阻。 3 电源电路电子设备一般都需要直流电源供电，这些直流电除了少数直接利用电池和直流发电机外，大多数都是采用把直流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。 直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成。图3-1电源电路组成3.1变压器 变压器是利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器，是电力系统中生产，输送，分配和使用电能中的重要装置，也是电力系统和自动控制系统中电能传递作为信号传输的中重要元件。当变压器的一次绕组接通交流电源时，在绕组中就会有交变的电流通过，并在铁心中产生交变的磁通，该交变磁通与一次、二次绕组交链，会产生感应电动势。二次绕组有了感应电动势，接上负载，即可向负载供电，传输电能，实现了从一次侧到二次侧的传递。 将电网交流电压（220V或380V）变换成符合需要的交流电压，此交流电压经过整流后可获得电子设备所需的直流电压。因为大多数电子电路使用的电压都不高，这个变压器是降压变压器。3.2桥式整流电路整流是利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的50Hz交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。在小功率直流电源中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和三相整流电路等。 图3-2 桥式整流电路利用二极管的单向导电性组成整流电路，可将交流电压变为单向脉动电压。为便于分析整流电路，把整流二极管当作理想元件，即认为它的正向导通电阻为零，而反向电阻为无穷大。在实际应用中，应考虑到二极管有内阻，整流后所得波形，其输出幅度会减少0.61V，当整流电路输入电压大时，这部分压降可以忽略。但输入电压小时，例如输入为3V，则输出只有2V多，需要考虑二极管正向压降的影响。3.3稳压集成模块3.3.1稳压模块 集成稳压块的作用是将电压进行降压处理，并稳定为某一固定值后输出。例如三端稳压块7805可将小于35V的电压降压成稳定的5V输出电压。它比只使用一只稳压二极管进行的电路要好得多，且成本低，所以应用广泛。 常见的三端集成稳压块可分为正电压稳压块和负稳压块两种，正电压的有78系列、负电压的有79系列，两个系列不可互换使用。3.3.2集成三端稳压器本设计采用的是集成三端稳压块7812和7912两种规格，外形图如图3-3所示，这两种稳压块分别为电路提供+12V,-12V电压，输出稳定的电压。 集成三端稳压器是一种串联调整式稳压器，内部设有过热、过流和过电压保护电路。它有三个外引出端（输入端、输出端和公共地端），将整流滤波后的不稳定的直流电压接到集成三端稳压器输入端，经三端稳压器后在输出端得到某一直的稳定的直流电压。 图3-3 7812外形图W7812C2C10.1mF0.33mFUi132W7912C4C30.1mF0.33mF312+12V 12V 图3-4 集成三端稳压器的应用电路集成三端稳压器7812和7912的应用电路如图3-4所示，输出电压为+12V,-12V。为了保证稳压性能，使用三端稳压集成稳压器时，输入电压与输出电压相差至少2V以上，但也不能太大，太大则会增大器件本身的功耗以至于损坏器件。在输入与公共端之间、输出端与公共端之间分别接0.1uF左右的电容，可以防止自己振荡。3.4稳压二极管稳压管的型号有2CW、2DW 等系列，它的电路符号如图3-5所示。图3-5 稳压管符号一般二极管都是正向导通，反向截止；加在二极管上的反向电压如果超过二极管的承受能力，二极管就要击穿损毁。但是有一种二极管，它的正向特性与普通二极管相同，而反向特性却比较特殊：当反向电压加到一定程度时，虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，却不损毁，并且这种现象的重复性很好；反过来看，只要管子处在击穿状态，尽管流过管子的电在变化很大，而管子两端的电压却变化极小起到稳压作用，这种特殊的二极管叫稳压管。3.4.1稳压二极管原理及特性 稳压管是利用反向击多区的稳压特性进行工作的，因此稳压管在电路中要反向连接。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压，不同类型稳压管的稳定电压也不一样，某一型号的稳压管的稳压值固定在指定范围。例如：2CW11的稳压值是3.2伏到4.5伏，其中某一只管子的稳压值可能是3.5伏，另一只管子则可能是4.2伏。 稳压管的动态电阻是随工作电流变化的，工作电流越大,动态电阻越小。因此，为使稳压效果好，工作电流要选得合适。工作电流选得大些，可以减小动态电阻，但不能超过管子的最大允许电流（或最大耗散功率）。3.4.2稳压二极管应用本设计采用了两只具有温度补偿作用的2DW231型稳压管，其稳压值为6V。它的应用电路如图3-6所示。图3-6 稳压二极管应用电路稳压二极管工作在反向击穿状态时，其两端的电压是基本不变的。利用这一性质，在电路里常用于构成稳压电路。稳压二极管构成的稳压电路，虽然稳定度不很高，输出电流也较小，但却具有简单、经济实用的优点，因而应用非常广泛。4 温度检测与转换电路分析4.1温度检测电路分析热敏电阻温度计主要是采用热敏电阻实现温度的检测。热敏电阻是利用半导体的电阻随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件。具有对热敏感、电阻率大、体积小和热惯性小等特点，是测温、控温的重要器件。因此，在实验室、生物体温计、家用电器和工业测温等方面应用非常广泛。随着半导体技术的不断发展，热敏电阻作为一种新型感温元件应用越来越广泛。他具有体积小、灵敏度高、重量轻、热惯性小、寿命长以及价格便宜等优点。可以说热敏电阻是热电阻的一种,原理都是温度引起电阻变化。但是现在热敏电阻一般都被工业化了，基本是指PT100,CU50等常用热敏电阻。 热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件。是由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化。因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线这就是半导体热敏电阻的工作原理。本设计选用的热敏电阻是具有负温度系数、阻值51K的高温电流热感应电阻。4.2放大电路 集成电路按其功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路应用最广泛的集成运算放大器，目前已广泛应用于信号处理、信号变换及信号发生等各个方面，在控制、测量、仪表等领域占有重要地位。集成电路是把晶体管、必要的元件以及相互之间的连接同时制造在一个半导体芯片上（如硅片），形成具有一定电路功能的器件。与分立元件组成的放大电路相比，具有体积小、质量轻、功耗低、工作可靠、安装方便而又价格便宜等特点。 集成运放，是具有高放大倍数的集成电路。它的内部是直接耦合的多级放大器，整个电路可分为输入级、中间级、输出级三部分。输入级采用差分放大电路以消除零点漂移和抑制干扰；中间级一般采用共发射极电路，以获得足够高的电压增益；输出级一般采用互补对称功放电路，以输出足够大的电压和电流，其输出电阻小，负载能力强。如图4-1所示为LF412集成运放管脚图。图4-1 LF412集成运放引脚图 集成运算放大器是应用最广的模拟集成电路,根据其性能特点可以分成通用型(低增益,第一代),通用型(中增益,第二代),通用型(高增益,第三代),以及低功耗,低 失调,低漂移,高速,高阻,高压等几种特殊类型。本设计采用的是LF412型集成运算放大器。 LF412型集成运放的输入偏压为500uA，偏置电流为50pA，它可以用作线性放大器仪表和缓冲放大器。它的输出值为负值。4.3电流表4.3.1电流表头的构造表头G是指小量程的电流表，即灵敏电流计。在本电路中用于温度显示。常用的表头主要由永磁铁和放入永磁铁磁场中可转动的组成。其电流表表头如图4-2所示。图4-2指针式电流表4.3.2电流表的工作原理当线圈中有电流通过时，线圈在磁场力的作用下带着指针一起偏转，通过线圈的电流越大，指针偏转的角度就越大，且I。这样根据指针的偏角就可以知道电流的大小。若在表头刻度盘上标出电流值就可以测量电流了。GIgUgRg图4-3电流表参数4.3.3表头G的主要参数1.满偏电流Ig：表头指针偏转到最大刻度时的电流，叫满偏电流Ig。2.表头的内阻Rg：表头线圈的电阻，叫做表头的内阻Rg。3.满偏电压Ug：表头通过满偏电流时加在它两端的电压，叫满偏电压，用Ug表示。即 UgIgRg5 电路的焊接和调试5.1制作电路板5.1.1元件选择根据原理图2-2设计，三端稳压集成块选择MC7812ACK、MC7912ACK两种型号，应为其加装铝质散热片。VD1VD4选用IN4001型硅整流二极管。D1、D2选用2DW231稳压二极管，如UZ-5.6B、IN5232型等。RP1选用100K的可变电阻，RP2RP3都采用20K的可变电阻。R1R4均选用1/8W碳膜电阻器。集成运算放大器采用LF412型，S选用普通11电源小开关。T选用220V/12V、5VA小型优质电源变压器。5.1.2元器件使用中应注意的问题1.元器件引脚识别安装之前一定要对元器件进行测试，参数性能指标应满足设计要求，要准确识别元器件的引脚，以免造成人为故障甚至损坏元器件。（1）集成电路 双列直插式集成电路一般是顶视图，集成电路上有小孔标记，它是用来表示管教1的位置的，本设计中所用的集成电路引脚见论文第三部分。 （2）二极管，稳压管，等元件的识别稳压二极管在工作时必须加反向偏置电压，即阴极接电源正极，阳极接电源负极，如果极性接反，稳压管就处于正向导通状态，达不到稳压效果。三端稳压器管脚判断： 在78* ，79*系列中最常用的是TO220和TO202两种封装，这两种封装的引脚功能及引脚序号如图5-1所示。图5-1 三端稳压器（78，79系列）管脚判断方法 图5-1中的引脚号的标注方法是按照引脚电位从高到低的顺序标注的，引脚为最高电位，脚为最低电位，脚居中。从图中可以看出，不论78系列、还是79系列，脚均为输出端。对于78正压系列，输入是最高电位，为脚，地端为最低电位，为脚。对于79负压系列，输入为最低电位，自然是脚，而地端为最高电位，为脚，输出为中间电位，为脚。此外，还应注意，散热片总是和最低电位的第脚相连，这样在78系列中，散热片和地相连接，而在79系列中，散热片和输入端相连接。用万用表判断三端稳压器的方法与三极管的判断方法相同，三端稳压器类似于大功率三极管。2.元件使用中应注意的问题（1）电容器电容器在使用前要先检查是否引线开路或内部短路，可用万用表的电阻挡测，检查电解电容时，因为容量大，可将万用表置于R*1K挡当表笔在电容两端测量时，点半指针很快摆到小电阻位置后逐渐摆到大电阻位置，并达到无穷时，表明有容量且漏电。若退布到无穷位置说明漏电。表笔根本不动说明电容开路。 （2）电阻及电位器 电阻的功率，阻值，精度满足设计要求，而且要逐一经过测试，测量电阻时不要把人体电阻并人测量。电位器是可变电阻，它由电阻材料制成的电阻轨道和电刷组成，要保证两者的良好接触才能使电位器正常的发挥作用。电位器的主要参数：标称阻值、额定功率、分辨率也称分辨力 、滑动噪声 。5.1.3电路的焊接依照电路图2-2与焊接的三个步骤首先净化金属表面，然后将被焊金属的表面加热到焊锡融化的温度，加焊料使其形成合金层。焊接时注意：温度小于280焊接时间要少于3秒，避免电路板的损坏；使用恒温焊锡；重复焊接少于3次，间隔大于5分钟。尽量使焊接达到以下几点：（1）金属表面焊锡充足，焊盘大小适中。（2）焊点表面光亮，光滑。（3）焊锡均薄，隐约可见导线的轮廓。（4）焊点干净，无裂纹或针孔。5.2电路的调试焊接完以后首先进行外观检查。检查有没有碰线、短路的现象，元器件安装是否正确，器件引脚的接法是否正确，应重点检查正、负电源端及输出端的接线。然后用万用表欧姆挡，检查电路焊接有无断线短路或接触不良的等问题。尤其应当注意，运放输出端电源端和接地端之间不能短路，否则将损坏器件和电源。组装完毕经检查无误后，即可进行调试。首先用万用表检查电源是否正常。在G位置两端加一可调电压，如6V。将组装好的测温电路中的可调电阻RP1、RP2、RP3分别调到阻值的中间位置。准备。1. 集成运放LF412的检测（1）经上述检查没有错误后，将电路的信号输入端对地短接，用万用表直流电压挡测量集成运放LF412各引脚对地直流电压是否符合电路的要求。引脚有无缺少或断裂；封装有无损坏痕迹等。（2）确定集成运放的好坏将集成运放的3脚与地短接（使输入电压为零），用万用表直流挡测量输出电压uo为零，然后接入ui=5V，测得输出电压uo为5V，则说明该器件是好的。在接线可靠的条件下，若测得uo 始终等于-10V或+10V，则说明该器件已损坏。注意在更换运放时，应先关断直流电源，并对安装电路在仔细检查一遍，然后换上新片。2. 线路的调试（1）检查无误后接通正负直流电源+12V 和-12V。（2）先对输入信号进行初测，使输入输入电压不超过其规定的数值，然后将其接入被测电路的输入端，再接通直流电源，即可对电路进行动态调试。若为直流输入可用直流电压表进行测量，若为交流信号输入，则应采用交流毫安表或进行测试。（3）先调节可变电阻Rp1使输出端为零，在调节可变电阻Rp2使输出端为20，在调节可变电阻Rp3使输出端为50，最后调节可变电阻Rp4使输出端电压为5V。（4）在调试过程中出现了下述几种情况：1）若电阻Rf选取不当，使运放放大倍数过小，得到的输出信号很微弱，使电流表无法指示。2）若D1接反了使经过D1、D2稳压后，输出的稳压值降低，约为零伏，使运算放大器的正向输入端和反相输入端无法得到一个基准的电压信号，使运放无法正常工作。3）若热敏电阻选取过小，使检测温度信号时，得到的温度变化范围很小，无法正常显示出具体的大范围的温度变化值。结 论在整个设计过程中，对于元器件的选择花费了大量的时间，热敏电阻以及集成运算放大器的选用都较为困难，要求应用方便灵活，而且测温准确。毕设过程中,根据已经掌握的理论基础，结合实践，经历几个周的努力，终于完成的热敏电阻温度计的设计，该温度计已成功通过测试，运行良好。系统调试时,硬件调试比较简单，首先检查电路的连接是否正确，然后用万用表测试或通电检测。本程序采用热敏电阻进行调试，用集成运算放大器进行放大，最后通过电流表显示，调试到能显示到温度值，而且在有温度变化时（例如用手去接触），显示温度发生改变就基本完成。性能测试可用制作温度计和已有的成品温度计来同时测量比较。由于热敏电阻的精度很高，所以误差指标可以限制在0.1以内，另外，-55+125的测温范围使得该温度计完全适合一般的应用场合，其低电压供电特性可做成电池供电的手持电子温度计。尽管本设计还存在一定缺陷，但这不是最重要的，最重要的是我学到了很多东西，首先我对热敏电阻、集成运算放大器的应用有了进一步了解，怎样来选者适合自己需要的元器件，是整个设计中最重要的一部分。这次毕业设计，让我对思考问题的方法有了新的认识，刚刚开始做的时候我真的比较茫然，因为当时我都不是很清楚该做什么、怎么做，后来通过查找资料，借鉴别人的设计思路，将别人的思想融会贯通，终于实现的自己的设计方案。现在我意识到无论自己在做什么都要清楚自己的目的，清楚自己的目的后，并不一定要按照前人的思想去完成自己的任务，自己完全可以按照自己的思想去做，尽管可能到最后发现自己失败了，失败并不是最可怕的，因为它总能让你认识到或学到些什么。脚踏实地，认真严谨，