課程設計純凈水加熱課程設計

1、鄭州輕工業(yè)學院課程設計說明書題目： 簡易純凈水加熱控制電路 姓 名： 院 （系）： 電氣工程及其自動化 專業(yè)班級： 電氣12-02 學 號： 指導教師： 孫君曼 成 績： 時間： 2014 年 02 月 16 日至 2014 年 06 月 10 日鄭州輕工業(yè)學院課程設計任務書題目 簡易純凈水加熱控制電路 專業(yè) 電氣12級 學號 姓名 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：主要內(nèi)容1閱讀相關科技文獻。2學習protel軟件的使用。3學會整理和總結設計文檔報告。4學習如何查找器件手冊及相關參數(shù)。技術要求1. 要求電路能夠檢測純凈水的溫度T。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

2、下： T50 兩根電阻絲都工作，電路處在加熱狀態(tài)； 50T100 只有一根電阻絲工作，電路處在保溫狀態(tài)； T100 兩根電阻絲都不工作，電路完成加熱。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50T100時，兩根電阻絲都工作。4. 要求電路能夠顯示加熱的各種狀態(tài)。主要參考資料1何小艇，電子系統(tǒng)設計，浙江大學出版社，2001年6月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3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4康華光，電子技術基礎，高教出版社，20035查閱相關電子設計內(nèi)容科技期刊等文獻資料及瀏覽相關網(wǎng)站完 成

3、 期 限： 2014年6月18日 指導教師簽章： 專業(yè)負責人簽章： 2014 年 2月 16日摘要該方案的目的主要在于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。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LM7812來實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)化的。水溫監(jiān)測電路的功能是利用溫度傳感器AD590特性監(jiān)測水溫變化，同時將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號。比較電路的功能是利用比較器LM339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

4、將電阻絲的通電與否顯示出來。關鍵詞：穩(wěn)壓電路LM7812，溫度傳感器AD590，比較器LM339，發(fā)光二極管，電阻絲目錄1概述11.1設計要求11.2設計思路12.簡易純凈水加熱控制電路的原理22.1 簡易純凈水加熱控制系統(tǒng)框圖22.2電源電路22.3水溫監(jiān)測電路主要部件溫度傳感器32.4電阻絲開關及顯示電路42.5工作原理53主要原器件介紹63.1 變壓器63.2 橋式整流電路63.3遲滯比較器73.4繼電器93.5 發(fā)光二極管93.6集成運算放大器94 總結11致 謝12參考文獻13附錄 總電路原理圖及元器件清單14 簡易純凈水加熱控制電路1概述1.1設計要求 1.要求電路能夠檢測純凈水的

5、溫度T。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： T50 兩根電阻絲都工作，電路處在加熱狀態(tài)； 50T100 只有一根電阻絲工作，電路處在保溫狀態(tài)； T100 兩根電阻絲都不工作，電路完成加熱。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50T100時，兩根電阻絲都工作。4.要求電路能夠顯示加熱的各種狀態(tài)1.2設計思路本方案的主要目的是制作一個簡易的純凈水加熱控制器。該電路主要由電源電路、水溫監(jiān)測和水溫范圍測量電路以及電阻絲開關和顯示電路三部分構成。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(zhuǎn)換成+

6、12V的直流電壓。電路中變壓器采用常規(guī)的鐵心變壓器，型號為YJH-BYQ571435。電源變壓器將交流電網(wǎng)電壓220V變?yōu)楹喴准儍羲訜峥刂齐娐泛线m的交流電壓12V。整流電路采用二極管橋式整流電路，整流電路四個二極管型號為1N400，整流電流變?yōu)槊}動的直流電壓12V。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LM7812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?？刂齐娐酚蓽囟葌鞲衅鰽D590測得的水溫并將溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號，傳輸給電壓比較器LM339進行比較，比較器一端提供一個參考電壓，與轉(zhuǎn)化來的電壓比較，然后將比較結果給控制系統(tǒng)，也就是繼電

7、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)。2.簡易純凈水加熱控制電路的原理2.1 簡易純凈水加熱控制系統(tǒng)框圖工作狀態(tài)電路比較電路水溫監(jiān)測電路水溫控制系統(tǒng)圖2.1 簡易純凈水加熱控制電路的總體框圖水溫監(jiān)測電路的功能是利用溫度傳感器的特性監(jiān)測水溫的變化，同時將溫度信號轉(zhuǎn)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、弱電轉(zhuǎn)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。該電路能夠檢測出純凈水的溫度T，并且能夠在

8、不同的溫度下通過兩根電阻絲實現(xiàn)對加熱的控制。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)， T100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)。2.2電源電路電源電路如圖2.2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(zhuǎn)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，型號為YJH-BYQ571435。電源變壓器將交流電網(wǎng)電壓220V變?yōu)楹喴准儍羲訜峥刂齐娐泛线m的交流

9、電壓12V。整流電路采用二極管橋式整流電路，整流電路四個二極管型號為1N400，整流電流變?yōu)槊}動的直流電壓12V。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LM7812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。 圖2.2 電源電路2.3水溫監(jiān)測電路主要部件溫度傳感器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：（1）流過器件的電流（A）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度數(shù)（開爾文）；（2）AD590的測溫范圍為-55150，每增加1，它會增加1A輸出電

10、流；（3）AD590的電源電壓范圍為430v，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；（4）輸出電阻為710m；（5）精度高，AD590在-55+150范圍內(nèi)，飛線性誤差僅0.3 （a） (b)圖2.3傳感器工作原理圖AD590的輸出電流值說明如下：其輸出電流是以絕對溫度零度（-273）為基準，每增加1，它會增加1A輸出電流，因此在室溫25時，其輸出電流Iout=（273+25）=298A。AD590實際應用電路(如圖2.3.b)分析：1、AD590的輸出電流I=（273+T）A（T為攝氏溫度），因此測量的電壓V為（273+T）A×10K=（2.73+T

11、/100）V。為了將電壓測量出來又務須使輸出電流I不分流出來，我們使用電壓跟隨器其輸出電壓V2等于輸入電壓V。2、由于一般電源供應教多器件之后，電源是帶雜波的，因此我們使用齊納二極管作為穩(wěn)壓元件，再利用可變電阻分壓，其輸出電壓V1需調(diào)整至2.73V3、 接下來我們使用差動放大器其輸出Vo為（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果現(xiàn)在為攝氏28，輸出電壓為2.8V，輸出電壓接AD轉(zhuǎn)換器，那么AD轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量就和攝氏溫度成線形比例關系。2.4電阻絲開關及顯示電路電阻絲開關及顯示電路如圖2.4所示。圖2.4 電阻絲開關及顯示電路電阻絲開關電路時由三極管電路和繼電器電路構成的

12、。由于電阻絲的功能是加熱，即電阻絲中通過的都是大電流，產(chǎn)生大功率，致使直流電源無法提供大電流和大功率，因此電阻絲需要交流供電，這樣一來，電路中的開關必須采用繼電器電路。而一般運算放大器的輸出電流無法驅(qū)動繼電器，因此需要加入電流放大電路。由三極管電路構成的電流放大電路是一種比較典型的和簡單的電路。三極管接為共集電極電路，當輸入電壓為高電平時，三機管導通飽和，可以將輸入電流放大倍；當輸入電壓為低電平時，三極管截止，無電流通過。繼電器連接三極管的發(fā)射極，當有電流驅(qū)動時，開關吸合，對應的電阻絲通電；當無電流啟動時，開關斷開，對應的電阻絲不通電，同時在繼電器兩端并聯(lián)入二極管進行保護。 顯示電路由發(fā)光二極

13、管構成。通過發(fā)光二極管亮滅來表示電阻絲是否通電，同時由于繼電器的驅(qū)動電流過大，需要加入限流電阻。2.5工作原理由AD590溫度傳感器將水溫信號轉(zhuǎn)化為電信號，計算得由溫度傳感器轉(zhuǎn)化的電壓，50度時對應的電壓為3.23，100度對應的電壓為3.73V。電阻R1 、R2、R3、R4 、R5、R6組成的電路由+12V電壓源提供電壓，R5、R6是分電壓電阻，使通過比較器“+”的比較電壓分別為3.23V和3.73V。當溫度小于50度時，比較器U1A、U2B導通，繼電器K1、K2閉合，電熱絲R14、R15同時加熱。同時發(fā)光二極管LED1、LED2發(fā)光，顯示加熱狀態(tài)。當溫度大于50度小于100度時，比較器U2

14、B截止，U1A導通，繼電器K2開啟，K1閉合，電熱絲R14加熱。同時發(fā)光二極管LED1發(fā)光，顯示保溫狀態(tài)。當溫度大于100度時，比較器U1A、U2B截止，繼電器K1、K2開啟，電熱絲都不加熱。同時發(fā)光二極管LED1、LED2都不發(fā)光，既不保溫又不加熱。開關S1是快捷加熱鍵，按下S1鍵后，當50<T<100時，兩根電阻絲也都工作。溫度傳感器轉(zhuǎn)化電壓輸入圖2.5工作原理模擬仿真圖3主要原器件介紹3.1 變壓器 變壓器是電子電路，以及電力系統(tǒng)中非常常見的器件，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。圖3.1 變壓器本設計方

15、案采用變壓器如圖3.1的主要參數(shù)：型號：YJH-BYQ571435 輸入：220V 輸出：12V 頻率：50Hz3.2 橋式整流電路 橋式整流電路由四個二極管1N400組成。如圖3.2示 圖3.2橋式整流電路工作原理： 正半周時: D1、D3導通， D2、D4截止 負半周時：D2、D4 導通， D1、D3截止3.3遲滯比較器圖3.3_01 有干擾電壓時輸出波形(a) 反相輸入遲滯比較器(b) 遲滯比較器傳輸特性圖3.3_02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3.3_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3.3_

16、01所示，由于在vI=Vth=VREF附近出現(xiàn)干擾，vO將時而為VOH，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。遲滯比較器是一個具有遲滯回環(huán)特性的比較器。圖3.3_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3.3_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。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

17、兩個輸入端之間的電壓才可近似認為等于零，即或 （1）設運放是理想的并利用疊加原理，則有（2）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（3）（4） 門限寬度或回差電壓為 （5）設電路參數(shù)如圖3.3_02b所示，且 ，則由式(3)(5)可求得 ， 和 。傳輸特性設從 ， 和 開始討論。當vI由零向正方向增加到接近 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。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3.3_02b所示。由以上分

18、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了3.4繼電器本設計所用繼電器采用型號為GK3FF-12VDC ，7A/250VAC，觸點允許最大電流是7A。電磁繼電器的工作原理和特性： 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（常閉觸點）吸合。這樣吸合、

19、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。3.5 發(fā)光二極管發(fā)光二極管使用JYX-5，正向飽和壓降為1.62.1,正向工作電流為520，一般LED的工作電流在十幾毫安至幾十毫安，而低電流LED的工作電 流在2mA以下。發(fā)光二極管原理：發(fā)光二極管是由-族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（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?qū)?，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。3.6集成運算放大器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，電路也不一樣， 但結構

20、具有共同之處，如下圖3.6表示集成運放的內(nèi)部電路組成的原理框圖。差分輸入級電壓放大級輸出級偏置電流 圖3.6 集成運放的內(nèi)部電路組成的原理框圖 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。 本設計采用的集成運算放大器為四電壓比較器LM339。LM339集成塊內(nèi)部裝有四個獨立

21、的電壓比較器，該電壓比較器的特點是：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；3）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；5）差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。LM339集成塊采用C-14型封裝，圖3.6(a)為外型及管腳排列圖。由于LM339使用靈活，應用廣泛，所以世界上各大IC生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。 圖3.6(a) LM339封裝圖LM339類似

22、于增益不可調(diào)的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管

23、，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。4 總結本周我們進行了為期一周的課程設計，時間雖短，但其中需要學的東西可真不少。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。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，我

24、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。 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Altium Designer畫出圖形。感覺還挺好，畢竟是自己獨立完成的，感覺很高興，很有成就感致 謝本次課程設計不僅讓我學到了很多知識，提高了我對學習資料的搜集能力，同樣重要的是讓我感受到有太多的人在給予我?guī)椭?，我對幫助我的人表示感謝。首先我要感謝我的老師在課程設計上給予我的指導、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次報告的主要原因。在