温度指示电路_超温报警_

温光指示电路专业：电气工程及其自动化学号：7022813046学生姓名：邓旭东指导教师：吴敏黄灿英【摘要】温度指示电路是在实际应用中相当广泛的测量电路。本次设计主要运用基本的模拟电子技术基础和传感器原理的知识，从基本的元器件出发，实现了超温报警电路的设计。在电子课程设计中的主要思想：一、达到课程要求；二、尽量应用所学知识。超温报警电路是采用LM324温度传感器设计的，报警温度超过设定温度时会发出光报警信号。本电路主要由低功耗四运算放大器LM324、热敏电阻、LED发光二极管等元器件组成，并利用热敏电阻的阻值随着温度的升高而增大这个原理改变四运算放大器LM324比较器的比较电压，使其输出产生变化，从而引起发光二极管发出可见光，从而起到温度指示的作用。在实际应用中，利用发光二极管的温度指示作用来判断环境温度的变化，从而减少不必要的损失。【关键词】温度指示热敏电阻LM324发光二极管光敏电阻1目录前言………………………………………………………………………(2)第1章工作原理…………………………………………………………(3)1.1热敏电阻的工作原理…………………………………………(3)1.2发光二极管的工作原理…………………………………………(3)1.3LM324的工作原理………………………………………………(4)1.4电路的工作原理…………………………………………………(4)第2章安装与调试………………………………………………………(5)2.1元器件的选择……………………………………………………(5)2.1.1元器件清单的编制…………………………………………(5)2.1.2元器件的技术参数的选择…………………………………(6)2.1.3简述核心器件的功能………………………………………(9)2.1.4元器件的测试方法2.2制作安装调试……………………………………………………（12）第3章制作PCB板………………………………………………………（18）第4章小结…………………………………………………………………（21）第5章参考文献……………………………………………………………（23）附录…………………………………………………………………………(24)2前言温度测量与控制电路广泛应用于生产生活中的各个方面，特别是在工业生产中，温度自动控制已经成为一个相当成熟的技术。本次课程设计给我们创造了良好的学习机会：一是查阅资料将自己所学的数字电子技术，模拟电子技术，以及传感器的相关知识综合运用，二是系统了解温度监测的详细过程，为日后的学习和工作增长知识，积累经验。同时经过查资料、撰写设计报告等，加强在电子技术方面解决实际问题的能力，基本掌握常用模拟电子线路的相关知识，提高模拟电子线路的制作、调试和测试能力。在确定课设题目，经仔细分析问题后，我们发现实现课题要求——温度控制的基本原理是采用简单芯片构成电路。温度传感部分是由热敏电阻构成的温度传感器，控制部分由滑动变阻器和11个固定电阻组成，而光报警主要用LM324集成芯片和8个LED发光二极管组成。在了解单元电路的基本构成后，我们总结出电路实现的基本原理，即通过将热敏电阻受温度影响所产生的输出电压送至LM324集成电路内部各级比较器，从而输出与温度相对应的显示值。而使用PTC热敏电阻与一个固定电阻串联，通过电阻分压，通知控制回路，做温度控制开关，从而达到控制温度的作用。本应用具有温度报警功能，当发热体靠经热敏电阻时，热敏电阻阻值变大，使得LM324同相输入大于发相输入，输出端输出高电平，LED发光二极管依次点亮达到温度指示和报警功能。由于缺少实践经验，并且知识有限，所以本次设计中难免存在缺点和错误，敬请老师批评指正。3第1章工作原理一、热敏电阻的工作原理热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器器（NTC）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。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。在本课程设计中，我们选用的是随温度升高阻值变大的热敏电阻，即正温度系数热敏电阻简称PTC。热敏电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即Rt=Rt0[1+α（t-t0）]式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为Rt=AeB/t式中Rot为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。二、发光二极管的工作原理它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数um以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg.的单位为电子伏特（ev）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。4三、LM324的工作原理LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见下图由电压比较器的原理可知：当同相输入端(正端)电压高于反相输入端(负端)电压时，比较器输出高电平；反之，则输出低电平。LM324中，当同相输入端3脚输入电压高于反相输入端2脚时，1脚输出高电平；当同相输入端5脚输入电压高于反相输入端时，7脚输出高电平。四、电路的工作原理超温报警器可实现超温光报警，超温报警器的电路原理图如下图所示。5R12是一个正温度系数的热敏电阻器，起温度传感器的作用，其电阻值将随温度的变化而变化。本电路由LM324集成运放构成比较电路，电压比较器的基本原理是通过对输入地压的比较，使输出输出高电平或者低电平。当运放的同相信号输入端电压大于反相信号输入电压时，运放输出高电平；当运放的反相信号输入端电压大于同相信号输入电压时，运放输出低电平。当发热体靠近热敏电阻R12时，热敏电阻的阻值随温度的升高而变大，此时热敏电阻与相邻桥臂上的电阻依次比较，使得两桥臂上电阻的电压出现电压差，所以热敏电阻受温度影响所产生的输出电压送至LM324集成电路内部比较器，从而使LM324同相输入大于反相输入，输出端为高电平，高电平使发光二极管导通，从而LED发光二极管依次点亮达到温度指示的作用。利用发光二极管的温度指示作用，可以判断电路是否正常。当电路出现异常，我们可以调节可变电阻R11的阻值来改变LM324的同相输入，使同相输入小于反相输入，从而使电路恢复正常。第2章安装与调试2-1元器件的选择2.1.1元器件清单的编制62.1.2元器件的技术参数的选择一发光二级管的技术参数（一）LED参数的介绍LED的光学参数中重要的几个方面就是：光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长。1发光效率和光通量发光效率就是光通量与电功率之比。发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。2发光强度和光强分布LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度光强相差很多，随之而来我们研究了LED的光强分布特性。这个参数实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。比如体育场馆的LED大型彩色显示屏，如果选用的LED单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。3波长对于LED的光谱特性我们主要看它的单色性是否优良，而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。因为在许多场合下，比如交通信号灯对颜色就要求比较严格，不过据观察现在我国的一些LED信号灯中绿色发蓝，红色的为深红，从这个现象来看我们对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且很有意义的。（二）LED的特性1．极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2．电参数的意义（1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。（2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。7（3）光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度.是指1/2峰值光强所对应两波长之间隔.（4）半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。（5）正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。（6）正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF将下降。二热敏电阻的技术参数1、零功率电阻指在某一温度下测量PTC热敏电阻值时，加在PTC热敏电阻上的功耗极低，低到因其功耗引起的PTC热敏电阻的阻值变化可以忽略不计。额定零功率电阻指环境温度25℃条件下测得的零功率电阻值。2、居里温度Tc对于PTC热敏电阻的应用来说，电阻值开始陡峭地增高时的温度是重要的，我们将其定义为居里温度。居里温度对应的PTC热敏电阻的电阻RTc=2*Rmin。3、温度系数αPTC热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化。温度系数越大，PTC热敏电阻对温度变化的反应越灵敏。α=(lgR2-lgR1)/lge(T2-T1)4、额定电压VN额定电压是在最大工作电压Vmax以下的供电电压。通常Vmax=VN+15%5、击穿电压VD击穿电压是指PTC热敏电阻最高的电压承受能力。PTC热敏