家用热水器控制器设计_综合电子试验报告

1、电子电路实验实验总结报告题目名称：家用电热水器控制器学生：学号：学生：指导教师：验收日期：电工电子实验教学中心制用清洁能源电能进行加热的热水器被称作电热水器。电热水器与燃气热水器、太阳能热水器是目前市场上畅销的三大热水器种类。近年来，由于电热水器使用安全、用电方便快捷、加热迅速、价格便宜等方面的优势，人们对电热水器喜爱甚佳，市场销售历年居首，目前电热水器几乎成为家用电器必备之一。本文介绍一种储水式电热水器的控制器，其主要功能有进水设置与显示、进水控制、温度设置与显示、温度控制及自动报警等功能。本文先介绍了家用电热水器控制器总体方案设计，按照功能及技术性能指标要求，采用自上而下的设计方法对进水控

2、制器和温度控制器的电路结构进行分析和设计，详细的介绍了两种控制器的工作原理；接着介绍了进水控制器的设计与仿真，进水控制器由水位预置电路、进水状况检测电路及电磁阀控制电路等电路组成，用Multisim软件完成了对各部分电路的仿真检验，检验了进水控制器设计的正确性；接着对温度控制器设计进行介绍，温度控制器由温度传感器电路、A/D转换电路、温度预置电路、加热器控制电路、时钟电路及数码管显示电路等电路组成，用软件Multisim完成了对各部分电路仿真检验，检验了温度控制器的设计的正确性；再对进水控制器硬件电路进行安装和调试，完成了进水控制器所要求的功能和技术指标。因次，从控制器的电路设计和仿真的结果和

3、电路的安装和调试的情况来看，本文所介绍的家用热水器控制器的设计是成功的，完全实现了所要求的指标，验证了电路的可行性。第1章热水器控制器整体设计11.1题目简介11.2功能及技术性能指标要求11.3进水控制器电路结构及工作原理21.4温度控制器电路结构及工作原理3第2章进水控制器电路设计与仿真52.1水位预置电路52.1.1手动脉冲信号产生电路52.1.2预置编码电路52.1.3译码驱动显示电路62.1.4仿真结果72.2进水状况检测电路82.2.1电路设计82.2.2仿真结果92.3电磁阀控制电路92.3.1优先编码电路设计92.3.2状态比较电路设计92.3.3继电器开关电路设计102.3.

4、4仿真结果112.4进水控制器仿真结果11第3章温度控制器电路设计与仿真143.1温度传感器电路143.1.1温度/电压变换电路143.1.2测量放大器电路153.1.3仿真结果153.2 A/D转换电路163.2.1电路设计163.2.2仿真结果173.3温度预置电路173.3.1手动脉冲产生电路设计173.3.2计数器电路设计183.3.3仿真结果193.4加热器控制电路193.5时钟电路213.5.1电路设计213.5.2仿真结果223.6数码管显示电路233.7温度控制器仿真结果23第4章家用电热水器控制器测试254.1水位预置情况254.2进水状况检测情况254.3电磁阀控制情况26

5、4.4温度传感器情况274.5 A/D转换电路情况274.6温度预置情况284.7加热器控制情况28实验总结29参考文献30附录31附录一家用电热水器控制器（进水控制器）元器件明细表31附录二家用电热水器控制器（进水控制器）实物照片32附录三实验日志33第1章热水器控制器整体设计1.1题目简介以清洁能源电能进行加热的热水器称为电热水器。由于对环境无污染，能源充足，响应快，用热水方便，安装简单，因此颇受青睐。当前，市场上销售的电热水器主要有三种：容积式。按照安装方式可分为壁挂(横式)式电热水器和落地式(竖式)热水器，壁挂式电热水器容积通常为40L-100L,落地式热水器容积通常为100L以上。家

6、用储水式电热水器具有安装方便，出水量大，水温稳定等特点，但传统的储水式电热水器加热速度慢，等待时间较长。即热式。即热式电热水器一般需2030A的电流，即开即热，水温恒定，制热效率高，安装空间小。具有能够即开即热，省时省电，节能环保、体积小巧、水温恒定等诸多优点。速热式。一般容量在6L-30L,加热功率较大，约为3.5KW及以上。加热时间较短，1次预热，即可连续供应热水，无使用人数限制。具有机械衡温、全自动智能恒温两种保温模式，保护措施较好，使用安全可靠。近年来，随着电热水器在安全、节能、加热、出水量等方面不断改进，越来越受到人们的青睐，市场销售历年持续增长。另外，中国未来的电热水器的研发需求还

7、包括安全可靠、节能、低碳环保、舒适健康、产品结构升级、建筑一体化以及智能化七个方面。因此，家用电热水器将是家庭的家用电器中必备电器产品之一o本题目结合学生已经掌握的模拟电子技术、数字电子技术理论知识和实验技能，以模拟集成电路和数字集成电路为核心器件，由学生自主完成一种全自动的储水式电热水器控制器的研制。该控制器可实现对热水器的进水阀门和加热器的自动控制，并提供必要的安全、报警等功能。1.2功能及技术性能指标要求家用电热水器控制器包括进水控制和温度控制两部分， 它们之间的电路结构相对比较独立。其功能及技术性能指标要求如下：进水控制：(1)水位预置：从低到高，共5级；(2)水位预置指示：红色发光二

8、极管，5个，最上面指示最高水位，最下面指示最低水位；(3)进水状况检测：从低到高，共6级，其中包括1个水位溢出检测；(4)进水状况指示：绿色发光二极管，5个，最上面指示最高水位，最下面指示最低水位；(5)控制进水电磁阀输出端口：1个，开关量，高电平有效；(6)电磁阀吸合及水位溢出指示：双基色发光二极管，红色亮表示水位已达到溢出位置，绿色亮表示电磁阀吸合。(7)状态指示一：双基色发光二极管，红色亮表示控制器工作在水位预置状态，绿色亮表示控制器工作在进水状态；温度控制：(8)温度预置及检测围：0c50C；(9)温度测量误差：1C；(10)温度显示方式：LED数码管，两位；(11)控制加热器输出端口

9、：1个，高电平有效；(12)状态指示二：双基色发光二极管，红色亮表示控制器工作在温度预置状态，绿色亮表示控制器工作在加热状态。1.3进水控制器电路结构及工作原理进水控制器电路由水位预置电路、进水状况检测电路、电磁阀控制电路及电进水控制器由三部分电路共同协调完成功能，该控制器具有两种工作模式，即预置水磁阀组成，其电路结构如图1.1所示水位预苣电跖阕踞进水状况检测电路电出网控制电路蚪电籍辗电器图1.1进水控制器电路结构框图位模式和进水模式，可通过预置/进水按键开关进行模式的选择。当开关处于水位预置状态时，预置状态指示灯亮，按动手动脉冲电路中的脉冲按键，将会产生单个脉冲，由于按动开关会有抖动，因此手

10、动脉冲电路已经利用SR触发器进行消抖，脉冲电路产生的脉冲送至预置编码电路，预置编码电路则开始对电路状态进行编码。由于水位总共五个水位档，因此，预置编码电路产生的四位二进制码为00010101,预置编码电路把输出的二进制码送至译码驱动电路，译码驱动电路对代码进行译码，使之对应的端口以低电平输出，再通过与门的逻辑控制，驱动预置水位指示灯从低水位档向高水位档依次点亮，指示当前所预置的水位高度。当水位到达第五档之后，再次按动脉冲按键，由于预置编码电路的循环编码，因此水位预置又降为一档，则一档对应指示灯亮。当开关处于进水状态时，进水状态指示灯亮，如果水箱中的当前水位低于所预置的水位时，状态比较电路输出高

11、电平，通过导通三极管，使继电器线圈电流足够大，使继电器吸合，进水电磁阀被接通并开始工作。随着水箱中的水位不断升高，放入水箱中的不同高度的微动开关被触发，进水状况指示灯也从开始从低水位档到高水位档依次被点亮，指示当前水箱中的水位高度，同时，优先编码器对微动开关电路的输出状态进行编码。由于使用的74148优先编码器，因此是低电平有效进行编码。当水箱中的水位高度和预置水位高度相等时，状态比较电路则输出低电平，三极管截至，继电器断开，电磁阀电路被断开而停止工作。如果当前水位已经达到预置水位时，且电磁阀还没有停止工作，即电路出现故障，则当水位到达溢出水位高度时，触动到溢出微动开关，强行使继电器电路断开，

12、停止了电磁阀工作，因此可以避免发生水位过高而溢出现象，对热水器具有保护功能。1.4温度控制器电路结构及工作原理温度控制器电路由温度传感器电路、A/D转换电路、温度预置电路、加热器控制电路、数码管显示电路、时钟电路及加热器等组成，其电路结构如图1.2所示。温度控制器由以上七部分组成，完成温度预置和加热的控制。该控制器有两种工作模式，即温度预置模式和加热模式，可以通过预置/加热开关按键进行模式的选择。当开关处于温度预置状态时，按动脉冲按键，手动脉冲产生电路产生单个脉冲，由于按键按动时有抖动，因此，手动脉冲产生电路用SR触发器进行消抖。产生的脉冲送至计数器，计数器对脉冲进行计数，计数器由两片7416

13、0组成100进制计数器，由于温度传感器检测温度为050C,因此，在这里，计数器的计数为050,计数器产生两组8421BCM,送至LED数码管进行显示，以表示所预置的温度。当开关处于加热状态时，为了保证安全，水箱中的水位一定要高于下限水位。否则无论电路什么状况，加热器也不会工作。首先，温度传感器电路将050C水温信号转换成05V电压信号，温度传感器电路以电桥的形式连接，经过电桥转换为差模信号，并经过测量放大器进行放大，这样有利于抑制共模，放大差模，减少外界共模的干扰，放大温度的差模信号。温度传感器电路输出给A/D转换电路将模拟电压转换成8位二进制代码放于寄存器中。然后，代码转换电路将寄存器中的代

14、码转换成两组8421BC则， 送至LE四码管进行显示， 以表示当前水箱中的水的温度。若水箱中水的温度低于所预置的温度，状态比较电路则输出高电平，三极管导通，继电器线圈的电流足够大，继电器开关吸合，加热器电路接通且开始工作。随着水箱中的水的温度逐渐升高，LED数码管显示的当前温度也在逐渐增加。 当水箱中的水的温度和所预置的温度相等时， 状态比较电路输出低电平，三极管截至，继电器开关断开，加热器电路断开而停止工作。若是加热器处于工作状态时，水箱中的水位低于下限水位，电路将发出报警信号，报警指示灯闪烁，并通过逻辑控制使三极管截至，继电器开关断开，以避免水箱烧干而出现事故的现象发生，因此对加热器具有保

15、护作用，使之安全，可靠的工作。图1.2温度控制器电路结构框图第2章进水控制器电路设计与仿真2.1水位预置电路2.1.1手动脉冲信号产生电路手动脉冲信号产生电路由脉冲按键Ki、 电阻Ri(100KQ)和R(100KQ)、两输入与非门UB和UC及5V电源VDDS成，如图2.1所示。其中UB和UC组成SR触发器，以消除按键的抖动，每按动一次K,手动脉冲产生电路就输出一个脉冲信号。VODVODRIRI；100kQ100kQ1%1%74HC00D6V74HC00D6VI I r r，rLrL图2.1手动脉冲信号产生电路图2.1.2预置编码电路预置编码电路由电阻R(100KQ)、十进制加法计数器U(74H

16、C160、两输入与非门UA和5V电源VDDfi成，电路如图2.2所示。74HC160用置数法接成五进制计数器，在CLK有输入脉冲信号情况下，输出端QQQ将依次循环输出5个二进制代码，分别是001101。1%1%.U1C.U1C：送至再置74HC00DAECCAECC图2.2预置编码电路图图中， 电阻R4(100KQ)和预置/进水开关按键K21属于控制电路中的一部分。 按K21,使得U2(74HC160的EN础为高电平时，U2(74HC160工作在计数状态；否则，U2处于保持状态。2.1.3译码驱动显示电路其中水位指示灯LED1LED5照从低到高的位置安放，用于指示水箱的预置水位。具电路图如图2

17、.3所示。VDDVDDX5%w-lOOkOlOOkO5%5%：- -: :_ _m m虹-ABen111115,.L1K.送至译与堂动“r-r-555544R0 00 0, ,C C1 1H H4 4来白手刘翔冲信号产生电解 I I; ;二；用:MHG160D6VMHG160D6VR5R5： ：100kp100kp4C08D_GV4C08D_GV.第日帔蛋由:第日电酹-图2.3译码与驱动电路译码驱动显示电路由电阻飞,两输入与门14,四线一十线译码器U和5V电源VDDfi成。 图中， 电阻R5(100KQ)和预置/进水按键K21属于控制电路中的一部分。 当按开关K21时，使得U3的D端为低电平，

18、在U3的输入端C、B、A依次卒&入001101,U3的输出端将对应的端口置为低电平，通过与门的逻辑电路，将控制LED1LED酌阴极电位，LED为共阳接线，当LED的阴极电位为低电平时，对应的LED灯被点亮。由于有与门的逻辑电路，高一级的水位指示灯亮时，其低级的所有水位指示灯均亮，当水位设置最高档时，五个水位指示灯全亮。而当U3的D端为高电平时，驱动电路输出则全部为高电平，通过与门逻辑链路后，LED灯的阴极电位均是高电平，因此LED1LED5全灭。2.1.4仿真结果水位预置电路如图2.4所示。例0嘀陵置水位指示灯组图2.4水位预置电路图水位预置电路仿真操作、分析过程如下：(1)按下预置/

19、进水选择开关K21按键， 其输出低电平， 则U3的D端输入为低电平，U2的EN础为高电平。U2的计数器开始工作，处于计数状态，U3也处于001101的译码状态。且预置指示灯的阴极电位为低电平，因此，预置指示灯亮。(2)连续按动K1按键， 则手动脉冲电路连续产生脉冲输出， 预置编码电路在输入脉冲的作用下开始对电路状态进行编码。同时，译码与驱动电路进行译码之后送至显示电路，显示电路中的LED1LED5在与门的逻辑输出下，依次被点亮，五个脉冲之后，由于计数器接成五进制循环计数器，因此在下一个脉冲之后，电路状态又变为一，水位指示为最低水位，以此循环。(3)当K21按键被抬起，具输出高电平，预置编码电路

20、则处于保持状态，译码与驱动电路的输出不在001101围，因此对应的输出端口为高电平，经过与门逻辑判断后，LED的阴极均为高电平，LED1LED5全部熄灭。经过上述分析之后，对电路进行仿真，发现仿真结果和上述情况符合，说明水位预置电路仿真结果正确。2.2进水状况检测电路2.2.1电路设计进水状况检测电路由微动开关电路和进水状况指示电路两部分组成，如图2.5所示。微动开关电路包括电阻R6R11和开关K3（6位），其中K31为水位下限开关，K35为水位上限开关，K36为溢出开关。进水状况指示电路包括进水状态指示灯，进水水位指示灯LED6LED1吸中LED6LED10采用共阳极连接方法，从低到高放置，

21、指示水箱中当前的水位状况。VDDU&DLED12U&DLED12尹灯RitRit7dHC04D_SV7dHC04D_SVIW.GJ电随网/溢比皆图2.5进水状况检测电路开关电路输出端与LED6LED10的阴极连接在一起，具输出低电平有效。当水箱中的水位到达下限位置时，进水状态指示灯接通，阴极电位为低电平，进水指示灯亮；到达上限位置时，水位一至五水位指示灯全接通，LED6LED10全部都亮；当到达溢出位置时，微动开关K36接通，产生溢出信号，并传送到控制电路，此时LED12亮（红色），预示水位溢出报警。图中，电阻R14（100KQ）和预置/进水开关按键K22属于控制电路中的一部分

22、。当按下K22,使其接地，电路则处于工作状态，进水指示灯亮，进水水位指示灯根据当前水位情况点亮；否则，处于电路非工作状态，进水状态指示灯灭，进水水位指示灯全部熄灭。2.2.2仿真结果当按下开关K22时，使其接地，分别接通进水水位指示灯，则LED6LED10依次点亮；当K36接通时，则产生溢出信号，低电平有效，此时LED12亮(红色)，发出报警信号，表明仿真结果正确。2.3电磁阀控制电路2.3.1优先编码电路设计优先编码电路由R15(100KQ),8线一3线优先编码器U7(74HC148,非门U6,和5V电源组成。图2.6优先编码电路图中，当微动开关对应的开关闭合时，开关输出低电平，来自于微动开

23、关电路的低电平信号送至编码电路，U7便进行编码，由于编码是输入和输出均是低电平有效，因此需要用非门U6将U7输出的编码反码变成原码，以便送至比较电路进行比较。由于开关微动电路输出的最高为第五档为低电平，因此该编码电路的输出为001101。2.3.2状态比较电路设计状态比较电路由比较器U5(4585)和电阻R13(100KQ)、R14(100KQ)及5V电源VDDffl成。：.WA:二，i 74HC04P16V74HC04P16V状会.n n!,!,1 1.*FAMtabtabi iH4HQJWJV4HQJWJV二电跖,二占：74HC04D-6V74HC04D-6V: :：a a 1111. .

24、-再1 1- -k k5o5o- -AAAAAA-E-EE E：74HC14finW6V74HC14finW6V；并矢电路1 1- -R15R15： ： , ,= =r r.rr.rr loan:歌VDCVDC-：来自融: lxHlxH- -4545JrwJrwn ni iI I图2.7状态比较电路图中， 预置/进水按键K22属于控制电路中的一部分。 来自预置编码电路的输入和优先编码电路的输入送至U5,当预置/进水按键处于进水状态且预置编码电路的输入大于优先编码电路的输入时，U5才输出高电平，即状态比较电路输出高电平，若是预置编码电路的输入小于优先编码电路的输入，即是说，预设置的水位低于当前水

25、位或状态开关K22处于预置状态这两种情况时，状态比较电路均会输出低电平。2.3.3继电器开关电路设计继电器开关电路由继电器J1、 二极管D1、 三极管T1、 非门U&与非门Up及电阻R16(100KQ)和5V电源VDDfi成。其组成如图2.8。VDRJVDRJ部动开关图2.8继电器开关电路图中，继电器开关电路由状态比较电路和溢出开关的状态决定其输出，当水位为到达溢出水位时，即溢出水位开关未闭合时，该电路则由状态比较电路决定，当状LETT来自股置一来自优先二熊码电造:- -VDDVDDWVWVIDQkfiIDQkfi： ：5 5 牧一R14R147G-IQOkQIQOkQ:5%5%R16

26、来自我会.- - MW011B09MW011B091 1T|I I|1 1IMIM，- -LfL-30EHj-LfL-30EHj- -:51005100：-JN2222A-JN2222A: :R17R17WvWv- -：5JKQ：5%5%：74HCt)4t)V74HCt)4t)V：74HC00P174HC00P1:水期k22k22I-4-OJiGTB.4-OJiGTB.二,2AEJB.- -45B5BD5V45B5BD5V: :J1J1: :DT,DT,一,1N41N414B14BUGCUGC 一来自溢出5%5%U1D.U1D.：态比较电路输出为高电平时，三极管导通，继电器的线圈有足够大的电流

27、，继电器开关吸合，电磁阀电路接通，电磁阀开始工作。当状态输出电路输出为低电平时，三极管截至，继电器断开，电磁阀开关电路断开，电磁阀停止工作。若是溢出开关闭合，输出为低电平送至继电器开关电路时，无论状态比较电路的输入状态如何，三极管均会截至，继电器开关断开，电磁阀停止工作。2.3.4仿真结果电磁阀控制电路如图2.9所示。电磁阀控制电路仿真操作、分析过程如下：(1)水位预置状态时，比较器输出低电平，送至电磁阀控制电路，三极管截至，继电器断开，电磁阀不工作。(2)水位检测状态时， 如果预置编码电路输入比微动开关电路的输入大时,状态比较电路输出高电平，三极管导通，继电器吸合，电磁阀工作。(3)水位溢出

28、时，溢出水位开关闭合，输出低电平，三极管截至，继电器断开，电磁阀不工作。上述情况表明，电磁阀控制电路仿真结果正确。2.4进水控制器仿真结果进水控制器电路如图2.10所示进水控制器电路仿真操作、分析过程如下：*值卜图2.10进水控制器电路图（1）将选择模式开关打到预置状态，即按下K2按键，预置水位指示灯LED111亮（红色），表示进水控制器工作在水位预置状态；（2）按动脉冲按键K1按键，水位指示灯依次亮，表示水箱中的水位预置到了该水位位指示灯所表示的水位；（3）将选择模式开关打到进水状态，即K2抬起，进水指示灯LED112亮（绿色），表示进水控制器工作在进水状态。此时，若水箱中的当前水低于预置水

29、位，则LED12亮（绿色），表示电磁阀工作，给水箱加水；（4）随着电磁阀工作，水箱中的水位逐渐上升，当当前水位等于预置水位时，则LED12灭（绿色），表示电磁阀不工作，不给水箱加水；（5）在LED12亮（绿色）时，即电磁阀工作，将K36合上，则LED12亮（红色），表示水箱中的储水已经到达溢出位置，说明状态比较电路出现故障。此时，继电器会自动断开，强行停止电磁阀工作。上述情况表明，进水控制器电路仿真结果正确。第3章温度控制器电路设计与仿真3.1温度传感器电路3.1.1温度/电压变换电路温度变化用铝热电阻（Pt100）检测，珀热电阻对应温度变化见表3.1表3.1铝热电阻（Pt100）分度简表温度

30、 C C03550电阻值 Q Q100113.61119.40由表3.1可知，温度在0c50c围变化时，珀热电阻为100Q-119.40Q,铝热电阻阻值变化与温度关系为0.388Q/C。温度/电压变换电路采用电桥结构，由精密电阻R1R5组成，如图3-1所示。其中，R4+R5等效为铝热电阻，0c时它的阻值应为100Q,所以R3也应取100QcR4选用20Q精密电位器。因为桥臂工作电流限制在0.1mA以，电压源VDD尬+12V则由，VDD1VD1VD10 0mAmA, ,可得R1=R2=120KQOVDDVDD12V12V图中， 电桥输出电压ui1约为10mMui2的围为10mV12mV该电压差，

31、 即差模电压信号RIRI：120kQ120kQ5%5%, ,- -R2R2：120kQ120kQ5%-5%- -iriliril将送至下一级的测量放大器进行放大。3.1.2测量放大器电路测量放大电路由三个运算放大器HA,UIB,12A,电阻R6,R7,R8,R9,R10,R11,R12,和12V电源VDDfi成，具有放大差模信号，抑制共模信号的作用。根据测量放大器的工作原理进行计算有，第一级的放大倍数为：Au1=(1+2R/R6)=101第二级放大倍数为：Au2=R0/R9=24总的放大倍数为：AuAu1Au2101242424图3.2测量放大器电路图3.1.3仿真结果温度传感器电路的仿真电路

32、图如图3.3所示。 用电位器代替铝电阻做温度的检测模拟，当调节电位器R的电阻值时，使R4+R5=100Q119.40Q,则刚好对应铝电阻在模拟温度050c的围变化时的电阻值，通过电桥输出电压ui1的变化围约为1012mV而而电桥的另一臂输出ui2包为10mV因此通过后面的测量放大器的放大，最终uo的输出变化围05V。表明仿真结果正确。士 LF35IHLF35IH：R7R7：；-AWJ,51k0,51k0: :；R12R12VA-?40VA-?40kQkQ5%5%：U优：WkQ：,：R?：-240k240k ：.图3.4A/D转换电路图R R 240hC240hC豌WV1QliDWV1QliDL

33、F35JHLF35JHR R? ?Wkr-Wkr-r r- -5151LF32HLF32HR12R12VArVAr2UkO2UkOR11R11VAVAlOlOktlktl图3.3温度传感器仿真电路图3.2A/D转换电路3.2.1电路设计A/D转换电路由A/D转换器和寄存器组成，如图3.4所示ey-Aey-ARJ1RJ1g g与/二U1CAU1CAR6R65 5，V(lkV(lk 5%5%QO,QO,图3.4中，A/D转换器芯片U选用ADC0804寄存器U选用74HC273由于ADC0804!在在脉冲的作用下，才能启动转换，该控制中，温度变化的时间不快，因此不要求AD转换的频率很高，给AD加1H

34、Z左右的脉冲频率即可。在时钟信号作用下，AD将来自放大电路的模拟电压15V进行转换，输出八位二进制代码0000000011111111,并将转换结果存放在寄存器U中再输出。发光二级管RP7的作用是显示A/D转换的结果，以便更加直观的观察AD转换结果。3.2.2仿真结果A/D转换电路的仿真如图3.5所示。调节电位器Rv,乂AAD转换器件12的输入端/&入0V5V直流电压，通过观察发光二极管RP7的亮灭变化情况来了解AD转换情况。当12输入为0V时，P。P7全部熄灭， 说明U输出为00000000;当12输入为5V时，P0P7全亮，说明U输出状态为11111111,通过仿真，发现结果正确。

35、除此之外，也可以通过逻辑分析仪的波形观察A/D转换电路的输出情况。图3.5A/D转换仿真电路图3.3温度预置电路3.3.1手动脉冲信号产生电路设计手动脉冲信号产生电路由电阻R7、R8,与非门UA、UB,脉冲按键KEY2?口5V电源VDDfi成。图中，与非门UA、5 构成SR触发器，由于按键在按动时会有抖动，因此采用SR触发器可以消除抖动，当每按动一次脉冲开关K2时，SR触发器就会产生单个脉冲，将脉冲送至计数器。图3.6手动脉冲产生电路图3.3.2计数器电路设计计数器电路如图3.7所示，该电路由两个十进制加法计数器U7和U(74HC160、与非门UD、电阻R9和5V电源VDDfi成。其中，计数器

36、U、U用置数法接成了五十进制计数器74HCOOt)74HCOOt)MHCOODUSBUSB：图3.7中，电阻R20预置/加热按键KEY11为控制电路中的一部分。当预置/加热按键KEY11打至ijVDD9,即电路处于预置状态，在手动脉冲电路输出的脉冲信号作用下，计数器将产生两组8421BCDB,其变化顺序应是00000000-01010000,即代表十进制050,表示预置的温度值为0C50C;KEY11接至U地一侧时，即电路处于加热状态时，计数器处于保持状态，即使有脉冲输入也不再计数。3.3.3仿真结果温度预置电路的仿真电路如图3.8所示。图3.8温度预置电路的仿真电路图K11接到VDD时，LE

37、D1显示红色，表示预置状态。连续按动K2,计数器输出两组8421BCDH,其变化顺序是00000000-01010000,仿真结果正确。3.4加热器控制电路加热器控制电路由代码转换电路、状态比较电路、选择电路、继电器开关电路、预置/加热按键K11和开关K12及报警电路等组成，控制器电路如图3.9所示。代码转换电路由可擦写存储器14(MC7c51R组成。 该电路的作用是将寄存器输出的8位二进制代码转换成两组8421BC则，以便送至状态比较电路和预置温度(用8421BCD3表示)进行比较，并送至数码管显示电路进行显示以表示实际的水的温度。状态比较电路由数据比较器U9、U10(74HC85组成。该电

38、路的作用是将预置电路的计数器输出的两组8421BC幽和代码转换电路输出的两组8421BC幽进行比较。若前者小于后者，则该电路输出高电平，否则，输出低电平。即是说当水箱中的当前水温低于预设置的温度时，状态比较电路输出高电平；否则，输出低电平。选择电路由三态缓冲器Ui、U12（74HC541,预置/加热按键Kii、反相器Une,双基色发光二极管LED（红色指示预置状态），电阻Ro、Ri和5V电源VDDfi成。当预置/加热按键Ki打到预置状态时，该电路将预置电路的计数器输出的两组842iBC则送至数码管显示电路进行显示以表示预置的温度；当预置/加热按键Kii打到加热状态时，该电路将彳t码转换电路输出

39、的两组842iBCM送至数码管显示电路进行显示以表示当前水的实际温度。图3.9加热器控制电路继电器开关电路由继电器Ji,三极管Ti,二极管D,双基色发光二极管LED（绿色指示加热状态），电阻Ri、R2和5V电源VDD&成。当三极管导通时，继电器线圈有足够大的电流，继电器开关吸合，双基色发光二极管LED发出绿光来自时肿电踣表小加热状态。报警电路由按键K3,反相器U3B,与非门UD,发光二极管LED,电阻鬼、R4和5V电源VDDffl成。 其中，K3是水箱中安置的下限水位开关。 当水箱中的水低于下限水位时，开关K3输出低电平，LED在时钟脉冲的作用下闪烁报警，同时强行控制继电器开关断开，加

40、热器电路断开而停止工作，避免了发生烧干水箱的现象发生，该电路对水箱具有保护功能，使之安全，可靠。3.4.1加热器控制电路仿真及分析将预置/加热开关打到预置状态，预置指示灯亮，在手动脉冲的作用下，数码管显示的数字逐渐增加，当设定到某一个值时，停止手动脉冲的输入，数码管显示了当前的预置温度。再将开关打到加热状态，加热指示灯亮，若此时显示的当前水的温度小于刚预置的水的温度时，加热器开始加热工作，随着调整检测电路的电位器时，数码管显示的当前温度逐渐上升，直到和刚预置的温度相等时，加热器停止工作，若调整电位器的值，使之当前的温度又小于预置的温度时，加热器又开始工作。当将下限水位开关打到低电平一端时，表示

41、水位低于下限水位，继电器断开，加热器停止工作，并报警灯闪烁。上述情况表明，该电路仿真结果正确。3.5时钟电路3.5.1时钟电路设计时钟电路由555定时器U5、电阻Ri5和R6、电容G和G5V电源VDDffl成，时钟电路如图3.10所示。其输出时钟信号频率为1Hz,分别送入A/D转换电路和报警指示电路。时钟信号的周期T、频率f的计算：T2.2R5&1f0.89HzT图3.10时钟电路图3.5.2仿真结果将时钟电路的输出接入示波器，示波器显示的波形如图3.11所示。从图中可以看出，时钟信号的幅度为5V、频率约为0.9Hz,表明仿真结果正确。555_VI4?TUAL555_VI4?TUAL)

42、!)! IBiriBBinIBiriBBin3.6数码管显示电路数码管显示电路由两片三态缓冲器Ui、U2(74HC541和两个共阴极十六进制LED数码管组成。该电路的作用是将送入该电路的二进制码以数码管数字的形式显示。3.7温度控制器仿真结果温度控制器电路如图3.12所示。温度控制器电路仿真操作、分析过程如下：(1)当按下K1按键时，即开关打到预置状态，预置指示灯LED1亮(红色)，表示温度控制器工作在预置状态；(2)按动手动脉冲K2按键时，数码管U11、U12显示数字逐渐增加，表示预置的温度在增加；(3)当将K1抬起，即开关打到加热状态时，调节电位器的值，使R4为最小值(0Q),U11、U1

43、2显示数字为当前温度00,此时小于预置温度，LED1点亮(绿色)，表示加热器工作。随着增大电位器的值，当前的水的温度逐渐增加，数码管显示的数字逐渐增加，当预置温度和当前温度相等时，LED1熄灭，若此时改变电位器的值，使预置温度大于当前温度，LED1又被点亮(绿色)，此时若K3接地，代表水位低于下限水位时，LED1又熄灭，同时报警指示灯闪烁，表示报警。上述情况表明，该电路仿真结果正确。Oscilloscope-XSClOscilloscope-XSCl图3.11时钟电路输出波形图1P一2与/图3.12温度控制器电路图第4章家用电热水器控制器测试4.1水位预置情况按预置/进水按键K2,使其处于预置

44、状态，LED12亮(红色)，电路工作在水位预置状态。此时，按动脉冲按键K1,则产生单个脉冲，观察预置水位指示灯变化情况，将测试结果填入表4.1中。表4.1水位预置功能测试结果预置水位指示灯工作状况水位一(LED)水位二(LED)水位三(LED)水位四(LED)水位五(LED)亮亮亮亮亮测试结果分析：当按动脉冲按键时，按动第一次，水位一指示灯亮，第二次，水位一和水位二亮，直到第五次按动手动脉冲时，五个水位指示灯都亮，表示预置水位到达水位五，再按动一次手动脉冲时，又只有水位一亮，其余四灯熄灭，因为计数器接成五进制循环计数器，只能循环加水位。4.2进水状况检测情况按预置/进水按键左,使其处于进水状态

45、，LED2(红色)灭，电路工作进水状态。此时，依次接通微动开关，观察进水状况指示灯变化情况，将测试结果填入表4.2中。表4.2进水状况检测功能测试结果微动开关状态进水状态指示灯状态(LEDLED*LED1)下限K31接通水位一指示灯水位二指示灯水位三指示灯水位四指示灯水位五指示灯溢出指示灯亮灭灭灭灭灭K31、K32接通水位一指示灯水位二指示灯水位三指示灯水位四指示灯水位五指示灯溢出指示灯亮亮灭灭灭灭K31K33接通水位一指示灯水位二指示灯水位三指示灯水位四指示灯水位五指示灯溢出指示灯亮亮亮灭灭灭K?1K34接通水位一指示灯水位二指示灯水位三指示灯水位四指示灯水位五指示灯溢出指示灯亮亮亮亮灭灭K

46、3iK35接通水位一指示灯水位二指示灯水位三指示灯水位四指示灯水位五指示灯溢出指示灯亮亮亮亮亮灭水位一水位二水位三水位四水位五溢出K3iK36指示灯指示灯指示灯指示灯指示灯指示灯接通亮亮亮亮亮亮测试结果分析：当微动开关被逐一接通时，水位指示灯逐渐被点亮，因为水位指示灯是共阳接法，当某一微动开关被接通时，对应输出为低电平，送至对应水位的指示灯阴极，因此该水位指示灯亮，代表了当前的水位高度。4.3电磁阀控制情况将预置水位分别设置在水位一至水位五的位置，再通过拨动触点开关波禽K35,观察继电器Ji动作和指示灯LED的状态，将测试结果填入表4.3中。表4.3电磁阀控制功能测试结果预置水位位置实际水位位

47、置继电器Ji状态指示灯LEDi状态水位一水位一吸合亮水位一断开灭水位二水位二吸合亮水位二断开灭水位二水位三吸合亮水位三断开灭水位四水位四吸合亮水位四断开灭水位五水位五吸合亮水位五断开灭注：LEDi显示绿色时，Ji吸合，表示电磁阀开始工作；LEDi灭时，Ji断开，表示电磁阀停止工作。进水状态时如果溢出信号有效（低电平），LEDi则显示红色，并强行控制Ji断开,停止电磁阀工作。测试结果分析：当开关处于进水状态时，只要当前水位低于预置水位，则继电器就会吸合，电磁阀电路会接通，电磁阀开始工作，若是当前水位大于预置水位或是产生了溢出信号，继电器均会断开，电磁阀将会停止工作。4.4温度传感器情况调节电位器

48、R,使R4+R5=100Q119.40Q,模拟铝电阻温度在050C围变化。 测量电桥输出电压Uii、Ui2及测量放大器的输出电压uo,将测试结果填入表4.4中。表4.4温度传感器电路测试结果温度设置（C）01020304050R+R5(Q)100103.88107.76111.64115.52119.40U11(mV9.99110.38210.77111.15211.54111.985U12(mV9.9929.9929.9929.9929.9929.992Uo(V)0.020.7821.8872.8113.7554.997测试结果及误差产生的原因进行分析：根据上述表中的数据可知，温度传感器的电

49、阻变化基本上与输出电压呈线性关系，且电位器在模拟的围变化时，输出的电压刚好能在05V之间变化，但是，上述测得的数据和理论计算比较起来还是有误差，这是在由如下几点原因造成：（1）所选电阻是有精度等级的，因此在电桥中不可能匹配得非常好；（2）在调节电位器时，电位器也是有精度等级的；（3）由于电路的级联，因此会产生负载效应，且随着电路中电流的加大而变得明显；（4）测量的电压表的显示位数有限，因此会存在读数上的取舍。4.5 A/D转换电路情况按预置/加热按键K,使其处于加热状态，LED显示绿色，电路工作在加热状态。此时调节电位器R,使R4+R5=100Q119.40Q,观察A/D转换电路输出变化情况，

50、将测试结果填入表4.5中。表4.5A/D转换电路及数码管显示电路测试结果实际温度（C）01020304050R+R5(Q)100103.8107.7111.64115.52119.4086A/D转换电路输出000000000010100001100000100011111100000011111111测试结果及误差产生的原因分析：根据上述测试的情况可以知道，AD转换器具有将05V的电压转换成八位二进制码的能力，随着模拟电压的增大，AD转换电路的输出二进制码增大，当电压为5V时，AD输出为11111111,但是，AD转换与理论计算有误差，这是因为在电路中，输出的模拟电压存在误差，且电路存在负载效

51、应，并且AD转换时，由于每次转换的电压不刚好为二进制所对应的模拟电压，因此，在AD转换时也存在取舍问题。4.6温度预置情况按预置/加热按键K,使其处于预置状态，LED显示红色， 电路工作在温度预置状态。此时，按动脉冲按键K,则产生单个脉冲，数码管依次显示数字0050,表示可预置的温度围在0c50c之间。仿真结果正确。4.7加热器控制情况将预置温度分别设置在10、20、30、40和50C,再通过调节电位器R,观察数码管显示的数字变化、继电器J1动作和指示灯LED的状态，将测试结果填入表4.7中。表4.7加热器控制功能测试结果预置温度（C C）实际温度（C C）继电器 J1J1 状态指示灯LEDL

52、ED（绿色）状态1010断开灭2020断开灭3030断开灭4040断开灭5050断开灭测试结果进行分析：当开关处于加热状态时，只要预置温度大于当前温度时，继电器吸合，加热器电路接通开始工作；如果预置温度等于或低于当前温度时，继电器断开，加热器电路断开，加热器不工作；如果水位低于下限水位，无论电路状态如何，继电器均会断开，加热器不工作。实验总结本次实验完成的任务是家用热水器的设计。家用热水器控制器分为两个部分，一个部分是进水控制器，另一部分是温度控制器。两个控制器分别完成进水控制任务和加热控制任务。在进水控制器中，水位分为五个档，分别表示五个水位高度，为了避免水位过高而溢出，在水箱最高位有个溢出检测开关，以监视水位是否到达溢出水位，为避免水位过低烧干水箱而引发事故，因此在水箱下限水位安装了下限检测开关，以检测水位是否低于下限。进水控制器中，可以对五个水位档进行任意设置，以达到所期望的水箱水位高度，当水箱中的水位高度设定之后，将状态选择开关选择至进水状态