我课程设计--简易纯净水加热控制电路.doc

简易纯净水加热控制电路1.概述1.1背景介绍电子线路课程设计是电子类专业学生的重要基础实践课，也是工科类专业的必修课。理论联系实际，提高和培养学生的创新能力，是本课程度目的。这些课程设计课从巩固和加强模拟电子技术.数字电子技术和高频电子线路课程的理论知识出发，要求学生掌握电子线路的一般设计方法了解电子产品研制开发的过程，学会了撰写课程设计总结报告，通过查阅手册和文献，我学会了独立分析问题和解决问题都能力，加强了我们的创新能力和创新思维训练。数字电子技术我们大多数人都用过饮水机，有些人可能对饮水机好很好奇，为什么饮水机会自动加热？为什么饮水机能指示它所处的加热状态？.今天这个课题将来探索这些问题。现今越来越先进的饮水机已经进入我们的生活，无论多么先进，但其原理是相通的。在众多品牌、型号饮水机产品中，归纳起来不外乎是温热、冰热、冰温热三种类型，冰热机又分半导体制冷饮水机和压缩机式制冷饮水机两种。决定买什么类型的饮水机，主要从饮水人数和制冷速度来考虑。就制冷速度而言，在制冷时间相同情况下，压缩机式制冷饮水同要比半导体制冷饮水机快得多，冰水供应量也比后者多。因此，压缩机式制冷饮水机适合饮水人数较多的场合，例如集团公司、事业单位、会议室、写字楼、办公室、酒吧、卡拉OK厅等。而人数不多的单位、宾馆客房和一般家庭等，选购半导体制冷饮水机就足够了。1.2原理综述电源电路直接从电网供电，通过变压器、整流电路、滤波电路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，整流电流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。控制电路由温度传感器AD590测得的水温并将温度转化为电压信号，传输给电压比较器进行比较，比较器一端提供一个参考电压，与转化来的电压比较，然后将比较结果给控制系统，也就是继电器，通过继电器的闭合来控制电热丝的加热，有二极管来显示加热状态温度检测控制显示电压比较加热 电源供电图2-1简易纯净水加热控制系统框图2. 系统总体方案设计2.1 方案的选取该方案电源电路将电网中的220V交流电转换成直流12V电压。稳压电路由三端稳压器实现，它只需很少的外围元件，电路简单且安全可靠。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。2.2简易纯净水电路的基本组成及原理2.2.1 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2-2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。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 图2-2简易纯净水加热控制电路的总体框图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。2.2 .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T50时，两根电阻丝都加热，电路处在加热状态， 50T100时，只有一根电阻丝工作，电路处在保温状态， T100时，两根电阻丝都不工作，电路完成加热，按下S键后，当50T100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。2.2.3 电源电路电源电路的原理图如图2-2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。1212VV0BridgeTTrans VinVoutGNDLM7812CV10uFC2470uFC147uFC3104C4D7220V图2-2 电源电路图桥式整流电路： 桥式整流电路由四个二极管组成。如图2-3示图2-3 桥式整流电路工作原理： 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：VRM=2(1/2)U22.2.4 水温监测和水温范围测量电路由AD590温度传感器将水温信号转化为电信号，计算得由温度传感器转化的电压，50度时对应的电压为3.23V，100度对应的电压为2.73V。电阻R1、R2、R3、R4组成的电路由+12V电压源提供电压，R3、R4是分压电阻，使通过比较器“+”的比较电压分别为2.23V和2.73V。当温度小于50度时，比较器AR1、AR2导通，继电器J1、J2闭合，电热丝L1、L2同时加热。同时AR1、AR2输入高电平，发光二极管D5,D6发光，显示加热状态。当温度大于50度小于100度时，比较器AR1截止，AR2导通，继电器J1开启，J2闭合，电热丝L2加热。同时AR1输入低电平，AR2输入高电平，发光二极管D6发光，显示保温状态。当温度大于100度时，比较器AR1 、AR2截止，继电器J1 、J2开启，电热丝都不加热。同时AR1、AR2输入低电平，发光二极管都不发光，既不保温又不加热。 开关S是快捷加热健，无论电路处于何种状态，按下开关，则电热丝L1、L2同时加热。图2-4 水温监测和水温范围测量电路 2.2.5 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。如图2-9所示。 图2-9 电阻丝开关和显示电路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，三极管导通饱和，可以将输入电流放大倍；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集电极，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，当两个灯同时亮的时候则为两个电热丝都在加热，而当一个灯亮的时候表示正处于一个加热状态，当按下开关时则一个灯亮一个灯灭，表示快速加热。由于继电器的驱动电流过大，需要加入限流电阻。 3.元器件选型及清单3.1电源电路主要器件：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。变压器：变压器是电子电路，以及电力系统中非常常见的器件，小到收音机，大到我们日常生活中大型电网，用来升压降压的电力变压器，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 =P2/P1*100%； 额定功率 P；3.2水温监测和水温范围测量电路主要器件温度传感器AD590：AD590是美国ANALO G DEV ICES 公司的单片集成两端感温电流源。 其主要特性如下： (1) 流过器件的电流(A) 等于器件所处环境的热力学温度(开尔文) 度数： Ir/T=1 (1) 式中，Ir流过器件(AD590) 的电流，单位为A；T热力学温度，单位为K； (2) AD590的测温范围为- 55+150； (3) AD590的电源电压范围为430 V，可以承受44 V正向电压和20 V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏； (4) 输出电阻为710 m； (5) 精度高，AD590在- 55+150范围内，非线性误差仅为0.3。图2-5 AD590原理图 图2-5 AD590原理图图2-6 AD590的封装及应用电路图集成运算放大器：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，如下图2-6表示集成运放的内部电路组成的原理框图。图2-6 集成运放的内部电路组成的原理框图如图2-6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。其代表符号如图2-7所示。输入输出传输特性如图2-8所示。-VT+图2-7 工作电流图 图2-8输入输出特性图继电器：工作原理和特性 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：线圈消耗功率：0.20.5V电压:12V电流:30mA最大允许电压：18V共5个引脚，4接电源，5接地，1脚是开关公共端1、2是常闭开关，1、3是常开开关发光二极管发光二极管原理：发光二极管是由-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m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 3.3元器件清单 符号类别数目R12.28K1R12,R1310K2 R22.94K1R10，R111K2R14,R15 电阻丝2U1LM78121D3,D4二级管IN41482D5,D6LED2T1,T2三极管90132J1,J2继电器JQX-4F-12V2AR1AD5901S按键开关1TTRANS11C1470UF1C2,C40.1UF2C347UF1DBRIDGE11U1,U2LM3242U3MC78L12CP1心得与体会本周我们进行了为期一周的课程设计，时间虽短，但其中需要学的东西可真不少。首先，想要做出一个实用的工程产品真的不是很容易，扎实的基本功是必需的，不然给你一个设计要求，你即使知道要设计什么，却也不知道往哪方面去考虑，这个是做设计最头疼的事。其次，要知道怎么查资料，这次课程设计虽然简单，但是却让我为查资料花去了好大一部分时间。我们这次的课题是设计简易纯净水加热控制电路，网上以及图书馆的许多资料书上都有，我也下了有一些，但我却没有照他们的思路去做。因为我觉得这是我第一次做这样的任务，一定要拿出自己的特色来，不然这次照人家的去做，下次就还会这样做，有了依赖心理，对自己以后的发展没有太大的好处，并且这样的机会难得，一定要好好把握。毕竟是第一次做，刚开始免不了会有些手忙脚乱，没有针对性。不知道自己到底该干些什么，查些什么资料，找到了资料却不知道该查元器件的哪些方面。后来，去图书馆查到了一些相关资料，才逐渐融入了角色。慢慢地，我能去网上查找书上介绍的不太清楚的东西以及忘记的知识点，同时也找到了相关的设计，参观了别人的设计，感觉自己想的还不够周到。然后就是用protel画出图形，感觉还挺好，毕竟是自己独立完成的，感觉很高兴，很有成就感。再次，应该学会团队协作。我们是六个人一组，共同设计一个课题，如果大家分工明确的话，将会起到事半功倍的效果。去年暑假，大三的学生参加全国大学生电子设计竞赛，我们几个有幸跟着他们学习，当时没觉得有什么。他们是三个人一组，一人负责软件的设计，一人负责硬件设计，还有一人负责最后的整理工作，三人只有按自己最擅长的方面分工，才能设计出最好的作品。现在想想确实是，一个人的能力再强，如果不能与别人团结协作，也不一定能设计出好的作