基于热敏电阻的恒温控制

模拟电子技术课程设计报告题目基于LM358的温度控制系统授课教师xxx学生姓名崔xx吕xx李x学号xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx专业10级电子信息工程教学单位物理系完成时间2023.5.30-2023.6.26目录目录……………………1摘要……………………21设计的任务与要求…………………21.1.设计的任务及要求……………21.2.设计分析………………………21.3.设计框图………………………22.温度检测模块………………………22.1.NTC负温度系数热敏电阻……………………32.2.温度检测过程分析…………53.温度比拟模块………………………83.1.实现功能分析…………………83.2.比拟器件的选用………………83.3控制过程分析…………………84.温度调节模块……………………104.1调节功能分析…………………104.2温度调节过程………………104.3.继电器选用…………………104.4.三极管选用选用……………115.系统方案总结与体会……………116.系统所需元件列表………………127.参考文献…………13摘要随着资源的消耗、浪费，人们在寻找新能源的同时越来越重视节约能源。因此恒温控制在生活和工业生产中越来越常见，在生活中最常见的莫过于浴室内的水温恒温控制，此设计根本功能就是实现水温控制。温度的采集离不开传感器，传感器可以将环境的变化通过电压、电流或电阻等电量表达出来，电量的处理对于我们来说比拟方便。此设计用的是负温度系数的热敏电阻作为传感器，通过电阻分压的形式采集电压量在利用模电上的窗口比拟器根据要求设定电压范围，窗口比拟器的输出作为调节电路的启动信号。此调温系统也可用于其他需要控温的环境下。关键词：NTC负温度系数热敏电阻窗口比拟器恒温控制设计的任务与要求1.1设计的任务与要求此设计是利用所学过的热敏电阻和窗口比拟器知识设计一个能够完成对水温进行恒温控制的简易电路。能利用热敏电阻采集环境温度，将采集到的参量与设定的温度参量进行比拟，假设环境温度在设定温度范围之外就启动相应的控制电路进行加温或降温。1.2设计的分析此电路系统分为温度检测模块、温度比拟模块、温度调节模块三个根本模块，温度检测模块测量环境温度将检测信号转化为电压量作为温度比拟模块的输入信号，温度比拟模块判断输入量是否在允许范围内，假设超出范围启动调节模块相应电路来升温或降温，在调温期间对温度实时监测，假设参量在允许范围内那么不动作。检测温度模块1.3设计框图检测温度模块温度调节模块温度比拟模块温度调节模块温度比拟模块温度检测模块2.1温度检测过程分析温度控制模块利用NTC负温度系数热敏电阻的特性搭建而成，NTC热敏电阻组织与温度的对应关系如下表2—1表2—1NTC热敏电阻R/T对照表型号: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将热敏电阻与10K的R3形成串联分压，将热敏电阻分得的电压作为温度比拟模块的输入信号。R7、RV1与R1构成的串联分压电路设定了温度的上线为45℃，R8、RV2与R2构成的串联分压电路设定了温度的下线为25℃。其电路图如图2-1图2-1温度检测电路2.2热敏电阻NTCNTC负温度系数热敏电阻工作原理NTC是NegativeTemperatureCoefficient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，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〔NegativeTemperatureCoeff1Cient〕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：RT=RNexpB(1/T–1/TN)。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．热敏电阻其图2.2如下：图2.2〔热敏电阻〕其主要参数为：零功率电阻值RT〔Ω〕。RT指在规定温度T时，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电阻值。电阻值和温度变化的关系式为：RT=RNexpB(1/T–1/TN)RT：在温度T〔K〕时的NTC热敏电阻阻值。RN：在额定温度TN〔K〕时的NTC热敏电阻阻值。T：规定温度〔K〕。B：NTC热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。〔2〕材料常数〔热敏指数〕B值〔K〕。RT1：温度T1〔K〕时的零功率电阻值。RT2：温度T2〔K〕时的零功率电阻值。T1、T2：两个被指定的温度〔K〕。对于常用的NTC热敏电阻，B值范围一般在2000K～6000K之间。〔3〕零功率电阻温度系数〔αT〕在规定温度下，NTC热敏电阻零动功率电阻值的相对变化与引起该变化的温度变化值之比值。αT：温度T〔K〕时的零功率电阻温度系数。RT：温度T〔K〕时的零功率电阻值。T：温度〔T〕。B：材料常数。〔4〕耗散系数〔δ〕在规定环境温度下，NTC热敏电阻耗散系数是电阻中耗散的功率变化与电阻体相应的温度变化之比值。δ：NTC热敏电阻耗散系数，〔mW/K〕。△P：NTC热敏电阻消耗的功率〔mW〕。△T：NTC热敏电阻消耗功率△P时，电阻体相应的温度变化〔K〕。〔5〕热时间常数(τ)在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始未两个温度差的63.2%时所需的时间，热时间常数与NTC热敏电阻的热容量成正比，与其耗散系数成反比。τ：热时间常数〔S〕。C：NTC热敏电阻的热容量。δ：NTC热敏电阻的耗散系数。〔6〕额定功率Pn在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许消耗的功率。在此功率下，电阻体自身温度不超过其最高工作温度。〔7〕最高工作温度Tmax在规定的技术条件下，热敏电阻器能长期连续工作所允许的最高温度。即:T0-环境温度。〔8〕测量功率Pm热敏电阻在规定的环境温度下，阻体受测量电流加热引起的阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计时所消耗的功率。温度比拟模块3.1实现功能分析当温度测量模块测得的温度低于设定值25℃是比拟器A1工作，向相应的加热控制部件发出加热信息，当温度测量模块测得的温度高于设定值45℃是比拟器A2工作，向相应的加热控制部件发出降温信息。3.2控制过程分析温度检测模块测得的电压分别接入A1的3和A2的2作为输入量与A1的2管脚和A2的3管脚输入的电压进行比拟。当A1的3管脚输入的电压高于A1的2管脚输入的电压说明此时环境温度较设定值低，A1的1管脚输出高电平作为后续电路的输入信号；当A2的2管脚输入的电压低于A2的3管脚输入的电压说明此时环境温度较设定值高，A2的1管脚输出高电平作为后续电路的输入信号。R4和R5为限流电阻，防止后续器件功率过大而烧毁。温度比拟模块如下列图3-3图3-3温度比拟模块3.3比拟器件的选用此次课设我们所用的是窗口比拟器。其原理图3-2如下：原理图图3-2〔a〕图3-2〔b〕图3-2(a)为一典型的窗口比拟器电路，电路由两个集成运放组成，输入电压ui分别接到运放Al的同相输入端和A2的反相输入端，参考电压UH和UL分别加在Al的反相输入端和A2的同相输入端。两个集成运放的输出端各通过一个二极管后并联在一起，成为窗口比拟器的输出端。窗口比拟器工作原理当输入电压uI>URH时，uI>URL,所以集成运放A1的输出uO1=+UOM，A2的输出uO2=-UOM。使得二极管D1导通D2截止,稳压管DZ工作在稳压状态，输出电压uO=+UZ。当输入电压uI<URL时,uI<URH,所以集成运放A1的输出uO1=-UOM，A2的输出uO2=+UOM。使得二极管D2导通D1截止,电流通路如图所标注，稳压管DZ工作在稳压状态，输出电压uO=+UZ。URL<uI<URH时,uO1=uO2=-UOM，所以D1和D2均截止,稳压管截止,uO=0。URH和URL分别为比拟器的两个阈值电压,设URH和URL均大于零,那么传输特性如图3-2〔b〕所示。4温度调节模块4.1调节功能分析当外界环境温度较低时启动加热电路给外界加热，当外界环境温度较高时启动降温电路给外界降热，当外界环境在设定范围之内次模块不动作。4.2温度调节过程设定的温度区间为25℃~45℃，在外界温度低于25℃时A1的1管脚输出高电平，Q1射极的到适当高电压时使Q1导通随后继电器RL1吸和使电热丝加热，当加热到外界温度在25℃~45℃时A1的1管脚输出低电平Q1不导通停止加热。在外界温度高于45℃时A2的1管脚输出高电平，Q2射极的到适当高电压时使Q2导通随后继电器RL2吸和使降温器件工作，当加热到外界温度在25℃~45℃时A2的1管脚输出低电平Q2不导通停止降温。调温模块电路如下列图4-2图4-2温度调节模块4.3.继电器选用本实验最后驱动控制模块是继电器。继电器是一种电子控制期间，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〕，用场应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关〞。故在电路中也有起着自动调节、平安保护、转换电路等作用。该实验设计采用的是电磁继电器。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触电簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点吸合。这样吸合、释放，从而到达了在电路中的导通、切断的目的。4.4.三极管选用选用三极管选用的时候9014是NPN低频放大，耐压40V－50V，0.5A，0.625W，150MHZhFE〔β〕，100～1000(放大倍数分段可选)其图3-4为9014示意图：图3-4〔9014〕5.方案总结与体会方案总