硬件设计-基于热敏电阻的水温检测控制系统（模电课设）

• 设计题目

        水温监测及控制电路

• 设计任务及要求

设计并制作一个水温监控电路，把一杯水的温度控制在50°C,误差正负2°C。加热装置不限。

1、检测电路采用热敏电阻Rt（NTC）作为测温元件。

3、设计温度检测电路和温度控制电路。

4、温度测量标准以现成的温度计为标准。

发挥部分：可制作实时的温度显示电路。

• 原理电路设计

实现目标

测温电路：利用热敏电阻测温

比较电路：判断水温所处的温度

报警电路：当水温温度大于50℃，红色发光二极管发光；

          当水温温度小于50℃，黄色发光二极管发光；

          当水温温度等于50℃，绿色发光二极管发光；

控制电路：当水温温度大于50℃，给水降温

          当水温温度小于50℃，给水加温

测温电路：

热敏电阻实际上是一种温度传感器。
热敏电阻：包括PTC(正温度系数Positive Temperature Coefficient)和NTC（负温度系数Negative Temperature Coefficient）的热敏电阻。

正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。

二、热敏电阻的主要特点

①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；

②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～-55℃；

③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；

④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；

⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；

⑥稳定性好、过载能力强。

三、PTC热敏电阻

PTC是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定温度传感器。

四、NTC热敏电阻

NTC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。

比较电路的方案比较：

在利用热敏电阻随温度升高电阻变低的特性来测试温度的时候，要分离出温度界限，只能用到运算放大器。

方案一：选用lm358集成芯片。

LM358是双运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

内部频率补偿直流电压增益高(约100dB)单位增益频带宽(约1MHz)电源电压范围宽：单电源(3—30V)双电源(±1.5 一±15V)压摆率(0.3V/us)低功耗电流，适合于电池供电· 低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)，

LM358引脚功能：
1脚是输出端，2脚是反相输入端，3脚是同相输入端，

4脚是负电源（双电源工作时）或地（单电源工作时），
5脚是同相输入端，6脚是反相输入端，7脚是输出端，8脚是正电源，
1、2、3脚是一个运放通道，5、6、7脚为另一运放通道。

 

LM358工作原理：

8脚主供电输入，2脚电压与3脚电压比较，6脚电压与5脚电压比较，分别对应两个独立的输出：1OUT与2OUT当1IN+大于1IN- 2IN+大于2IN-时，1OUT 2OUT输出高电平当1IN+小于1IN- 2IN+小于2IN-时，1OUT 2OUT输出低电平LM358输出端不需要上拉电阻，输出电压范围为：0V~VCC-1.5V。

LM358该型号，市场上比较常见，在各大网站上，搜索比较频繁，价格一直相对平稳。有些分析人士，还把该型号归类为电源电路，因为它使用范围比较宽。LM358最近一段时间市场销量比较稳定，主流品牌是TI、NS、国产品牌，国外品牌的价格一直相对偏高，最新报价有小幅度下滑，在0.4-0.7元/PCS区间波动。网络报价一般在在0.13-0.15元之间波动。

方案二：选用555定时器芯片

NE555双极型时基电路（555的第一代）是1972年美国Signetics公司研制出的。设计原意是用来取代体积大，定时精度差的热延迟继电器等机械式延迟器。但该器件投放市场后，人们发现这种其应用远远超出原设计的使用范围，用途之广几乎遍及电子应用的各个领域

555定时器是数模结合的集成电路，它的内部结构由三个串联的5k电阻、两个比较器、一个RS触发器、一个反向器和放电开关管T组成。三个串联电阻接电源VCC，每个电阻上的压降是1/3VCC。上面的比较器的同相端接2/3VCC，下面的比较器反相端接1/3VCC

 

 

555定时器可工作在三种工作模式下：

• 单稳态模式：在此模式下，555功能为单次触发。应用范围包括定时器，脉冲丢失检测，反弹跳开关，轻触开关，分频器，电容测量，脉冲宽度调制（PWM）等。
• 无稳态模式：在此模式下，555以振荡器的方式工作。这一工作模式下的555芯片常被用于频闪灯、脉冲发生器、逻辑电路时钟、音调发生器、脉冲位置调制（PPM）等电路中。如果使用热敏电阻作为定时电阻，555可构成温度传感器，其输出信号的频率由温度决定。
• 双稳态模式：在DIS引脚空置且不外接电容的情况下，555的工作方式类似于一个RS触发器，可用于构成锁存开关。

无稳态工作模式下555定时器可输出连续的特定频率的方波。电阻R1接在VCC与放电引脚(引脚7)之间，另一个电阻(R2)接在引脚7与触发引脚（引脚2）之间，引脚2与阈值引脚（引脚6）短接。工作时电容通过R1与R2充电至2/3VCC，然后输出电压翻转，电容通过R2放电至1/3VCC，之后电容重新充电，输出电压再次翻转。

方案比较：

通过成本和电路建构来对比，电压比较器工作于非线性状态，是用来检测输入电压大小的，其输出端只有两个状态，不是高电平就是低电平。放大电路工作于线性放大状态，其可以将输入端幅度较小的信号放大到所需的幅度。

LM358这款双运算放大器继承了双运算放大器的有点，他的内部包括由两个独立的运算放大器，他即适合电源电压范围很宽的单电源使用，同时也适用于双电源工作模式。他的使用场景也包括传感放大器以及其他所有可以使用单电源供电的使用运算放大器的场合

我选用了方案一，选用集成芯片lM358。

报警电路方案比较：

发光二极管（Light Emitting Diode）简称LED，是一种会发光的半导体组件且具备二极管的电子特性

发光二极管核心是二极管的空穴和电子在电压作用下从电极流向PN结。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光的形式释放出能量

通俗单色发光二极管具有体积孝工作电压低、工作电流孝发光均匀不变、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。它属于电流控制型半导体器件，应用时需串接合适的限流电阻。

正向导通电流：正常情况下不应超过最大值的60%。

最大反向电压：当加载反向电压超过一定值后，LED将会烧毁。

反向漏电流：正向电压下，反向漏电刘是少子的运动很小，一般＜10uA。反向漏电流越小，说明LED单向导电性越小。

功耗：正向导通电流*正向导通电压即为消耗功率。应保证小于最大允许功率。

为了更直观地了解水温，我设计了三个显示灯。

当水温温度大于50℃，红色发光二极管发光；

当水温温度小于50℃，黄色发光二极管发光；

当水温温度等于50℃，绿色发光二极管发光；

通过LM358芯片比较高低电压来区分温度。

当温度在48℃-52℃时，热敏电阻阻值在3kΩ-4kΩ，热敏电阻的阻值随温度升高而降低。

电阻大于4kΩ时，R5的电压比R6高所以右边的运算放大器输出高电平点亮LED2（黄灯）；

电阻小于3kΩ时，R4的电压比R5高所以左边的运算放大器输出高电平点亮LED1（红灯）；

电阻区间在≥4kΩ和≤3kΩ时的电路设计图如下：

水温区间在48℃<水温<52℃时，电路选择方案如下：

方案一：把LED与热敏电阻串联，重新计算R4和R6的电阻。

当水温区间在48℃<水温<52℃时，两个运算放大器都输出低电平，LED1和LED2不亮，LED3点亮（绿灯）。

电路设计图如下：

 

但是，当电阻区间在≥4kΩ和≤3kΩ时，绿灯仍然时亮的。所以方案一排除。

方案二：

由于方案一中当电阻区间在≥4kΩ和≤3kΩ时，黄灯和红灯被点亮时，绿灯仍然时亮的。为了解决这个问题，方案二为了避免这个问题，计算LED的临界电压。经过计算得到点亮LED的最低电压为2.22v。

水温区间在48℃<水温<52℃时，LED3刚好被点亮

水温区间在≤48℃、≥52℃时，LED3由于电压不够，不能被点亮

 

 

这个方案我刚开始想到的时候，我以为可以实行，但是实践的时候就出现很多问题了。

问题如下：

1. 普通单色发光二极管、工作电压低、工作电流小。LED的电阻阻值相对与3kΩ而言实在是太小了，所以基本所有的电压都在R5上，LED分不到电压所以不会亮。
2. 因为电压达不到LED的启动电压时，LED才会不亮；当电压高于LED的最大承受电压时LED仍然是亮的，还是达不到当电阻区间在≥4kΩ和≤3kΩ时，绿灯都是灭的要求。
3. 温度对LED的阻值也有影响，所以与LED并联的电阻阻值不好选择，它的阻值也容易变化，会产生较大的误差。

所以排除方案二

方案三：

为了排除报警电路对比较电路的影响，我再次选用了运算放大器LM358和2-4输入与门芯片74LS08。

与门是实现逻辑“乘”运算的电路，有两个以上输入端,一个输出端(一般电路都只有一个输出端,ECL电路则有二个输出端)。只有当所有输入端都是高电平（逻辑“1”）时,该电路输出才是高电平（逻辑“1”）,否则输出为低电平（逻辑“0”）。 [1]  其二输入与门的数学逻辑表达式：Y = AB，对应的真值表如下：

 74LS08是74XXYY系列集成电路芯片之一，有四个AND门，每个门带有两个输入，是2输入四正与门集成电路芯片，常被应用在各种功能的数字电路系统中。

 

 电路设计图如下：

水温区间在48℃<水温<52℃时，LED5刚好被点亮而且LED1和LED2不被点亮。

综上所述：报警电路选用方案三。

控制电路的比较：

降温电路

我选用一个5v的小电机。当温度超过52℃时，启动小电机。电机和红色LED串联。

电机在电路中是用字母M（旧标准用D）表示，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源，发电机在电路中用字母G表示，它的主要作用是利用机械能转化为电能。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。

感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。

工作原理

导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机

升温电路

方案一：电热管模具加热棒单头加热管

电热管模具加热棒单头加热管是一种专门将电能转化为热能的电器元件。它是以金属管为外壳（包括不锈钢、紫铜管），其空隙填充压实具有良好绝缘导热性能的氧化镁砂，管口两端用硅胶密封。而且它体积小、功率大 ：加热器首要采用集束式管状电热元件。热呼应快、控温精度高，综合热效率高。加热温度高：加热器设计最高任务温度可达850℃。介质出口温度平均，控温精度高。使用局限广、顺应性强：该加热器可合用于防爆或通俗场所，防爆品级可达C级，耐压可达20MPa。寿命长、牢靠性高：该加热器采用非凡电热资料制造，设计外表功率负荷低，并采用多重维护，使电加热器平安性和寿命大大添加。可全主动化节制：依据要求经过加热器电路设计，可便利完成出口温度、流量、压力等参数主动节制，并可与机算机联网。节能结果明显，电能发生的热量几乎100%传给加热介质。

方案二：选用发热丝加热

电热丝发热的原理其实就是电流的热效应。电流的热效应:当电流通过电阻时,电流做功而消耗电能,产生了热量,这种现象叫做电流的热效应。实践证明,电流通过导体所产生的热量和电流的平方,导体本身的电阻值以及电流通过的时间成正比。电热丝要有合适的电阻率,才能达到通电发热的目的

 

发热丝直径0.2mm，每米4欧姆，材质超细优质铁丝。

电压乘以电压除以电阻就是发热功率。 12v电压2米发热丝的功率=电压12*12除以电阻4*2米=18瓦，若用于24v

电热丝发热计算公式：

0.25mm每米电阻22欧优质丝，5v使用0.2米电阻4.4欧达到5.7瓦左右，算法5v*5v除以4.4欧=5.7瓦。12v使用0.5米电阻11欧达到13瓦。

再比如：0.2mm每米电阻35欧优质丝，5v使用0.1米电阻3.5欧达到7.1瓦。12v使用0.5米电阻17.5欧达到8.2瓦，算法12*12除以17.5欧=8.2瓦。

对于发热温度可以达到多少，和保温情况关系很大，19度室外空气中12v电压1米发热丝可以升温到150度左右，再12v电压的情况下剪断一点就可以升温更高，加长一些就可以降低发热温度。

电热丝虽有这样的发热量功率，但是散热不及时，使得产品温度超过1000度导致发热线烧毁报废，使用在几百度的高温要注意火灾危险。

通过成本、启动电压以及发热功率的比较，我选用了方案二，选用电热丝加热水温。

• 电路调试过程与结果

电路仿真

通过电路方案的比较和选择，最终电路图如下：

（电机、发热丝用225Ω电阻来代替）

 

水温区间在48℃<水温<52℃时，LED3刚好被点亮而且LED1和LED2不被点亮。

如下图

 

 水温区间小于48℃时，这时热敏电阻的阻值大于4kΩ，黄灯被点亮

 

 水温区间大于52℃时，这时热敏电阻的阻值小于3kΩ，红灯被点亮