發布日期：2022-10-09 點擊率：142
摘要
本設計基于單片機DS18B20的數字式室內溫度控制系統，控制程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、按鍵子程序、控制風機子程序等。通過按鈕在實測溫度和預設溫度之間相互顯示，當實測溫度達到預設溫度上限時報警，同時啟動風機。
關鍵詞：單片機 熱敏傳感器 恒溫 數碼管
課程設計說明書
目錄
1 、設計任務分析.......................................................................................................................3
2、 室內溫度報警控制系統設計...............................................................................................3
2.1 硬件設計......................................................................................................................3
2.1.1單片機及其外圍電路設計..................................................................................4
2.1.2 LED數碼管顯示.................................................................................................5
2.1.3 按鍵設計.............................................................................................................6
2.1.4 DS18B20溫度傳感器設計.................................................................................7
2.1.5 繼電器風機控制設計.........................................................................................7
2.1.6 報警裝置.............................................................................................................7
2.2軟件設計.................................................................................................................... ..8
2.2.1 LED數碼管顯示.............................................................................................. ..8
2.2.2 按鍵設計程序.....................................................................................................9
2.2.3 DS18B20程序...................................................................................................10
2.2.4 繼電器及風機控制...........................................................................................11
2.2.5 蜂鳴器程序設計...............................................................................................12
2.3 系統調試.............................
目錄
本文引用地址：
第 1 章：溫度傳感基本原理(√）
第 2 章：系統溫度監測（√）
第 2.1 節: 如何監測電路板溫度
第 2.2 節: 高性能處理器模溫監測
第 3 章：環境溫度監測
第 3.1 節: 精確測量環境溫度的布局注意事項
第 3.2 節: 通過可擴展的溫度傳感器實現高效的冷鏈管理
第 4 章：體溫監測
可穿戴式溫度傳感的設計挑戰
第 5 章：流體溫度監測
使用數字溫度傳感器在熱量計中替代 RTD
第 6 章：閾值檢測
如何避免控制系統遭受熱損壞
第 7 章：溫度補償和校準
第 7.1 節: 使用高精度溫度傳感器進行溫度補償
第 7.2 節: 校準熱監測系統的方法
前言： 編輯的消息
編者的話
在個人電子產品、工業或醫療應用的設計中，工程師必須
應對同樣的挑戰，即如何提升性能、增加功能并縮小尺
寸。除了這些考慮因素外，他們還必須仔細監測溫度以確
保安全并保護系統和消費者免受傷害。
眾多行業的另一個共同趨勢是需要處理來自更多傳感器
的更多數據，進一步說明了溫度測量的重要性：不僅要測
量系統或環境條件，還要補償其他溫度敏感元件，從而確
保傳感器和系統的精度。另外一個好處在于，有了精確的
溫度監測，無需再對系統進行過度設計來補償不準確的
溫度測量，從而可以提高系統性能并降低成本。
溫度設計挑戰分為三類：
? 溫度監測：溫度傳感器提供有價值的數據來持續跟
蹤溫度條件，并為控制系統提供反饋。此監測可以是
系統溫度監測或環境溫度監測。在一些應用中，我們
可以看到設計挑戰的特點是需要在控制回路中同時
實現這兩種監測。這些監測包括系統溫度監測、環境
溫度監測以及身體或流體溫度監測。
? 溫度保護：在多種應用中，一旦系統超過或低于功能
溫度閾值，便需要采取措施。溫度傳感器在檢測到事
先定義的條件時提供輸出警報以防止系統損壞。在
不影響系統可靠性的情況下提升處理器吞吐量是可
行的。系統經常過早啟動安全熱關斷，結果造成高達
5°C 甚至 10°C 的性能損失。當系統超過或低于功能
溫度閾值時，工程師可以自主啟動實時保護措施。
? 溫度補償：溫度傳感器可以在正常工作期間隨溫度
變化最大限度提高系統性能。監測和校正其他關鍵
組件在發熱和冷卻時的溫漂可降低系統故障的風險。
本電子書將提供一些 TI 應用簡介，由此說明使用不同溫
度傳感技術的各種應用的設計注意事項。書中的章節首先介紹主要的溫度挑戰，然后重點說明各種應用的設計
注意事項，評估溫度精度和應用尺寸之間的權衡，同時討論傳感器放置方法。
第1章:溫度傳感基本原理
簡介
在嵌入式系統中，總是需要更高的性能、更多的功能和更
小的外形尺寸。鑒于這種需求，設計人員必須監測整體溫
度以確保安全并保護系統。在應用中集成更多傳感器進
一步推動了對溫度測量的需求，不僅要測量系統條件或
環境條件，還要補償溫度敏感元件并保持整體系統精度。
溫度設計注意事項
實現高效溫度監測和保護的注意事項包括：
? 精度。傳感器精度表示溫度與真實值的接近程度。在確定精度時，必須考慮所有因素，包括采集電路以及整個工作溫度范圍內的線性度。
? 尺寸。傳感器的尺寸會對設計產生影響，而分析整個電路有助于實現更優化的設計。傳感器尺寸還決定
了熱響應時間，這對于體溫監測等應用非常重要。
? 傳感器放置。傳感器的封裝和放置會影響響應時間和
傳導路徑；這兩個因素都對高效溫度設計至關重要。
工業中常見的溫度傳感器技術包括集成電路 (IC) 傳感器、熱敏電阻、RTD 和熱電偶。表 1 比較了在為設計挑戰評選適合的技術時參考的主要特性。
IC 傳感器
IC 溫度傳感器取決于硅帶隙的預測溫度依賴性。如圖 1
和公式 1 所示，精密電流為內部正向偏置 P-N 結提供電源，從而產生對應于器件溫度的基極-發射極電壓變化。
圖 1.硅帶隙的溫度依賴性。
等式1：溫度依賴性硅帶隙公式。
(ΔVBE)。
鑒于硅的可預測行為，IC 可在寬泛的溫度范圍內提供高線性度和精度（高達 ±0.1°C）。這些傳感器可以集成系統功能，例如模數轉換器 (ADC) 或比較器，最終可以降低系統復雜性并減小整體占用空間。這些傳感器通常采用表面貼裝和穿孔封裝技術。
表1. 比較溫度傳感技術。
熱敏電阻
熱敏電阻是無源組件，其電阻很大程度上取決于溫度。
熱敏電阻分為兩類：正溫度系數 (PTC) 和負溫度系數
(NTC)。
雖然熱敏電阻針對板載和非板載溫度傳感方式提供了多種封裝選擇，但與 IC 傳感器相比，其實現方案通常需要
更多的系統組件。硅基 PTC 熱敏電阻具有線性特征，而
NTC 熱敏電阻具有非線性特征，通常會增加校準成本和軟件開銷。
圖 2 顯示了典型的熱敏電阻實現方案。通常很難確定熱
敏電阻的真實系統精度。NTC 系統誤差的影響因素包括
NTC 容差、偏置電阻器（易受溫漂影響）、ADC（可能導致
量化誤差）、NTC 固有的線性化誤差以及基準電壓。
RTD
RTD 是由鉑、鎳或銅等純凈材質制成的溫度傳感器，具有高度可預測的電阻/溫度關系。
鉑 RTD 可在高達 600°C 的寬泛溫度范圍內提供高精度和高線性度。如圖 3 所示，一個采用模擬傳感器的實現方案中包括復雜的電路和設計挑戰。最終，為了實現精確的
系統，需要進行復雜的誤差分析，這是因為產生影響的組件數量較多，而這也會影響系統的整體尺寸。RTD 還需
要在制造期間進行校準，而后每年進行現場校準。
RTD 系統誤差的影響因素包括 RTD 容差、自發熱、ADC
量化誤差和基準電壓。
圖 2.典型的熱敏電阻實現方案。
熱電偶
熱電偶由兩個不同的電導體組成，這兩個電導體在不同的溫度下形成電結。由于熱電塞貝克效應，熱電偶產生與溫度相關的電壓。該電壓轉換為熱端和冷端之間的溫差。
必須知道冷端的溫度才能獲得熱端溫度。由于有兩個系統具有相互影響的單獨容差和能力，這里的精度將受到限制。圖 4 顯示了一個典型的 CJC 實現方案，其中采用
熱電偶和外部傳感器來測定熱端溫度。
熱電偶不需要外部激勵，因此不會受到自發熱問題的影響。它們還支持極端溫度 (>2,000°C)。
雖然熱電偶堅固耐用且價格低廉，但它們卻需要額外的
溫度傳感器來支持 CJC。熱電偶往往具有非線性特征，并
且對于熱電偶與電路板連接處的寄生結非常敏感。
對熱電偶進行數字化容易受到先前討論的 ADC 誤差的影響。
圖 3.復雜的四線 RTD 電路。
圖 4.帶有冷端補償 (CJC) 溫度傳感器的熱電偶。
第2章: 系統溫度監測
對于許多系統設計，有必要監測高功率組件（處理器、現
場可編程門陣列、場效應晶體管）以確保系統和用戶安全。溫度讀數的精確性非常重要，因為它使設計人員能夠在提高性能的同時保持在安全限制內，或者通過避免在其他地方過度設計來降低系統成本。德州儀器 (TI) 的緊
湊型高精度溫度傳感器產品系列可以更靠近這些關鍵組件放置，實現最精確的測量。
第 2.1 節
如何監測電路板溫度
簡介
電路中的溫度問題會影響系統性能并損壞昂貴組件。通過測量印刷電路板 (PCB) 中存在熱點或高耗電集成電路
(IC) 的區域的溫度，有助于識別熱問題，進而及時采取預防或糾正措施。
您可能希望監測高耗電 IC（例如中央處理單元、專用 IC、
現場可編程門陣列或數字信號處理器）的管芯溫度以動
態調整其性能，或者可能希望監測功率級周圍的熱區，以
便控制系統中的風扇速度或啟動安全系統關閉程序。
最終目標是優化性能并保護昂貴的設備。圖 1 顯示了高性能計算機主板上的溫度監測系統。
從 PCB 到溫度傳感器的熱傳遞
本地溫度傳感器測量它們自己的管芯溫度以確定特定區
域的溫度。因此，了解管芯與傳感器周圍物體或環境之間的主要溫度傳導路徑至關重要。主要通過兩種路徑導熱：
通過連接到封裝的管芯連接焊盤 (DAP)（圖 2）或通過封裝引線引腳。DAP（如果存在）提供 PCB 和管芯之間最要的導熱路徑。
如果封裝類型不包含 DAP（圖 3），則引線和引腳提供最主要的導熱路徑。
模塑化合物提供額外的導熱路徑，但由于其低導熱性，通
過模塑化合物本身進行的任何熱傳遞均比通過引線或
DAP 進行的熱傳遞更慢。
熱響應
封裝類型決定了溫度傳感器對溫度變化的響應速度。圖
4 顯示了用于溫度測量的不同類別的選定表面貼裝技術
封裝類型的相對熱響應速率。
不帶模塑化合物的封裝（芯片級封裝、管芯尺寸球柵陣列封裝）和帶有 DAP 的封裝（四方扁平無引線 [QFN] 封裝、
雙邊扁平無引線 [DFN] 封裝）是專為需要從 PCB 快速進行熱傳遞的應用而設計的，而不帶 DAP 的封裝是專為需要較慢響應速率的應用而設計的。快速的熱響應速率使溫度傳感器能夠快速響應任何溫度變化，從而提供準確的讀數。
設計準則 — 底部安裝
傳感器位置應盡可能靠近要監測的熱源。應避免在發熱
IC 和溫度傳感器之間的 PCB 上穿孔或切口，因為這可能會減慢或阻止熱響應。如果可能，請將溫度監測器安裝在
PCB 底部直接位于熱源下方，如圖 5 所示。T
I 建議使用過孔將熱量從 PCB 的一側快速傳遞到另一
側，因為與 FR-4 相比，過孔具有更好的銅導熱性。可以使用盡可能多的并行過孔或填充式傳導過孔，將熱量從熱源傳遞到溫度監測器，以便在兩個 IC 之間實現快速熱平衡。帶有 DAP 的 QFN 或 DFN 封裝有助于進一步縮短過孔與傳感器管芯之間的熱阻路徑。
設計準則 — 地層注意事項
如果將溫度傳感器放置在熱源的另一側是不切實際或不劃算的做法，請將其放置在盡可能靠近熱源的同一側，如
圖 6 所示。
在熱源和溫度監測器之間建立熱平衡的最有效方法是使用地層。應使用從熱源延伸到溫度傳感器的堅固地層。
結論
在具有熱電區域或高耗電 IC 的 PCB 設計中，溫度監測至關重要。必須評估本地溫度傳感器的選擇是否符合相關設計的系統要求和保護方案。
應考慮傳感器位置和高導熱率路徑，以此在傳感器和發熱元件之間建立快速熱平衡。
表 1 列出了有關布局建議的其他資源。
第 2.2 節 高性能處理器模溫監測
簡介
諸如中央處理單元 (CPU)、圖形處理單元 (GPU)、專用集成電路 (ASIC) 和現場可編程門陣列 (FPGA) 之類的高性能處理器中的電源管理通常很復雜。通過溫度監測，這些系統不僅可以啟動安全系統關閉程序，還可以利用溫度數據來動態調整性能。
監測過程溫度可以提高系統可靠性并最大限度提升性能。如圖 1 所示，高性能處理器通常使用散熱器吸收管芯中的過多熱量。較高的溫度可能會激活散熱風扇，修改系統時鐘，或者在處理器超過其溫度閾值時快速關閉系統。
管芯溫度監測的設計注意事項
為了實現高效的溫度監測，高性能處理器有兩個設計注意事項：溫度精度和傳感器放置。處理器的溫度精度直接與傳感器位置相關。
如圖 2 所示，通過高精度的溫度監測，可以最大限度提高處理器性能，從而將系統推動到其溫度設計極限。雖然大
多數集成電路都有內置的溫度傳感器，但由于晶圓和其他各批次之間的差異，這些傳感器的精度并不一致。另外，必須根據基準來調理處理器，從而調整相對于管芯溫度的系數。高性能處理器本身具有復雜的電路并會引起自發熱，因此會產生隨溫度增加的溫度誤差。如果設計的
系統具有較低精度和溫度誤差，系統的性能將無法在其溫度設計極限內達到最大化。
傳感器放置和精度
集成的溫度傳感器或溫度二極管或外部溫度傳感器可以監測處理器的熱性能。在某些情況下，同時使用內部和外
部傳感器可以最大化系統性能并提高可靠性。
雙極結晶體管集成溫度傳感器
一些高性能處理器包含用于溫度傳感的雙極結型晶體管
(BJT)。BJT 具有取決于溫度且可預測性極高的傳遞函數。遠程溫度傳感器使用此原理來測量管芯溫度。在互補金屬氧化物半導體工藝中最常見的 BJT 是 P 溝道 N 溝道 P 溝道 (PNP)。圖 3 顯示了一個用于測量 PNP 晶體管
連接配置的遠程溫度監測電路。
由于晶圓和不同批次之間的差異引起的噪聲和誤差，設計遠程溫度監測系統的過程可能充滿挑戰。溫度二極管誤差可能由以下原因引起：
? 理想因子變化。BJT 溫度二極管的特性取決于工藝幾何因素和其他工藝變量。如果知道理想因子 n，則可
以使用 n 因子寄存器來校正 n 因子誤差。或者，可以
使用軟件校準方法來校正所需溫度范圍內的理想因
子變化。
? 串聯電阻。由于電流源，信號路徑中的任何電阻都將引起電壓失調。現代遠程溫度傳感器采用串聯電阻算法，可消除由高達 1-2kΩ 的電阻引起的溫度誤差。
即使與電阻-電容濾波器結合使用，該算法也能實現
穩健、精確的測量結果。
? 噪聲注入。當二極管走線與承載高電流的高頻信號線
并行排布時，耦合到遠端印刷電路板走線中的電磁
干擾或電感可能導致誤差。這是遠程溫度傳感器最
重要的電路板設計注意事項之一。
? Beta 補償。集成到 FPGA 或處理器中的溫度晶體管
的 Beta 值可能小于 1。具有 Beta 補償的遠程溫度傳
感器專門設計用于與這些晶體管結合使用并校正與
它們相關的溫度測量誤差。與分立式晶體管一起使
用時，Beta 補償特性不會帶來任何好處。
器件建議
TMP421 提供單個通道來監測 BJT；也有多通道遠程溫
度傳感器支持多達八個通道，可在本地和遠程測量溫度。
TMP451 在本地和遠程均可提供高精度 (0.0625°C) 溫度測量。服務器、筆記本電腦和汽車傳感器融合應用可受益于多通道遠程傳感器。
外部溫度傳感器
雖然內置溫度傳感器位置最佳，但其精度低至 ±5°C。添加外部本地溫度傳感器可以提高管芯溫度精度并提升系統性能。當集成的管芯溫度傳感器不可用時，也可以使用
本地溫度傳感器。然而，對于本地溫度傳感器，傳感器位
置是重要的設計注意事項。圖 4 顯示了放置本地溫度傳
感器的一些選項：位置 a、b 和 c。
? 位置 a。位于微處理器散熱器中心鉆孔中的傳感器與管芯非常靠近。散熱器可以夾持到處理器上，或者用環氧樹脂貼附到處理器頂部。此位置的溫度傳感器
通常需要較長的引線，而隨著散熱器到微處理器之
間的導熱性能逐漸下降，傳感器數據將變得不正確。
? 位置 b。另一個放置傳感器的潛在位置是在處理器插座下方的空腔中，此處的組裝非常簡單直接。鑒于傳感器與氣流隔離，環境溫度對傳感器讀數的影響極小。此外，如果散熱器與處理器分離，傳感器將顯示
處理器溫度升高。盡管如此，如果采用這種傳感器放
置方式，傳感器和處理器之間的溫差可能在 5°C 到
10°C 之間。
? 位置 c。傳感器可以安裝在微處理器單元 (MPU) 旁邊的電路板上。雖然這種安裝方式易于實施，但傳感器溫度與 MPU 溫度之間的相關性要弱得多。
器件建議
占位尺寸是選擇本地溫度傳感器時需要考慮的一個因素。TMP112 采用 1.6mm x 1.6mm 封裝，可以靠近處理器使用。與集成在處理器內部的溫度傳感器通常只有
5°C 至 20°C 的精度相比，TMP112 器件的 0.5°C 精度可以最大限度提高性能。
有關設計具有遠程溫度傳感器和外部溫度監測功能的管芯溫度監測應用的其他資源，請參閱表 1。
第2章: 系統溫度監測
對于許多系統設計，有必要監測高功率組件（處理器、現
場可編程門陣列、場效應晶體管）以確保系統和用戶安全。溫度讀數的精確性非常重要，因為它使設計人員能夠在提高性能的同時保持在安全限制內，或者通過避免在其他地方過度設計來降低系統成本。德州儀器 (TI) 的緊
湊型高精度溫度傳感器產品系列可以更靠近這些關鍵組件放置，實現最精確的測量。
第 2.1 節
如何監測電路板溫度
簡介
電路中的溫度問題會影響系統性能并損壞昂貴組件。通過測量印刷電路板 (PCB) 中存在熱點或高耗電集成電路
(IC) 的區域的溫度，有助于識別熱問題，進而及時采取預防或糾正措施。
您可能希望監測高耗電 IC（例如中央處理單元、專用 IC、
現場可編程門陣列或數字信號處理器）的管芯溫度以動
態調整其性能，或者可能希望監測功率級周圍的熱區，以
便控制系統中的風扇速度或啟動安全系統關閉程序。
最終目標是優化性能并保護昂貴的設備。圖 1 顯示了高性能計算機主板上的溫度監測系統。
從 PCB 到溫度傳感器的熱傳遞
本地溫度傳感器測量它們自己的管芯溫度以確定特定區
域的溫度。因此，了解管芯與傳感器周圍物體或環境之間的主要溫度傳導路徑至關重要。主要通過兩種路徑導熱：
通過連接到封裝的管芯連接焊盤 (DAP)（圖 2）或通過封裝引線引腳。DAP（如果存在）提供 PCB 和管芯之間最要的導熱路徑。
如果封裝類型不包含 DAP（圖 3），則引線和引腳提供最主要的導熱路徑。
模塑化合物提供額外的導熱路徑，但由于其低導熱性，通
過模塑化合物本身進行的任何熱傳遞均比通過引線或
DAP 進行的熱傳遞更慢。
熱響應
封裝類型決定了溫度傳感器對溫度變化的響應速度。圖
4 顯示了用于溫度測量的不同類別的選定表面貼裝技術
封裝類型的相對熱響應速率。
不帶模塑化合物的封裝（芯片級封裝、管芯尺寸球柵陣列封裝）和帶有 DAP 的封裝（四方扁平無引線 [QFN] 封裝、
雙邊扁平無引線 [DFN] 封裝）是專為需要從 PCB 快速進行熱傳遞的應用而設計的，而不帶 DAP 的封裝是專為需要較慢響應速率的應用而設計的。快速的熱響應速率使溫度傳感器能夠快速響應任何溫度變化，從而提供準確的讀數。
設計準則 — 底部安裝
傳感器位置應盡可能靠近要監測的熱源。應避免在發熱
IC 和溫度傳感器之間的 PCB 上穿孔或切口，因為這可能會減慢或阻止熱響應。如果可能，請將溫度監測器安裝在
PCB 底部直接位于熱源下方，如圖 5 所示。T
I 建議使用過孔將熱量從 PCB 的一側快速傳遞到另一
側，因為與 FR-4 相比，過孔具有更好的銅導熱性。可以使用盡可能多的并行過孔或填充式傳導過孔，將熱量從熱源傳遞到溫度監測器，以便在兩個 IC 之間實現快速熱平衡。帶有 DAP 的 QFN 或 DFN 封裝有助于進一步縮短過孔與傳感器管芯之間的熱阻路徑。
設計準則 — 地層注意事項
如果將溫度傳感器放置在熱源的另一側是不切實際或不劃算的做法，請將其放置在盡可能靠近熱源的同一側，如
圖 6 所示。
在熱源和溫度監測器之間建立熱平衡的最有效方法是使用地層。應使用從熱源延伸到溫度傳感器的堅固地層。
結論
在具有熱電區域或高耗電 IC 的 PCB 設計中，溫度監測至關重要。必須評估本地溫度傳感器的選擇是否符合相關設計的系統要求和保護方案。
應考慮傳感器位置和高導熱率路徑，以此在傳感器和發熱元件之間建立快速熱平衡。
表 1 列出了有關布局建議的其他資源。
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熱敏電阻
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
審核
。
熱敏電阻是一種傳感器電阻，其電阻值隨著溫度的變化而改變。按照溫度系數不同分為正溫度系數熱敏電阻（PTC thermistor，即 Positive Temperature Coefficient thermistor）和負溫度系數熱敏電阻（NTC thermistor，即 Negative Temperature Coefficient thermistor）。正溫度系數熱敏電阻器的電阻值隨溫度的升高而增大，負溫度系數熱敏電阻器的電阻值隨溫度的升高而減小，它們同屬于半導體器件。
中文名
熱敏電阻
外文名
thermistor
屬 性
一種敏感元件
溫度系數分類
正溫度系數（PTC），負溫度系數（NTC）
特 點
對溫度敏感
拼 音
rè mǐn diàn zǔ
目錄
1
特點
2
工作原理
3
基本特性
4
技術參數
5
材料分類
6
電阻分類
7
檢測
8
應用
9
主要缺點
10
問題
11
區別
12
熱敏電阻合金
熱敏電阻特點
編輯
語音
熱敏電阻的主要特點是：①靈敏度較高，其電阻溫度系數要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化；②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達到2000℃），低溫器件適用于-273℃～-55℃；③體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度；④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；⑤易加工成復雜的形狀，可大批量生產；⑥穩定性好、過載能力強。
熱敏電阻工作原理
編輯
語音
熱敏電阻將長期處于不動作狀態；當環境溫度和電流處于c區時，熱敏電阻的散熱功率與發熱功率接近，因而可能動作也可能不動作。熱敏電阻在環境溫度相同時，動作時間隨著電流的增加而急劇縮短；熱敏電阻在環境溫度相對較高時具有更短的動作時間和較小的維持電流及動作電流。1、PTC效應是一種材料具有PTC (positive temperature coefficient) 效應，即正溫度系數效應，僅指此材料的電阻會隨溫度的升高而增加。如大多數金屬材料都具有PTC效應。在這些材料中，PTC效應表現為電阻隨溫度增加而線性增加，這就是通常所說的線性PTC效應。2、非線性PTC效應 經過相變的材料會呈現出電阻沿狹窄溫度范圍內急劇增加幾個至十幾個數量級的現象，即非線性PTC效應，相當多種類型的導電聚合體會呈現出這種效應，如高分子PTC熱敏電阻。這些導電聚合體對于制造過電流保護裝置來說非常有用。
3、高分子PTC熱敏電阻用于過流保護，高分子PTC熱敏電阻又經常被人們稱為自恢復保險絲（下面簡稱為熱敏電阻），由于具有獨特的正溫度系數電阻特性，因而極為適合用作過流保護器件。熱敏電阻的使用方法象普通保險絲一樣，是串聯在電路中使用。當電路正常工作時，熱敏電阻溫度與室溫相近、電阻很小，串聯在電路中不會阻礙電流通過；而當電路因故障而出現過電流時，熱敏電阻由于發熱功率增加導致溫度上升，當溫度超過開關溫度（ts，見圖1）時，電阻瞬間會劇增，回路中的電流迅速減小到安全值。為熱敏電阻對交流電路保護過程中電流的變化示意圖。熱敏電阻動作后，電路中電流有了大幅度的降低，圖中t為熱敏電阻的動作時間。由于高分子PTC熱敏電阻的可設計性好，可通過改變自身的開關溫度（ts）來調節其對溫度的敏感程度，因而可同時起到過溫保護和過流保護兩種作用，如kt16－1700dl規格熱敏電阻由于動作溫度很低，因而適用于鋰離子電池和鎳氫電池的過流及過溫保護。環境溫度對高分子PTC熱敏電阻的影響 高分子PTC熱敏電阻是一種直熱式、階躍型熱敏電阻，其電阻變化過程與自身的發熱和散熱情況有關，因而其維持電流（ihold）、動作電流（itrip）及動作時間受環境溫度影響。當環境溫度和電流處于a區時，熱敏電阻發熱功率大于散熱功率而會動作；當環境溫度和電流處于b區時發熱功率小于散熱功率，高分子PTC熱敏電阻由于電阻可恢復，因而可以重復多次使用。圖6為熱敏電阻動作后，恢復過程中電阻隨時間變化的示意圖。電阻一般在十幾秒到幾十秒中即可恢復到初始值1.6倍左右的水平，此時熱敏電阻的維持電流已經恢復到額定值，可以再次使用了。面積和厚度較小的熱敏電阻恢復相對較快；而面積和厚度較大的熱敏電阻恢復相對較慢。
熱敏電阻基本特性
編輯
語音
溫度特性
熱敏電阻的電阻－溫度特性可近似地用下式表示：R=R0exp{B（1/T-1/T0)}：R：溫度T(K）時的電阻值、Ro：溫度T0、（K）時的電阻值、B:B值、*T(K)=t(oC)+273.15。實際上，熱敏電阻的B值并非是恒定的，其變化大小因材料構成而異，最大甚至可達5K/°C。因此在較大的溫度范圍內應用式1時，將與實測值之間存在一定誤差。此處，若將式1中的B值用式2所示的作為溫度的函數計算時，則可降低與實測值之間的誤差，可認為近似相等。BT=CT2+DT+E，上式中，C、D、E為常數。另外，因生產條件不同造成的B值的波動會引起常數E發生變化，但常數C、D不變。因此，在探討B值的波動量時，只需考慮常數E即可。常數C、D、E的計算，常數C、D、E可由4點的（溫度、電阻值）數據（T0,R0).(T1,R1）.(T2,R2）and(T3,R3），通過式3～6計算。首先由式樣3根據T0和T1,T2,T3的電阻值求出B1,B2,B3，然后代入以下各式樣。電阻值計算例：試根據電阻－溫度特性表，求25°C時的電阻值為5(kΩ），B值偏差為50(K）的熱敏電阻在10°C～30°C的電阻值。步驟（1）根據電阻－溫度特性表，求常數C、D、E。To=25+273.15T1=10+273.15T2=20+273.15T3=30+273.15（2）代入BT=CT2+DT+E+50，求BT。（3）將數值代入R=5exp {(BT1/T-1/298.15）}，求R。*T:10+273.15～30+273.15。
熱敏電阻技術參數
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①標稱阻值Rc：一般指環境溫度為25℃時熱敏電阻器的實際電阻值。②實際阻值RT：在一定的溫度條件下所測得的電阻值。③材料常數：它是一個描述熱敏電阻材料物理特性的參數，也是熱靈敏度指標，B值越大，表示熱敏電阻器的靈敏度越高。應注意的是，在實際工作時，B值并非一個常數，而是隨溫度的升高略有增加。④電阻溫度系數αT：它表示溫度變化1℃時的阻值變化率，單位為%/℃。⑤時間常數τ：熱敏電阻器是有熱慣性的，時間常數，就是一個描述熱敏電阻器熱慣性的參數。它的定義為，在無功耗的狀態下，當環境溫度由一個特定溫度向另一個特定溫度突然改變時，熱敏電阻體的溫度變化了兩個特定溫度之差的63.2%所需的時間。τ越小，表明熱敏電阻器的熱慣性越小。⑥額定功率PM：在規定的技術條件下，熱敏電阻器長期連續負載所允許的耗散功率。在實際使用時不得超過額定功率。若熱敏電阻器工作的環境溫度超過 25℃，則必須相應降低其負載。⑦額定工作電流IM：熱敏電阻器在工作狀態下規定的名義電流值。⑧測量功率Pc：在規定的環境溫度下，熱敏電阻體受測試電流加熱而引起的阻值變化不超過0.1%時所消耗的電功率。
熱敏電阻
⑨最大電壓：對于NTC熱敏電阻器，是指在規定的環境溫度下，不使熱敏電阻器引起熱失控所允許連續施加的最大直流電壓；對于PTC熱敏電阻器，是指在規定的環境溫度和靜止空氣中，允許連續施加到熱敏電阻器上并保證熱敏電阻器正常工作在PTC特性部分的最大直流電壓。⑩最高工作溫度Tmax：在規定的技術條件下，熱敏電阻器長期連續工作所允許的最高溫度。⑾開關溫度tb:PTC熱敏電阻器的電阻值開始發生躍增時的溫度。⑿耗散系數H：溫度增加1℃時，熱敏電阻器所耗散的功率，單位為mW/℃。
熱敏電阻材料分類
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熱敏材料一般可分為半導體類、金屬類和合金類三類，現分別簡述如下
[1]
。半導體熱敏電阻材料這類材料有單晶半導體、多晶半導體、玻璃半導體、有機半導體以及金屬氧化物等。它們均具有非常大的電阻溫度系數和高的電阻率，用其制成的傳感器的靈敏度也相當高。按電阻溫度系數也可分為負電阻溫度系數材料和正電阻溫度系數材料.在有限的溫度范圍內，負電阻溫度系數材料a可達-6*10-2/℃，正電阻溫度系數材料a可高達-60*10-2/℃以上。如飲酸鋇陶瓷就是一種理想的正電阻溫度系數的半導體材料。上述兩種材料均廣泛用于溫度測量、溫度控制、溫度補瞬、開關電路、過載保護以及時間延遲等方面，如分別用子制作熱敏電阻溫度計、熱敏電阻開關和熱敏電阻溫度計、熱敏電阻開關和熱敏電阻延遲繼電錯等
[1]
。這類材料由于電阻和流度呈指數關系，因此測溫范圍狹窄、均勻性也差
[1]
。.金屬熱敏電阻材料此類材料作為熱電阻測溫、限流器以及自動恒溫加熱元件均有較為廣泛的應用。如鉑電阻溫度計、鎳電阻溫度計、銅電阻溫度計等。其中鉑側溫傳感器在各種介質中(包括腐蝕性介質)，表現出明顯的高精度和高穩定的特征。但是，由于鉑的稀缺和價格昂貴而使它們的廣泛應用受到一定的限制。銅測溫傳感器較便宜，但在腐蝕性介質中長期使用，可導致靜態特性與阻值發生明顯變化。最近有資料報導，銅測溫傳感器可在空氣介質中-60~180℃溫度范圍使用。但是，國外為了在-60~180℃長期地測量溫度和在250℃短期測量溫度，普遍大量使用著鎳測溫傳感器，并認為鎳是一種較理想的材料，因為它們具有高的靈敏度、滿意的重現性和穩定性
[1]
。合金熱敏電阻材料合金熱敏電阻材料亦稱熱敏電阻合金。這種合金具有較高的電阻率，并且電阻值隨溫度的變化較為敏感，是一種制造溫敏傳感器的良好材料。作為溫敏傳感器的熱敏電阻合金性能要求如下：（1）足夠大的電阻率；（2）相當高的電阻溫度系數；(3)具有接近于實驗材料線膨脹系數；(4)小的應變靈敏系數；（5）在工作溫度區間加熱和冷卻時，電阻溫度曲線應有良好的重復性
[1]
。
熱敏電阻電阻分類
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正溫度系數熱敏電阻
熱敏電阻
正溫度系數（PTC）是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數的熱敏電阻現象或材料，可專門用作恒定溫度傳感器．該材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3為主要成分的燒結體，其中摻入微量的Nb、Ta、 Bi、 Sb、Y、La等氧化物進行原子價控制而使之半導化，常將這種半導體化的BaTiO3等材料簡稱為半導（體）瓷；同時還添加增大其正電阻溫度系數的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工藝成形、高溫燒結而使鈦酸鉑等及其固溶體半導化，從而得到正特性的熱敏電阻材料。其溫度系數及居里點溫度隨組分及燒結條件（尤其是冷卻溫度）不同而變化。鈦酸鋇晶體屬于鈣鈦礦型結構，是一種鐵電材料，純鈦酸鋇是一種絕緣材料．在鈦酸鋇材料中加入微量稀土元素，進行適當熱處理后，在居里溫度附近，電阻率陡增幾個數量級，產生PTC效應，此效應與BaTiO3晶體的鐵電性及其在居里溫度附近材料的相變有關。鈦酸鋇半導瓷是一種多晶材料，晶粒之間存在著晶粒間界面。該半導瓷當達到某一特定溫度或電壓，晶體粒界就發生變化，從而電阻急劇變化。鈦酸鋇半導瓷的PTC效應起因于粒界（晶粒間界）。對于導電電子來說，晶粒間界面相當于一個勢壘。當溫度低時，由于鈦酸鋇內電場的作用，導致電子極容易越過勢壘，則電阻值較小。當溫度升高到居里溫度（即臨界溫度）附近時，內電場受到破壞，它不能幫助導電電子越過勢壘。這相當于勢壘升高，電阻值突然增大，產生PTC效應。鈦酸鋇半導瓷的PTC效應的物理模型有海望表面勢壘模型、丹尼爾斯等人的鋇缺位模型和疊加勢壘模型，它們分別從不同方面對PTC效應作出了合理解釋。實驗表明，在工作溫度范圍內，PTC熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似用實驗公式表示：R(T)=R(T0)*exp(Bp(T-T0))式中R(T)、R(T0)表示溫度為T、T0時電阻值，Bp為該種材料的材料常數。PTC效應起源于陶瓷的粒界和粒界間析出相的性質，并隨雜質種類、濃度、燒結條件等而產生顯著變化。最近，進入實用化的熱敏電阻中有利用硅片的硅溫度敏感元件，這是體型小且精度高的PTC熱敏電阻，由n型硅構成，因其中的雜質產生的電子散射隨溫度上升而增加，從而電阻增加。PTC熱敏電阻于1950年出現，隨后1954年出現了以鈦酸鋇為主要材料的PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻在工業上可用作溫度的測量與控制，也用于汽車某部位的溫度檢測與調節，還大量用于民用設備，如控制瞬間開水器的水溫、空調器與冷庫的溫度，利用本身加熱作氣體分析和風速機等方面。下面簡介一例對加熱器、馬達、變壓器、大功率晶體管等電器的加熱和過熱保護方面的應用。PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，同時還能起到“開關”的作用，兼有敏感元件、加熱器和開關三種功能，稱之為“熱敏開關”。電流通過元件后引起溫度升高，即發熱體的溫度上升，當超過居里點溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路電流增加，元件溫度升高，周而復始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，又起到開關作用。利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應用的有暖風器、電烙鐵、烘衣柜、空調等，還可對電器起到過熱保護作用。負溫度系數熱敏電阻負溫度系數（NTC）熱敏電阻是指隨溫度上升電阻呈指數關系減小、具有負溫度系數的熱敏電阻現象和材料。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、燒結等工藝而成的半導體陶瓷，可制成具有負溫度系數（NTC）的熱敏電阻．其電阻率和材料常數隨材料成分比例、燒結氣氛、燒結溫度和結構狀態不同而變化。還出現了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系NTC熱敏電阻材料。NTC熱敏半導瓷大多是尖晶石結構或其他結構的氧化物陶瓷，具有負的溫度系數，電阻值可近似表示為：R(T)=R(T0) *exp(Bn(1/T-1/T0))式中R(T)、R(T0)分別為溫度T、T0時的電阻值，Bn為材料常數。陶瓷晶粒本身由于溫度變化而使電阻率發生變化，這是由半導體特性決定的。NTC熱敏電阻器的發展經歷了漫長的階段。1834年，科學家首次發現了硫化銀有負溫度系數的特性。1930年，科學家發現氧化亞銅-氧化銅也具有負溫度系數的性能，并將之成功地運用在航空儀器的溫度補償電路中。隨后，由于晶體管技術的不斷發展，熱敏電阻器的研究取得重大進展。1960年研制出了NTC熱敏電阻器。NTC熱敏電阻器廣泛用于測溫、控溫、溫度補償等方面。臨界溫度熱敏電阻臨界溫度熱敏電阻（CTR，即 Critical Temperature Resistor）具有負電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加激劇減小，具有很大的負溫度系數。構成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結體，是半玻璃狀的半導體，也稱CTR為玻璃態熱敏電阻。驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變。這是由于不同雜質的摻入，使氧化釩的晶格間隔不同造成的。若在適當的還原氣氛中五氧化二釩變成二氧化釩，則電阻急變溫度變大；若進一步還原為三氧化二釩，則急變消失。產生電阻急變的溫度對應于半玻璃半導體物性急變的位置，因此產生半導體-金屬相移。CTR能夠作為控溫報警等應用。熱敏電阻的理論研究和應用開發已取得了引人注目的成果。隨著高、精、尖科技的應用，對熱敏電阻的導電機理和應用的更深層次的探索，以及對性能優良的新材料的深入研究，將會取得迅速發展。
熱敏電阻檢測
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檢測時，用萬用表歐姆檔（視標稱電阻值確定檔位，一般為R×1擋），具體可分兩步操作：首先常溫檢測（室內溫度接近25℃），用鱷魚夾代替表筆分別夾住PTC熱敏電阻的兩引腳測出其實際阻值，并與標稱阻值相對比，二者相差在±2Ω內即為正常。實際阻值若與標稱阻值相差過大，則說明其性能不良或已損壞。其次加溫檢測，在常溫測試正常的基礎上，即可進行第二步測試—加溫檢測，將一熱源（例如電烙鐵）靠近熱敏電阻對其加熱，觀察萬用表示數，此時如看到萬用示數隨溫度的升高而改變，這表明電阻值在逐漸改變（負溫度系數熱敏電阻器NTC阻值會變小，正溫度系數熱敏電阻器PTC阻值會變大），當阻值改變到一定數值時顯示數據會逐漸穩定，說明熱敏電阻正常，若阻值無變化，說明其性能變劣，不能繼續使用。測試時應注意以下幾點：（1）Rt是生產廠家在環境溫度為25℃時所測得的，所以用萬用表測量Rt時，亦應在環境溫度接近25℃時進行，以保證測試的可信度。（2）測量功率不得超過規定值，以免電流熱效應引起測量誤差。（3）注意正確操作。測試時，不要用手捏住熱敏電阻體，以防止人體溫度對測試產生影響。（4）注意不要使熱源與PTC熱敏電阻靠得過近或直接接觸熱敏電阻，以防止將其燙壞。
熱敏電阻應用
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熱敏電阻
熱敏電阻也可作為電子線路元件用于儀表線路溫度補償和溫差電偶冷端溫度補償等。利用NTC熱敏電阻的自熱特性可實現自動增益控制，構成RC振蕩器穩幅電路，延遲電路和保護電路。在自熱溫度遠大于環境溫度時阻值還與環境的散熱條件有關，因此在流速計、流量計、氣體分析儀、熱導分析中常利用熱敏電阻這一特性，制成專用的檢測元件。PTC熱敏電阻主要用于電器設備的過熱保護、無觸點繼電器、恒溫、自動增益控制、電機啟動、時間延遲、彩色電視自動消磁、火災報警和溫度補償等方面。
熱敏電阻主要缺點
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熱敏電阻
①阻值與溫度的關系非線性嚴重；②元件的一致性差，互換性差；③元件易老化，穩定性較差；④除特殊高溫熱敏電阻外，絕大多數熱敏電阻僅適合0～150℃范圍，使用時必須注意。
熱敏電阻問題
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如果您打算在整個溫度范圍內均使用熱敏電阻溫度傳感器件，那么該器件的設計工作會頗具挑戰性。熱敏電阻通常為一款高阻抗、電阻性器件，因此當您需要將熱敏電阻的阻值轉換為電壓值時，該器件可以簡化其中的一個接口問題。然而更具挑戰性的接口問題是，如何利用線性 ADC 以數字形式捕獲熱敏電阻的非線性行為。“熱敏電阻”一詞源于對“熱度敏感的電阻”這一描述的概括。熱敏電阻包括兩種基本的類型，分別為正溫度系數熱敏電阻和負溫度系數熱敏電阻。負溫度系數熱敏電阻非常適用于高精度溫度測量。要確定熱敏電阻周圍的溫度，您可以借助Steinhart-Hart公式：T=1/(A0+A1(lnRT)+A3(lnRT3))來實現。其中，T為開氏溫度；RT為熱敏電阻在溫度T時的阻值；而 A0、A1和A3則是由熱敏電阻生產廠商提供的常數。熱敏電阻的阻值會隨著溫度的改變而改變，而這種改變是非線性的，Steinhart-Hart公式表明了這一點。在進行溫度測量時，需要驅動一個通過熱敏電阻的參考電流，以創建一個等效電壓，該等效電壓具有非線性的響應。您可以使用配備在微控制器上的參照表，嘗試對熱敏電阻的非線性響應進行補償。即使您可以在微控制器固件上運行此類算法，但您還是需要一個高精度轉換器用于在出現極端值溫度時進行數據捕獲。另一種方法是，您可以在數字化之前使用“硬件線性化”技術和一個較低精度的 ADC。(Figure 1)其中一種技術是將一個電阻RSER與熱敏電阻RTHERM以及參考電壓或電源進行串聯（見圖1）。將 PGA（可編程增益放大器）設置為1V/V，但在這樣的電路中，一個10位精度的ADC只能感應很有限的溫度范圍（大約±25°C）。
Figure 1,請注意，在圖1中對高溫區沒能解析。但如果在這些溫度值下增加 PGA 的增益，就可以將 PGA 的輸出信號控制在一定范圍內，在此范圍內 ADC 能夠提供可靠地轉換，從而對熱敏電阻的溫度進行識別。微控制器固件的溫度傳感算法可讀取 10 位精度的 ADC 數字值，并將其傳送到PGA 滯后軟件程序。PGA 滯后程序會校驗 PGA 增益設置，并將 ADC 數字值與圖1顯示的電壓節點的值進行比較。如果 ADC 輸出超過了電壓節點的值，則微控制器會將 PGA 增益設置到下一個較高或較低的增益設定值上。如果有必要，微控制器會再次獲取一個新的 ADC 值。然后 PGA 增益和 ADC 值會被傳送到一個微控制器分段線性內插程序。從非線性的熱敏電阻上獲取數據有時候會被看作是一項“不可能實現的任務”。您可以將一個串聯電阻、一個微控制器、一個 10 位 ADC 以及一個 PGA 合理的配合使用，以解決非線性熱敏電阻在超過±25°C溫度以后所帶來的測量難題。
熱敏電阻區別
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熱敏電阻符號是PTC， 阻值隨溫度的變化而變化，有正溫度型的負溫度型， 2.壓敏電阻阻值隨壓力的變化而變化， 高,中,低壓壓敏電阻: 產品主要有MYN型,MY31型以及MYG型三大型號
熱敏電阻熱敏電阻合金
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熱敏電阻合金已開始日益廣泛地用于溫度的監測和控制。如在環境監測、食品的長期儲存、生物工程以及尖端軍事工程等方面都獲得了廣泛的應用
[1]
。熱敏電阻合金一般均具有較高的電阻率和電阻溫度系數，因此可以制成小型化的高靈敏度的測溫傳感器。如箔式應變片式測溫傳感器就是一種理想的結構件溫度測量元件。此外熱敏電阻合金在高性能飛機的大氣總溫傳感器和大型客機溫度傳感器中也獲得了一定的應用。可見，熱敏電阻合金的優越性將日趨顯著
[1]
。
詞條圖冊
更多圖冊
參考資料
1.
熱敏電阻合金
．中國知網[引用日期2015-02-23]
表1 熱敏電阻的種類與應用 熱敏電阻線性化改善
動作范圍
檢出組件
電路組件
發熱組件
NTC
PTC
CTR
NTC
PTC
CTR
PTC
自行加熱的小范圍
溫度計 溫度調節器 微少溫度差 溫度變化的檢出 熱測量計
測溫計 溫度調節器 溫度警報裝置
溫度開關 溫度調節器 溫度警報裝置
溫度補償電路
溫度補償電路
-
-
動作于電壓或電流的極大值
溫度檢出 警報液面計
溫度檢出警報裝置 液位計
溫度開關 溫度警報裝置 液面計
侵入防止電路 定電壓電路
定電流電路 電流開關
電壓開關 侵入防止電路記憶電路
過熱防止裝置
負性電阻范圍自行加熱的大范圍
風速計 流量計 空真計 液位計
液位計
風速計 流量計 液位計
-
-
開關電路振蕩器 脈沖產生器
定溫發熱體 恒溫槽
動作延遲特性
差動式 溫度檢出器
差動式 溫度檢出器
差動式溫度檢出器
動作延遲回路突破防止電路超低頻振蕩器
動作延遲回路
動作延遲回路突破防止電路超低頻振蕩器
-
旁熱特性
風速，真空，液面等檢出
-
風速，真空，液面等檢出
自動增益調整,開關電路,超低頻振蕩器
開關電路超低周波發振器
開關電路超低頻振蕩器
-
表2 熱敏電阻的應用與特性:
主要使用種類
使用目的
常溫下的電阻率
溫度系數的誤差
構 造
量測用
熱敏電阻
溫度計器 風速,真空計
01~10kω/cm 1~100kω/cm
±2% ±2%
珠球型 珠球型
直熱型
熱敏電阻 CTR
通信機AGC 時間遲滯 (TimeLag)
0.1~100kω/cm 0.1~100kω/cm
±5% ±5%
0.3～0.6φ珠球型 0.3～2φ珠球型
傍熱型
熱敏電阻 CTR , PTC
通信機AGC
0.1~100kω/cm
±5%
0.3～0.4φ珠球型小型桿狀
溫度補償用
熱敏電阻 PTC
晶體管量測溫度補償
1~100ω/cm 0.1~100kω/cm
±5% ±10%
珠球型與圓盤型 珠球型與圓盤型
驅動 器用
熱敏電阻 CTR
繼電器動作延遲 突破防止
1~1000ω/cm
±5%
10φ以上的圓盤型或珠球型
溫度保護用
CTR PTC
火災警報器過熱保護
1~100kω/cm 1~1000ω/cm
±10%
0.6～2φ珠球型 5～20φ圓盤型
加熱器用
PTC
恒溫裝置
10~1000ω/cm
±20%
圓盤型為主
限流用
PTC
彩色消磁 電流防止
1~1000ω/cm
±20%
圓盤型為主
圖2-2 熱敏電阻的電阻－溫度特性
圖2-3 熱敏電阻B常數的溫度特性
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