课程设计任务书--简易纯净水加热控制电路.docx

课程设计任务书
题目 简易纯净水加热控制电路
专业 ：电子信息工程 09-2 学号： 姓名 ：
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
主要内容
1. 阅读相关科技文献。
2. 学习protel软件应用。
3. 学会整理和总结设计文档报告。
4. 学习如何查找相关手册及相关参数。
技术要求
1 要求电路能够检测纯净水的温度T。
2 要求电路能够通过两根电阻丝实现对加热的控制，具体情况如下：
1. T〈50℃ 两根电阻丝都工作，电路处于加热状态；
2. 50℃〈T〈100℃ 只有一根电阻丝工作，电路处在保温状态；
3. T〉100℃ 两根电阻丝都不工作，电路完成加热。
3 要求电路设置一个按键，此按键能够起到快速加热的作用。即此按键按下后，当50℃〈T〈100℃，两根电阻丝都工作。
1. 要求电路能够显示加热的各种状态。。
主要参考资料
1. 何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2006年6月
2. 姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月
3. 王澄飞，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月
4. 李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月
5. 康华光，电子技术基础，高教出版社，2003
完 成 期 限：2011年7月1日
指导教师签章：
专业负责人签章：
2011年6月27日

目 录
摘 要………………………………………………………… 2
1. 设计目的………………………………………….4
2. 方案的选取……………………………………… 4
3. 简易纯净水加热控制电路的基本组成及原理… 4
3.1纯净水加热电路的组成框图………………………… 4
3.2 各单元电路的工作原理……………………………… 5
3.2.1 电源电路…………………………………………6
3.2.2 水温监测和水温范围测量电路………………… 7
3.2.3 电阻丝开关及显示电路………………………… 9
4 主要元器件的工作原理及参数………………… 10
4. 元器件清单及参考文献………………………… 15
6 设计体会………………………………………………… 16
附 录 简易纯净水加热控制电路总电路图…………… 17

课程设计 简易纯净水加热控制电路
摘 要
本方案的主要目的是制作一个简易的纯净水加热控制器。该电路主要由电源电路、水温监测和水温范围测量电路以及电阻丝开关和显示电路三部分构成。
水温监测电路的功能是利用温度传感器的特性监测水温的变化，同时将温度信号转化为电信号。水温范围测量电路的功能是利用比较器的原理实现水温范围的确定，同时利用迟滞比较器的迟滞特性避免跳闸现象。电阻丝开关电路的功能是完成控制电路和加热电路的强、弱点转换。显示电路的功能是利用发光二极管将电阻丝通电与否显示出来。电源电路的功能是为上述电路提供直流电源。
电源电路由电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路来实现；电阻型温度传感器监测水温；用迟滞比较器测量水温范围；显示电路用继电器和发光二极管来实现。方案中各单元电路的原理及示意图都会有所说明。
关键词
电源电路 水温监测 水温范围测量电路 电阻丝开关 显示电路

1. 设计目的
⒈ 熟悉工程实践中电子电路的设计方法和规范，达到综合应用电子技术的目的
⒉ 学习文件检索和查找数据手册的能力
⒊ 学习Protel软件的使用
⒋ 学会整理和总结设计文档报告
2. 方案的选取
该方案电源电路采用电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成直流12V电压。稳压电路由三端稳压器实现，用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路非常简单，且安全可靠。水温测量和水温监测电路主要由电阻型温度传感器和迟滞比较器组成。电阻型温度传感器是最典型也是最简单的一种温度传感器。迟滞比较器不仅可以测量水温的范围，还可以防止跳闸现象的出现。电阻丝开关电路和显示电路主要由电流放大电路和继电器组成。继电器可以提供电阻丝所需要的交流电，而电流放大电路是由三极管组成，是一种比较典型的和简单的电路。用发光二极管构成显示电路更容易观察。
综上所述，此方案电路图构成简单易懂，元器件的价格便宜，还能在一定程度上降低成本。
3. 简易纯净水电路的基本组成及原理
3.1系统的组成框图
简易纯净水加热控制电路的总体框图如图1所示。它是由水温监测电路、水温范围测量电路、 电阻丝开关电路、 显示电路和电源电路5部分组成的。
图1 简易纯净水加热控制电路的总体框图
水温监测电路
水温范围测量电路
电阻丝开关电路
显示电路

电源电路

水温监测电路的功能是利用温度传感器的特性监测水温的变化，同时将温度信号转化为电信号。水温范围测量电路的功能是利用比较器的原理实现水温范围的确定，同时利用迟滞比较器的迟滞特性避免跳闸现象。电阻丝开关电路的功能是完成控制电路和加热电路的强、弱点转换。显示电路的功能是利用发光二极管将电阻丝通电与否显示出来。电源电路的功能是为上述电路提供直流电源。
3.2 各单元电路的工作原理
该电路能够检测出纯净水的温度T，并且能够在不同的温度下通过两根电阻丝实现对加热的控制。当T<50℃时，两根电阻丝都加热，电路处在加热状态， 50℃<T<100℃时，只有一根电阻丝工作，电路处在保温状态， T〉100℃时，两根电阻丝都不工作，电路完成加热，按下S键后，当50℃<T<100℃时，两根电阻丝也都工作，该电路还能通过发光二极管显示加热的各种状态。
3.2.1 电源电路
电源电路的原理图如图2所示。电路直接从电网供电，通过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成+12V的直流电压。电路中变压器采用常规的铁心变压器，电源变压器将交流电网电压220V变为合适的交流电压13V。整流电路采用二极管桥式整流电路，整流电路将交流电压13V变为脉动的直流电压13V。C1、C2、C3和C4完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。稳压电路清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压12V的稳定。

图2.电源电路

3.2.2 水温监测和水温范围测量电路
水温监测电路由可变电阻R9和电阻型温度传感器构成。电阻型温度传感器是最简单也最典型的一种温度传感器，它的工作原理是通过阻抗的变化来表示温度的变化，同时将温度信号转化为电信号Vs，即Vs代表了实际水温t。本电路采用的电阻型温度传感器，是一种正温度系数的电阻型温度传感器，即传感器的阻抗随温度的增加而增加。可变电阻R9的作用是通过调节可变电阻的阻值，就可以调节Vs的范围，也就可以调节水温控制范围。
水温范围测量电路由两部分构成：第一部分是由电阻R1、 R2和稳压管D1、 D2构成的参考电压产生电路；第二部分是由迟滞比较器构成的水温范围测量电路。
参考电源产生电路的功能是产生两个稳定的电压，这两个电压代表水温范围的上限值t2和下限值t1.由于参考电源产生电路输出端介入比较器的输入，为了防止出现输出电流导致参考电源不稳定的情况，电路采用电阻和稳压管相结合的方式构成。其中稳压管的稳定电压均为+8v，而输出VR1=+8V，VR2=+4V。
水温范围测量电路的功能有两个：第一是确定实际水温和水温控制范围的大小关系；第二十防止跳闸现象的产生。
首先，VREF1和VREF2分别输入到两个运算放大器的同相输入端，而Vs则同时输入到这两个运算放大器的反相输入端。这样，当Vs<Vp2时，V1和V2输出都是高电平；当Vp2< Vs<Vp1时，V1输出为高电平，V2输出为低电平；当Vs〉Vp1时，V1和V2输出都为低电平（Vp表示运算放大器的同相输入端）。由于Vs 、VR1和VR2分别代表t、t2和t1，实际水温和水温控制范围的大小关系就确定了。
其次，本电路通过迟滞比较器代替单门限比较器来实现跳闸现象的出现。迟滞比较器U1的特性表达式为
V1T+ = Vp1=R4* VR1/（R3+R4）+R3*V1（R3+R4）
=（7.3+1.1）V=8.4V （1.28）
V1T- = Vp1=R4* VR1/（R3+R4）+0=7.3V （1.29）
由式（1.28）和式（1.29）可得到回差范围△VT = V1T+ - V1T- =8.4V-7.3V=1.1V，即V1从高电平转换为低电平和从低电平转换为高电平的分界点电压值有了1.1V的差别，从而就可以防止跳闸现象的出像。同理，迟滞比较器U2的特性表达式为
V2T+ = Vp2=R6* VR2/（R7+R6）+R7*V2（R7+R6）
=（3.6+1.1）V=4.7V （1.30）
V2T- = Vp2=R6* VR2/（R7+R6）+0=3.6V （1.31）
由式（1.30）和（1.31）可求得迟滞比较器U2的V2T+ -V2T-之差（4.7V-3.6V）同样具有1.1V的回差范围。
图3 水温监测和水温范围测量电路

3.2．3 电阻丝开关及显示电路
电阻丝开关电路时由三极管电路和继电器电路构成的。电路的输入即为图4电路中的输出，即当t<tp2时，V1和V2输出都为高电平；当t1〈t<t2，V1输出为高电平，V2输出为低电平；当t〉t2时，输出都为低电平。
由于电阻丝的功能是加热，即电阻丝中通过的都是大电流，产生大功率，致使直流电源无法提供大电流和大功率，因此电阻丝需要交流供电，这样一来，电路中的开关必须采用继电器电路。而一般运算放大器的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。由三极管电路构成的电流放大电路是一种比较典型的和简单的电路。其中R1和R2为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。三极管接为共射极电路，当输入电压为高电平时，三机管导通饱和，可以将输入电流放大β倍；当输入电压为低电平时，三极管截止，无电流通过。继电器连接三极管的共基极，当有电流驱动时，开关吸合，对应的电阻丝通电；当无电流启动时，开关断开，对应的电阻丝不通电，同时在继电器两端并联入二极管进行保护。
显示电路由发光二极管构成。通过发光二极管亮灭来表示电阻丝是否通电，同时由于继电器的驱动电流过大，需要加入限流电阻。

图4 电阻丝开关及显示电路

4. 主要元器件的工作原理
4.1 变压器
变压器的原理是电磁感应技术,变压器有两个分别独立的共用一个铁芯的线圈。分别叫作变压器的次级线圈和初级线圈。
电流的方向和大小随时间变化的,变压器初级通上交流电时,变压器的铁芯中产生了交变的磁场,（其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。）在次级就感应出频率相同的交流电压.变压器的初次级线圈的匝数比等于电压比。变压器只能改变交流电压,不能改变直流电压,因为直流电流是不会变化的,电流通过变压器不会产生交变的磁场，所以次级线圈只能在直接接通的一瞬间产生一个瞬间电流和电压。
变压器的主要参数：
电压比 n=U1/U2=N1/N2;
效 率 η=P2/P1*100%；
额定功率 P；
4.2 桥式整流电路
桥式整流电路由四个二极管组成。如图5
+
+
+
+
4
1
2
3
1
u
2
u
220V
+
-
R
L
L
u
D
2
1
D
D
3
D
4

工作原理：
u2正半周时: D1 、D3导通， D2、D4截止
u2负半周时：D2、D4 导通， D1 、D3截止
主要参数：
输出电压平均值：UL=0.9u2
输出电流平均值:IL= UL/RL =0.9 u2 / RL
流过二极管的平均电流：ID=IL/2
二极管承受的最大反向电压：V=2V2
4.3 三端稳压器
该稳压器内部设有电流过流 过热和调整管安全区保护电路，以防止过载而损坏，用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路简单，且安全可靠。
4.4 继电器
继电器是一种电子控制器件，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），通常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”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁继电器的工作原理和特性
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。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（常开触点）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（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
继电器主要参数：
触点负荷
吸合时间
线圈直流电阻
吸合电压、吸合电流
释放电压、释放电流
额定工作电压、额定工作电流
4.5 光二极管
发光二极管原理：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μm以内产生。
发光二极管的主要参数：
反向饱和电流IS
额定整流电压IF
最大反向工作电压URM
最高工作频率fM
反向恢复时间tττ

4.6 集成运算放大器
集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输入电阻的多级直接耦合放大电路，它的种类很多，电路也不一样，但结构具有共同之处。
集成运放的输入级一般是由BIT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能。它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为个级提供合适的工作电流。其代表符号如6所示。输入输出传输特性如图7所示。

VT-
VT+

图6
图7

1. 元器件清单及参考文献

Creation Date:
2011/6/30
13:02:09

Print Date:
40724
40724.57702

Footprint
Comment
LibRef
Designator
Quantity
SIP2
Vo
CON2
12v
1

Component_1
Component_1
220v
1
C1206
Cap Semi
Cap Semi
C1, C2, C3, C4
4
SMB
D Schottky
D Schottky
D1
1
SMB
D2
D Schottky
D2
1
SMC
Diode
Diode
D3, D5, D6
3
整流二极管
1N4007
Diode 1N4007
D4
1
DO-35
Diode 1N914
Diode 1N914
D7
1
D-38
Bridge1
Bridge1
D12
1
MODULE4
Relay-SPST
Relay-SPST
J1, J2
2
D2PAK
Volt Reg
Volt Reg
MC78`L12CP
1
AXIAL-0.4
Res2
Res2
R1, R2, R3, R4, R5, R8, R10, R11, R12, R13
10
R.
Res2
Res2, Res2_2
R6, R7
2
AXIAL-0.6
Res Adj2
Res Adj2
R9
1
AXIAL-0.5
Res Semi
Res Semi
R14, R15
2
6-0805
Res Thermal
Res Thermal
RT1
1
点触开关
Sret
SW-PB
SW-PB
1
TRF_4
Transl
Trans Ideal
T
1
TO-92A
2N3904
2N3904
T1
1
TO
NPN
NPN
T2
1
DIP-14
LM324
LM324
U1, U2
2

主要参考文献：
1. 何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
2. 姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月
3. 王澄非，电路与数学逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月
4. 李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月
5. 康华光，电子技术基础，高教出版社，2003
6. 设计体会
课程设计是考验我们学生基础知识的熟练程度以及应用能力，虽然是第一次接触课程设计，但收获颇丰。增长了我的见识，我对它记忆深刻。
拿到设计的课题时，脑袋一片空白，不知道从何做起，更是没有一丝头绪，经过同学的帮助和自己的努力，慢慢融入角色，才发现原来自己还有这么多的东西都不知道。在图书馆和网上查了些资料后，才有信心做这些东西了。
这次课程设计让我认识到了知识和实践的重要性。只有牢固掌握了所学的知识，才能有清晰的思路，知道每一步该怎样走。才能顺利的解决每一个问题。这次课程设计在让我认识了知识的重要性之外，更让我明白了自己理论知识和实践知识的欠缺，让我坚定了以后努力学习知识的决心。

附录 简易纯净水加热控制电路总电路图