課程設計--- 簡易純凈水加熱控制電路

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　題目： 簡易純凈水加熱控制電路 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　院 （系）： 電氣工程及其自動化 </p><p>　　專業(yè)班級：

2、 11—02 </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　成 績： </p><p>　　時間： 2013 年 06 月

3、 24 日至 2013 年 06 月 28 日</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　題目 簡易純凈水加熱控制電路 </p><p>　　主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：</p><p><b>　　主要內(nèi)容</b></p><p&

4、gt;　　1．閱讀相關科技文獻。</p><p>　　2．學習portal軟件的使用。</p><p>　　3．學會整理和總結設計文檔報告。</p><p>　　4．學習如何查找器件手冊及相關參數(shù)。</p><p><b>　　技術要求</b></p><p>　　要求電路能夠檢測純凈水的溫度T。

5、</p><p>　　2. 要求電路能夠通過兩根電阻絲實現(xiàn)對加熱的控制，具體情況如下：</p><p>　　● T＜50℃ 兩根電阻絲都工作，電路處在加熱狀態(tài)；</p><p>　　● 50℃＜T＜100℃ 只有一根電阻絲工作，電路處在保溫狀態(tài)；</p><p>　　● T＞100℃ 兩根電阻絲都不工作，電路

6、完成加熱。</p><p>　　3. 要求電路設置一個按鍵，此按鍵能夠起到快速加熱的作用。即此按鍵按下后，當50℃＜T＜100℃時，兩根電阻絲都工作。</p><p>　　4. 要求電路能夠顯示加熱的各種狀態(tài)</p><p><b>　　主要參考資料</b></p><p>　　1．何小艇，電子系統(tǒng)設計，浙江大學出

7、版社，2001年6月</p><p>　　2．姚福安，電子電路設計與實踐，山東科學技術出版社，2001年10月</p><p>　　3．王澄非，電路與數(shù)字邏輯設計實踐，東南大學出版社，1999年10月</p><p>　　4．李銀華，電子線路設計指導，北京航空航天大學出版社，2005年6月</p><p>　　5．康華光，電子技術基礎，高教出

8、版社，2003</p><p>　　完 成 期 限： 2013年06月28日 </p><p>　　指導教師簽章： </p><p>　　專業(yè)負責人簽章： </p><p>　　2013 年 06月 17日</p><p&g

9、t;<b>　　目 錄</b></p><p>　　1概述 ………………………………………………………………………1</p><p>　　2.簡易純凈水加熱控制電路的原理 ……………………………………2</p><p>　　2.1簡易加熱控制電路的基本架構 …………………………………………3</p><p>　

10、　2.2電源電路 ……………………………………………………………3</p><p>　　2.3水溫檢測電路 …………………………………………………………4</p><p>　　2.4工作原理圖 ………………………………………………………………5</p><p>　　3.主要器件介紹 ………………………………………………………5</p>

11、;<p>　　3.1變壓器 ………………………………………………………………6</p><p>　　3.2橋式整流電路 …………………………………………………………7</p><p>　　3.3穩(wěn)壓二極管 ……………………………………………………………8</p><p>　　3.4三端穩(wěn)壓器 ……………………………………………………………8

12、</p><p>　　3.5滯后比較器 ……………………………………………………………8</p><p>　　3.6繼電器 …………………………………………………………………10</p><p>　　3.7發(fā)光二極管 ……………………………………………………………11</p><p>　　3.8集成運算放大器 ………………………………

13、………………………11</p><p>　　4心得體會 ……………………………………………………………………13</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………………14</p><p>　　附錄 總電路原理圖及元器件清單 ………………………………………15</p><p>　　摘要：該方案的目的主要在于

14、制作一個簡易的純凈水加熱電路。電路主要由電源電路、水溫監(jiān)測電路、比較電路、工作顯示電路和水溫控制系統(tǒng)組成。</p><p>　　電源電路由電網(wǎng)供電，通過變壓器電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路來實現(xiàn)電壓轉化的。水溫監(jiān)測電路的功能是利用溫度傳感器特性監(jiān)測水溫變化，同時將溫度信號轉化為電信號。比較電路的功能是利用比較器的原理實現(xiàn)水溫范圍的確定，同時利用滯后特性避免跳閘的現(xiàn)象出現(xiàn)。水溫控制系統(tǒng)是利用開關控制電阻絲的工作

15、狀態(tài)對純凈水進行加熱。工作顯示電路是利用二極管的發(fā)光原理將電阻絲的通電與否顯示出來。</p><p>　　關鍵詞：電源電路 水溫監(jiān)測電路 比較電路 水溫控制系統(tǒng) </p><p><b>　　1概述</b></p><p>　　電源電路直接從電網(wǎng)供電，通過變壓器、整流電路、濾波電路穩(wěn)壓電路將電網(wǎng)中的220V交流電轉換成+12V的直流電壓。電路中

16、變壓器采用常規(guī)的鐵心變壓器，電源變壓器將交流電網(wǎng)電壓220V變?yōu)楹喴准儍羲訜峥刂齐娐?合適的交流電壓13V。整流電路采用二極管橋式整流電路，整流電流變?yōu)槊}動的直流電壓13V。C1、C2、C3和C4完成濾波功能，穩(wěn)壓電路采用三端穩(wěn)壓集成電路來實現(xiàn)。穩(wěn)壓電路清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響,保持輸出電壓12V的穩(wěn)定。控制電路由溫度傳感器AD590測得的水溫并將溫度轉化為電壓信號，傳輸給電壓比較器進行比較，比較器一端提供一個參考電壓，與轉化來的

17、電壓比較，然后將比較結果給控制系統(tǒng)，也就是繼電器，通過繼電器的閉合來控制電熱絲的加熱，有二極管來顯示加熱狀態(tài)。</p><p>　　2.簡易純凈水加熱控制電路的原理</p><p>　　2.1 簡易純凈水加熱控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　圖2.1系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　水溫監(jiān)測電路的功能是利用溫

18、度傳感器的特性監(jiān)測水溫的變化，同時將溫度信號轉化為電信號。水溫范圍測量電路的功能是利用比較器的原理實現(xiàn)水溫范圍的確定，同時利用遲滯比較器的遲滯特性避免跳閘現(xiàn)象。電阻絲開關電路的功能是完成控制電路和加熱電路的強、弱點轉換。顯示電路的功能是利用發(fā)光二極管將電阻絲通電與否顯示出來。電源電路的功能是為上述電路提供直流電源。</p><p>　　該電路能夠檢測出純凈水的溫度T，并且能夠在不同的溫度下通過兩根電阻絲實現(xiàn)對加熱

19、的控制。當T<50℃時，兩根電阻絲都加熱，電路處在加熱狀態(tài)， 50℃<T<100℃時，只有一根電阻絲工作，電路處在保溫狀態(tài)， T〉100℃時，兩根電阻絲都工作，電路完成加熱，按下S鍵后，當50℃<T<100℃時，兩根電阻絲也都工作，該電路還能通過發(fā)光二極管顯示加熱的各種狀態(tài)。</p><p><b>　　2.2電源電路</b></p><p&

20、gt;　　源電路的原理圖如圖2.2所示。電路直接從電網(wǎng)供電，通過變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路將電網(wǎng)中的220V交流電轉換成+12V的直流電壓。電路中變壓器采用常規(guī)的鐵心變壓器，電源變壓器將交流電網(wǎng)電壓220V變?yōu)楹线m的交流電壓13V。整流電路采用二極管橋式整流電路，整流電路將交流電壓13V變?yōu)槊}動的直流電壓13V。C1、C2、C3和C4完成濾波功能，穩(wěn)壓電路采用三端穩(wěn)壓集成電路來實現(xiàn)。穩(wěn)壓電路清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響,保持輸

21、出電壓12V的穩(wěn)定。</p><p>　　2.3水溫監(jiān)測電路主要部件—溫度傳感器</p><p>　　本實驗電路所選溫度傳感器為AD590型溫度傳感器。這種溫度傳感器是美國ANALO DEV ICES公司的單片集成兩端感溫電流源。其主要特點如下：</p><p>　?。?）流過旗艦的電流（μA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度數(shù)（開爾文）；</p><

22、;p>　?。?）AD590的測溫范圍為-55℃～150℃；</p><p>　　(3)AD590的電源電壓范圍為4～30v，可以承受正向44v電壓和20v反向電壓，因而器件即使反接也不會被損壞；</p><p>　?。?）輸出電阻為710mΩ；</p><p>　?。?）精度高，AD590在-55～+150范圍內(nèi)，飛線性誤差僅0.3℃</p>&

23、lt;p><b>　　2.4工作原理</b></p><p>　　由AD590溫度傳感器將水溫信號轉化為電信號，計算得由溫度傳感器轉化的電壓，50度時對應的電壓為3.23Ｖ，100度對應的電壓為2.73V。</p><p>　　電阻R1 、R2、R3、R4組成的電路由+12V電壓源提供電壓，R3、R4是分電壓電阻，使通過比較器“+”的比較電壓分別為2.23V和2

24、.73V。</p><p>　　當溫度小于50度時，比較器C1、C2導通，繼電器J1、J2閉合，電熱絲L1、L2同時加熱。同時C1、C2輸入高電平，發(fā)光二極管D1發(fā)光，顯示加熱狀態(tài)。</p><p>　　當溫度大于50度小于100度時，比較器C1截止，C2導通，繼電器J1開啟，J2閉合，電熱絲L2加熱。同時C1輸入低電平，C2輸入高電平，發(fā)光二極管D2發(fā)光，顯示保溫狀態(tài)。</p>

25、;<p>　　當溫度大于100度時，比較器C1、C2截止，繼電器J1、J2開啟，電熱絲都不加熱。同時C1、C2輸入低電平，發(fā)光二極管D3發(fā)光，既不保溫又不加熱。</p><p>　　開關S是快捷加熱鍵，無論電路處于何種狀態(tài)，按下開關，則電熱絲L1、L2同時加熱。</p><p><b>　　3主要原器件介紹</b></p><p>

26、;<b>　　3.1 變壓器</b></p><p>　　變壓器是電子電路，以及電力系統(tǒng)中非常常見的器件，小到收音機，大到我們?nèi)粘Ｉ钪写笮碗娋W(wǎng)，用來升壓降壓的電力變壓器，變壓器的原理是電磁感應技術,變壓器有兩個分別獨立的共用一個鐵芯的線圈。分別叫作變壓器的次級線圈和初級線圈。</p><p>　　電流的方向和大小隨時間變化的,變壓器初級通上交流電時,變壓器的鐵芯中產(chǎn)

27、生了交變的磁場,（其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。）在次級就感應出頻率相同的交流電壓.變壓器的初次級線圈的匝數(shù)比等于電壓比。變壓器只能改變交流電壓,不能改變直流電壓,因為直流電流是不會變化的,電流通過變壓器不會產(chǎn)生交變的磁場，所以次級線圈只能在直接接通的一瞬間產(chǎn)生一個瞬間電流和電壓。</p><p><b>　　變壓器的主要參數(shù)：</b></p><p&

28、gt;　　電壓比 n=U1/U2=N1/N2;</p><p>　　效 率 η=P2/P1*100%；</p><p><b>　　額定功率 P；</b></p><p>　　3.2 橋式整流電路 </p><p>　　橋式整流電路由四個二極管組成。如圖5.2示</p><p>　　圖3.1橋

29、式整流電路</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　u2正半周時: D1 、D3導通， D2、D4截止</p><p>　　u2負半周時：D2、D4 導通， D1 、D3截止</p><p><b>　　主要參數(shù)：</b></p><p>　　輸出

30、電壓平均值：UL=0.9u2</p><p>　　輸出電流平均值:IL= UL/RL =0.9 u2 / RL </p><p>　　流過二極管的平均電流：ID=IL/2</p><p>　　二極管承受的最大反向電壓：</p><p><b>　　3.3穩(wěn)壓二極管</b></p><p><

31、b>　　穩(wěn)壓二極管有：</b></p><p>　　1N4100 7.5V </p><p>　　1N4101 8.2V </p><p>　　1N4102 8.7V </p><p>　　1N4103 9.1V 等。</p><p>　　本電路采用1N4101 8.2V 接近8V的穩(wěn)壓二

32、極管；</p><p><b>　　3.4 三端穩(wěn)壓器</b></p><p>　　穩(wěn)壓三極管有：LM7805 5V 1A </p><p>　　LM7806 6V 1A </p><p>　　LM7809 9V

33、1A </p><p>　　LM7812 12V 1A </p><p>　　LM7815 15v 1A等</p><p>　　本電路采用LM7812 12V 1A 的穩(wěn)壓管；</p><p>　　該穩(wěn)壓器內(nèi)部設有電流過流 過熱和調(diào)整管安全區(qū)保護電路，以防止過載而損壞，用它

34、來組成穩(wěn)壓電源只需很少的外圍元件，電路簡單，且安全可靠。</p><p><b>　　3.5遲滯比較器</b></p><p>　　單門限電壓比較器雖然有電路簡單、靈敏度高等特點，但其抗干擾能力差。例如，在單門限電壓比較器的圖3.2_01中，當vI中含有噪聲或干擾電壓時，其輸入和輸出電壓波形如圖XX_01所示，由于在vI=Vth=VREF附近出現(xiàn)干擾，vO將時而為VO

35、H，時而為VOL，導致比較器輸出不穩(wěn)定。如果用這個輸出電壓vO去控制電機，將出現(xiàn)頻繁的起?，F(xiàn)象，這種情況是不允許的。提高抗干擾能力的一種方案是采用遲滯比較器。</p><p>　　遲滯比較器是一個具有遲滯回環(huán)特性的比較器。圖3.2_02a所示為反相輸入遲滯比較器原理電路，它是在反相輸入單門限電壓比較器的基礎上引入了正反饋網(wǎng)絡，其傳輸特性如圖5.5_02b所示。如將vI與VREF位置互換，就可組成同相輸入遲滯比較器

36、。</p><p>　　由于比較器中的運放處于開環(huán)狀態(tài)或正反饋狀態(tài)，因此一般情況下，輸出電壓vO與輸入電壓vI不成線性關系，只有在輸出電壓發(fā)生跳變瞬間，集成運放兩個輸入端之間的電壓才可近似認為等于零，即</p><p><b>　　或 （1）</b></p><p>　　設運放是理想的并利用疊加原理，則有</p><p>

37、;<b>　　（2）</b></p><p>　　根據(jù)輸出電壓vO的不同值（VOH或VOL），可求出上門限電壓VT+和下門限電壓VT–分別為</p><p><b>　　（3）</b></p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　門限寬度或回差電壓為 &l

38、t;/p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　設電路參數(shù)如圖XX_02a所示，且 ，則由式(3)~(5)可求得 ， 和 。</p><p><b>　　傳輸特性</b></p><p>　　設從 ， 和 開始討論。</p><p>　　當vI由零向正方向增加到

39、接近 前，vO一直保持 不變。當vI增加到略大于 ，則vO由VOH下跳到VOL，同時使vP下跳到 。VI再增加，vO保持 不變。</p><p>　　若減小vI，只要 ，則vo將始終保持 不變，只有當 時， 才由 跳到VOH。其傳輸特性如圖XX_02b所示。</p><p>　　由以上分析可以看出，遲滯比較器的門限電壓是隨輸出電壓vo的變化而改變的。它的靈敏度低一些，但抗干擾能力卻大大提高

40、了</p><p><b>　　3.6繼電器</b></p><p>　　繼電器的工作原理和特性 </p><p>　　繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。<

41、/p><p>　　電磁繼電器的工作原理和特性 </p><p>　　電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點

42、（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。</p><p><b>　　3.7 發(fā)光二極管</b></p><p>　　發(fā)光二極管原理：發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（

43、磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復合而發(fā)光，假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光

44、中心（這個中心介于導帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。</p><p>　　3.8集成運算放大器</p><p>　　集成電路運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸入電阻的多級直接耦合放大電路，它的種類很多，電路也

45、不一樣， 但結構具有共同之處，如下圖5.8表示集成運放的內(nèi)部電路組成的原理框圖。</p><p>　　圖3.3 集成運放的內(nèi)部電路組成的原理框圖 </p><p>　　如圖5.6集成運放的輸入級一般是由BIT、JFET或MOSFET組成的差分式放大電路，利用它的對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和其他方面的性能。它的兩個輸入端構成整個電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級的主要作用是提

46、高電壓增益，它可由一級或多級放大電路組成。輸出級一般由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負載能力。偏置電路是為個級提供合適的工作電流。其代表符號如7圖所示。輸入輸出傳輸特性如圖8所示。 </p><p><b>　　圖5.7</b></p><p><b>　　圖3.4</b></p><p>&l

47、t;b>　　圖3.5</b></p><p><b>　　3.9門電路</b></p><p>　　與門又稱“與電路”。執(zhí)行“與”運算的基本電路。有幾個輸入端，只有一個輸出端。當所有的輸入同時為“1”電平時，輸出才為“1”電平，否則輸出為“0”電平。與含義是：只有決定一件事的所有條件都具備時，這個事件才會發(fā)生。邏輯與也稱邏輯乘。與門表達式：F=AB&

48、lt;/p><p>　　圖3.6 與門符號</p><p>　　非門又稱反相器，是邏輯電路的重要基本單元，非門有輸入和輸出兩個端，電路符號見附圖，其輸出端的圓圈代表反相的意思，當其輸入端為高電平時輸出端為低電平，當其輸入端為低電平時輸出端為高電平。也就是說，輸入端和輸出端的電平狀態(tài)總是反相的。</p><p><b>　　圖3.7</b><

49、/p><p><b>　　4參考文獻</b></p><p><b>　　主要參考文獻：</b></p><p>　　何小艇，電子系統(tǒng)設計，浙江大學出版社，2001年6月</p><p>　　姚福安，電子電路設計與實踐，山東科學技術出版社，2001年10月</p><p>　　王

50、澄非，電路與數(shù)學邏輯設計實踐，東南大學出版社，1999年10月</p><p>　　李銀華，電子線路設計指導，北京航空航天大學出版社，2005年6月</p><p>　　5．康華光，電子技術基礎，高教出版社，2003</p><p>　　6. 繆家鼎，徐文娟． 光電技術[M]． 杭州：浙江大學出版社，1994：112-156．</p><p>

51、;　　7. 李曉東，張慶紅，葉瑾琳．氣候學研究的若干理論問題[J]．北京大學學報：自然科學版，1999，35(1)：101-106． </p><p>　　8.鄭開青．通訊系統(tǒng)模擬及軟件[D]．北京：清華大學無線電系，1987．</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　本周我們進行了為期一周的課程設計，時間雖短，但其中

52、需要學的東西可真不少。</p><p>　　首先，想要做出一個實用的工程產(chǎn)品真的不是很容易，扎實的基本功是必需的，不然給你一個設計要求，你即使知道要設計什么，卻也不知道往哪方面去考慮，這個是做設計最頭疼的事。</p><p>　　其次，要知道怎么查資料，這次課程設計雖然簡單，但是卻讓我為查資料花去了好大一部分時間。我們這次的課題是設計簡易純凈水加熱控制電路，網(wǎng)上以及圖書館的許多資料書上都有

53、，我也下了有一些，但我卻沒有照他們的思路去做。因為我覺得這是我第一次做這樣的任務，一定要拿出自己的特色來，不然這次照人家的去做，下次就還會這樣做，有了依賴心理，對自己以后的發(fā)展沒有太大的好處，并且這樣的機會難得，一定要好好把握。</p><p>　　畢竟是第一次做，剛開始免不了會有些手忙腳亂，沒有針對性。不知道自己到底該干些什么，查些什么資料，找到了資料卻不知道該查元器件的哪些方面。后來，去圖書館查到了一些相關資

54、料，才逐漸融入了角色。慢慢地，我能去網(wǎng)上查找書上介紹的不太清楚的東西以及忘記的知識點，同時也找到了相關的設計，參觀了別人的設計，感覺自己想的還不夠周到。然后就是用protel畫出圖形，感覺還挺好，畢竟是自己獨立完成的，感覺很高興，很有成就感。</p><p>　　附錄 總電路原理圖及元器件清單</p><p><b>　　附表一元器件清單</b></p>