自动温奶器电路设计

燕山大学课程设计报告 0 电气工程学院 课程设计说明书 设计题目设计题目 自动温奶电路设计自动温奶电路设计 系系 别别 电气工程系电气工程系 年级专业年级专业 检测一班检测一班 学学 号号 131203021001131203021001 学生姓名学生姓名 顾春阳顾春阳 指导教师指导教师 崔 建 新 教师职称教师职称 讲 师 电气工程学院电气工程学院 课程设计课程设计 任务书任务书 燕山大学课程设计报告 1 课程名称 测控仪器电路设计 基层教学单位 仪器科学与工程系 指导教师 崔建 新 学号131203021001 学生姓名顾春阳 专业 班级 检测一班 设计题目自动温奶器电路设计 设 计 技 术 参 数 保持恒温 40 度 设 计 要 求 1 传感器的选择 2 测量电路 3 放大电路 4 电源电路设计 参 考 资 料 1 传感器原理 2 测控电路 3 新编传感器设计手册 赵宝贵主编 中国计量出版社 2002 年 周次第 前半 周第 后半 周 应 完 成 内 容 周一 周二 收集资料及方案论证 周三 参数 仪器选择 周四 系统布局设计 周五 绘图撰写设计说明书 燕山大学课程设计报告 2 指导教 师签字 崔建新 基层教学 单位主任 签字 说明 1 此表一式三份 系 学生各一份 报送院教务科一份 摘要 随着科学技术的发展 人们的生活节奏加快 人们对婴幼儿的养 育时间减短 同时对婴糼儿养育的要求不断变高 需求变得越来越多 种多样 研究一种婴儿全自动热奶器 只要将奶瓶放入热奶器内 热 奶器就会自动加热 并且使奶瓶保持在恒温状态 从而省去了要热奶 的麻烦 给父母亲提供了很大的便利 该简易自动温奶器还能同时用 于对饮料 饭菜等的保温 对日常生活也有很大的帮助 通过利用 NE555 振荡器对电路进行延时 控制使之保持温度 热敏电阻器对温 度进行监测 保证装置维持恒温 电源电路对电源稳定有作用 关键词关键词 NE555 振荡器 加热 温控 燕山大学课程设计报告 3 目录 摘要 1 第一章 绪论 3 1 1 设计背景 3 第二章 设计方案 4 2 1 自动温奶器功能 4 2 2 产品装置的意义 4 2 3 自动温奶器工作原理 4 2 4 元器件选择和制作 6 2 5 温奶器装置框图 7 2 6 单元电路图 7 2 7 整体电路图 12 第三章 结论 13 第四章 参考文献 14 第五章 心得体会 15 燕山大学课程设计报告 4 第一章 引言 随着时代的进步 生活节奏的加快与对待婴幼儿的养育问题同时 更加重视的问题之间的矛盾 促使我来研究婴幼儿牛奶加热问题 由 于婴儿的消化系统的脆弱 使得婴儿有了少吃多餐的特性和对待食物 的温度有着严格的要求 婴儿奶粉冲泡要求是 30 40 而婴儿对 食物最易接受的温度是 28 这就给很多上班族家庭带来了很多的 麻烦 为了给人民生活带来最大的便利 而研制了一种给婴儿奶瓶自 动加热的婴儿奶瓶自动加热器 来迎合各种家庭和需要 1 1 设计背景 现今在国内市场上的婴儿奶瓶自动加热器多为纯连续加热或者是 只是一次性加热报警的加热器 根据现在人们的需求 决定研制一种 即可一次性加热 又可连续加热的加热器 也就是在原有的连续加热 器上加上温控报警系统 又不改变可连续加热的功能 婴儿奶瓶自动加热器具有以下特性 1 科学性 该项目使用了组合式发明法 它把生活中的温控电 路与普通加热器有效地组合起来 它的设计合理 构思新颖 科学性 强 2 创新性 婴儿奶瓶自动加热器是加热器和温控电路相结合改 制成的 它集于普通加热器和温控电路于一体 使普通加热器的原有 功能扩大 实用性增强 能够长时间的保持一定的温度 3 实用性 婴儿奶瓶自动加热器具有双重功能 即可当普通加 热器使用 又可以长时间保温 它比普通加热器使用更方便 更实用 更科学 它价格低廉 使用方便适用于各种类型的家庭 燕山大学课程设计报告 5 第二章 设计方案 2 1 自动温奶器功能 自动温奶器可以对奶瓶进行加热 保温通过设定温度 温奶器自 动加热奶瓶使奶瓶达到设定的温度 保持奶瓶的恒温 使用方便简洁 使用普通电热杯和本文介绍的自动温奶控制器 可对婴儿奶瓶进 行自动加热 他是年轻父母亲的得力助手 2 2 产品装置的意义 自动温奶器是电子科学发展的产物 是对电路设计 系统组合 和优化的理解所设计出的电子电路 具有广泛的意义 我们在理解温 奶器工作原理的同时 根据设计要求和设计参数 分析各部分电路的 作用 整合电路就得到了整个系统 自动温奶器极大的方便了人们的 日常生活 也应为人们生活的需求 促进了电子科学的发展 从而有 更多的满足方便的电子产品问世 2 3 自动温奶器工作原理 自动温奶控制器的线路如图所示 它由温度传感器 单稳态触发 器和电源电路等几大部分组成 温度控制装置由以下几部分组成 变压器将 220V 交流电变成低 压交流电 同时也起到绝缘隔离作用温度传感器固定在温度控制装置 中 给加热丝通上交流电 给加热体加热 燕山大学课程设计报告 6 自动温奶器电路示意图 单稳态触发器由 NE555 时基集成电路构成 热敏电阻 RT 用作温 度传感器 当电热杯内的水温较低时 热敏电阻器 RT 表现阻值较大 调节电位器 RP 可是时基集成块触发端第 2 脚的的电平低于 1 3 电源 电压 指集成块 A 的供电电压 VDD 单稳电路出发翻转进入暂态 电路置位 输出端第 3 脚输出高电平 继电器 K 通电吸合 其常开接 点 K 1 闭合 插在 X 里的电热杯通电加热 同时发光二极管 LED 点亮 发光 指示温奶器处于加热工作状态 这时集成块内部放电管截止 第 7 脚被悬空 电源通过 R2 向电容 C1 充电 使阈值端第 6 脚电平不 断升高 约经 t 1 1R2C1 30s 时 6 脚电平可上升到 2 3 电源电压 如这时水温仍然较低即第 2 脚电平仍低于 1 3 电源电压 电路则保持 位置状态不变 电热杯继续加热 如此时水温已达到预定温度 如 28 因 RT 水温度升高而下降 这时 2 脚电平已高于 1 3 电源电压 时基电路即复位亦即单稳态触发器翻转进入稳定态 第 3 脚输出低电 平 继电器 K 失电释放 接点 K 1 跳开 插座 X 停止对外送电 电热 杯就停止加热 同时加热器指示灯熄灭 此时 集成块内放电管导通 第 7 脚对地短接 所以 C1 储存的电荷就通过第 7 脚泄放可为下次加 热做延迟准备 此时如果长时间不取用奶瓶 杯内温度就会逐渐下降 当温度降至 40 以下时 由于 RT 阻值变大 集成块的第 2 脚电平又 降至 1 3 电源电压以下 时基电路再次置位 电热瓶又通电加热 燕山大学课程设计报告 7 如此反复循环 放在电热杯内加温的奶瓶就能保持恒温 调节电位器 RP 的阻值 可以改变奶瓶恒温温度的高低 整机电源由变压器 T 降压 二极管 VD2 VD5 桥式整流和电容 C2 滤波供给 由于奶瓶恒温不要求很高的精度 所以不必对电源进行稳 压 2 4 元器件选择与制作 A 可选用 NE555 时基集成电路 VD1 用 1N4148 型硅开关二极管 VD2 VD5 可用 1N4001 型硅整流二极管 LED 用普通圆形红色发光二 极管 RP 最好采用 WSW 有机实芯微调可变电阻器 Rt 为负温度系数热 敏电阻器 R1R2 伟碳膜电阻器 K 为微小型中功率继电器 C1C2 为 电解电容器 T 为小型电源变压器 温度传感器探头需做适当的加工 如图示 用塑料软解衔接好热敏电阻 Rt 连接点处要套上绝缘线管 然 后再用环氧树脂将整个热敏电阻器与焊接点统统密封起来 经过这样 的的处理后 热敏电阻器就不怕水的侵蚀了 全部元件安装好后就需 要对控制温度进行调整 调整时现将微调继电器 RP 至于阻值最小的 位置 接好热敏电阻器连接导线 将热敏电阻器至于杯中 在杯内放 燕山大学课程设计报告 8 置一支温度计 向杯内加入热水 眼睛注视温度计的温度变化 当温 度达到 40 时即停止加热 然后用小起子逐渐调大 RP 当调至某一 位置时 可听到继电器 哒 一声吸和响声 同时发光二极管 LED 点 亮发光 将 Rp 至于此位置不变 在向杯内加冷水 使温度低于 40 摄 氏度 约过 30s 后 又能听到继电器 哒 一声的释放声 同时 LED 熄灭 如延时时间太长 远大于 30s 可以适当减小 R2 或 C1 的数值 反之则加大 再向杯内加热水 使水温升高到 40 摄氏度 如能又听 到继电器响声 同时 LED 发光 表示 RP 的阻值已经调好 否则需要 重调 RP 务必使之达到上述的要求 调好后可以用火漆封固 RP 防 止其阻值变化 2 5 温奶器装置框图 装置框图 2 6 单元电路图 A 热敏电阻温度传感器 原理如下 通过测温部分对水温进行测量的测量值与给定值在比较部分进行 比较 利用比较过后的输出值对加热部分进行控制 从而实现对水温 的控制 测温电路 一个 1K 的热敏电阻及控压电阻组成 水温改 变热敏电阻的电阻值 从而改变 R12 电阻下端点电压 实现模拟信号 燕山大学课程设计报告 9 向数字信号的转变 比较电路 主要由 4 个比较运算放大器 1K 的可控电阻及控 压电阻组成 通过运放对测温部分的输出电压和设置电压的比较所输 出的电平来控制报警电路和控制电路 VCC 与地间串联的电阻为温度 设置电阻 通过从中取得电压获得温度比较点 报警电路 由一个与门 红绿 LED 和限流电阻组成 由比较部分 输出的电平在与门进行逻辑运算 从而实现报警灯的设计 U1 为 40 温度比较 当水温低于 40 热敏电阻上端电压高于设置电压 则输出低电平 通过与门输出低电平后红灯发光 U3 为 70 温度比 较 当水温高于 70 热敏电阻上端电压低于设置电压则输出低电 平 通过与门输出低电平后红灯发光 当水温高于 40 低于 70 则 U1 和 U3 都输出高电平 通过与门输出高电平后绿灯发光 由此实 现电路报警 控制电路 由晶闸管 加热器和限流电阻组成 由比较部分输出 的电平控制晶闸管的开断 从而实现对加热器工作状态的控制 同上 对 U2 而言 当水温高于 50 热敏电阻上端电压低于设置电压 则 输出低电平 三极管 D1 断开 H2 停止工作 当水温低于 50 热敏 电阻上端电压高于设置电压 则输出高电平 三极管 D1 导通 H2 开 始工作 同理 U4 亦是如此 B 单稳触发器 NE555 引脚图 燕山大学课程设计报告 10 单稳电路 555 时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片 上的组合集成电路从 NE555 时基电路的内部结构电路图 图 4 1 2 中 可看到 VTl VT4 VT5 VT7 组成上比较器 Al VT7 的基极电位接在 由三个 5k 电阻组成的分压器的上端 电压为 1 3VDD VT9 VT13 组 成下比较器 A2 VTl3 的基极接分压器的下端 参考电位为 1 3VDD 在电路设计时 要求组成分压器的三个 5k 电阻的阻值严格相等 以便给出比较精确的两个参考电位 1 3VDD 和 1 3VDD VTl4 VTl7 与 一个 4 7k 的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路 VTl8 VT21 组成一个推挽式功率输出级 能输出约 200mA 的电流 VT8 为复位放 大级 VT6 是一个能承受 50mA 以上电流的放电晶体三极管 双稳态 触发电路的工作状态由比较器 A1 A2 的输出决定 NE555 电路的工作过程如下 当 2 脚 即比较器 A2 的反相输入 端加进电位低于 1 3VDD 的触发信号时 则 VT9 VTll 导通 给双稳 态触发器中的 VTl4 提供一偏流 使 VTl4 饱和导通 它的饱和压降 Vces 箝制 VTl5 的基极处于低电平 使 VTl5 截止 VTl7 饱和 从而 燕山大学课程设计报告 11 使 VTl8 截止 VTl9 导通 VT20 完全饱和导通 VT21 截止 因此 输出端 3 脚输出高电平 此时 不管 6 端 阈值电压 为何种电平 由 于双稳态触发器 VTl4 VTl7 中的 4 7k 电阻的正反馈作用 VTl5 的基极电流是通过该电阻提供的 3 脚输出高电平状态一直保持到 6 脚出现高于 1 3VDD 的电平为止 当触发信号消失后 即比较器 A2 反相输入端 2 脚的电位高于 1 3VDD 则 VT9 VTll 截止 VTl4 因无 偏流而截止 此时若 6 脚无触发输入 则 VTl7 的 Vces 饱和压降通过 4 7k 电阻维持 VTl3 截止 使 VTl7 饱和稳态不变 故输出端 3 脚 仍维持高电平 同时 VTl8 的截止使 VT6 也截止 当触发信号加到 6 脚时 且电位高于 1 3VDD 时 则 VTl VT2 VT3 皆导通 此时 若 2 脚无外加触发信号使 VT9 VTl4 截止 则 VT3 的集电极电流供给 VTl5 偏流 使该级饱和导通 导致 VTl7 截止 进而 VTl8 导通 VTl9 VT2 都截止 VT21 饱和导通 故 3 脚输出低电平 当 6 脚的 触发信号消失后 即该脚电位降至低于 1 3VDD 时 则 VTl VT2 VT3 皆截止 使 VTl5 得不到偏流 此时 若 2 脚仍无触 发信号 则 VTl5 通过 4 7k 电阻得到偏流 使 VTl5 维持饱和导通 VTl7 截止的稳态 使 3 脚输出端维持在低电平状态 同时 VTl8 的 导通 使放电级 VT6 饱和导通 通过上面两种状态的分析 可以发现 只要 2 脚的电位低于 1 3VDD 即有触发信号加入时 必使输出端 3 脚为高电平 而当 6 脚的电位高于 VDD 时 即有触发信号加进时 且同时 2 脚的电位高于 2 3VDD 时 才能使输出端 3 脚有低电平输出 4 脚为复位端 当在该脚加有触发信号 即其电位低于导通的饱和压 降 0 3V 时 VT8 导通 其发射极电位低于 lV 因有 D3 接入 VTl7 为截止状态 VTl8 VT21 饱和导通 输出端 3 脚为低电平 此时 不管 2 脚 6 脚为何电位 均不能改变这种状态 因 VT8 的发射极通 过 D3 及 VTl7 的发射极到地 故 VT8 的发射极电位任何情况下不会比 1 4V 电压高 因此 当复位端 4 脚电位高于 1 4V 时 VT8 处于反偏 状态而不起作用 也就是说 此时输出端 3 脚的电平只取决于 2 脚 6 脚的电位 根据上面的分析 NE555 时基电路的内部等效电路可简化为如 图所示的等效功能电路 显然 555 电路 或者专 556 电路 内含两个 比较器 A1 和 A2 一个触发器 一个驱动器和一个放电晶体管 两个 比较器分别被电阻 R1 R2 和 R3 构成的分压器设定的 1 3VDD 和 燕山大学课程设计报告 12 2 3VDD 参考电压所限定 为进一步理解其电路功能 并灵活应用 555 集成块 下面简要说明其作用机理 从图可见 三个 5k 电阻 组成的分压器 使内部的两个比较器构成一个电平触发器 上触发电 平为 1 3VDD 下触发电平为 1 3VDD 在 5 脚控制端外接一个参考电 源 Vc 可以改变上 下触发电平值 比较器 Al 的输出同或非门 l 的 输入端相接 比较器 A2 的输出端接到或非门 2 的输入端 由于由两 个或非门组成的 RS 触发器必须用负极极性信号触发 因此 加到比 较器 Al 同相端 6 脚的触发信号 只有当电位高于反相端 5 脚的电位 时 R S 触发器才翻转 而加到比较器 A2 反相端 2 脚的触发信号 只有当电位低于 A2 同相端的电位 1 3VDD 时 R S 触发器才翻转 C 电源电路 电子电路中的电源一般是低压直流电 所以要想从 220 伏市电 变换成直流电 应该先把 220 伏交流变成低压交流电 再用整流电 路变成脉动的直流电 最后用滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分 后才能得到直流电 有的电子设备对电源的质量要求很高 所以有 时还需要再增加一个稳压电路 因此整流电源的组成一般有四大部分 见图 1 其中变压电路其实就是一个铁芯变压器 需要介绍的只是 后面三种单元电路 燕山大学课程设计报告 13 2 7 整体电路图 燕山大学课程设计报告 14 第三章 结论 自动温奶器使用方法如